北斗卫星导航试验验证系统设计与实现

北斗卫星导航试验验证系统设计与实现

周峰

身份证号码231004198604022418

摘要：北斗是一个规模巨大、星地耦合紧密、建设周期长、技术状态处于动态演化过程中的大型系统。系统面临着核心技术体系的复杂性、高网络传输密度、高稳定运行的困难，对系统的检测与验证提出了更高的要求。本课题针对我国北斗卫星导航系统，从设计测试、星地对接、当量运转三个层面，研究北斗卫星导航系统在全系统、全尺度、全要素上的测试与验证体系结构。该系统是目前国际上仅有的一种可与实际系统同步演化、并可与实际系统协同工作的试验与验证系统。对其它空间飞行任务的试验与验证也具有一定的借鉴意义。

关键词:北斗卫星导航;试验验证系统设计;实现

1卫星系统性能评估软件系统设计

1.1空间信号性能模块

空间讯号准确度空间讯号准确度包含使用者的距离误差、使用者的距离比率以及使用者的量测加速误差。可以用Z采用分割法估价。在此基础上，利用SISRE中给出的公式，仅需要输入预计轨精度和钟差精度，即可得到URE的数值。这是一种比较传统的评价模型。采用网格方法对土地利用效率进行评价。在此基础上，利用网格点集来仿真地面站的位置，并将预报的卫星轨迹、钟差等信息投射到地面站上，从而得到URE值。Z利用所测得的资料对URE进行了评价。在此基础上，将卫星信号与卫星信号进行线性化以去除电离层、对流层、多路径、接收信号等干扰，并将剩余的卫星信号与卫星信号在视距上的投射信息相结合，得到卫星信号之间的关系。

1.2服务性能模块

其中，服务效能模组包含了使用者的定位、导航及计时效能评价。在GPS的定位能力评价方面，利用双C/A编码实现伪距离的单点定位，利用GPS的KlobucharS参数对电离层的误差进行修正；在北斗卫星通信中，利用B1I伪距离观测数据进行单频率、单点定位，以及利用B1I卫星传播的B1IKlobuchar8参数修正电离层模式，是北斗卫星通信中亟待解决的问题。尽管北斗星历数据与GPS数据基本相同，但是，由于北斗GEO卫星的离心度、轨道倾角等因素，在拟合时需要对其进行修正，使得其解算方式也随之改变。

1.3卫星钟稳定度评估模块

星载钟差的主要指标有：频率准确度、频率漂移率和稳定度。针对在轨卫星，利用双程时间比对和精密测轨等方法获取的钟差信息，实现对在轨卫星钟差的评价。原子钟自身的不正常波动以及极端的实验条件（比如断电）会给实验结果带来很大的偏差。如果粗差过大，则与理想值有很大的偏差。

2北斗系统试验验证设计分析

2.1系统总体架构设计

在此基础上，提出了一种基于北斗卫星导航定位的信息融合方法，并对其进行了深入研究。在此基础上，提出了在实际情况下，对北斗各大系统及太空环境进行了模拟；其中，模拟特性模块是实现对试验平台与外部界面的集成控制与管理，从而实现模拟系统的正常运转。其中，系统工程属性模块对北斗系统空间、地面空间、用户空间以及互联空间的特征进行了等效映照与抽象整合。主要包含了系统的各种软硬件模拟器，它们包含了卫星导航系统的功能性能，对卫星星座和地面的空间环境传播特性进行了模拟，对系统之间的界面关系进行了准确的描绘，对系统之间的动态运行环境进行了构造，并在硬件层上实现了真实性和可信度，同时还可以在软件层上进行了灵活扩展。本文将其分成两个部分：一个是工程建模，另一个是环境模拟。在仿真测试属性模块中，它可以完成系统的整体运行测试、信号与信息交互、综合调度和性能评估等功能。

2.2系统总体设计思想

本项目针对我国北斗卫星导航系统的实际测试与验证工作，拟从5个方面开展研究，为我国北斗卫星导航系统的地面试验与验证提供独特的设计思路，并为我国北斗卫星导航系统的建设提供技术支撑。本项目的研究思路是：（1）建立一个具有现实意义的柔性工程模型。重点研究全体系结构的准确等值关系，突破多学科多因子模拟方法的创新性，解决建模的真实化和柔性问题。(2)准确的动力学性能仿真与传递。围绕“星地”“星地”“地地”三种不同空间环境下的模拟传播”这一核心问题，在不同类型的试验模拟中，在动力学模拟方面取得创新性成果，解决系统动力学模拟中的难题。(3)对全体系及全流程进行仿真分析。重点研究全时态对等与系统之间的真实界面关系与操作流程，在星地融合网络的验证与控制方面取得突破，解决星地一体化管理难题。(4)一种分散的、外部的互联界面。重点研究在轨实基系统与地基系统的协同运行、监测与评估，在多功能融合验证方面取得创新，解决模拟与实际系统的长距离连接问题。(5)一种渐进式状态进化的体系结构。在此基础上，力争使该系统在结构、功能、性能上与北斗系统同步演化，在状态演化可伸缩性等方面取得突破，以解决该系统的规模、成本等问题。

3北斗试验系统的实现

3.1系统基本组成

地面测试验证系统的构成涵盖了具有代表性的空间段、地面段、用户段等主体系统，包含了北斗运营系统的完整接口和业务关系，一共包含了11个子系统。在此基础上，提出了空间分系统、操作控制系统、测量控制系统、星间链路操作管理系统、应用终端系统、全局模拟系统等几个子系统的概念。代表测试验证属性的子系统，主要有：环境段仿真子系统、控制和综合支持子系统、性能评估软件、信息管理系统软件和复杂电磁环境子系统。

3.2系统仿真试验能力

(1)对北斗业务进行测试，对北斗业务的几种业务（导航时间业务，卫星业务，全球短信业务）及运行方式（常态与非常态）进行了验证。(2)对我国北斗卫星导航系统中的关键技术进行系统的测试与验证。该系统可对系统的星间链路、精密定轨与时间同步、系统的差动与完整性、星地一体化的信息传递与处理等进行检测与校验。(3)实现对北斗整个商业过程的仿真。该平台可以对系统中的数据流（信息流，控制流，时间流），星地星间校验（星间校验，伪距与载波相位，星地校验，星地钟差与伪距）进行数据传输（数据传输层，协议层，网络层，应用层）。星地一体化拓扑结构，链路规划，路由策略模拟，卫星交付，系统故障位置，故障诊断。(4)北斗卫星导航技术的发展和更新。本项目的研究成果将为我国北斗导航技术的发展提供重要的理论和技术支持。

3.3北斗系统卫星自主完好性功能的工程对接试验验证

本项目拟以“虚拟-现实”相结合的方式，构建基于虚拟-现实相结合的实验平台，通过虚拟-现实两种方式，构建虚拟-现实的实验平台。其重点是对人造卫星自治完好性处理函数及程序的正确进行。通过对卫星的伪距、载波相位、信号功率、调相、调频等信息的连续检验，对报警时刻等信息进行检验，并对整个预警过程进行全程监控。试验结果显示，非独立的卫星完好性，如：功率测量、伪距测量、载波相位测量、卫星钟跳频和卫星钟跳相位测量等，均能以1秒的时间间隔进行正常的数据更新。该方法的优点是：在测频过程中，伪距离的测频噪音高于7厘米，相位的测频噪音高于5毫米，测频的测频精度高于0.1分贝。

4结语

本项目将在方案设计、集成对接、等效运行等环节上进行综合论证，为我国北斗系统的长期发展提供坚实的技术支持，推动我国空间科学研究水平的提高。在此基础上，本项目拟在新一代北斗系统中，通过对新一代北斗系统中的关键技术进行试验与验证，形成一个可在全球范围内使用的、可共享的、开放式的试验平台。

参考文献：

[1]刘双庆,尤秋菊,郑建春.浅谈加强城市燃气安全管理[J].城市管理与科技,2022,23(04):39-41.

[2]丁其金.北斗机载设备RAIM性能符合性验证技术研究[D].中国民航大学,2019.

[3]周仁宇.北斗试验卫星系统服务性能初步分析[D].武汉大学,2018.