一种北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统及建立方法技术方案

本发明专利技术提供了一种北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统，包括软件仿真单元、硬件仿真单元、软硬件协同仿真控制系统、环境模拟系统和时频分系统。其中软件仿真单元包括仿真模型库、仿真调度运行模块、场景配置模块、监控与显示模块、性能评估模块。硬件仿真单元包括硬件模拟系统和对外接口系统。还提供了一种北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统建立方法,包括以下步骤:构建软件仿真部分，构建硬件仿真部分，构建环境模拟分系统，构建时频分系统，构建软硬件协同仿真控制系统；进行试验验证。本发明专利技术通过硬件模拟器和软件模型可以最大程度的逼近北斗工程系统的状态，试验的模型数量和状态可以灵活配置，能够与真实北斗工程系统进行对接验证。

A software and hardware collaborative simulation system and its establishment method for Beidou global system

【技术实现步骤摘要】
一种北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统及建立方法
本专利技术涉及卫星导航
，尤其涉及一种北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统及建立方法。
技术介绍
与前两代北斗导航卫星相比，最新的北斗三号导航系统采用了星间链路、全球短报文、自主导航等新技术。北斗导航系统的互联关系更加的复杂，由北斗一号和北斗二号的单纯卫星与地面站互联关系变成了北斗三号的卫星与卫星、卫星与地面站的互联关系，这大大增加了系统的复杂性。为了降低北斗工程建设的风险，需要在地面建设完整的北斗地面试验验证系统，从而在地面进行关键技术验证、在轨异常问题复现与排查、以及真星对接测试等工作，进而为工程提供试验验证手段，从而提高系统的可靠性与维护性。经过现有技术的检索，中国专利技术专利（申请公布号：CN108363491A），专利技术名称为航天器在轨维护地面虚拟验证系统及方法，其主要目的是解决航天器的在轨维护问题。本专利技术所描述的航天器在轨维护地面虚拟验证系统由人机交互系统、虚拟场景系统、外部显示系统、维护评价系统共同组成，可以制定在轨维修方案，并基于此构建维修场景中的人体模型，进而通过人体交互设备向参试宇航员显示维修场景并完成虚拟在轨操作，并显示虚拟维修过程。但是，中国专利技术专利（申请公布号：CN108363491A），专利技术名称为航天器在轨维护地面虚拟验证系统及方法，只给出了一种载人航天器的地面维护系统和方法，并不能直接适用于北斗系统的地面试验验证中。中国专利技术专利（申请公布号：CN106896379A），专利技术名称为全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，其主要目的是解决卫星导航系统真星的星间链路验证问题。本专利技术通过建立物理虚星与在轨卫星建立星间链路组成整网运行的虚实结合的星间链路网络，完成对卫星导航系统的星间链路组网功能和性能的验证。但是，中国专利技术专利（申请公布号：CN106896379A），专利技术名称为全球卫星导航系统星间链路虚实结合试验验证方法，只给出了一种针对全球卫星导航系统星间链路这一单一功能的试验验证方法，缺乏对完整系统的全面考虑，所以不能对整个卫星导航系统进行全要素全流程全功能的地面试验验证，应用范围有限。总结起来，目前针北斗系统的试验验证方法，要么是纯软件的建模仿真，缺乏真实系统的代表性；要么只是针对工程卫星的对接验证，缺乏对完整系统状态的验证；要么只是针对单一系统功能的软硬协同验证，缺乏对系统全要素全流程全功能的验证。所以，亟需建立具有当前北斗实际工程状态的软硬协同的试验验证系统，进而满足关键技术验证、在轨异常问题复现与排查、以及真星对接测试等工作。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统及建立方法,可以最大程度的逼近北斗工程系统的状态，能够与真实北斗工程系统进行对接验证。根据本专利技术的一方面，一种北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统，包括软件仿真单元、硬件仿真单元、软硬件协同仿真控制系统、环境模拟系统和时频分系统。其中软件仿真单元包括仿真模型库、仿真调度运行模块、场景配置模块、监控与显示模块、性能评估模块。硬件仿真单元包括硬件模拟系统和对外接口系统。其中，所述仿真模型库涵盖了北斗工程系统对应的各种分系统，包括：卫星节点模型、运控节点模型、测控节点模型、星间链路运管节点模型、用户节点模型、以及数学仿真模型。所述各个工程系统的软件模型的对外接口都遵循工程的接口控制文件定义，并且可以输出并存储内部的关键数据信息，关键参数也可以通过仿真平台进行配置，相关算法可以按照试验验证需求加载，并且具备真实工程系统的处理流程；数学仿真模型主要仿真生成与观测数据有关的各类数据，包括卫星轨道与钟差数据、信道数据、星间观测数据、地面观测数据，等。所述仿真调度运行模块主要获取已经设计完成的试验想定，调用相关模型和数据，驱动系统按照相关时序运行，仿真模拟导航系统运行全过程，此外，所述仿真调度运行模块具有高仿真加速比，进而保证相同流程的操作，软件耗时比硬件模拟器短，从而确保软硬协同的处理流程的先后顺序逻辑是正确的。所述场景配置模块主要根据试验规划任务脚本、系统仿真模式及流程开发脚本、运行场景开发脚本映射为仿真运行调度引擎的启停、各类模型参数或属性中，并进行初始运行的加载。所述监控与显示模块显示仿真场景配置、控制仿真的运行状态、态势信息、试验数据的分析结果等。所述性能评估模块在仿真结束之后，读取仿真平台已经存储的试验数据，进行试验评估。评估指标根据试验任务而定，例如在定位试验中，主要评估指标为用户等效测距误差UERE和精度因子DOP等，而在全球短报文试验中，主要评估指标为出入站容量（次/小时）、平均出入站时延、丢包率，等。所述软硬件协同仿真控制系统用于实现软件信息和硬件信号的交互。其中，所述的软硬件协同仿真控制系统主要完成软件仿真单元和硬件仿真单元和的控制、信息和信号的转换、待发送数据的处理及管理、已收到的数据校验及存储，等。所述环境模拟系统主要模拟信道环境。其中，所述的环境模拟分系统主要是实现对北斗导航信号传输特性的模拟，进而可以模拟北斗系统的测量类试验，包括：定位授时、星地联合定轨、自主导航，等。所述硬件模拟系统及对外接口系统主要是工程分系统对应的硬件模拟分系统。其中，所述的硬件模拟分系统可以真实工程系统的硬件拷贝，也可以是具有工程相同功能的硬件模拟系统。主要包括硬件卫星模拟器、硬件测控系统模拟器、硬件运控系统模拟器、硬件星间链路运行管理系统模拟器、用户终端，等。此外还包含用于和真实工程系统对接的对外工程接口模块，进而实现真星的对接测试、地面运控系统的模拟演练，等任务。所述时频分系统用于提供北斗软硬协同验证系统各个分系统的时间和频率基准，确保软件系统和硬件系统的进程是统一步调的。根据本专利技术的另一个方面，提供一种对当前北斗实际工程状态的具有工程代表性的软硬协同仿真试验验证方法，包括以下步骤：S1、构建软件仿真单元，包括建立北斗系统各个分系统模型、仿真调度运行模块、场景配置模块、监控与显示模块和性能评估模块等。其中，所述的分系统模型应当具备真实工程系统的处理流程，并且对外接口定义应当遵循工程的接口控制文件定义；仿真调度运行模块具有高仿真加速比，进而保证相同流程的操作，软件耗时比硬件模拟器短，从而确保软硬协同的处理流程的先后顺序逻辑是正确的；S2、构建硬件仿真单元，包括工程中的对应的各种分系统的硬件模拟分系统和用于与真实工程系统对接的对外工程接口模块。其中，所述的硬件模拟分系统可以真实工程系统的硬件拷贝，也可以是具有工程相同功能的硬件模拟系统；S3、构建模拟信道环境的环境模拟分系统。其中，所述的环境模拟分系统主要是实现对北斗导航信号传输特性的模拟，进而可以模拟北斗系统的测量类试验，包括：定位、定轨、自主导航，等；S4、构建时频分系统。其中，所述的时频分系统用于提供北斗软硬协同验证系统各个分系统的时间和频率基准；S5、构建软硬件协同仿真控制系统，用于实现软件信息和硬件信号的交互。其中，所述的软硬件协同仿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统，其特征在于，包括：/n软件仿真单元，所述软件仿真单元包括仿真模型库、仿真调度运行模块、场景配置模块、监控与显示模块和性能评估模块；/n所述仿真模型库为北斗工程系统对应的各种分系统；/n所述仿真调度运行模块用于获取已经设计完成的试验想定，调用相关模型和数据，驱动系统按照相关时序运行，仿真模拟导航系统运行全过程；/n所述场景配置模块用于根据试验规划任务脚本、系统仿真模式及流程开发脚本、运行场景开发脚本映射为仿真运行调度引擎的启停、各类模型参数或属性中，并进行初始运行的加载；/n所述监控与显示模块用于显示仿真场景配置、控制仿真的运行状态、态势信息、试验数据的分析结果；/n所述性能评估模块用于仿真结束之后读取仿真平台已经存储的试验数据，进行试验评估；/n硬件仿真单元，所述硬件仿真单元包括硬件模拟系统和对外接口系统，所述硬件模拟系统用于复现真实工程系统的功能和状态；所述对外接口系统用于对外提供工程对接能力；/n软硬件协同仿真控制系统，用于实现软件信息和硬件信号的交互；/n环境模拟分系统，用于模拟北斗导航信号的传输特性；/n时频分系统，用于提供北斗软硬协同验证系统各个分系统的时间和频率基准。/n...

【技术特征摘要】
1.一种北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统，其特征在于，包括：
软件仿真单元，所述软件仿真单元包括仿真模型库、仿真调度运行模块、场景配置模块、监控与显示模块和性能评估模块；
所述仿真模型库为北斗工程系统对应的各种分系统；
所述仿真调度运行模块用于获取已经设计完成的试验想定，调用相关模型和数据，驱动系统按照相关时序运行，仿真模拟导航系统运行全过程；
所述场景配置模块用于根据试验规划任务脚本、系统仿真模式及流程开发脚本、运行场景开发脚本映射为仿真运行调度引擎的启停、各类模型参数或属性中，并进行初始运行的加载；
所述监控与显示模块用于显示仿真场景配置、控制仿真的运行状态、态势信息、试验数据的分析结果；
所述性能评估模块用于仿真结束之后读取仿真平台已经存储的试验数据，进行试验评估；
硬件仿真单元，所述硬件仿真单元包括硬件模拟系统和对外接口系统，所述硬件模拟系统用于复现真实工程系统的功能和状态；所述对外接口系统用于对外提供工程对接能力；
软硬件协同仿真控制系统，用于实现软件信息和硬件信号的交互；
环境模拟分系统，用于模拟北斗导航信号的传输特性；
时频分系统，用于提供北斗软硬协同验证系统各个分系统的时间和频率基准。


2.根据权利要求1所述的北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统，其特征在于：所述仿真模型库包括卫星节点模型、运控节点模型、测控节点模型、星间链路运管节点模型、用户节点模型、以及数学仿真模型。


3.根据权利要求1所述的北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统，其特征在于：所述硬件模拟系统包括硬件卫星模拟器、硬件测控系统模拟器、硬件运控系统模拟器、硬件星间链路运行管理系统模拟器和用户终端。


4.根据权利要求1所述的北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统，其特征在于：所述软硬件协同仿真控制系统包括数据处理单元、信号转信息单元和信息转信号单元；
所述数...

【专利技术属性】
技术研发人员：左勇，刘文祥，李蓬蓬，欧钢，孙广富，王飞雪，李柏渝，肖伟，吕志成，倪少杰，牟卫华，覃曼丽，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43