基于CPS的数字卫星仿真系统及其方法

本发明涉及数字卫星仿真测试，尤其涉及基于cps的数字卫星仿真技术。

背景技术：

1、数字卫星是一种能够实现各种机载子系统高精度仿真、在轨飞行过程验证和测试演练的系统。它可以根据真实卫星的数据格式生成原始遥测帧，正确执行和响应遥测命令，并且为测控地面测试系统提供真实的遥测帧和外部数据接口。数字卫星系统可以用于验证测控和轨道机动的准确性，以及其他相关的星上载荷任务仿真，为卫星总体设计及测试提供一个真正的操作和验证平台，该平台可以帮助设计者在设计阶段迭代优化设计方案，同时给用户提供更加直观的产品原型。

2、基于模型的系统工程概念，由国际系统工程学会(international council onsystems engineering，incose)于2007年提出。基于模型的系统工程设计是在传统的基于文本的系统工程设计方法上改进而来，充分利用数学模型、传感器实时更新、卫星载荷运行状态历史数据，集成多尺度、多物理量、多功能，实现从数字世界角度对物理系统的完整映射，刻画并反映了真实物理系统的全生命周期的仿真过程。2013年，美国国家航空航天局(national aeronautics and space administration，nasa)开发了mbse架构[3]，这个数字仿真系统架构运用在立方体卫星(cube satellite，cubesat)、火情预警卫星(firesatellite，firesat)。欧洲航天局(european space agency，esa)也在积极将mbse运用在实际场景中，在伽利略系统借助仿真程序(galileo system simulation facility，gssf)，达到系统级仿真。

3、网络物理系统在基于模型的系统工程方法之上，进一步对不同任务的需求和功能进行分析，以特定的任务时间线为横轴，协同调度不同的任务以顺序或并发的形式执行，辅以分配不同的软硬件资源，进一步缩小数字仿真与真实物理系统的差距。

4、相比之前单一扁平的软硬件系统架构而言，当前所构建的软硬件系统常常具有以下特点：响应式计算、并发运行、反馈控制、实时计算、安全关键型，那么，传统的单一扁平架构就无法适应当前系统设计的要求。因此，美国nsf工业大学的jay lee等教授提出了适用于当前软硬件系统发展的cps(cyber-physical systems，网络物理系统)架构，改架构包括连接层、转换层、网络层、认知层和控制层五层，如图1所示。

技术实现思路

1、为了克服上述技术缺陷，本发明的第一个方面提供一种基于cps的数字卫星仿真系统，其包括：

2、连接层组件，所述连接层组件用于直接从卫星硬件环境中采集数据并通过网络套接字传输给转化层组件；还用于执行数字卫星仿真指令；

3、转化层组件，所述转化层组件用于将从连接层组件接收到的数据转化为认知层和控制层的输入；还用于根据业务决策进行数字卫星仿真运行，从而将业务决策转化为数字卫星仿真指令，并将数字卫星仿真指令传输至连接层组件的网络套接字；

4、认知层组件，所述认知层组件用于接收转化层组件的数据，并为控制层提供中间服务和业务信息支撑；还用于接收并处理业务决策，并将业务决策传输至转化层；

5、控制层组件，所述控制层组件用于接收认知层组件的数据，接收用户输入的与数字卫星仿真有关的配置信息，控制分析状态量，生成业务决策，并将业务决策传输给认知层组件；

6、所述数字卫星仿真系统为具有时间连续性和状态更新离散性的混合系统，连接层组件、转化层组件、认知层组件和控制层组件中的每一子系统均使用扩展状态机描述混合系统进程，每一混合系统进程包括输入、输出和状态变量，所述状态变量的对应模式分为开模式和关模式。

7、进一步地，所述连接层组件包括：

8、udp接收模块，所述udp接收模块采用udp通信机制，用于接收外部设置，配置数字卫星仿真参数，如卫星轨道、姿态、时间等，以及仿真步长、仿真速度、任务参数等；

9、任务开始模块，所述任务开始模块采用按钮点击触发或网络命令触发，用于启动任务仿真进程，根据参数定时进行卫星任务周期仿真驱动控制；

10、gnss时间模块，所述gnss时间模块采用外部触发方式，用于接收外部gnss信号触发，与外部时间同步；

11、socket接口模块，所述socket接口模块采用tcp/ip通信机制，用于仿真模块间tcp/ip通信转发。

12、进一步地，所述转化层组件包括：

13、定时器，所述定时器用于定时触发仿真任务，自主判定时间基准为计算机自触发或使用外部gnss时间模块定时触发，根据仿真频率，自主产生任务仿真启动控制信息；

14、卫星仿真模块，所述卫星模型仿真模块用于卫星姿态、轨道及任务仿真，调用卫星相机、转台和激光仿真模块，生成各模块间交互数据；

15、目标仿真模块，所述目标仿真模块用于目标状态仿真，所述目标状态仿真包括目标轨道仿真、目标姿态仿真、目标形状仿真、光谱特性等信息仿真。

16、进一步地，所述卫星仿真模块包括：

17、卫星相机仿真模块，所述卫星相机仿真模块用于根据目标模块、相机仿真模块、转台仿真模块和卫星姿态及轨道数据，生成相机观测图像；

18、卫星转台仿真模块，所述卫星转台仿真模块用于根据任务规划结果、目标检测控制信息，仿真生成转台实时指向角度、角速度信息；

19、卫星激光仿真模块，所述卫星激光仿真模块用于仿真生成激光测距载荷对目标的测距结果信息，包括距离、时间等。

20、优选地，根据卫星载荷类型不同，本技术的卫星仿真模块还可增加其它载荷模块。

21、进一步地，所述认知层组件包括数据仿真驱动线程模块，所述数据仿真驱动线程模块用于根据任务开始模块调用信息，内部按卫星工作流程，调动卫星仿真模块，生成卫星仿真图像及数据。

22、进一步地，基于cps的数字卫星仿真系统进一步包括扩展接口，所述扩展接口用于扩展业务模块。

23、进一步地，所述控制层组件包括用户交互模块，所述用户交互模块用于显示仿真进程、仿真结果和仿真进程控制交互接口。

24、进一步地，在与用户交互时，所述控制层组件用于用户输入的与数字卫星仿真有关的配置信息，所述配置信息包括场景配置、卫星配置、目标配置和规划配置。

25、本技术的第二个方面提供一种基于cps的数字卫星仿真方法，其包括：

26、步骤s1：连接层组件用于直接从卫星硬件环境中采集数据并通过网络套接字传输给转化层组件；

27、步骤s2：转化层组件用于将从连接层组件接收到的数据转化为认知层和控制层的输入；

28、步骤s3：认知层组件用于接收转化层组件的数据，并为控制层提供中间服务和业务信息支撑；

29、步骤s4：控制层组件用于接收认知层组件的数据，接收用户输入的与数字卫星仿真有关的配置信息，控制分析状态量，生成业务决策，并将业务决策传输给认知层组件；

30、步骤s5：认知层组件接收并处理业务决策，并将业务决策传输至转化层；

31、步骤s6：转化层组件根据业务决策进行数字卫星仿真运行，从而将业务决策转化为数字卫星仿真指令，并将数字卫星仿真指令传输至连接层组件的网络套接字；

32、步骤s7：连接层组件执行数字卫星仿真指令。

33、进一步地，在步骤s4中，所述配置信息包括场景配置、卫星配置、目标配置和规划配置。

34、采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

35、本技术提供一种基于cps的数字卫星仿真系统，具有一定的优越性，例如，各个模块可独立扩展升级，模块调度持续可控，可支持半物理测试，可支持高速数据流，低速控制流测试。本技术在传统cps系统架构的基础上进行进一步创新，使用统一建模语言(uml)，实现对数字卫星仿真系统架构进行分层设计，并将传统cps系统架构中的网络层功能合并至连接层，合二为一，最终只有四个分层，即控制层、认知层、转化层、连接层，实现对卫星整个生命周期的全过程仿真。现有技术中的cps系统架构针对系统内包括多个子系统(卫星)，而本技术的cps系统针对一个卫星，可多个并行。本技术技术方案对卫星总体论证设计过程提供准确的仿真测试场景，同时为工程研制阶段提供额外的功能测试场景，弥补卫星总体论证设计阶段与工程研制阶段间的设计实现差距，进而辅助推进卫星仿真软件平台化发展，有助于扩展基于模型的系统工程(mbse)的卫星工程设计研制理论基础，节约卫星研制各阶段的人力物力损耗，扩展基于模型的系统工程的卫星工程设计研制理论基础，符合实际设计实践的要求。