[发明专利]一种导航星座卫星备份方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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)。

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

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。

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：

(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，PDOP_th为位置精度因子门限，A_th为服务可用性门限，代表满足PDOP＜PDOP_th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；