全球卫星导航系统全数字仿真软件可靠性设计与测试.pdf.doc

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1、电子科技大学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA专业学位硕士学位论文MASTER THESIS FOR PROFESSIONAL DEGREE论文题目全球卫星导航系统全数字仿真软件可靠性设计与测试专业学位类别工程硕士201122240827肖平学号作者姓名指导教师田忠研究员分类号密级公开UDC注 1学位论文全球卫星导航系统全数字仿真软件可靠性设计与测试肖平指导教师田忠研究员成都电子科技大学申请学位级别硕士工程领域名称专业学位类别工程硕士电子与通信工程提交论文日期 2014.4.26 学位授予单位和日期电子科技大学答辩委

2、员会主席论文答辩日期 2014年 06月评阅人注 1：注明国际十进分类法 UDC的类号。THE RELIABLE DESIGNING AND TESTING OFALL-DIGITAL SIMULATION SOFTWARE OFGLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEMA Master Thesis Submitted toUniversity of Electronic Science and Technology of ChinaMajor: Electronics and Communication EngineeringAuthor: Advisor:Xia

3、o PingTian ZhongSchool: Research Institute Electronics Science andTechnology of UESTC独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并

4、向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：年月日摘要摘要随着计算机科学技术的发展，软件系统随之变得异常复杂和庞大，作为软件生命线的软件质量，便成为人们最为关注的焦点。于是，软件质量及其可靠性就成为当今软件设计和软件开发领域中最为关键的问题。目前主要有两种保证软件可靠性的方式：软件可靠性设计和软件可靠性测试。本文以 GNSS全系统仿真软件平台课题为研究对象，研究如何保证和提高它的可靠

5、性，分析出适合 GNSS全系统仿真软件平台的可靠性设计方法和测试模型，由此设计出对应的可靠性测试工具，具体内容如下：1.论文详细描述了 GNSS全系统仿真软件的特点，并在此基础上提炼出 GNSS全系统仿真软件的测试需求和测试指标。2.设计增强 GNSS全系统仿真软件可靠性的设计方法，这就包括软件功能故障检测、软件死循环处理检测以及软件运行处理中，数据检测的设计，设计被测对象的测试方案。3.设计 GNSS仿真软件可靠性测试的测试软件工具的系统框架，提出设计思路，这就包括测试工具的总体设计、结构框架、系统介绍等。4. GNSS仿真软件测试工具的具体设计实现，主要是对设计测试模型，测试系统的各个子模

6、块，整合各模块的可靠性，总体分析系统可靠性。GNSS软件可靠性测试工具的具体实现为：根据 GNSS仿真软件的特点，首先设计出适合被测对象的可靠性测试流程。其次将被测软件从功能模块分为地面主控站、空间星座、用户接收机以及主控站-空间星座和空间星座-用户接收机两个通信模块进行可靠性设计与测试，这就包括对各模块的功能可靠性、信号可靠性、通信时间可靠性以及软件无故障运行时间的设计与测试，在这之前，根据模块的重要性，设计出剖面模型分配各模块的可靠性比例。最后分析测试结果，拟合多次测试数据，直观评估 GNSS仿真软件可靠性。5.总结全文工作，包括本次论文工作总结以为未来工作展望。关键词：软件可靠性，可靠性

7、设计，软件测试，GNSSIABSTRACTABSTRACTBecause of the software technologys rapidly enhancing, software system becomesextreamly complex and huge. And as the software quality line, it will get more attention.So software quality becomes a key issue in software designing and developing areas.To ensure the softwar

8、e reliability, there are two methods. Designing and testing.The thesis takes the issue of Global Navigation Satellite System Simulation SoftwarePlatform. When researching the reliability of GNSS software platform, a conclusioncould be getten, when both using designing and testing methods, the softwa

9、re reliabilitycan be strengthened. The content is as follows:1. The thesis combines to the characteristics of the test object, describing thecharacteristics of GNSS Simulation Software Platform. Then the test requirements andtest indexes are getted.2. Designing the reinforcement designing methods fo

10、r GNSS full systemsimulation software, designing test plan to test the object. The methods contain softwarefault detection designing, software death loop detection designing and data detectiondesigning.3. Designing the overall framework of the GNSS testing tool, including thedesigning ideas, the ove

11、rall designing, the tool structure and so on.The work of this paper is to design and test the reliability of the GNSS SimulationSoftware Platform, and develop a reliability test tool. The content contains: according tothe characteristics of GNSS Simulation Software. Firstly, designing a test process

12、 whichfits for GNSS Simulation Software. Secondly, divides the software into five parts fordesigning and testing. It contains Ground Control Station, Space Constellation, UserReceiver and two communication modules. The test content contains the functions ofeach modules functional reliability, signal

13、 reliability reliability, communication timereliability and the mean time to failure. According to the importance of all modules,then a reliability allocation ration profile model of each module is designed. Finally, thethesis analizes the test results, fits test data, predicting the reliability of

14、the GNSSsoftware.5. Summarizing the thesis work, including the paper summarizes and the futurework.IIABSTRACTKeywords: Software Reliability, Reliable Design, Software Testing, GNSSIII目录目录第一章绪论 . 11.1引言. 11.2课题背景 . 11.3国内外研究动态. 2软件可靠性. 2软件测试. 41.3.3 GNSS软件可靠性. 51.4论文组织结构. 5第二章软件可靠性 . 82.1软件可靠性. 8软件可靠

15、性定义 . 8软件可靠性度量 . 8软件可靠性模型 . 92.2软件可靠性设计. 10软件复杂度控制技术. 10软件容错技术. 11软件在线自检技术 . 112.3测试策略 . 12软件测试分析模型 . 12软件测试方法. 12软件测试用例设计方法. 132.4本章小结 . 14第三章 GNSS测试工具框架设计. 153.1 GNSS仿真平台. 15平台简介. 153.1.2 GNSS仿真平台架构 . 16仿真平台功能. 183.2 GNSS仿真软件测试系统 . 18IV目录测试需求. 18测试指标. 203.3 GNSS测试软件架构. 213.4本章小结 . 24第四章 GNSS仿真软件测试

16、工具设计与实现. 254.1 GNSS软件测试流程及用例设计. 254.1.1 GNSS软件测试流程 . 25测试用例设计. 274.2基于运行剖面的可靠性测试. 29运行剖面. 29运行剖面的架构 . 30参数设置-XML. 324.3 GNSS仿真软件可靠性分析技术. 33数据可靠性分析 . 33系统 MTBF估计 . 35实时故障检测. 36异常处理及实时状态监控. 394.4 GNSS星座轨道测试. 41导航电文解析. 42仿真轨道数据分析 . 474.4.3 GNSS轨道可靠性测试 . 49测试结果分析. 554.5 GNSS软件主控站测试. 56测试数据转换. 57可靠性测试实现

17、. 58测试结果分析. 594.6 GNSS软件通信测试. 604.6.1 GNSS仿真软件通信测试. 604.6.2 GNSS通信测试设计 . 624.6.3 GNSS通信测试实现 . 64测试结果分析. 694.7 GNSS软件接收机测试. 70V目录4.7.1 GNSS接收机测试. 704.7.2 GNSS接收机测试设计 . 704.7.3 GNSS接收机测试实现 . 734.8本章小结 . 74第五章系统评估及结果分析 . 755.1单次可靠性评估. 755.2多次可靠性分析. 77分析模型-WEIBULL . 78数据采集. 79数据拟合. 81可靠性评估. 81第六章结束语 . 8

18、46.1工作总结 . 846.2未来展望 . 85致谢. 87参考文献. 88攻硕期间取得的研究成果. 90VI图目录图目录图 2-1测试-时间模型 . 9图 2-2软件可靠性测试增长模型图. 10图 2-3软件测试 V模型 . 12图 3-1 GNSS仿真平台框图 . 16图 3-2 GNSS仿真软件结构图 . 17图 3-3 GNSS测试工具框架 . 21图 4-1软件和 API功能测试流程 . 26图 4-2缺陷、剖面、故障关系图示. 30图 4-3 GNSS全系统仿真平台运行剖面. 31图 4-4软件死循环检测 . 37图 4-5 GNSS仿真软件 API故障检测函数工作流程 . 39

19、图 4-6数据异常检测流程 . 40图 4-7用户操作合法性判定 . 41图 4-8错误输入提醒示例 . 41图 4-9卫星导航电文. 42图 4-10第二条电文. 44图 4-11 RINEX头部信息 . 45图 4-12轨道数据格式. 46图 4-13仿真轨道数据. 48图 4-14轨道数据仿真. 50图 4-15轨道数据可靠性 . 50图 4-16 GNSS测试工具轨道模块可靠性测试流程. 51图 4-17 GNSS轨道数据可靠性分析流图. 52图 4-18用例注入测试. 54图 4-19测试结果. 54图 4-20主控站数据测试流程. 56图 4-21主控站数据可靠性测试实现. 58图

20、 4-22用例测试分析 . 59图 4-23通信数据及 RTT可靠性实时监听 . 61图 4-24异常数据监听. 62VII图目录图 4-25通信客户端测试流图. 63图 4-26服务器端测试流图 . 63图 4-27客户端通信效果图 . 67图 4-28通信测试客户端示图. 68图 4-29通信测试效果. 68图 4-30通信测试服务器端示图. 69图 4-31 GNSS接收机长时间导航测试. 71图 4-32 GNSS接收机首次定位时间测试流图 . 72图 4-33导航数据可靠性测试流图. 73图 4-34 GNSS接收机测试软件界面图. 73图 4-35用例注入测试效果图. 74图 5-

21、1 GNSS软件可靠性评估. 75图 5-2软件评价图. 76图 5-3软件错误及故障总数图. 82图 5-4软件残存故障数图. 82VIII表目录表目录表 4-1 RINEX导航电文的数据记录格式说明 . 43表 4-2轨道根数及意义 . 44表 4-3发送数据项. 64表 5-1第一小时故障数据 . 79表 5-2第二小时故障数据 . 79表 5-3错误发生数据. 80IX缩略词表缩略词表GNSSGPSGlobal Navigation Satellite SystemGlobal Positioning System全球卫星导航系统全球定位系统格洛纳斯系统伽利略卫星导航系统中国北斗卫星导

22、航系统最大期望算法平均故障间隔时间应用程序编程接口系统剖面GLONASS GLObal Navigation Satellite SystemGALILEOBDGalileo satellite navigation systemBeiDou Navigation Satellite SystemExpectation-Maximization AlogorithmMean Time between FailureApplication Programming InterfaceSystem ProfileEMAMTBFAPISPCPCore Profile核心剖面FPFunctional P

23、rofile功能剖面OPOperational Profile运行剖面XMLHTMLRINEXRTTeXtensible Markup LanguageHyper Text Markup LanguageReceiver Independent Exchange FormatRound-Trip Time可扩展标记语言超文本表示语言与接收机无关的交换格式往返时延GUIGraphical User Interface图形用户接口X第一章绪论第一章绪论1.1 引言科技进步增强了计算机的数据处理能力，也使得软件规模随之变得复杂和庞大。此时，软件质量就凸显其重要性。而软件可靠性，作为评判软件质量最关键

24、的要素，也就顺理成章成为人们最关心的焦点。尤其是诸如航空航天、卫星导航、金融系统等关键领域，人们对软件质量有特别高要求的应用领域，软件一旦出错，灾难性后果随即出现。比如，1996年欧洲宇航局研制的某火箭发射 40秒后爆炸，造成的原因却很渺小，是由于一个数据转换超出了证书的表示范围，这个故障造成的直接和间接损失是难以估计的1。事实上，软件故障致使整个系统失效，酿成重大损失的事例枚不胜举。软件故障的影响如此巨大，因此保证软件产品的质量和可靠性也就成为软件领域人们亟待解决的一个重大课题。保证软件产品的质量，需从两个方面入手。首先是软件设计，软件分析初期就通过设计手段以增强软件可靠性，避免在软件开发完

25、成或出现故障时，花费很大的代价去修复。另一增强软件可靠性的重要思想是软件测试，软件测试作为软件生命周期中的一个重要阶段，在软件开发过程中的地位随着行业的发展而不断提高。由此，要提高和保证软件可靠性，需要结合使用软件设计和软件测试两大手段。卫星导航系统是重要的空间基础设施，其价值体现在巨大的经济和社会效益。此外，它还涉及政治、经济、军事等重大领域，对维护国家利益也有深远意义。其在国防建设和经济建设领域的重大意义引起了广泛的国际社会关注，许多国家和地区正在筹建或者已经开始建设自己的卫星导航系统，国内外高校也积极加入到卫星导航的研究中。1.2 课题背景全球卫星导航系统的英文全称为 Global Navigation Satellite System，简称GNSS。目前，世界上已研制成功并投入运营的系统有美国的 GPS（GlobalPositioning System）、俄罗斯的 GLONASS，欧盟的 GALILEO，以及我国拥有自主知识产权的北斗卫星导航系统，也叫 COMPASS或者 BD系统。目前国内高校对卫星导航的研究也在如火如荼地展开中。但是，在对卫星导航系统软件平台的研究却很少，基于此，电子科技大学电子科学技术研究院开展1电子科技大学硕士学位