一种导航卫星境外故障诊断方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种导航卫星境外故障诊断方法。

背景技术

卫星导航系统是国家重要的时空信息基础设施，GPS、GLONASS、Galileo、BDS等四大卫星导航系统均已实现了全球卫星导航服务，但受地面监测跟踪站部署的局域性，无法实现在轨卫星的全弧段跟踪，以典型24/3/1Walk星座的MEO卫星为例，其绕地球转动一周约需要24小时，而中国境内地面站监测网有效跟踪时间约为8小时，则卫星每天约有2/3的时间处于地面监测跟踪站不可视的弧段。此外，境外的地面监测跟踪站将信息回传至主控站的时效性也较低，难以实现境外卫星故障的快速识别与诊断。能否快速识别境外导航卫星的运行状态，并对故障进行快速定位与处置，对于提升卫星导航系统服务的连续性和可靠性具有重要意义。

随着各大卫星导航系统现代化进程的不断推进，GPS、BDS等系统的导航卫星逐步搭载了星间链路载荷，使得星间测量与信息传输成为可能。同时，考虑到星间数传信息的传输容量有限，设计基于有限星间数传信息的快速故障诊断方法有着重要的实际应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对全球卫星导航服务受地面监测跟踪站部署的局域性，无法实现在轨卫星的全弧段跟踪，以及境外的地面监测跟踪站将信息回传至主控站的时效性也较低，难以实现境外卫星故障的快速识别与诊断的问题，提出一种导航卫星境外故障诊断方法，以解决导航卫星境外监测能力不足、境外故障无法识别等问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例第一方面公开了一种导航卫星境外故障诊断方法，所述方法包括：

S1，利用信号域监测模块，对卫星工作钟、信号时延跳变、信号功率跳变、信号频率跳变、信号相位跳变进行监测，得到信号完好性标识；所述信号完好性标识为信号域监测信息；

S2，利用信息域监测模块，对轨道参数、钟差参数、他星自主导航电文和星地星间测量信息进行处理，得到信息域监测信息；

S3，利用导航卫星境外故障诊断模块，对所述信号域监测信息和所述信息域监测信息进行处理，得到境外导航卫星故障诊断结果。

作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述利用信号域监测模块，对卫星工作钟、信号时延跳变、信号功率跳变、信号频率跳变、信号相位跳变进行监测，得到信号完好性标识，包括：

S11，所述信号域监测模块，对卫星工作钟进行检测，得到工作钟告警标识；

S12，所述信号域监测模块，对当前时刻与前一时刻的信号时延跳变、信号功率跳变、信号频率跳变、信号相位跳变进行监测，得到当前时刻与前一时刻之间的信号时延差值、信号功率差值、信号频率差值和信号相位差值；

S13，当所述工作钟告警标识为有告警状态，和/或所述信号时延差值、信号功率差值、信号频率差值和信号相位差值大于预设的信号时延差值阈值、信号功率差值阈值、信号频率差值阈值和信号相位差值阈值时，将所述信号完好性标识设置为不完好状态；

S14，利用星间链路，将所述信号完好性标识按照播发周期回传至地面运行控制中心。

作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述利用信息域监测模块，对轨道参数、钟差参数、他星自主导航电文和星地星间测量信息进行处理，得到信息域监测信息，包括：

S21，所述信息域监测模块，利用对双单向测距进行求和与作差，对轨道和钟差参数进行解耦，得到星间轨道建链残差和星间钟差建链残差；

S22，利用基于EKF滤波的自主导航模型，对他星自主导航电文和星地星间测量信息进行处理，得到本星自主星历参数和本星自主钟差参数；

所述本星自主星历参数和本星自主钟差参数构成本星自主导航电文；

S23，所述星间轨道建链残差、星间钟差建链残差、本星自主导航电文构成所述信息域监测信息；

S24，利用星间链路，将所述信息域监测信息按照播发周期回传至地面运行控制中心。

作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述利用对双单向测距进行求和与作差，对轨道和钟差参数进行解耦，得到星间轨道建链残差和星间钟差建链残差，包括：

S211，利用第一测距模型，计算卫星A在自身钟面时T

S212，将所述测距值ρ′

S213，利用第二测距模型，计算卫星B在其钟面时T

S214，将所述测距值ρ′

S215，利用预报星历测距改正值计算模型，对所述测距值ρ′

S216，利用星钟参数测距改正值计算模型，对所述测距值ρ′

S217，对所述第一测距值ρ

S218，对所述第一测距值ρ

作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述利用导航卫星境外故障诊断模块，对所述信号域监测信息和所述信息域监测信息进行处理，得到境外导航卫星故障诊断结果，包括：

S31，利用所述本星自主导航电文中的本星自主星历参数，计算当前星历参考时刻t

S32，利用所述本星自主导航电文中的本星自主钟差参数，计算当前星历参考时刻t

S33，利用所述本星自主导航电文中的本星自主钟差参数，计算当前星历参考时刻t

S34，所述导航卫星境外故障诊断模块，对所述信号完好性标识、所述星间轨道建链残差、所述星间钟差建链残差、所述用户测距误差差值

作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述当前星历参考时刻t

S311，利用所述自主导航电文中的本星自主星历参数，计算星历参考时刻t

S312，将所述星历参考时刻t

S313，将所述轨道测定误差转换为径向信息、沿迹信息和法向信息；

S314，对所述径向信息、沿迹信息和法向信息进行处理，得到前星历参考时刻t

作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述导航卫星境外故障诊断模块，对所述信号完好性标识、所述星间轨道建链残差、所述星间钟差建链残差、所述用户测距误差差值

S341，当所述信号完好性标识异常时，判定本星下行导航信号存在异常；

S342，当所述信号完好性标识异常，所述星间钟差建链残差超过预设的星间钟差残差监测阈值

S343，当仅有所述星间钟差建链残差超过预设的星间钟差残差监测阈值

S344，当仅有所述星间轨道建链残差超过预设的星间轨道残差监测阈值

S345，当所述星间钟差建链残差超过预设的星间钟差残差监测阈值

作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述方法还包括：

所述导航卫星境外故障诊断模块的诊断内容，均基于信息域监测结果、信号域监测结果无传输误码或野值异常数据的情况。

本发明实施例第二方面公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被调用时，用于执行本发明第一方面中所述的导航卫星境外故障诊断方法。

本发明实施例第三方面公开了一种电子设备，所述电子设备包括本发明第一方面中所述的导航卫星境外故障诊断方法。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

(1)设计信息域与信号联合的故障诊断方法。本发明以导航卫星自身信号完好性监测能力为主，结合基于他星自主导航电文和星间测距信息生成的星上自主导航电文信息，实现了导航卫星的运行状态标识与诊断信息的快速生成。

(2)弥补导航卫星境外故障快速诊断缺失。本发明立足导航卫星境外无地面站跟踪监测的现实问题，基于星间链路测距和数传信息，构建了导航卫星境外故障快速诊断与识别工作模式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例公开的一种导航卫星境外故障诊断方法的流程示意图；

图2是本发明实施例公开的一种导航卫星境外故障诊断方法的原理框图；

图3是本发明实施例公开的一种导航卫星境外故障诊断方法的导航卫星境外故障诊断方法的星间轨道链路残差、星间钟差链路残差序列图；

图4是本发明实施例公开的一种导航卫星境外故障诊断方法的实施流程。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明公开了一种导航卫星境外故障诊断方法，该方法包括：信号域监测模块、信息域监测模块和导航卫星境外故障诊断模块；所述信号域监测模块，对卫星工作钟、信号时延跳变、信号功率跳变、信号频率跳变、信号相位跳变进行监测，得到信号完好性标识；所述信号完好性标识为信号域监测信息；所述信息域监测模块，对轨道参数、钟差参数、他星自主导航电文和星地星间测量信息进行处理，得到信息域监测信息；所述导航卫星境外故障诊断模块，对所述信号域监测信息和所述信息域监测信息进行处理，得到境外导航卫星故障诊断结果。本发明针对导航卫星在无地面站跟踪时的运行状态监测需求，基于少量星间链路快速回传信息，可实现境外卫星故障的快速诊断与识别。以下分别进行详细说明。

实施例一

请参阅图1，图1是本发明实施例公开的一种导航卫星境外故障诊断方法的流程示意图。其中，图1所描述的导航卫星境外故障诊断方法可以用于卫星故障诊断、卫星通信等领域，本发明实施例不做限定。如图1所示，该导航卫星境外故障诊断方法可以包括信号域监测模块、信息域监测模块和导航卫星境外故障诊断模块；

S1，利用信号域监测模块，对卫星工作钟、信号时延跳变、信号功率跳变、信号频率跳变、信号相位跳变进行监测，得到信号完好性标识；所述信号完好性标识为信号域监测信息；

进一步地，所述卫星工作钟监测，涵盖卫星钟可用状态、卫星钟跳相、卫星钟跳频等方面的监测。若卫星钟无工作信号输出，或卫星钟跳相/调频值超过卫星钟跳相/调频监测阈值，则将工作钟告警标识置为“有告警”状态。

进一步地，所述信号时延跳变状态监测，需分析当前参考时刻信号的时延值与上一计算时刻值的差值是否超过信号时延跳变监测阈值。

同理，所述信号功率跳变、信号频率跳变、信号相位跳变状态监测，需分析当前参考时刻信号的功率、频率、相位值与上一计算时刻值的差值是否超过信号功率/频率/相位跳变监测阈值。

S2，利用信息域监测模块，对轨道参数、钟差参数、他星自主导航电文和星地星间测量信息进行处理，得到信息域监测信息；

S3，利用导航卫星境外故障诊断模块，对所述信号域监测信息和所述信息域监测信息进行处理，得到境外导航卫星故障诊断结果。

图2是本发明实施例公开的一种导航卫星境外故障诊断方法的原理框图。

进一步的，利用信号域监测模块，对卫星工作钟、信号时延跳变、信号功率跳变、信号频率跳变、信号相位跳变进行监测，得到信号完好性标识，包括：

S11，所述信号域监测模块，对卫星工作钟进行检测，得到工作钟告警标识；

S12，所述信号域监测模块，对当前时刻与前一时刻的信号时延跳变、信号功率跳变、信号频率跳变、信号相位跳变进行监测，得到当前时刻与前一时刻之间的信号时延差值、信号功率差值、信号频率差值和信号相位差值；

S13，当所述工作钟告警标识为有告警状态，和/或所述信号时延差值、信号功率差值、信号频率差值和信号相位差值大于预设的信号时延差值阈值、信号功率差值阈值、信号频率差值阈值和信号相位差值阈值时，将所述信号完好性标识设置为不完好状态；

S14，利用星间链路，将所述信号完好性标识按照播发周期回传至地面运行控制中心。

进一步的，所述利用信息域监测模块，对轨道参数、钟差参数、他星自主导航电文和星地星间测量信息进行处理，得到信息域监测信息，包括：

S21，所述信息域监测模块，利用对双单向测距进行求和与作差，对轨道和钟差参数进行解耦，得到星间轨道建链残差和星间钟差建链残差；

S22，利用基于EKF滤波的自主导航模型，对他星自主导航电文和星地星间测量信息进行处理，得到本星自主星历参数和本星自主钟差参数；

所述本星自主星历参数和本星自主钟差参数构成本星自主导航电文；

S23，所述星间轨道建链残差、星间钟差建链残差、本星自主导航电文构成所述信息域监测信息；

S24，利用星间链路，将所述信息域监测信息按照播发周期回传至地面运行控制中心。

进一步的，所述利用对双单向测距进行求和与作差，对轨道和钟差参数进行解耦，得到星间轨道建链残差和星间钟差建链残差，包括：

S211，利用第一测距模型，计算卫星A在自身钟面时T

所述第一测距模型为：

进一步的，对双单向测距进行求和与作差，可将轨道和钟差参数解耦。同时刻的互发互收测距求和，其中只包含距离信息，可用于轨道确定，同时刻互发互收测距作差，其中只包含钟差信息，可用于钟差测定。考虑到时分体制互发互收测距时刻不同，需要将双向观测归算至同一时刻。

S212，将所述测距值ρ′

其中Δρ

S213，利用第二测距模型，计算卫星B在其钟面时T

所述第二测距模型为：

S214，将所述测距值ρ′

其中，Δρ

S215，利用预报星历测距改正值计算模型，对所述测距值ρ′

所述预报星历测距改正值计算模型为：

S216，利用星钟参数测距改正值计算模型，对所述测距值ρ′

所述星钟参数测距改正值计算模型为：

S217，对所述第一测距值ρ

S218，对所述第一测距值ρ

clk

若按照5分钟采样间隔进行采样，可得到如图3所示的本星与其他建链卫星间的星间轨道链路残差、星间钟差链路残差序列图。

进一步的，所述利用导航卫星境外故障诊断模块，对所述信号域监测信息和所述信息域监测信息进行处理，得到境外导航卫星故障诊断结果，包括：

S31，利用所述本星自主导航电文中的本星自主星历参数，计算当前星历参考时刻t

S32，利用所述本星自主导航电文中的本星自主钟差参数，计算当前星历参考时刻t

S33，利用所述本星自主导航电文中的本星自主钟差参数，计算当前星历参考时刻t

S34，所述导航卫星境外故障诊断模块，对所述信号完好性标识、所述星间轨道建链残差、所述星间钟差建链残差、所述用户测距误差差值

进一步的，所述当前星历参考时刻t

S311，利用所述自主导航电文中的本星自主星历参数，计算星历参考时刻t

S312，将所述星历参考时刻t

S313，将所述轨道测定误差转换为径向信息、沿迹信息和法向信息；

S314，对所述径向信息、沿迹信息和法向信息进行处理，得到前星历参考时刻t

其中ΔR为径向信息，ΔT为沿迹信息，ΔN为法向信息。

进一步的，分析当前信息更新周期内的本星与他星间的星间轨道建链残差是否超过星间轨道残差监测阈值

同理，分析当前信息更新周期内的本星与他星间的星间钟差建链残差是否超过星间钟差残差监测阈值

通过计算当前星历参考时刻t

进一步的，利用自主自主导航电文中的本星自主钟差参数，计算与钟差参考时刻t

进一步的，判断当前基于EKF分布式自主导航算法启动持续时间是否超过自主运行时长监测阈值t

进一步的，所述导航卫星境外故障诊断模块，对所述信号完好性标识、所述星间轨道建链残差、所述星间钟差建链残差、所述用户测距误差差值

S341，当所述信号完好性标识异常时，判定本星下行导航信号可能存在异常；

S342，当所述信号完好性标识异常，所述星间钟差建链残差超过预设的星间钟差残差监测阈值

S343，当仅有所述星间钟差建链残差超过预设的星间钟差残差监测阈值

S344，当仅有所述星间轨道建链残差超过预设的星间轨道残差监测阈值

S345，当所述星间钟差建链残差超过预设的星间钟差残差监测阈值

进一步的，所述方法还包括：

所述导航卫星境外故障诊断模块的诊断内容，均基于信息域监测结果、信号域监测结果无传输误码或野值异常数据的情况。

实施例二

本发明的第二实施例的一种导航卫星境外故障诊断方法的实施流程可按照图4所示的流程实施。

1、信号域监测

本实施案例中，本星利用星上自主监测能力，对卫星工作钟工作状态及信号时延、功率、频率、相位的跳变情况进行实时监测与比对，按照时序约定生成信号完好性标识，并通过与他星2、境内中转星的星间链路，实现向地面运行控制中心的发送。

2、信息域监测

本实施案例中，本星与他星1、他星2进行星间建链，获取他星1、他星2的星间测距信息和他星自主导航电文，随后利用本星星上自主导航单元，计算生成本星与他星1、他星2的星间钟差建链残差，本星与他星1、他星2的星间轨道差建链残差，以及涵盖本星主星历参数和本星自主钟差参数的本星自主导航电文信息，并按照时序约定通过与他星2、境内中转星的星间链路，实现向地面运行控制中心的发送。

3、综合诊断

地面运行控制中心实时对信号完好性标识进行研判，对本星与他星1、他星2间的星间钟差建链残差、本星与他星1、他星2间的星间轨道建链残差进行统计，并对

综上所述，本发明提供了一种信息域与信号域联合的导航卫星境外故障诊断方法，通过导航卫星境外快速回传的信号域监测结果、信息域监测结果，实现了导航卫星境外故障的快速诊断。

实施例三

本发明实施例公开的一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质包括如实施例一和实施例二所述的导航卫星境外故障诊断方法。需要说明的是，针对导航卫星境外故障诊断方法的详细描述，请参阅实施例一和实施例二中相关内容的具体描述，本实施例不再赘述。

实施例四

本发明实施例公开的一种电子设备，该电子设备包括如实施例一和实施例二所述的导航卫星境外故障诊断方法。需要说明的是，针对导航卫星境外故障诊断方法的详细描述，请参阅实施例一和实施例二中相关内容的具体描述，本实施例不再赘述。

以上所描述的装置实施例仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施例的具体描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，存储介质包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存储器(Random Access Memory，RAM)、可编程只读存储器(Programmable Read-only Memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(ErasableProgrammable Read Only Memory，EPROM)、一次可编程只读存储器(One-timeProgrammable Read-Only Memory，OTPROM)、电子抹除式可复写只读存储器(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、只读光盘(CompactDisc Read-Only Memory，CD-ROM)或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。

最后应说明的是：本发明实施例公开的一种导航卫星境外故障诊断方法所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各项实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各项实施例技术方案的精神和范围。