一种导航星座卫星备份方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102540197 A (43)申请公布日 2012.07.04 CN 102540197 A *CN102540197A* (21)申请号 201110337755.7 (22)申请日 2011.10.31 G01S 19/03(2010.01) (71)申请人 北京空间飞行器总体设计部 地址 100094 北京市海淀区友谊路 104 号 (72)发明人 刘家兴 崔小准 董海青 李鹏 米红 刘崇华 陈忠贵 (74)专利代理机构 中国航天科技专利中心 11009 代理人 安丽 (54) 发明名称 一种导航星座卫星备份方法 (57) 摘要 一种导航星座卫星备份方法。本发。

2、明提出了 一种基于系统连续性、 可用性风险的导航星座卫 星备份方法， 该方法采用卫星理论模型与在轨数 据相结合、 在轨备份策略与地面备份策略相结合 的方式， 通过充分评估星座卫星工作可靠度、 中断 服务概率、 中断时间， 及其对系统服务带来的冲 击， 生成面向导航星座服务性能的卫星备份策略。 本发明方法区分星座延长寿命的不同情况， 综合 运用在轨备份策略和地面备份策略， 确保实现用 户对导航星座服务精度、 连续性、 可用性的要求， 并且较好地控制了导航星座的建设和维护成本。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 7 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)。

3、发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 7 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 一种导航星座卫星备份方法， 其特征在于步骤如下 ： (1) 按照卫星可靠性模型计算星座寿命末期各颗在轨卫星的可靠度其中 i 1， 2， .， N 为在轨卫星编号， N 为组成导航星座的在轨卫星总数 ； (2) 设定各颗在轨卫星的可靠度门限和其中为卫星一类可靠度门限， 其 值设置为星座系统用户提出的星座寿命末期的卫星可靠度指标要求 ；为卫星二类可靠 度门限， 其值设置为卫星可靠度变化曲线上与星座原寿命末期的卫星可靠度指标要求对应 的点开始沿可靠度曲线向时间轴负方向移动延寿时间后的点对应的可靠度 ； (3) 统计。

4、各在轨卫星在轨工作期间的月均中断频度以及各在轨卫星月均中断时间 (4) 设置各在轨卫星在轨工作期间的月均中断频度门限以及各在轨卫星的月均中 断时间门限 (5)设置导航星座可用性门限， 其中PDOP为位置精度因子， A为服务可用性， PDOPth为位置精度因子门限， Ath为服务可用性门限，代表满足 PDOP PDOPth条 件的服务可用性门限 ； (6) 如果确知没有星座延寿需求， 则通过统计和运算找到符合或或 的卫星 j， j 1， 2， .， M， M 为符合上述要求的卫星总数 ； 计算当星座不含该 M 颗 卫星时， 是否满足如果不满足， 需要补充备份卫星， 使得当星座不含 该 M 颗卫星。

5、时满足 (7) 如果用户有星座延寿需求但延寿时间尚未确定， 先执行步骤 (6)， 然后考虑补 充备份卫星后的星座预计延寿时间， 同时按照步骤 (2) 重新确定如果存在满足 的卫星， 则需要补充备份卫星 ； (8) 如果用户有星座延寿需求且延寿时间确定， 则根据延寿时间重新确定通过统 计和运算找到符合或或的卫星 j， j 1， 2， .， M， M 为符合上述 要求的卫星总数 ； 计算当星座不含该 M 颗卫星时， 是否满足如果不 满足， 需要补充备份卫星， 使得当星座不含该 M 颗卫星时满足 权 利 要 求 书 CN 102540197 A 2 1/7 页 3 一种导航星座卫星备份方法 技术领域。

6、 0001 本发明涉及导航星座， 特别是一种导航星座卫星的备份方法。 背景技术 0002 导航星座是指由多颗导航卫星构成的、 实现了特定的空间几何构型、 用于提供导 航与定位相关服务的卫星系统。导航星座的突出特点是多颗卫星协同工作， 服务的质量取 决于各颗卫星的性能、 卫星的数量和空间分布。 0003 在卫星在轨运行、 提供服务的过程中， 为了维持自身轨道， 需要对卫星实施轨道机 动操作 ； 另外， 卫星受自身部件或组件寿命和可靠性的制约， 以及遭受恶劣多变的空间环境 的影响， 卫星会出现短期故障 ( 可恢复的故障 ) 或长期故障 ( 不可恢复的故障 )。轨道机动 和卫星故障会导致卫星服务的中。

7、断甚至终止， 区别是前者可以预测、 风险较小， 后者不可预 测、 风险不明确。因此， 为了保证星座向用户提供连续、 稳定、 高质量的服务， 星座需要结合 实际情况采用卫星备份策略。 0004 星座卫星备份策略主要包括以下几种 ： 内在冗余备份策略， 在轨备份策略， 停泊轨 道备份策略， 地面备份策略， 软备份策略， 星座重构策略。 上述备份策略除地面备份策略外， 统称为空间备份策略。 0005 作为一种特殊的星座， 导航星座通常采用在轨备份策略、 地面备份策略或者两者 结合的方式。在轨备份策略将备份卫星部署在工作轨道内并处于工作状态， 能够保证备份 卫星快速替换服务中断卫星， 从而维持星座连续。

8、可靠的功能和性能， 而且在星座正常情况 下， 备份卫星能够增强导航星座的服务性能， 但是备份方式不够灵活 ( 仅针对特定卫星进 行备份 )。地面备份策略将备份卫星存储于地面， 当星座出现补网需求时进行发射， 备份卫 星可以定轨于相同类型的不同轨道上， 因此备份方式比较灵活、 便于控制星座使用寿命， 其 缺点是补网所需的时间很长 ( 几个月至几年 )。 0006 如何合理地选用星座备份策略是星座系统运营和维护的核心问题。 在目前星座备 份策略设计中普遍采用基于星座可靠度约束的计算方法， 例如 卫星星座理论与设计 ( 张 育林等， 科学出版社， 2008 年 9 月， 第一版 )、某星座可靠性与备。

9、份策略分析 ( 赵海涛， 中 国宇航学会飞行器总体专业委员会 2004 年学术研讨会 )、星座设计中的卫星备份策略与 置信度研究 ( 刘广军等， 装备指挥技术学院学报， 2005 年 2 月， 第 16 卷第 1 期 )。星座可 靠度用于在统计意义上衡量星座在寿命期内提供既定服务的可能性， 没有考虑星座卫星在 轨运行的实际情况， 也无法评估个别卫星的服务中断对星座性能的影响。 此外， 基于星座可 靠度的星座备份方法仅考虑星座整体的可靠性， 而忽略了单颗卫星的可靠性及失效风险。 发明内容 0007 本发明的技术解决问题是 ： 克服现有技术的不足， 提供了一种导航星座卫星备份 方法， 以系统服务连。

10、续性、 可用性为目标， 确保星座满足用户的实际应用需求以及延长星座 寿命的需求。 说 明 书 CN 102540197 A 3 2/7 页 4 0008 本发明的技术解决方案是 ： 一种导航星座卫星备份方法， 步骤如下 ： 0009 (1) 按照卫星可靠性模型计算星座寿命末期各颗在轨卫星的可靠度其中 i 1， 2， .， N 为在轨卫星编号， N 为组成导航星座的在轨卫星总数 ； 0010 (2) 设定各颗在轨卫星的可靠度门限和其中为卫星一类可靠度门 限， 其值设置为星座系统用户提出的星座寿命末期的卫星可靠度指标要求 ；为卫星二 类可靠度门限， 其值设置为卫星可靠度变化曲线上与星座原寿命末期的。

11、卫星可靠度指标要 求对应的点开始沿可靠度曲线向时间轴负方向移动延寿时间后的点对应的可靠度 ； 0011 (3) 统计各在轨卫星在轨工作期间的月均中断频度以及各在轨卫星月均中断 时间 0012 (4) 设置各在轨卫星在轨工作期间的月均中断频度门限以及各在轨卫星的月 均中断时间门限 0013 (5) 设置导航星座可用性门限， 其中 PDOP 为位置精度因子， A 为服务 可用性， PDOPth为位置精度因子门限， Ath为服务可用性门限，代表满足 PDOP PDOPth条件的服务可用性门限 ； 0014 (6) 如果确知没有星座延寿需求， 则通过统计和运算找到符合或 或的卫星 j， j 1， 2，。

12、 .， M， M 为符合上述要求的卫星总数 ； 计算当星座 不含该 M 颗卫星时， 是否满足如果不满足， 需要补充备份卫星， 使得 当星座不含该 M 颗卫星时满足 0015 (7) 如果用户有星座延寿需求但延寿时间尚未确定， 先执行步骤 (6)， 然后考虑 补充备份卫星后的星座预计延寿时间， 同时按照步骤 (2) 重新确定如果存在满足 的卫星， 则需要补充备份卫星 ； 0016 (8) 如果用户有星座延寿需求且延寿时间确定， 则根据延寿时间重新确定通 过统计和运算找到符合或或的卫星 j， j 1， 2， .， M， M 为符合 上述要求的卫星总数 ； 计算当星座不含该 M 颗卫星时， 是否满足。

13、如 果不满足， 需要补充备份卫星， 使得当星座不含该 M 颗卫星时满足 0017 本发明与现有技术相比的优点在于 ： 0018 (1) 本发明方法运用部件、 组件的先验失效率参数和实际在轨失效状态， 分析计算 卫星可靠度， 与仅使用理论模型相比更加客观准确。 0019 (2) 本发明方法参考了卫星服务中断频度、 中断时间、 卫星可靠度指标， 因此可以 综合考虑导航星座服务在连续性、 可用性方面面临的风险， 为卫星备份提供贴近实际情况 的依据。 说 明 书 CN 102540197 A 4 3/7 页 5 0020 (3) 本发明方法以用户对星座延长寿命的潜在需求和确定性需求作为制定在轨备 份策。

14、略的输入条件， 符合星座系统实际运营的需要。 0021 (4) 本发明方法合理运用在轨备份策略和地面备份策略， 在充分考虑星座性能下 降的风险、 确保星座服务性能的前提下， 灵活控制星座使用寿命。 导航星座需要向用户提供 高精度、 连续、 稳定的定位服务， 本发明能够满足用户对导航星座服务精度、 连续性、 可用性 的需求。 附图说明 0022 图 1 为本发明方法的流程框图 ； 0023 图 2 为本发明实施例中设定的卫星可靠度变化曲线。 具体实施方式 0024 设组成导航星座的在轨卫星总数为 N， 在轨卫星编号分别为 i 1， 2， .， N。如图 1 所示， 通过以下步骤确定导航星座是否需。

15、要备份卫星及相应的备份方式 ： 0025 (1) 根据各在轨卫星各部件和组件的失效率参数、 实际失效情况及工作状态， 按照 卫星可靠性模型计算星座寿命末期各颗卫星的可靠度 0026 卫星可靠性模型由具体的卫星设计确定， 具体可参考星座卫星的正样设计报 告， 可靠度计算方法可以参见 卫星可靠性设计指南 ( 中华人民共和国航天行业标准， QJ2172A-2005)。 0027 (2) 设置各颗卫星在星座寿命末期的一类可靠度门限通常设置为星座 系统用户提出的星座寿命末期的卫星可靠度指标要求。 0028 如果用户对导航星座有延长寿命使用的需求， 那么还需要设置各颗卫星在星座原 寿命末期的二类可靠度门限。

16、与对应相同的时刻， 满足的设 置方法是 ： 首先计算卫星在不同工作年份的可靠度， 制作成卫星可靠度变化曲线， 其横轴为 时间 ( 单位为年 )， 纵轴为卫星可靠度 ； 然后在可靠度变化曲线上找到对应的点 A， 从 A 开始沿可靠度曲线向时间轴负方向移动至点B， 点A与点B对应的时间差刚好为星座延寿时 间， 点 B 的纵坐标即为 0029 (3) 统计各卫星在轨工作期间的月均中断频度( 单位为次 / 月 )， 以及各在轨卫 星月均中断时间( 单位为小时 / 月 )。 0030 此处只需要统计卫星轨道机动或卫星故障带来的导航服务中断事件， 如果卫星故 障没有造成用户服务中断， 则不需要统计。 00。

17、31 (4)设置各颗卫星的月均中断频度门限(单位为次/月)， 以及各颗卫星的月均 中断时间门限( 单位为小时 / 月 )。 0032 通常这两个门限依据系统用户的应用需求确定。 0033 (5) 根据用户对星座系统服务的需求设置导航星座可用性门限， 其中 PDOP为位置精度因子， A为服务可用性， PDOPth为位置精度因子门限， Ath为服务可用性门限， 说 明 书 CN 102540197 A 5 4/7 页 6 代表满足 PDOP PDOPth条件的服务可用性门限。 0034 位置精度因子和服务可用性的概念和计算方法详见 GPS 原理与应用 ( 卡普兰主 编、 寇艳红译， 电子工业出版社。

18、， 2008 年， 第二版 )。 0035 表示导航星座可用性满足门限要求， 其含义为 ： 对于系统服 务区域内的所有用户， 满足 PDOP PDOPth的服务可用性 A 大于服务可用性门限 Ath。 0036 如果不同类型的用户对服务可用性的多元化需求， 导航星座可用性门限可以根据 用户要求由多个门限组成 ：其中 k 1， 2， .， K， K 为可用性门限组的总数， 满 足如下条件 ： 如果则 0037 (6) 如果确知没有星座延寿需求， 则通过统计和运算找到符合或 或的卫星 j， 这种卫星可能不存在， 也可能为 1 个甚至更多， j 1， 2， .， M， M 为符合上述要求的卫星总数。。

19、如果说明由于卫星 j 的部分部件或组件失效， 使得该卫星失效风险较大， 在可靠性意义上不再满足星座寿命的需要 ； 如果说明 卫星 j 的服务中断频度超出了用户对卫星服务连续性要求的限度 ； 如果说明卫星 j 的平均每月服务中断时间超出了用户可容忍的范围。 0038 若某些卫星满足上述任意一个条件， 则需要考虑当这些卫星不能提供导航服务 时， 导航星座能否满足用户的精度和可用性需求。计算当星座不含该 M 颗卫星时， 是否满足 如果不满足， 需要补充1颗或更多同型号的在轨备份卫星， 使得当星 座不含该 M 颗卫星时， 满足补充卫星的轨位需要向国际电联申请与 协调 ； 如果满足则不需要备份卫星。 0。

20、039 (7)如果用户有星座延寿需求但延寿时间尚未确定， 先进行第(6)步。 然后考虑满 足与的卫星以及经第 (6) 步后新增的卫星组成的星座， 初步预 计延寿时间， 按照第 (2) 步确定如果存在满足的卫星， 需要在地面备 份 1 颗或更多同型号的或升级的卫星， 这里在用户未确定延寿时间的情况下， 应采用地面 备份策略， 既能保证星座满足用户的当前服务要求， 又能兼顾未来的服务要求、 有效地控制 星座系统运行寿命 ； 如果则不需要地面备份卫星。 0040 (8) 如果用户有星座延寿需求且延寿时间确定， 则根据延寿时间确定星座原寿命 末期的二类可靠度门限通过统计和运算找到符合或或的 卫星 j，。

21、 j 1， 2， .， M， M 为符合上述要求的卫星总数。 0041 计算当星座不含该 M 颗卫星时， 是否满足如果不满足， 需 要补充 1 颗或更多同型号的或升级的在轨备份卫星， 使得当星座不含该 M 颗卫星时， 满足 如果满足则不需要备份卫星。 说 明 书 CN 102540197 A 6 5/7 页 7 0042 实施例 1 0043 假设如下的星座和用户场景 ： 0044 1. 导航星座由 5 颗 GEO 卫星和 5 颗 IGSO 卫星组成。 0045 2.GEO 卫星编号为 1、 2、 3、 4、 5 号， 分别位于 60 E、 80 E、 110 E、 130 E、 160 E，。

22、 偏心率为 0.001。 0046 3.IGSO 卫星编号为 6、 7、 8、 9、 10 号， 轨道倾角为 54， 偏心率为 0.001， 其中， 6、 7、 8号星升交点经度为120E， 平近点角依次相差120； 9号星与6号星在同一轨道面上， 10 号星与 7 号星在同一轨道面上 ； 9、 10 号星升交点经度为 100 E， 平近点角相差 120。 0047 4. 星座服务覆盖区为 10 N 55 N， 75 E 135 E。用户高度为 50m。卫星 对用户的可视仰角为 5。 0048 5. 没有延长星座使用寿命的要求， 星座寿命末期各颗卫星的可靠度门限为 Rth1 0.70。 004。

23、9 6. 用户要求各颗卫星的月均中断频度门限 th 1 次 / 月， 要求各颗卫星的月均 中断时间门限 Tth 5 小时 / 月。 0050 7. 用户要求星座可用性门限为 ： 0051 根据各颗卫星各部件和组件的失效率参数、 实际失效情况及工作状态， 算得星座 寿命末期各颗卫星的可靠度如表 1， 其中 i 1， 2， .， 10。 0052 表 1 卫星可靠度预期 ( 星座寿命末期 ) 0053 0054 统计各颗卫星在轨服务中断事件， 得到月均中断频度和月均中断时间见表 2。 0055 表 2 卫星月均中断频度和月均中断时间统计 0056 0057 比较上述参数及门限可知， 除 4 号星外。

24、， 其他卫星均满足 和 0058 经过仿真计算， 当所有卫星均健康时， 星座在服务区内的平均可用性为 说 明 书 CN 102540197 A 7 6/7 页 8 满足 0059 在 4 号星脱离星座的时间段内， 星座的平均可用性为 满足但即不满足星座 可用性要求， 因此需要补充在轨备份卫星。 0060 在 4 号星位置附近设置在轨备份 GEO 卫星， 编号为 11。出于星座几何构型优化的 考虑， 11 号星应该与 4 号星有适当大的距离。距离 4 号星 (130 E) 最近的 GEO 卫星为 3 号星 (110 E) 和 5 号星 (160 E)， 结合门限观察表 1 和表 2， 发现与 3。

25、 号星相比， 5 号星的 月均中断频度和月均中断时间分别较大且分别接近相应门限。 综合上述因素和国际上对卫 星轨位的约束条件， 初步考虑将 11 号星位于 140 E。 0061 实现在轨备份 11 号星后， 星座可用性如表 3。可以看出上述在轨备份策略满足用 户对星座服务连续性、 可用性的需求， 此外， 即便参数临界的卫星 (5 号星 ) 将来情况恶化， 仍能够保证星座可用性符合要求。因此， 最终确定 11 号星为 140 E GEO 卫星。 0062 表 3 在轨备份实施后星座的平均可用性 0063 0064 实施例 2 0065 本例除下述条件与实施例 1 不同外， 其余条件均相同 ： 。

26、0066 1. 用户有延长星座使用寿命要求， 但延寿时间尚未确定， 初步估计用户星座延寿 时间为 2 年。 0067 2. 设定卫星可靠度变化曲线如图 2 所示。 0068 按照第 (2) 步、 根据 Rth1 0.70、 延寿时间为 2 年， 可得知星座原寿命末期各颗卫 星的二类可靠度门限 Rth2 0.77。 0069 一开始的步骤与实施例 1 相同。根据统计和计算， 判定 4 号星 其他卫星均满足和综合多种因素， 在 140 E 处设置在轨备份 说 明 书 CN 102540197 A 8 7/7 页 9 星 11 号星。 0070 根据各颗卫星各部件和组件的失效率参数、 实际失效情况及工作状态， 算得在星 座原寿命末期含在轨备份卫星在内的各颗卫星的可靠度如表1。可以看出， 1、 2、 3、 4、 5 号 GEO 卫星尽管满足但不满足因此需要准备 1 2 颗 GEO 地面备份卫 星。 0071 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。 说 明 书 CN 102540197 A 9 1/2 页 10 图 1 说 明 书 附 图 CN 102540197 A 10 2/2 页 11 图 2 说 明 书 附 图 CN 102540197 A 11 。