专利名称：通信卫星有效载荷测试系统仿真平台的制作方法
技术领域：
本发明属于卫星测试领域，涉及一种通信卫星有效载荷测试系统仿真平台。
背景技术：
为了确保卫星和飞船等航天器的成功发射和在轨正常运行，航天器在研制、实验和发射等阶段都要进行详细的电性能测试。采用设置的遥测参数对航天器的电性能进行测试，通过对大量的遥测数据进行处理分析和数据判读可以判断各系统的工作状态。通信卫星载荷测试领域是一个敏感领域，具有一定的特殊性，需要各种通用仪器仪表和专用仪器仪表通过多种互连方法同被测载荷进行连接，并对大量各类数据信息进行处理。由于每个通信卫星载荷的特殊性和缺少通用的测试规则，某些载荷的测试方法与测试指标各不相同。载荷测试的前提是将被测载荷放入到测试环境中，测试环境的改变会影响到测试数据的结果，测试方法的合理与否，测试系统的处理能力与通信能力是否满足测试方案的需求都要在测试环境搭建好之后通过实际测试才能检验出来。传统测试系统设计和规划方法主要靠经验，对于复杂的现代通信卫星有效载荷测试系统，很多地方由于无法预知而抓不住设计的要点，这种测试方法和测试能力的不可预知性不仅增加了测试成本，往往还会拖延测试周期，降低测试的效率。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种通信卫星载荷测试系统的通用仿真平台，可以在该平台上预先对通信卫星有效载荷系统级测试方案进行仿真，对测试方案进行可行性分析并做出相应调整，从而降低测试成本，提高测试效率。本发明的技术解决方案是通信卫星有效载荷测试系统仿真平台，包括测试规则模块、仿真核心模块、仿真设计模块、事件队列列表、数据采集模块和数据分析模块，其中测试规则模块存储整个仿真过程中与通信卫星有效载荷测试有关的测试规则；仿真核心模块包括数据读写单元、事件调度器和事件执行单元；数据读写单元读取数据分析模块的数据判读结果，同时提供与数据采集单元的数据交互接口 ；事件调度器以数据判读结果为依据，采用离散事件驱动机理确定事件的执行时间，事件执行单元处理完当前事件后，事件调度器将该当前事件从事件队列列表中删除，并获得下一事件作为将要执行事件；如果将要执行事件的预设执行时间晚于当前仿真时间，则事件调度器将当前仿真时间修改为将要执行事件的预设发生时间并将该将要执行事件交给事件执行单元执行；如果将要执行事件的预设执行时间等于当前仿真时间，则事件调度器直接将该将要执行事件交给事件执行单元执行；仿真设计模块包括场景设计单元、节点设计单元和进程设计单元，场景设计单元建立测试系统的节点组成及其连接方式；节点设计单元定义测试仪器或卫星有效载荷的属性，将测试仪器或卫星有效载荷的属性划分为不同的工作状态，同一台测试仪器或者卫星有效载荷的所有工作状态形成一个节点；进程设计单元采用有限状态机来描述测试仪器或卫星有效载荷的不同工作状态，每一个工作状态对应一个进程；事件队列列表存储仿真核心模块要执行的所有事件及事件对应的预定执行时间，事件是整个仿真过程向前推进的基本组成单元，每一个事件完成了一定的操作，由一定的事件队列组成了卫星载荷项目测试的过程；数据采集模块接收仿真核心模块中数据读写单元送来的仿真过程中某些节点或者进程中所生成的数据，并根据测试规则模块中的测试规则对接收的数据进行分类并转发给数据分析模块；数据分析模块接收数据采集模块转发来的反映仿真状态的数据，同时从测试规则模块中获取与当前测试项目相对应的测试规则判据，根据测试规则判据对接收到的状态数据进行判读，判读结果发送至仿真核心模块。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明通信卫星载荷测试系统的通用仿真平台，可以在其上对通信卫星有效载荷系统级测试方案进行仿真建模，预先对测试方案进行仿真，在具体方案实施之前对测试方案进行可行性分析，尽可能完善的对测试方案的可实施性提供依据，对测试能力进行可预见评估，及时发现方案的瓶颈并做出相应调整，以降低测试成本，提高测试效率；(2)仿真平台提供场景，节点，进程三层建模机制，三层模型和实际的系统，设备， 协议三层完全对应，全面反映了测试系统的相关特性；(3)采用离散事件驱动的仿真机理，其中“事件”是指测试系统模型状态的变化，只有测试系统模型状态发生变化时，仿真平台才进行仿真，测试系统模型状态不发生变化的时间段不进行仿真计算，被跳过，即仿真时间是离散的，每当有一个事件出现后时间往前推进，也就是时间是跳跃前进的，一个仿真时间点上可以同时出现多个事件(通过事件的优先级进行先后执行)，事件的发生可以有疏密的区别，在离散事件驱动的仿真机理中，仿真核心不必每时每刻都去查询系统模型的状态，因为测试系统模型状态改变时，就会有事件发生，事件的发生会通知仿真核心进行处理，与时间驱动相比，计算效率得到很大提高；(4)仿真平台创建的所有系统模型都由一系列属性可配置的设备模型组成。设备模型属于某个类，类以行为和属性的方式描述对象的特征，面向过程的仿真平台相比，面向对象的仿真平台更利于数据的维护和继承。
图1为本发明通信卫星有效载荷测试系统仿真平台结构图；图2为本发明仿真核心模块组成框图；图3为本发明仿真设计模块组成框图；图4为本发明仿真设计模块的工作流程图；图5为本发明事件队列列表结构图；图6为数据采集模块结构图；图7为数据分析模块结构图。
具体实施例方式如图1所示，本发明通信卫星有效载荷测试系统仿真平台包括测试规则模块、仿真核心模块、仿真设计模块、事件队列列表、数据采集模块和数据分析模块。测试规则模块中存储了整个仿真过程中与通信卫星有效载荷测试有关的测试规则。仿真核心模块读取数据分析模块的数据判读结果，同时提供与数据采集单元的数据交互接口 ；以数据判读结果为依据，采用离散事件驱动机理确定事件的执行时间并执行事件。仿真设计模块反映了卫星有效载荷测试系统的组成和状态，仿真实施者通过仿真设计模块实现对测试系统的仿真平台搭建。事件队列列表存储了仿真核心模块要执行的所有事件及事件对应的预定执行时间，仿真核心从该列表中提取将要执行的事件，通过执行具有一定关联的离散事件可完成对测试项目的测试过程。数据采集模块接收仿真核心送来的仿真过程中所生成的状态数据，并对这些状态数据进行分类存储管理和转发。数据分析模块接收数据采集模块转发过来的反映仿真状态的数据，并对其进行分析和转发。事件是组成测试项目的单元，也即在进行测试项目的测试时，由若干个事件组成了测试过程，例如测试功率这个项目，需要信号发生器发生数据事件，数据进入被测系统事件，被测系统进行响应事件，响应数据进入功率计或频谱仪事件。整个测试系统中的每一个状态的改变都是由响应时间触发的，不同的事件按照时间先后顺序进行触发，组成了一定的测试项目的完成。如图2所示，为仿真核心模块组成框图。包括数据读写单元、事件调度器和事件执行单元。数据读写单元读取数据分析模块的数据判读结果，由此作为仿真核心模块下一步操作的依据，例如是让事件调度器继续工作还是结束仿真并报警。事件调度器对所有进程模块希望完成的事件和计划该事件发生的时间进行列表和维护。事件调度器采用的离散事件(其中“事件”是指仿真环境状态的变化，也就是说，只有测试系统状态发生变化时，仿真核心模块才工作，测试系统状态不发生变化的时间段不执行任何仿真计算，即被跳过)驱动机理决定了其时间推进机制执行事件部分处理完当前事件后，事件调度器把该事件从事件列表中删除，并获得下一事件，作为将要执行事件。如果将要执行事件希望发生的时间晚于当前仿真时间，仿真核心模块将仿真时间推到将要执行事件的希望发生时间，并且事件调度器会把将要执行事件交给执行事件部分执行；如果将要执行事件的希望执行时间等于当前仿真时间，仿真时间将不推进，直接把将要执行事件交给执行事件部分执行；事件执行单元则是根据仿真核心模块下一步操作的结果进行相关事件的操作。如图3所示，为仿真设计模块组成框图。包含了场景设计单元，节点设计单元和进程设计单元，分别和实际卫星有效载荷测试系统的系统，设备和协议操作一一对应，全面反映了测试系统的相关特性。场景设计单元反映了测试系统的节点组成及其连接方式，采用通用测试仪器，专用测试仪器及通信链路等建立测试场景模型，实现对测试环境的形象化映射。节点设计单元抽象了具体节点的属性，也就是测试仪器或卫星有效载荷的整体属性，节点设计基于节点模块，每个节点模块实现节点行为的某一方面，诸如数据生成，数据存储，数据的处理和数据的传输等。多个节点模块的集合构成功能完整的节点。单个节点内部的节点模块可能是几十个甚至是上百个。进程设计单元则是节点的内部实现抽象，使用有限状态机来描述进程的逻辑，主要用来刻画节点模型内不同功能模块内的实现，可以模拟大多数软件或者硬件系统，包括通信协议，算法，排队策略，共享资源，特殊的业务源等。最底层为进程设计单元，其以状态机来描述协议操作；其次为节点设计单元，由相应的协议模型构成，反映了设备的特性；最上层为场景设计单元。这种分层建模的方式和单一层次的对系统中所有层面进行统一建模相比，有很多的优点，它给仿真实施者提供了一个直观的建模环境，最大限度地贴近实际测试系统。场景设计单元的主要功能是从高层设备对系统进行规范，高层设备也就是节点和通信链路。节点对应测试设备，也包括一些业务配置模块；通信链路对应于现实网络中的连接链路，也包括逻辑链路。节点设计单元的主要功能是从应用，进程，队列和通信接口等功能模块对节点的功能进行规范。节点包含通用测试仪器和专用测试仪器。通用测试仪器包含示波器，信号源，频谱仪等由通用仪器生厂商生产的仪器，仿真平台有专门的通用仪表库，专用测试仪器则是根据具体测试方案抽象出的专用测试仪器，仿真平台可通过节点设计部分对专用仪器仪表进行设计。这些设备与现实中所使用的设备具有相同的功能。因此，节点的属性与设备功能密切相关。进程设计单元的主要功能是对系统内节点所含进程的行为进行规范，包括决策进程和算法。在进行进程建模时，最重要的工作就是设计进程组，使其中的各个进程能够各尽其职并且协调运作。有限状态机设计采用图形和代码相结合的方式创建进程模型，有限状态机采用状态转移图(State Transition Diagram，STD)来描述状态的转移，进程模型所执行的操作用C或C++语言来描述。状态和状态之间是通过状态转移线相连，转移线可以是带条件的(必须满足条件才能转移)或者是无条件的(直接转移)。状态的上半部分可以关联状态入口代码，状态的下半部分可以关联状态出口代码，当仿真核心进入有限状态机的某个状态时，入口代码将被执行，当仿真核心离开有限状态机的某个状态时，出口代码将被执行。有限状态机的状态有强制状态和非强制状态两种，有限状态机进入强制状态时，依次执行入口代码和出口代码，然后将控制权交给下一个状态；有限状态机进入非强制状态时，在执行完入口代码后暂停，将控制权交给仿真核心，仿真核心开始查找下一个事件队列列表中的事件并执行，直到相应的事件触发了该有限状态机从非强制状态中离开，才执行出口代码。在进行仿真设计时，根据测试方案使用场景设计单元进行场景设计，即根据卫星有效载荷测试方案确定测试项目，据此确定卫星有效载荷测试系统的组成及连接方式，测试系统(场景)由不同的测试仪器(节点)和被测卫星有效载荷连接而成，测试仪器优先使用平台所提供设备库中的设备模型，如果设备库中没有相应设备模型，需要使用节点设计单元进行设备模型搭建。设备由不同的功能模块组成，通常由配置模块，计算处理模块， 输入输出模块，通信模块和存储模块构成(不同设备可能全部或部分覆盖这五个模块)，每个功能模块完成设备一定的功能。配置模块负责仿真平台初始化时对设备进行初始化，是对设备软件硬件的配置进行抽象，仿真(测试)开始时要根据测试项目对测试设备的工作模式和配置进行设置；计算处理模块负责设备的计算和处理部分，是对设备的核心处理器进行抽象，仿真(测试)过程中测试设备要根据测试项目对接收到的数据进行相应处理；输入输出模块负责设备的人机交互，是对设备同人交互进行抽象，仿真(测试)过程中，操作人员需要通过软件或者设备面板对设备进行相应操作，设备则需要进行相应操作和反馈; 通信模块负责设备间的信息交互，是对设备间数据交互进行抽象，仿真(测试)过程中不同设备相互配合，通过数据交互共同完成相关测试项目；存储模块负责将测试过程中仿真实施者感兴趣的数据进行存储，是对本地数据存储的抽象，仿真(测试)过程中，卫星有效载荷出现异常，通过存储的数据可以方便的进行仿真(测试)过程重现，利于问题排查与定位。仿真实施者使用进程设计单元完成不同功能模块的设计，进而完成与设备相应的节点设计。仿真(测试)开始时，所有设备的不同功能模块首先通过状态机的“开始”状态进行初始化，然后进入“等待”状态，等待与之相关的事件的发生，在仿真(测试)过程中，如果仿真核心执行的事件列表中的事件和某设备中的某模块相关，仿真核心会对该模块的状态机进行事件中断，使状态机进入“处理”状态，进入“处理”状态之前，首先执行“处理”状态的入口代码，当相应操作(即执行“处理”状态中的相应代码)完成之后，执行“处理”状态的出口代码，然后状态机又回到“等待”状态，再次等待与之相关的事件发生。所有事件的执行不会向前推进仿真时间，只消耗电脑的执行时间，仿真核心执行完事件后会根据下一事件希望执行的时间来推进仿真时间。通过有限状态机的创建，完成不同功能模块的设计， 进而完成测试仪器(节点)设计，最终由不同的测试仪器(节点)共同组成测试系统(场景)ο图4是使用仿真设计模块进行仿真系统设计的基本流程。该基本流程包含了开始场景设计，是否有模型库中不覆盖的设备，开始节点设计，节点内不同模块的设计，开始进程设计，进程中有限状态机设计，状态机功能是否满足进程设计，所有模块的进程设计完备，节点功能是否满足设计，使用设备模型进行场景设计，运行仿真，场景设计是否与预期相同。开始场景设计。是整个仿真开始的第一步，也就是根据测试系统方案进行测试系统的搭建。是否有模型库中不覆盖的设备。测试系统是由测试设备组成，同样，仿真场景是由仿真节点组成。仿真平台为设备的详细建模提供了丰富的模型库，标准设备库包含了数百个制造商的特殊模型和通用模型，包括频谱仪，矢量网络分析仪等。在进行仿真场景搭建时，首先要对测试方案中涉及到的测试设备进行清点，查看仿真平台设备库中的设备模型是否覆盖了所有的测试设备，如果没有覆盖，则需要对测试设备进行设计建模，即需要进行节点设计，进入节点设计；如果仿真平台模型库中的模型可以覆盖测试方案中的所有测试设备，则可以进行场景搭建，进入使用设备模型进行场景设计。开始节点设计。如果仿真平台库中没有测试方案涉及的设备，则需要对这些设备进行设计建模，即开始节点设计。节点内不同模块设计。每台设备都由不同的功能模块组成，同样，作为设备抽象的节点设计，首先要进行的就是不同功能模块的规划与设计。开始进程设计。不同的模块设计就是通过不同的进程设计来完成的。进程中有限状态机设计。在进行进程设计时，首先要对状态转移图进行设计，即确定进程有哪几种状态，并且其中有几种是强制状态，几种是非强制状态，然后再确定状态之间的转移条件，最后在状态入口出口处添加代码，完成整个进程设计。状态机功能是否满足进程设计。进程中的有限状态机设计完成后，检验其功能是否满足进程设计要求，如过不满足，返回重新进行有限状态机设计，如果满足，进入下一步。所有模块的进程设计完成。节点由多个具有不同功能的模块组成，模块功能由进程即有限状态机实现。检验是否所有的模块设计完成，如果没完成，则进入开始节点内不同模块的进程设计；如果完成，进入下一步。
节点功能是否满足设计。节点内具有不同功能的模块设计完成后，节点设计完毕， 检验该节点的功能是否满足设计要求，即模块的属性和功能是否能真实的反应测试设备的属性和功能。如果不能，返回重新开始节点设计；如果能则返回检验是否还有模型库不覆盖的设备。使用设备模型进行场景设计。如果方案中所涉及到的设备均被模型库中的设备模型覆盖或通过节点设计完成了相应模型的建模，则可以开始使用设备模型进行场景设计， 使用通信连路将各个设备模型连接起来，准备开始仿真。运行仿真。在场景模型搭建好之后，测试系统的仿真平台搭建完成，此时运行仿真以检验场景模型，运行仿真前需要进行仿真环境配置，仿真运行中需要对运行过程进行数据采集，仿真运行完之后要进行数据分析。场景设计是否与预期相同。仿真运行完之后，查看仿真的运行结果是否与预期相同，如果相同，从仿真角度上看方案具有一定的可行性，结束仿真环境搭建；如果不同，一般有两方面的原因，一是由于模型中的流程没有严格地按照系统规定的方案来执行，此时返回“开始场景设计”，重新检验或者设计仿真；二是本身系统的方案存在问题，如果是系统的方案本身存在问题，那么仿真的目的之一，验证方案的不可实施性已经达到，此时应该修改方案，然后返回“开始场景设计”，重新开始仿真设计。图5为事件队列列表结构图，事件队列列表由离散事件节点前后连接而成，当仿真实施者用仿真设计模块完成了测试方案的仿真建模之后，仿真平台根据所建模型中离散事件希望执行时间的先后顺序自动生成事件队列列表。仿真核心通过对一定数量的离散事件的执行，完成卫星有效载荷相关测试项目的测试过程。离散事件节点包含了前一个事件指针，后一个事件指针，执行事件指针和希望执行时间。前一事件指针指向仿真核心模块前一个已经执行完的事件，仿真实施者可以通过其向前追溯事件；后一事件指针指向仿真核心模块在执行完当前事件后，希望执行的下一事件，仿真实施者可以通过其向后查询事件; 执行事件指针指向当前事件在执行时，仿真核心模块需要执行的具体逻辑，即将计算机跳转到相应代码的入口，执行事件指针就指向了该入口，相应的事件也就是代码结束之后，根据下一事件节点的希望执行时间属性决定仿真时间的改变；希望执行时间是当前执行事件希望执行的时间。如图6所示，为数据采集模块结构图，主要实现对采集的卫星状态参数进行管理和发送。包括数据接收单元，数据管理单元和数据转发单元。数据接收单元接收来自仿真核心模块的仿真过程中某些节点或者进程中所生成的数据，数据管理单元根据测试规则模块中的测试规则对接收的数据进行分类存储，数据转发单元将采集的数据送至数据分析模块。如图7所示，为数据分析模块结构图，主要根据测试规则数据库中的测试规则，对数据采集模块送来的数据进行分析，形成各种判据。包括数据接收单元、测试规则判据解析单元和数据判读单元三个部分。数据接收单元主要是从数据采集模块接收卫星有效载荷测试仿真环境中的测试数据，并交给测试规则判据解析单元进行处理；测试规则判据解析单元是数据分析模块的核心，其从测试规则模块中读取相应规则，对测试数据进行相应解析， 为数据判读部分提供判读依据；数据判读单元根据数据规则判据解析的结果形成数据判读规则，进而对接收到的数据进行判读，当数据出现异常时进行报警或进行日志记录，并且将判读结果转送给仿真核心模块，为其下一步操作提供必要依据。 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
权利要求
1.通信卫星有效载荷测试系统仿真平台，其特征在于包括测试规则模块、仿真核心模块、仿真设计模块、事件队列列表、数据采集模块和数据分析模块，其中测试规则模块存储整个仿真过程中与通信卫星有效载荷测试有关的测试规则； 仿真核心模块包括数据读写单元、事件调度器和事件执行单元；数据读写单元读取数据分析模块的数据判读结果，同时提供与数据采集单元的数据交互接口 ；事件调度器以数据判读结果为依据，采用离散事件驱动机理确定事件的执行时间，事件执行单元处理完当前事件后，事件调度器将该当前事件从事件队列列表中删除，并获得下一事件作为将要执行事件；如果将要执行事件的预设执行时间晚于当前仿真时间，则事件调度器将当前仿真时间修改为将要执行事件的预设发生时间并将该将要执行事件交给事件执行单元执行； 如果将要执行事件的预设执行时间等于当前仿真时间，则事件调度器直接将该将要执行事件交给事件执行单元执行；仿真设计模块包括场景设计单元、节点设计单元和进程设计单元，场景设计单元建立测试系统的节点组成及其连接方式；节点设计单元定义测试仪器或卫星有效载荷的属性， 将测试仪器或卫星有效载荷的属性划分为不同的工作状态，同一台测试仪器或者卫星有效载荷的所有工作状态形成一个节点；进程设计单元采用有限状态机来描述测试仪器或卫星有效载荷的不同工作状态，每一个工作状态对应一个进程；事件队列列表存储仿真核心模块要执行的所有事件及事件对应的预定执行时间，事件是整个仿真过程向前推进的基本组成单元，每一个事件完成了一定的操作，由一定的事件队列组成了卫星载荷项目测试的过程；数据采集模块接收仿真核心模块中数据读写单元送来的仿真过程中某些节点或者进程中所生成的数据，并根据测试规则模块中的测试规则对接收的数据进行分类并转发给数据分析模块；数据分析模块接收数据采集模块转发来的反映仿真状态的数据，同时从测试规则模块中获取与当前测试项目相对应的测试规则判据，根据测试规则判据对接收到的状态数据进行判读，判读结果发送至仿真核心模块。
全文摘要
通信卫星有效载荷测试系统仿真平台，测试规则模块存储测试规则。仿真核心模块读取数据分析模块的数据判读结果，采用离散事件驱动机理确定事件的执行时间并执行相应事件。仿真设计模块建立测试系统的节点组成及连接，建立时将卫星有效载荷的属性划分为不同工作状态，每一个工作状态对应一个进程，同一卫星有效载荷的所有工作状态形成一个节点。事件队列列表存储仿真事件及对应的执行时间。数据采集模块接收仿真时某些节点或者进程中生成的数据，对数据分类并转发给数据分析模块。数据分析模块接收反映仿真状态的数据，同时获取与当前测试项目相对应的测试规则判据，根据测试规则判据对接收到的状态数据进行判读，判读结果发送至仿真核心模块。
文档编号H04B7/185GK102523030SQ20111038185
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者刘万富, 张勇, 谢华 申请人:中国空间技术研究院