一种面向分布式自主导航软件的健壮性验证方法

摘要

本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种面向分布式自主导航软件的功能逻辑分支全覆盖健壮性验证方法。包括自主导航软件在内的工程软件，上星前的单元测试、第三方评测都更倾向于语法正确、功能实现层面的验证，对在轨实际执行及运行过程中的健壮性考量较少。特别是自主导航软件具有注入信息种类多、功能逻辑复杂、信息交互频繁、在轨实时运行要求高等特点，对软件健壮性要求更为苛刻。本专利所述方法针对组网运行下的自主导航软件，提出了一种健壮性测试验证方法，为星座提供稳健可靠、高质量自主导航服务提供支持。

说明书

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种面向分布式自主导航软件的功能逻辑分支全覆盖健壮性验证方法。

背景技术

北斗三号全球卫星导航系统的一项重要功能要求是具备自主导航能力，提高系统战时生存能力，成为世界一流卫星导航系统。自主导航软件作为卫星系统实现自主导航功能与性能指标的核心和实现载体，其健壮性直接关系自主导航在轨服务性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种面向分布式自主导航软件的健壮性验证方法，该方法针对此种星座级自主导航软件功能特点、流程逻辑、故障类型，为提供高质量、稳健的在轨自主导航服务提供技术保证，针对星座组网运行下自主导航软件功能特点和流程逻辑，考虑所有的故障类型，提出了一种针对星座组网运行下自主导航软件健壮性测试验证方法。

本发明的技术解决方案是：

一种面向分布式自主导航软件的健壮性验证方法，该方法的步骤包括：

1)对自主导航软件的功能模块进行识别划分；

2)建立自主导航软件各个功能模块的健壮性验证剖面；

3)分别从单星运行和星座交互运行两个层面制定影响自主导航软件健壮性的失效模式；

4)对步骤2)中的剖面和步骤3)中的失效模式作对应性匹配，形成以验证剖面和失效模式为横、纵坐标的初始用例集，得到健壮性用例；

5)以自主导航软件设计过程中已经完成的功能评测作为已知输入，比对步骤4)形成的健壮性用例，对相同的健壮性用例进行剪枝处理，得到健壮性用例集；

6)构建步骤5)得到的健壮性验证用例集的可执行要素模型Y

i为健壮性用例集中的任一健壮性验证用例；

7)构建健壮性验证用例集所需运行场景，包括四类场景分别是：

第一类，单星在纯软件运行环境；

第二类，单星工程样机半物理实物运行；

第三类，全网星座组网下，纯软件运行环境；

第四类，全网星座组网下，工程半物理仿真运行环境；

对健壮性验证用例和四类运行场景进行匹配，进行匹配的方法为：

第一步，判断健壮性验证用例是考察软件在单星运行下的基本功能；还是在组网状态下的星间交互或星座服务性能，如果是考察软件在单星运行下的基本功能，则匹配第一类或第二类场景；如果是在组网状态下的星间交互或星座服务性能，则匹配第三类或第四类场景；

第二步，根据健壮性验证用例考察的自主导航软件的功能模块，选择纯软件环境或半物理环境，对于验证剖面在模块内部或软件模块间的用例，选择纯软件环境即第一类或第三类场景；对于验证剖面在与运控系统、星间其他功能模块的用例，选择能够模拟实际信息交互的半物理场景即第二类或第四类场景；

8)健壮性验证用例考核是否通过的判据为：

针对第一类单星运行场景的成功判据为：在预定时间内，最终正常输出计算结果，拟合误差＜0.5m；拟合误差为自主导航软件的输出参数之一；

针对第二类单星运行场景的成功判据为：在预定时间内，最终正常输出计算结果，拟合误差＜0.5m；

针对第三类单星运行场景的成功判据为：正常运行的卫星的平均URE≤a，a为一常数，优选a＝2m，且正常运行的卫星组成的星座的全球平均PDOP值≤5.2；URE指用户测距误差；PDOP指位置精度衰减因子；不考虑其他因素，仅考察卫星性能时，定位精度＝URE*PDOP；

针对第四类单星运行场景的成功判据为：正常运行的卫星的平均URE≤a，a为一常数，优选a＝2m，且正常运行的卫星组成的星座平均PDOP值≤b，b为一常数，优选b＝5；

9)健壮性验证实施；

在所对应的运行场景和步骤6)中的健壮性验证用例集的可执行要素模型支持下逐个运行软件健壮性用例，实施健壮性验证试验，并记录结果，不符合步骤8)的判据即为验证不通过的用例，符合步骤8)的判据即为验证通过的用例。

步骤1)中，对自主导航软件的功能模块进行识别划分的方法为：自主导航软件的功能模块分别为读取初始启动参数标记为模块P1、进行数据预处理标记为模块P2、双向数据历元归算标记为模块P3、轨道预报标记为模块P4、轨道钟差滤波解算标记为模块P5、导航电文生成标记为模块P6、星间信息交互标记为模块P7、输出本星的电文信息标记为模块P8。

步骤2)中，建立自主导航软件各个功能模块的健壮性验证剖面时按照“一级剖面”、“二级剖面”和“三级剖面”进行划分，一级剖面定义为步骤1)中各个模块与地面系统运控系统的数据接口处，P1的剖面记为Ap11，Ap12，…，Ap1m，其中m为各模块一级验证剖面最大数；

二级剖面定义为步骤1)中各个模块与其他卫星自主导航软件的数据信息交互接口处，记为Bp11，Bp12，…；

三级剖面定义为步骤1)中各个模块与本卫星自主导航软件的其他模块的数据信息交互接口处，记为Cp11，Cp12，…。

三类剖面对应的接口，如果某模块不涉及该剖面，则不设计该剖面。

步骤3)中，自主导航软件单星运行层面的失效模式具体包括：输入数据、解算流程、功能逻辑处理、功能模块间流程组合、工作模式、输出数据，分别记为w1，w2，…，w6；

自主导航软件星座交互运行层面包括星间网络通信、星座节点协同、星座组网结构、故障重构服务能力，分别记为w7，…，w10。

步骤4)中，对步骤2)中的剖面和步骤3)中的失效模式作对应性匹配时：

一级剖面对应失效模式w1、w2、w3、w5、w9、w10；

二级剖面对应失效模式w6；

三级剖面对应失效模式w4、w7、w8。

每个失效模式设计0-k个故障用例，k为所有剖面的用例数量最大值。

步骤9)中，梳理所有健壮性验证没通过的用例，并将所有未通过用例分为一类薄弱点和二类薄弱点，分类的原则是：先判断验证未通过用例使用的步骤6)中的模型各个参数是否在正常值范围，在正常值范围的未通过用例记为一类薄弱点；不在正常值范围的，改变模型参数为正常范围，再进行验证，验证通过的记为二类薄弱点，改变步骤6)中模型各参数在正常范围后，仍验证不通过的用例记为一类薄弱点。

一类薄弱点是必须对软件进行设计改进的薄弱点。

二类薄弱点为无需对软件进行设计改进的薄弱点，通过增加步骤6)中的模型参数判断防护手段能够规避薄弱点。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明的方法中自主导航软件，上星前的单元测试、第三方评测都更倾向于语法正确、功能实现层面的验证，对在轨实际执行及运行过程中的健壮性考量较少。特别是自主导航软件具有注入信息种类多、功能逻辑复杂、信息交互频繁、在轨实时运行要求高等特点，对软件健壮性要求更为苛刻。本专利所述方法针对组网运行下的自主导航软件，提出了一种健壮性测试验证方法，为星座提供稳健可靠、高质量自主导航服务提供支持。

附图说明

图1为健壮性验证方法流程示意图。

具体实施方式

一种面向分布式自主导航软件的健壮性验证方法，如图1所示，该方法的步骤包括：

1)对自主导航软件的功能模块进行识别划分；

自主导航软件部署在整个导航星座的各颗卫星上，每个单星软件(单星软件即为卫星上的自主导航软件)顺次完成读取初始启动参数、进行数据预处理、双向数据历元归算、轨道预报、轨道钟差滤波解算、导航电文生成、星间信息交互、输出本星的电文信息，按从启动至输出结果的运行流程，对自主导航软件的各个功能模块进行不重不漏识别划分；

各模块记为P1，…，P8，其中，输入模块为P1，输出模块为P8，内部运行模块为P2…P7；

2)建立自主导航软件的健壮性验证剖面；

按照“一级剖面”、“二级剖面”和“三级剖面”进行划分，一级剖面定义为步骤1)中各个模块与地面运控系统的数据接口处，例如，模块1的剖面记为Ap11，Ap12，…，Ap1m，其中m为各模块一级验证剖面最大数；

m＝max(各模块一级剖面数量)

二级剖面定义为步骤1)中各个模块与其他卫星自主导航软件的数据信息交互接口处，记为Bp11，Bp12，…；

三级剖面定义为步骤1)中各个模块与本卫星自主导航软件的其他模块的数据信息交互接口处，记为Cp11，Cp12，…；

上述三类剖面对应的接口，如果某模块不涉及该剖面，则不设计该剖面；

3)分别从单星运行和星座交互运行两个层面制定影响自主导航软件健壮性的失效模式；

自主导航软件单星运行层面的失效模式具体包括：输入数据、解算流程、功能逻辑处理、功能模块间流程组合、工作模式、输出数据，分别记为w1，w2，…，w6；

自主导航软件星座交互运行层面的失效模式包括星间网络通信、星座节点协同、星座组网结构、故障重构服务能力，分别记为w7，…，w10；

4)对步骤2)中的剖面和步骤3)中的失效模式作对应性匹配；

一级剖面对应失效模式w1、w2、w3、w5、w9、w10；

二级剖面对应失效模式w6；

三级剖面对应失效模式w4、w7、w8；

每个失效模式设计0-k个故障用例，k为所有剖面的用例数量最大值，从而形成以验证剖面和失效模式为横、纵坐标的初始用例集，如表1所示，交汇处为0-k个不等的健壮性用例；

表1初始用例集

5)以自主导航软件设计过程中已经完成的功能评测作为已知输入，比对步骤4)形成的初始用例集，对相同的健壮性用例进行剪枝处理；

6)综合第1)～5)步的设计过程，顺序整理所有有效的健壮性用例，形成最终的健壮性验证用例集，记录内容如下：

表2健壮性验证用例集

7)构建步骤6)得到的健壮性验证用例集的可执行要素模型Y

8)设计健壮性验证用例所需运行场景；

设计四类场景，用以覆盖各类用例运行需求，分别是：

第一类，单星在纯软件环境运行；

第二类，单星工程样机半物理实物运行；

第三类，全网星座组网下，纯软件环境运行；

第四类，全网星座组网下，工程半物理仿真环境运行；

对健壮性验证用例和四类运行场景进行匹配，做到不重不漏；

进行匹配的方法为：

第一步，判断健壮性验证用例是考察软件在单星运行下的基本功能；还是在组网状态下的星间交互或星座服务性能，如果是考察软件在单星运行下的基本功能，则匹配第一类或第二类场景；如果是在组网状态下的星间交互或星座服务性能，则匹配第三类或第四类场景；

第二步，判断健壮性验证用例是考察自主导航软件功能模块的验证剖面，选择纯软件环境或半物理环境，对于验证剖面在模块内部或软件模块间的用例，选择纯软件环境即第一类或第三类场景；对于验证剖面在与运控系统、星间其他功能模块的用例，选择能够模拟实际信息交互的半物理场景即第二类或第四类场景；

9)分别对单星软件运行成功和星座能够提供导航服务两个层次，制定成功判据即健壮性考核是否通过的判据；

针对步骤8)中第一类单星纯软件场景、第二类单星工程样机半物理实物运行场景的成功判据为：在预定时间内，最终正常输出计算结果，拟合误差＜0.5m；

针对步骤8)中第三类全网星座组网下，纯软件场景、第四类全网星座组网下，工程半物理仿真场景的成功判据为：全星座轨道URE≤a，a为一常数，优选a＝2m，且正常运行的卫星组成的星座平均PDOP值≤b，b为一常数，优选b＝5；

10)健壮性验证实施；

在所对应的步骤8)的运行场景和步骤7)的可执行要素模型支持下逐个运行自主导航软件健壮性验证用例，实施健壮性验证试验，并记录结果，符合步骤9)的判据即为验证通过的用例，不符合步骤9)的判据即为验证不通过的用例，特别记录验证不通过用例的输出结果和指示报错点；

梳理所有健壮性验证没通过的用例，并将所有未通过用例分为一类薄弱点和二类薄弱点，分类的原则是：先判断验证未通过用例使用的步骤7)中的模型各个参数是否在正常值范围(正常值范围为已知量)，在正常值范围的未通过用例记为一类薄弱点；不在正常值范围的，改变模型参数为正常范围，再进行验证，验证通过的记为二类薄弱点，改变步骤7)中模型各参数在正常范围后，仍验证不通过的用例记为一类薄弱点；

一类薄弱点是必须对软件或系统进行设计改进的薄弱点；二类薄弱点为无需进行改进，通过增加关注模型参数判断防护手段可规避薄弱点，两类措施覆盖所有健壮性用例验证不通过的用例。