本發(fā)明主要涉及衛(wèi)星導(dǎo)航及其應(yīng)用領(lǐng)域，特指一種全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路虛實結(jié)合試驗驗證方法。

背景技術(shù)：

星間鏈路(Inter-Satellite Link，ISL)即連接衛(wèi)星之間的通信與測量鏈路，主要由無線電發(fā)射和接收等設(shè)備組成。導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路用于導(dǎo)航衛(wèi)星之間的雙向測距和特定數(shù)據(jù)交換，能夠有效解決GNSS系統(tǒng)布站受限問題，并提高GNSS系統(tǒng)的可靠性、抗毀滅性，從而增強系統(tǒng)的生存能力。全球主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供商美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都在積極發(fā)展星間鏈路系統(tǒng)，并將其作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)制高點。

目前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航地面試驗系統(tǒng)主要有YUMA、GNST、GSTB、GATE、GSVF和國內(nèi)最新提出的衛(wèi)星導(dǎo)航地面試驗驗證的平行系統(tǒng)等。但這些地面試驗系統(tǒng)主要面向衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航業(yè)務(wù)，很少涉及星間鏈路的驗證問題。這使得在全球各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)爭相發(fā)展星間鏈路技術(shù)的建設(shè)階段，研究星間鏈路地面試驗驗證方法及平臺具有重大意義。

GNSS星間鏈路涉及多項關(guān)鍵技術(shù)，屬于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)前沿技術(shù)，其理論基礎(chǔ)和核心關(guān)鍵技術(shù)需要進一步攻關(guān)，迭代論證；因此，具備星間鏈路的GNSS系統(tǒng)建設(shè)是一個長周期、高風(fēng)險、高成本的過程；尤其在建設(shè)初期(或在試驗星階段)，衛(wèi)星數(shù)量達不到GNSS衛(wèi)星組網(wǎng)數(shù)量要求，不利于開展星間鏈路整網(wǎng)模式下關(guān)鍵技術(shù)的功能及性能等關(guān)鍵指標試驗驗證。在星間鏈路建設(shè)部署階段，開展星間鏈路地面試驗，獲取關(guān)鍵試驗數(shù)據(jù)，測試星間鏈路軟硬件平臺、驗證星間鏈路關(guān)鍵技術(shù)是星間鏈路建設(shè)的重中之重。

為提高試驗的覆蓋性并達到試驗?zāi)康?，GNSS地面試驗系統(tǒng)必須構(gòu)建一個由空間段、地面段和用戶段組成的整網(wǎng)閉環(huán)試驗環(huán)境。由于在試驗階段，地面段和用戶段的建設(shè)過程也存在滯后性，不能夠保證GNSS組網(wǎng)節(jié)點數(shù)的要求。因此，地面試驗系統(tǒng)既需要納入現(xiàn)有的試驗星、地面站和用戶資源，同時也需要通過虛擬技術(shù)實現(xiàn)對未建設(shè)的衛(wèi)星、地面站和星間鏈路特殊用戶資源的仿真和模擬，構(gòu)造一個虛實結(jié)合的星間鏈路組網(wǎng)地面試驗驗證系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種能夠降低系統(tǒng)的建設(shè)風(fēng)險、減少試驗成本、達到試驗驗證效果的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路虛實結(jié)合試驗驗證方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路虛實結(jié)合試驗驗證方法，其步驟為：

S1：通過地面站模擬與在軌衛(wèi)星具有相同功能的衛(wèi)星，作為物理虛星，物理虛星與在軌衛(wèi)星之間的測量與通信鏈路構(gòu)成物理星間鏈路；通過仿真模擬其它未在軌的衛(wèi)星，作為仿真虛星，仿真虛星之間的測量與通信鏈路構(gòu)成虛擬星間鏈路；

S2：將虛擬星間鏈路和物理星間鏈路集成，組成整網(wǎng)運行的虛實結(jié)合的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)；

S3：利用虛實結(jié)合的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)進行星間組網(wǎng)試驗，完成對GNSS星間鏈路組網(wǎng)功能和性能的驗證。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述星間組網(wǎng)試驗包括組網(wǎng)通信路由策略、工作體制、通信協(xié)議、星間雙向測量、自主導(dǎo)航、星間/星地聯(lián)合定軌與時間同步。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述步驟S1的具體流程為：

S101：根據(jù)實際在軌衛(wèi)星軌道和地面站布局，計算地面站與在軌衛(wèi)星的可見性，確定試驗時間區(qū)間；

S102：根據(jù)實際在軌衛(wèi)星及GNSS星座設(shè)計方案生成所有衛(wèi)星試驗時間區(qū)間內(nèi)的軌道和鐘差數(shù)據(jù)；

S103：根據(jù)實際在軌衛(wèi)星與未在軌衛(wèi)星的可見關(guān)系和星間路由策略，建立星間鏈路建鏈規(guī)劃表與路由表；

S104：根據(jù)步驟S103形成的星間鏈路建鏈規(guī)劃表與路由表，將與實際在軌衛(wèi)星建鏈的未在軌衛(wèi)星分配給地面站，形成物理虛星網(wǎng)；未與實際在軌衛(wèi)星建鏈的衛(wèi)星自動構(gòu)成仿真虛星網(wǎng)。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述步驟S2中，將步驟S104形成的物理虛星網(wǎng)和仿真虛星網(wǎng)通過天地一體、軟硬協(xié)同技術(shù)進行集成，形成虛實結(jié)合的星間鏈路網(wǎng)。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述步驟S4中，利用步驟S2形成星間鏈路網(wǎng)，進行星間鏈路整網(wǎng)通信性能評估、星間/星地雙向測量精度分析、衛(wèi)星自主導(dǎo)航性能評估、星地聯(lián)合定軌與時間同步精度評估試驗，測試星間鏈路通信與測量功能及性能；最終，綜合各次試驗結(jié)果，對GNSS星間鏈路關(guān)鍵技術(shù)指標進行評估。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述星間組網(wǎng)試驗的具體步驟為：

S10：根據(jù)GNSS星間鏈路所有的組網(wǎng)研制功能需求，對照有限功能形成試驗用例，并量化試驗用例，得到有限狀態(tài)集合；

S20：取得Fs集合的子序列，設(shè)置GNSS系統(tǒng)初始狀態(tài)，然后向系統(tǒng)輸入；

S30：接收GNSS系統(tǒng)的輸出，驗證系統(tǒng)的變遷過程以及確認新狀態(tài)；

S40：按照試驗任務(wù)指標，測試星間鏈路功能及性能；

S50：重復(fù)步驟S20到步驟S40，試驗驗證所有的GNSS星間鏈路功能項，直到所有功能用例都試驗完成。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述步驟S3中，先構(gòu)建鏈路組網(wǎng)虛實結(jié)合地面試驗驗證系統(tǒng)；其中，試驗星、地面站承擔(dān)的物理虛星以及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)仿真軟件構(gòu)建的仿真虛星共同構(gòu)造一個完整的GNSS星座，并與其它地面站和特殊用戶構(gòu)建一個GNSS整網(wǎng)閉環(huán)運行環(huán)境；還包括：

時間同步設(shè)備，用來在開展試驗時，保證各GNSS子系統(tǒng)的時間一致；

監(jiān)控設(shè)備和控制中心，采用集中式管理技術(shù)實現(xiàn)對整個GNSS系統(tǒng)的控制和監(jiān)測；

分析和存儲設(shè)備，用來完成對星間鏈路試驗要素和試驗指標的統(tǒng)計分析，并對試驗數(shù)據(jù)以及試驗結(jié)果進行保存。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述步驟S3中，構(gòu)建GNSS星間鏈路仿真測試與分析評估系統(tǒng)，所述GNSS星間鏈路仿真測試與分析評估系統(tǒng)包括試驗任務(wù)管理與可視化子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析與存儲子系統(tǒng)、星間鏈路數(shù)學(xué)仿真子系統(tǒng)、星間鏈路網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真子系統(tǒng)、星間鏈路網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧子系統(tǒng)、試驗衛(wèi)星數(shù)據(jù)交互子系統(tǒng)、時間基準與同步子系統(tǒng)這七個子系統(tǒng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路虛實結(jié)合試驗驗證方法，能夠降低系統(tǒng)的建設(shè)風(fēng)險，減少試驗成本，是一種有效的GNSS星間鏈路組網(wǎng)地面試驗驗證方法；本發(fā)明主要是為解決全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)建設(shè)階段衛(wèi)星數(shù)量達不到整網(wǎng)運行需求時開展星間鏈路組網(wǎng)功能及性能試驗等系列問題，為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)階梯式組網(wǎng)建設(shè)提供試驗手段。

2、本發(fā)明的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路虛實結(jié)合試驗驗證方法，通過實物試驗技術(shù)與仿真試驗技術(shù)相結(jié)合的方法構(gòu)建一個整網(wǎng)的運行環(huán)境，復(fù)現(xiàn)整個GNSS星間鏈路處理流程，完成對GNSS星間鏈路組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的功能及性能的試驗驗證。

3、本發(fā)明的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路虛實結(jié)合試驗驗證方法，在GNSS星間鏈路論證階段不僅可以充分測試在軌試驗衛(wèi)星的功能和性能，同時也充分挖掘了系統(tǒng)不全時地面試驗的驗證能力，能夠在試驗階段及時發(fā)現(xiàn)星間鏈路的設(shè)計缺陷，為及時改進或優(yōu)化星間鏈路方案提供試驗依據(jù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的總體流程示意圖。

圖2是GNSS星間鏈路組網(wǎng)虛實結(jié)合試驗實現(xiàn)示意圖。

圖3是本發(fā)明在具體應(yīng)用實例中GNSS星間鏈路組網(wǎng)虛實結(jié)合試驗方法的流程示意圖。

圖4是本發(fā)明在具體應(yīng)用實例中GNSS星間鏈路組網(wǎng)虛實結(jié)合試驗實現(xiàn)示意圖。

圖5是本發(fā)明在具體應(yīng)用實例中GNSS星間鏈路組網(wǎng)虛實結(jié)合地面試驗驗證系統(tǒng)示意圖。

圖6是本發(fā)明在具體應(yīng)用實例中GNSS星間鏈路仿真測試與分析評估軟件平臺的示意圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路虛實結(jié)合試驗驗證方法，根據(jù)GNSS星間鏈路建設(shè)需求，以少量實際在軌衛(wèi)星和現(xiàn)有地面站資源為硬件基礎(chǔ)，以GNSS星間鏈路仿真測試與分析評估軟件平臺為軟件基礎(chǔ)，實施以下流程：

S1：通過地面站模擬與在軌衛(wèi)星具有相同功能的衛(wèi)星，作為物理虛星，物理虛星與在軌衛(wèi)星之間的測量與通信鏈路構(gòu)成物理星間鏈路；通過數(shù)學(xué)仿真技術(shù)模擬其它未在軌的衛(wèi)星，作為仿真虛星，仿真虛星之間的測量與通信鏈路構(gòu)成虛擬星間鏈路；

S2：將虛擬星間鏈路和物理星間鏈路集成，組成整網(wǎng)運行的虛實結(jié)合的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)；

S3：利用虛實結(jié)合的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)進行星間組網(wǎng)試驗，完成對GNSS星間鏈路組網(wǎng)功能和性能的驗證。所述星間組網(wǎng)試驗根據(jù)實際需要來選擇，一般包括組網(wǎng)通信路由策略、工作體制、通信協(xié)議、星間雙向測量、自主導(dǎo)航、星間/星地聯(lián)合定軌與時間同步等。

在具體應(yīng)用實例中，上述步驟S1的具體流程為：

S101：根據(jù)實際在軌衛(wèi)星軌道和地面站布局，計算地面站與在軌衛(wèi)星的可見性，以確定試驗時間區(qū)間；

S102：根據(jù)實際在軌衛(wèi)星及GNSS星座設(shè)計方案生成所有衛(wèi)星試驗時間區(qū)間內(nèi)的軌道和鐘差數(shù)據(jù)；

S103：根據(jù)實際在軌衛(wèi)星與未在軌衛(wèi)星的可見關(guān)系和星間路由策略，建立星間鏈路建鏈規(guī)劃表與路由表；

S104：根據(jù)步驟S103形成的星間鏈路建鏈規(guī)劃表與路由表，將與實際在軌衛(wèi)星建鏈的未在軌衛(wèi)星分配給地面站，形成物理虛星網(wǎng)；未與實際在軌衛(wèi)星建鏈的衛(wèi)星自動構(gòu)成仿真虛星網(wǎng)。

在具體應(yīng)用實例中，在上述步驟S2中，將步驟S104形成的物理虛星網(wǎng)和仿真虛星網(wǎng)通過天地一體、軟硬協(xié)同技術(shù)進行集成，形成虛實結(jié)合的星間鏈路網(wǎng)。在上述步驟S3中，利用步驟S2形成星間鏈路網(wǎng)，進行星間鏈路整網(wǎng)通信性能評估、星間/星地雙向測量精度分析、衛(wèi)星自主導(dǎo)航性能評估、星地聯(lián)合定軌與時間同步精度評估等試驗，測試星間鏈路通信與測量功能及性能；最終，綜合各次試驗結(jié)果，對GNSS星間鏈路關(guān)鍵技術(shù)指標進行評估。

如圖3所示，為在具體應(yīng)用實例中基于GNSS星間鏈路虛實結(jié)合試驗方法流程圖。具體步驟為：

S10：根據(jù)GNSS星間鏈路所有的組網(wǎng)研制功能需求，對照有限功能形成試驗用例，并量化試驗用例，得到有限狀態(tài)集合；

S20：取得Fs集合的子序列，設(shè)置GNSS系統(tǒng)初始狀態(tài)，然后向系統(tǒng)輸入；

S30：接收GNSS系統(tǒng)的輸出，驗證系統(tǒng)的變遷過程以及確認新狀態(tài)；

S40：按照試驗任務(wù)指標，測試星間鏈路功能及性能；

S50：重復(fù)步驟S20到步驟S40，試驗驗證所有的GNSS星間鏈路功能項，直到所有功能用例都試驗完成。

上述步驟主要涉及兩類試驗：一類是星間鏈路網(wǎng)絡(luò)傳輸性能指標試驗，另一類是星間鏈路測量性能指標試驗。其中，星間鏈路網(wǎng)絡(luò)性能指標試驗主要包括丟包率、誤幀率、吞吐量，最大傳輸時延、最小傳輸時延、平均傳輸時延、路由跳數(shù)等指標的試驗；星間鏈路測量性能指標試驗主要包括星間鏈路雙向測量精度、自主導(dǎo)航、星間/星地聯(lián)合定軌與時間同步等試驗。

如圖4所示，為在具體應(yīng)用實例中按照本發(fā)明的方法所構(gòu)建的一個由空間段衛(wèi)星、地面段、用戶段和地面支持設(shè)備共同組成的GNSS星間鏈路組網(wǎng)虛實結(jié)合地面試驗驗證系統(tǒng)。其中，試驗星、地面站承擔(dān)的物理虛星以及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)仿真軟件構(gòu)建的仿真虛星共同構(gòu)造一個完整的GNSS星座，并與其它地面站和特殊用戶構(gòu)建一個GNSS整網(wǎng)閉環(huán)運行環(huán)境。時間同步設(shè)備、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)仿真軟件、數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控設(shè)備、控制中心、評估與分析設(shè)備共同作為地面試驗支持設(shè)備，保障地面試驗的有效開展。其中：

時間同步設(shè)備，時間同步是實現(xiàn)TDMA技術(shù)的基礎(chǔ)，也是整個GNSS系統(tǒng)運行時隙的保障。在開展試驗時，時間同步設(shè)備保證試驗衛(wèi)星、物理虛星、仿真虛星、地面站和用戶等各大GNSS子系統(tǒng)的時間一致。

監(jiān)控設(shè)備和控制中心，監(jiān)控設(shè)備和控制中心采用集中式管理技術(shù)實現(xiàn)對整個GNSS系統(tǒng)的控制和監(jiān)測，包括：(1)實現(xiàn)對試驗任務(wù)、方案規(guī)劃與生成和運行模式的切換控制，以完成實際試驗的開展；(2)實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)和虛實結(jié)合地面試驗系統(tǒng)試驗運行狀態(tài)的監(jiān)測，以配合完成試驗結(jié)果的分析與評估。

分析和存儲設(shè)備，完成對星間鏈路試驗要素和試驗指標的統(tǒng)計分析，并對試驗數(shù)據(jù)以及試驗結(jié)果進行保存。

如圖5所示，為在具體應(yīng)用實例中按照本發(fā)明的方法所構(gòu)建的GNSS星間鏈路仿真測試與分析評估系統(tǒng)，包括試驗任務(wù)管理與可視化子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析與存儲子系統(tǒng)、星間鏈路數(shù)學(xué)仿真子系統(tǒng)、星間鏈路網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真子系統(tǒng)、星間鏈路網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧子系統(tǒng)、試驗衛(wèi)星數(shù)據(jù)交互子系統(tǒng)、時間基準與同步子系統(tǒng)七個子系統(tǒng)構(gòu)成。具體功能如下：

星間鏈路網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模擬：能夠模擬產(chǎn)生由在軌衛(wèi)星、物理虛星構(gòu)成的物理星間鏈路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多個星站節(jié)點測控、運控、測量等各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；也可以外部輸入的形式，接入實際測控、運控各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

星間鏈路數(shù)據(jù)交互接入：能夠按照星間鏈路體制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制在軌衛(wèi)星與虛擬衛(wèi)星星間鏈路業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入與交互。

星座軌道與星間觀測數(shù)據(jù)模擬：能夠按指定的星座參數(shù)生成全部星座衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)和星鐘數(shù)據(jù)，能夠按照鏈路規(guī)劃配置信息生成星間鏈路觀測值。

星間鏈路傳輸控制與路由仿真：能夠動態(tài)分析星間鏈路網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，實時生成星間鏈路規(guī)劃配置表、路由表，能夠匯聚實際衛(wèi)星星間鏈路業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和虛擬仿真數(shù)據(jù)，實現(xiàn)物理星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸控制與路由流程。

試驗配置和任務(wù)規(guī)劃：支持星間鏈路試驗任務(wù)所規(guī)定試驗項目的試驗配置和任務(wù)規(guī)劃；產(chǎn)生特定試驗任務(wù)的建鏈規(guī)劃和路由拓撲。

試驗數(shù)據(jù)交互控制和存儲：具有控制在軌衛(wèi)星和地面站之間的試驗數(shù)據(jù)接收、解析、存儲和查詢能力；具有根據(jù)試驗場景模擬整網(wǎng)運行，產(chǎn)生星間網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、軌道和星間觀測數(shù)據(jù)并進行存儲的能力；

試驗項目性能評估與分析：支持星間鏈路關(guān)鍵技術(shù)指標進行性能分析和評估；支持對試驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進行星間鏈路載荷性能評估、信號質(zhì)量分析評估、測量通信數(shù)據(jù)質(zhì)量評估、鏈路體制與組網(wǎng)性能評估等。

如圖6所示，為在具體應(yīng)用實例中描述了整個GNSS星間鏈路組網(wǎng)虛實結(jié)合地面試驗執(zhí)行流程。執(zhí)行流程可分為四步：

S1000：構(gòu)建GNSS星間鏈路組網(wǎng)虛實結(jié)合地面試驗閉環(huán)環(huán)境，收集各系統(tǒng)及設(shè)備的試驗狀態(tài)，根據(jù)任務(wù)選擇最佳試驗時段；

S2000：按照試驗方法設(shè)計虛實結(jié)合試驗，生成試驗方案和試驗指令；

S3000：下發(fā)試驗方案和試驗指令，GNSS虛實結(jié)合試驗系統(tǒng)根據(jù)試驗方案和試驗指令進行執(zhí)行，并對試驗數(shù)據(jù)進行收集；

S4000：根據(jù)試驗需求，分析試驗結(jié)果，統(tǒng)計各項功能和性能結(jié)果，并建立跟新GNSS模型庫。

通過上述步驟，就可以實現(xiàn)GNSS星間鏈路關(guān)鍵技術(shù)的功能和性能的試驗驗證。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。