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与流程

本发明涉及卫星导航技术领域，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。

背景技术：

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，中国发明专利（申请公布号：cn108363491a），发明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。本发明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，中国发明专利（申请公布号：cn108363491a），发明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。

中国发明专利（申请公布号：cn106896379a），发明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。本发明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，中国发明专利（申请公布号：cn106896379a），发明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。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明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。

根据本发明的一方面，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。

根据本发明的另一个方面，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真控制系统主要完成软件仿真和硬件仿真的控制、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；

s6、根据试验验证目的，配置试验场景，启动仿真，仿真结束之后进行试验评估。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1）硬件仿真单元中的硬件模拟器复现了真实工程系统的功能和状态；仿真模型库中的软件模型具备真实工程系统的处理流程，并且模型的对外接口定义与工程的接口控制文件定义相一致，保证了软硬协同交互的数据格式是与工程接口控制文件相统一的，进而保证了本发明所述试验验证系统能够与真实工程系统对接；2）本发明所述的软硬件协同仿真控制系统能够实现实时的软硬协同任务中最为关键的信息和信号之间的相互转换，并且本发明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，从而实现了对于北斗导航系统这种及其细微时间颗粒度（毫秒级别）的软硬协同工作；3）本发明所述仿真模型库中的卫星模型的数量和状态可以灵活的配置，大大降低了北斗全系统全要素对接试验验证的成本，例如为了模拟30星的完整北斗三号星座状态，可以采用26个软件卫星模型和4个卫星硬件模拟器搭配的方式实现，而不需要研制30个卫星硬件模拟器；4）仿真模型库中的软件模型除了复现北斗工程系统的状态之外，还具有灵活扩展的能力，所有分系统模型的关键参数、相关算法都能够按照试验验证需求，进行配置和加载，可以直接支撑北斗工程系统技术升级的验证需求，不仅具有工程代表性，而且极大的降低了验证的代价，提高了设计验证的灵活性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中一种北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统建设方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中一种北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统的结构示意图；

图3为本发明实施例中软硬件协同仿真控制系统的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示为本发明实施例的一种北斗全球系统软硬协同仿真试验验证系统。包括仿真模型库1、仿真调度运行模块2、场景配置模块3、监控与显示模块4、性能评估模块5、软硬件协同仿真控制系统6、环境模拟系统7、硬件模拟系统及对外接口系统8和时频分系统9。

具体地，仿真模型库1主要实现北斗工程系统对应的各种分系统模型和必要的数学仿真相关模型。

优选地，仿真模型库包括如下模块但不限于：

1）工程对应节点模型，用于模拟工程系统的状态，主要包括：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。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；

2）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。

具体地，仿真调度运行模块2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。

优选地，仿真调度运行模块包括如下模块但不限于：

1）任务规划与调度引擎（图未示）。主要包括：星间链路规划与调度、上行注入规划与调度、站间控制管理、激光测距规划，等。

2）时间引擎（图未示）。主要完成仿真过程中的时间推进，能够以北斗系统最小时间颗粒度（纳秒级）进行仿真调度。

3）运行引擎（图未示）。主要完成仿真的运行调度，统一调度各种事件运行。

需要说明的是，上述举例仅为更好地说明本发明的技术方案，而非对本发明的限制，本领域技术人员应该理解，任何根据的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技术，均应包含在本发明的范围内。

具体地，场景配置模块3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。

具体地，监控与显示模块4主要显示仿真场景配置、控制仿真的运行状态、态势信息、试验数据的分析结果等。

优选地，监控与显示模块包括如下模块但不限于：

1）仿真场景配置（图未示）。按照试验任务的目标，配置卫星星座属性、地面站属性、仿真时长，用户属性，等；

2）态势显示（图未示）。可以显示仿真运行的进度、仿真过程中的关键日志信息，等；

3）运行状态显示（图未示）。显示卫星的运行轨迹、地面站的位置、星间链路的实时建链关系、星地实时建链关系，等；

4）分析评估结果（图未示）。显示针对不同试验需求的结果，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。

具体地，性能评估模块5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。

优选地，性能评估模块包括如下模块但不限于：

1）测量类业务试验分析评估，主要开展信号层面的仿真分析，主要包括：定位授时、精密定位、自主导航、星星地联合定轨等；

2）数据传输类业务试验分析评估，主要开展信息层面的仿真分析，主要包括：运控上注、遥测回传、全球短报文等。

具体地，软硬件协同仿真控制系统6主要用于实现软件信息和硬件信号的交互。其中，的软硬件协同仿真控制系统主要完成软件仿真和硬件仿真的控制、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。

具体地，环境模拟系统7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。

具体地，硬件模拟系统及对外接口系统8主要是工程分系统对应的硬件模拟分系统和对外提供工程对接能力。

优选地，硬件模拟系统及对外接口系统包括如下模块但不限于：

1）工程分系统对应的硬件模拟分系统。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；

2）对外接口系统。对外接口系统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。

具体地，时频分系统9主要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。

需要注意的是，本实施例中硬件设备的输出为模拟信号，而软件仿真单元输出的为数字信息，需要在软硬件协同仿真控制系统进行转换，从而实现软硬协同工作的目标。

如图3所示为本发明实施例中软硬件协同仿真控制系统的结构示意图，包括数据处理单元101、信号转信息单元102、信息转信号单元103和高速交换机104。

具体地，数据处理单元101主要实现软件系统发送数据的整形、按照信息转信号单元所需要的数据格式提供数据流；接收来自信号转信息单元的数据流，重新组包之后发送给软件系统。

具体地，信号转信息单元102主要接收来自于硬件仿真系统的模拟信号，通过信号的下变频、预处理、解算等操作，实现由模拟信号到数字信息的转变，并以信息流的形式发送给数据处理单元处理。

具体地，信息转信号单元103主要接收来自于数据处理单元的信息流，通过编码、信号生成、上变频等操作，实现数字信息到模拟信号的转变，并以信号的形式发送给环境模拟系统进行处理。

具体地，高速交换机104主要是采用高吞吐量低时延的商用交换设备，实现软硬件协同仿真控制系统与软件仿真服务器的交换数据延迟最小化，从而达到软硬协同的处理流程的先后顺序逻辑正确的目的。

如图1所示为本发明实施例中一种北斗全球系统软硬协同仿真试验验证方法，包括以下步骤：

s1、构建北斗软硬协同验证的软件仿真单元。

具体地，软件仿真单元包括：

1）北斗系统各个分系统模型。分系统模型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；

2）仿真调度运行模块。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；

3）场景配置模块。场景配置模块主要根据自主导航试验规划任务脚本、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；

4）监控与显示模块。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、自主导航试验数据的分析结果等；

5）性能评估模块。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。

s2、构建北斗软硬协同验证的硬件仿真单元。

具体地，硬件仿真单元包括：

1）各种工程分系统的硬件模拟系统。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、用户终端，等；

2）对外工程接口模块。对外工程接口模块用于与真实工程系统对接。

需要说明的是，上述举例仅为更好地说明本发明的技术方案，而非对本发明的限制，本领域技术人员应该理解，任何根据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，均应包含在本发明的范围内。

s3、构建环境模拟分系统。

具体地，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。

s4、构建时频分系统。

具体地，时频分系统主要是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。

s5、构建软硬件协同仿真控制系统。

具体地，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，软硬件协同仿真控制系统主要完成软件仿真和硬件仿真的控制、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。

s6中、运行试验验证系统。

具体地，运行试验验证系统主要是根据试验验证目的，配置试验场景，启动仿真，仿真结束之后进行试验评估。

现有技术中，北斗导航系统的试验验证方法，很多是纯软件的建模仿真，缺乏真实系统的代表性，并且不能和硬件工程系统进行对接试验验证；或者是单台测试设备，仅仅用于工程卫星的出厂测试验证，并没有对北斗导航系统完整状态进行试验验证；或者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。根据本实施例的方案，硬件模拟器复现了真实工程系统的功能和状态；仿真模型库中的软件模型具备真实工程系统的处理流程，并且模型的对外接口定义与工程的接口控制文件定义相一致，保证了软硬协同交互的数据格式是与工程接口控制文件相统一的，进而保证了本发明试验验证系统能够与真实工程系统对接，并且仿真模型库中的卫星模型的数量和状态可以灵活的配置，大大降低了北斗全系统全要素对接试验验证的成本。

需要注意的是，本发明可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，本发明的各个装置可采用专用集成电路（asic）或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本发明的软件程序可以通过处理器执行以实现上文步骤或功能。同样地，本发明的软件程序（包括相关的数据结构）可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，ram存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本发明的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。