卫星导航云仿真系统、方法、装置、电子设备及存储介质与流程

1.本技术涉及仿真技术领域，特别地，涉及一种卫星导航云仿真系统、方法、装置、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.随着北斗导航卫星系统的发展，国内对导航领域的研究越来越深入，应用场景越来越广泛，研发、生产相关设备的厂商都需要更多的仿真信号源来满足研发和生产的需求，而目前大学教学、导航对抗训练等都是需要很多信号源终端的，若每人都独占一台信号源设备则比较浪费资源，成本高且独立信号源设备功能升级需要重复操作，效率低、耗时长。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本技术一方面提供了一种卫星导航云仿真系统。
4.本技术采用的技术方案如下：一种卫星导航云仿真系统，包括：云端部署的导航信号数字仿真服务器集群，包括若干导航信号数字仿真服务器和负载均衡控制服务器，所述若干导航信号数字仿真服务器用于根据客户端设备提交的数字仿真参数提供导航信号数字仿真、欺骗信号数字仿真、干扰信号数字仿真、导航中频信号数据、干扰中频信号数据、rdss入站电文解析、全球短报文入站电文解析、数字中频信号数据或数字仿真数据的生成和发送，所述数字仿真参数包括仿真时间段、用户轨迹、大气参数；所述负载均衡控制服务器用于接受数字仿真计算服务器的注册、客户端设备的连接、各导航信号数字仿真服务器之间的负载均衡控制；若干客户端设备，用于导航信号数仿参数的配置、功率控制、仿真启停、连接云端服务器、卫星导航状态显示、星空图和用户轨迹图显示；接收数字中频信号数据，将数字中频信号数据转换为模拟信号后上变频为射频信号；或者，接收所述数字仿真数据调制成数字中频信号数据，将调制的数字中频信号数据转换为模拟信号后上变频为射频信号；采集并解调rdss、全球短报文入站信号；网络系统，用于为所述导航信号数字仿真服务器集群和各客户端设备之间提供数据的传递功能。
5.进一步地，所述云端部署采用公有云端部署或私有云端部署，所述公有云端部署包括阿里云、百度云，此时客户端设备通过网线或者使用5g网络连接到互联网；采用私有云端部署时，客户端设备通过千兆网或者万兆网组建私有云，网络协议采用kcp协议+udp协议。
6.本技术另一方面还提供了一种卫星导航云仿真方法，包括步骤：s1、客户端设备将数字仿真参数和控制指令发送给导航信号数字仿真服务器集群的负载均衡控制服务器，所述数字仿真参数包括仿真时间段、用户轨迹、大气参数，所述负载均衡控制服务器根据导航信号数字仿真服务器的空闲情况，选择合适的导航信号数字仿
真服务器；s2、导航信号数字仿真服务器根据数字仿真参数进行导航信号数字仿真、欺骗信号数字仿真、干扰信号数字仿真、导航中频信号数据、干扰中频信号数据、rdss入站电文解析、全球短报文入站电文解析、数字中频信号数据或数字仿真数据的生成和发送；s3、所述客户端设备接收所述数字中频信号数据或数字仿真数据进行仿真并输出射频信号。
7.进一步地，所述步骤s2具体包括步骤：s21、对数字仿真中所需的一定时间区间内的静态数据进行预计算并存入相应的预计算文件中，所述静态数据包括300秒间隔的卫星状态数据、间隔1小时的星历数据、间隔一周历书数据、间隔10秒电离层仿真数据、间隔10秒对流层仿真数据、间隔10毫秒预定义的用户轨迹；s22、根据客户端设备提交的数字仿真参数中的仿真时间段读取相应的预计算文件获取相应的静态数据，根据数字仿真参数和相应的静态数据计算数字仿真所需的动态参数，所述动态参数包括卫星的伪距、伪距速度、伪距加速度、载波伪距、载波伪距速度、载波伪距加速度、天线方向图数据、功率控制字；s23、根据所述动态参数进行导航信号数字仿真、欺骗信号数字仿真、干扰信号数字仿真、导航中频信号数据、干扰中频信号数据、rdss入站电文解析、全球短报文入站电文解析、将数字仿真结果调制成数字中频信号数据并发送。
8.进一步地，所述步骤s3具体包括步骤：s31、所述客户端设备接收到导航信号数字仿真服务器发回的数字中频信号数据缓存到硬盘；s32、根据当前一段时间的网速统计出缓存多久后可以开始进行仿真，显示仿真倒计时，当缓存的数据足够支持本次仿真时，开始仿真；s33、客户端设备从硬盘缓冲区读取数字中频信号数据，根据仿真时序发送给da模块转换成模拟中频信号数据，所述模拟中频信号通过射频模块上变频到对应的射频频率，从客户端设备的射频输出口输出。
9.进一步地，所述步骤s2具体包括步骤：s21、对设定时间区间内的数字仿真中所需的静态数据进行预计算并存入相应的预计算文件中，所述静态数据包括300秒间隔的卫星状态数据、间隔1小时的星历数据、间隔一周历书数据、间隔10秒电离层仿真数据、间隔10秒对流层仿真数据、间隔10毫秒预定义的用户轨迹；s22、根据客户端设备提交的数字仿真参数中的仿真时间段读取相应的预计算文件获取相应的静态数据，根据数字仿真参数和相应的静态数据计算数字仿真所需的动态参数，所述动态参数包括卫星的伪距、伪距速度、伪距加速度、载波伪距、载波伪距速度、载波伪距加速度、天线方向图数据、功率控制字；s23、根据所述动态参数进行导航信号数字仿真、欺骗信号数字仿真、干扰信号数字仿真、导航中频信号数据、干扰中频信号数据、rdss入站电文解析、全球短报文入站电文解析、数字仿真数据的生成和发送。
10.进一步地，所述步骤s3具体包括步骤：
s31、所述客户端设备接收到导航信号数字仿真服务器发回的数字仿真数据缓存到硬盘；s32、根据当前一段时间的网速统计出缓存多久后可以开始进行仿真，显示仿真倒计时，当缓存的数据足够支持本次仿真时，开始仿真；s33、客户端设备从硬盘缓冲区读取数字仿真数据，进行中频信号调制，生成数字中频信号数据，并根据仿真时序发送给da模块转换成模拟中频信号数据，所述模拟中频信号通过射频模块上变频到对应的射频频率，从客户端设备的射频输出口输出。
11.本技术另一方面还提供了一种卫星导航云仿真装置，仿真参数和控制指令发送模块，用于客户端设备将数字仿真参数和控制指令发送给导航信号数字仿真服务器集群的负载均衡控制服务器，所述数字仿真参数包括仿真时间段、用户轨迹、大气参数，所述负载均衡控制服务器根据导航信号数字仿真服务器的空闲情况，选择合适的导航信号数字仿真服务器；中频信号或仿真数据输出模块，用于导航信号数字仿真服务器根据数字仿真参数进行导航信号数字仿真、欺骗信号数字仿真、干扰信号数字仿真、导航中频信号数据、干扰中频信号数据、rdss入站电文解析、全球短报文入站电文解析、数字中频信号数据或数字仿真数据的生成和发送；仿真及输出模块，用于所述客户端设备接收所述数字中频信号数据或数字仿真数据进行仿真并输出射频信号。
12.本技术另一方面还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述卫星导航云仿真方法的步骤。
13.本技术另一方面还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行所述卫星导航云仿真方法的步骤。
14.相比现有技术，本技术具有以下有益效果：本技术公开了卫星导航云仿真系统、方法、装置、电子设备及存储介质，所述卫星导航云仿真系统包括：云端部署的导航信号数字仿真服务器集群，包括若干导航信号数字仿真服务器和负载均衡控制服务器，所述若干导航信号数字仿真服务器用于根据客户端设备提交的数字仿真参数提供导航信号数字仿真、欺骗信号数字仿真、干扰信号数字仿真、导航中频信号数据、干扰中频信号数据、rdss入站电文解析、全球短报文入站电文解析、数字中频信号数据或数字仿真数据的生成和发送，所述数字仿真参数包括仿真时间段、用户轨迹、大气参数；所述负载均衡控制服务器用于接受数字仿真计算服务器的注册、客户端设备的连接、各导航信号数字仿真服务器之间的负载均衡控制；若干客户端设备，用于导航信号数仿参数的配置、功率控制、仿真启停、连接云端服务器、卫星导航状态显示、星空图和用户轨迹图显示；接收数字中频信号数据，将数字中频信号数据转换为模拟信号后上变频为射频信号；或者，接收所述数字仿真数据调制成数字中频信号数据，将调制的数字中频信号数据转换为模拟信号后上变频为射频信号；采集并解调rdss、全球短报文入站信号；网络系统，用于为所述导航信号数字仿真服务器集群和各客户端设备之间提供数据的传递功能。
15.本技术提供了一种云端仿真导航信号，客户端设备播放导航信号的云仿真系统，能够较好的解决分时使用问题，功能升级繁琐问题，终端成本较低，能够显著降低后续需要
更多工位支持的成本，同时客户端设备支持无线网络，方便外场实验等应用场景，同时，本技术的信号仿真一方面可以全部在云端服务器上完成，客户端设备只负责仿真的中频数据到射频数据的转换和入站信号的采集传输，这种模式下客户端设备简单，适用于并行用户数不是太多的情况；另一方面，本技术的信号仿真还可以在客户端设备完成，云端服务器只负责统一综合调度、场景管理、共用的数据管理和参数设置(包括3d地图、载体平台、天线方向图、用户轨迹等)，这种模式下每个用户的信号仿真与入站信号解调在客户端设备完成，客户端设备接收来自云端服务器的数字仿真数据而非所述数字中频信号数据，从而大大减少了与云端服务器的数据交互量和宽度费用，对云端服务器配置要求低，客户端设备只需要增加gpu，适用于并行仿真用户数很多的情况。可见，本技术无论在仿真用户数较少还是较多时，都能够相适应的以较低的成本、较高的效率和实时性满足客户的仿真需求，具有很好的市场应用前景。可见，本发明能够提高信号源利用率，简化导航功能的升级，客户端设备成本低，方便移动和携带，降低新增导航信号源的投入，按照新采购一套导航信号源与采购一台客户端设备来进行计算，能够降低90%的成本，降低云端的带宽成本，云端部署能够降低采购控制电脑的成本。
16.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本技术作进一步详细的说明。
附图说明
17.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：图1是本技术优选实施例的卫星导航云仿真系统示意图。
18.图2是本技术优选实施例的客户端设备i型组成示意图。
19.图3是本技术优选实施例的客户端设备ii型组成示意图。
20.图4是传统数字仿真计算流程示意图。
21.图5是本技术优选实施例优化后针对卫星无线电导航业务的预计算流程示意图。
22.图6是本技术优选实施例优化后针对卫星无线电导航业务的数字仿真计算流程示意图。
23.图7是本技术优选实施例优化后针对卫星无线电定位系统的预计算流程示意图。
24.图8是本技术优选实施例优化后针对卫星无线电定位系统的数字仿真计算流程示意图。
25.图9是本技术优选实施例的云端仿真模式软件控制交互流程示意图。
26.图10是本技术优选实施例的客户端设备仿真模式软件控制交互流程示意图。
27.图11是本技术优选实施例的卫星导航云仿真装置模块示意图。
28.图12是本技术优选实施例的电子设备实体示意框图。
29.图13是本技术优选实施例的计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
31.本技术中涉及的部分技术术语解释：rnss(radio navigation satellite system) 卫星无线电导航业务；rdss(radio determination satel-lite system)卫星无线电定位系统；udp(user datagram protocol)用户数据报协议；kcp(keep control protocol) 网络传输时延控制协议。
32.参照图1，本技术的优选实施例提供了一种卫星导航云仿真系统，包括：云端部署的导航信号数字仿真服务器集群，包括若干导航信号数字仿真服务器和负载均衡控制服务器，所述若干导航信号数字仿真服务器用于根据客户端设备提交的数字仿真参数提供导航信号数字仿真、欺骗信号数字仿真、干扰信号数字仿真、导航中频信号数据、干扰中频信号数据、rdss入站电文解析、全球短报文入站电文解析、数字中频信号数据或数字仿真数据的生成和发送，所述数字仿真参数包括仿真时间段、用户轨迹、大气参数；所述负载均衡控制服务器用于接受数字仿真计算服务器的注册、客户端设备的连接、各导航信号数字仿真服务器之间的负载均衡控制；若干客户端设备，用于导航信号数仿参数的配置、功率控制、仿真启停、连接云端服务器、卫星导航状态显示、星空图和用户轨迹图显示；接收数字中频信号数据，将数字中频信号数据转换为模拟信号后上变频为射频信号；或者，接收所述数字仿真数据调制成数字中频信号数据，将调制的数字中频信号数据转换为模拟信号后上变频为射频信号；采集并解调rdss、全球短报文入站信号；网络系统，用于为所述导航信号数字仿真服务器集群和各客户端设备之间提供数据的传递功能。
33.本实施例提供了一种云端仿真导航信号、客户端设备播放导航信号的云仿真系统，能够较好的解决分时使用问题，功能升级繁琐问题，终端成本较低，能够显著降低后续需要更多工位支持的成本，客户端设备支持无线网络，方便外场实验等应用场景，同时，本实施例的信号仿真一方面可以全部在云端服务器上完成，客户端设备只负责仿真的中频数据到射频数据的转换和入站信号的采集传输，这种模式下客户端设备简单，适用于并行用户数不是太多的情况；另一方面，本实施例的信号仿真还可以在客户端设备完成，云端服务器只负责统一综合调度、场景管理、共用的数据管理和参数设置(包括3d地图、载体平台、天线方向图、用户轨迹等)，这种模式下每个用户的信号仿真与入站信号解调在客户端设备完成，客户端设备接收来自云端服务器的数字仿真数据而非所述数字中频信号数据，从而大大减少了与云端服务器的数据交互量和宽度费用，对云端服务器配置要求低，客户端设备只需要增加gpu，适用于并行仿真用户数很多的情况。可见，本实施例的卫星导航云仿真系统无论在仿真用户数较少还是较多时，都能够相适应的以较低的成本、较高的效率和实时性满足客户的仿真需求，具有很好的市场应用前景。
34.优选地，所述云端部署采用公有云端部署或私有云端部署，所述公有云端部署包括阿里云、百度云，此时客户端设备通过网线或者使用5g网络连接到互联网；采用私有云端部署时，客户端设备通过千兆网或者万兆网组建私有云，由于使用公有云网络状况要比私有云复杂多，为了能够应对公有云可能存在的网络拥堵、沿途断线等导致数据传递中断问题，软件开发以下功能：支持完全离线模式、断线重连、信号回放支持从任意断开时刻继续，因此，网络协议采用kcp协议+udp协议实现平均延迟比tcp协议降低30%的方案，保证整个云
服务系统的高可用性。
35.本技术另一方面还提供了一种卫星导航云仿真方法，包括步骤：s1、客户端设备将数字仿真参数和控制指令发送给导航信号数字仿真服务器集群的负载均衡控制服务器，所述数字仿真参数包括仿真时间段、用户轨迹、大气参数，所述负载均衡控制服务器根据导航信号数字仿真服务器的空闲情况，选择合适的导航信号数字仿真服务器；s2、导航信号数字仿真服务器根据数字仿真参数进行导航信号数字仿真、欺骗信号数字仿真、干扰信号数字仿真、导航中频信号数据、干扰中频信号数据、rdss入站电文解析、全球短报文入站电文解析、数字中频信号数据或数字仿真数据的生成和发送；s3、所述客户端设备接收所述数字中频信号数据或数字仿真数据进行仿真并输出射频信号。
36.本实施例提供了一种云端仿真导航信号、客户端设备播放导航信号的卫星导航云仿真方法，能够较好的解决分时使用问题，功能升级繁琐问题，终端成本较低，能够显著降低后续需要更多工位支持的成本，客户端设备支持无线网络，方便外场实验等应用场景，同时，本实施例的信号仿真一方面可以全部在云端服务器上完成，客户端设备只负责仿真的中频数据到射频数据的转换和入站信号的采集传输，这种模式下客户端设备简单，适用于并行用户数不是太多的情况；另一方面，本实施例的信号仿真还可以在客户端设备完成，云端服务器只负责统一综合调度、场景管理、共用的数据管理和参数设置(包括3d地图、载体平台、天线方向图、用户轨迹等)，这种模式下每个用户的信号仿真与入站信号解调在客户端设备完成，客户端设备接收来自云端服务器的数字仿真数据而非所述数字中频信号数据，从而大大减少了与云端服务器的数据交互量和宽度费用，对云端服务器配置要求低，客户端设备只需要增加gpu，适用于并行仿真用户数很多的情况。可见，本实施例的卫星导航云仿真系统无论在仿真用户数较少还是较多时，都能够相适应的以较低的成本、较高的效率和实时性满足客户的仿真需求，具有很好的市场应用前景。
37.在本技术的优选实施例中，所述步骤s2具体包括步骤：s201、对数字仿真中所需的一定时间区间内的静态数据进行预计算并存入相应的预计算文件中，所述静态数据包括300秒间隔的卫星状态数据(用于在数仿的过程中计算信号发射时刻的卫星状态，包括时间、ecef位置、ecef速度、ecef加速度)、间隔1小时的星历数据(包括开普勒各轨道参数：星历参考时间、长半轴的平方根、偏心率、近地点幅角、卫星平均运动速率与计算值之差、参考时间的平近点角、按参考时间计算的升交点赤经、升交点赤经变化率、参考时间的轨道倾角、轨道倾角变化率、纬度幅角的余弦调和改正项的振幅、纬度幅角的正弦调和改正项的振幅、轨道半径的余弦调和改正项的振幅、轨道半径的正弦调和改正项的振幅、轨道倾角的余弦调和改正项的振幅、轨道倾角的正弦调和改正项的振幅，16参数或18参数)、间隔一周历书数据(包括轨道参数，历书参考时间、长半轴的平方根、偏心率、近地点幅角、参考时间的平近点角、按参考时间计算的升交点赤经、升交点赤经变化率、参考时间的轨道参考倾角的改正量、卫星钟差、卫星钟速)、间隔10秒电离层仿真数据（包括时间、延迟距离）、间隔10秒对流层仿真数据(包括时间、延迟距离)、间隔10毫秒预定义的用户轨迹，多个预定义的轨迹存为多个用户轨迹文件；其其中，300秒间隔的卫星状态数据的作用是在数仿的过程中计算信号发射时刻的卫星状态；星历和历书的作用是组帧到
电文中，通过信号播发出去，接收机端计算卫星位置使用；而对流层、电离层数据作用是计算伪距和载波伪距的时候的使用；除间隔10毫秒预定义的用户轨迹外，其他数据按照时间序列进行索引，存到相应文件，使用的时候，会根据仿真时间去获取相应时间段的数据，对于卫星状态数据、电离层数据、对流层数据，使用拉格朗日插值计算出任意时刻的数据，星历和历书数据直接使用对应时刻的即可；s202、根据客户端设备提交的数字仿真参数中的仿真时间段读取相应的预计算文件获取相应的静态数据，根据数字仿真参数和相应的静态数据计算数字仿真所需的动态参数，所述动态参数包括卫星的伪距、伪距速度、伪距加速度、载波伪距、载波伪距速度、载波伪距加速度、天线方向图数据、功率控制字；s203、根据所述动态参数进行导航信号数字仿真、欺骗信号数字仿真、干扰信号数字仿真、导航中频信号数据、干扰中频信号数据、rdss入站电文解析、全球短报文入站电文解析、将数字仿真结果调制成数字中频信号数据并发送。
38.本实施例为保证数字仿真计算服务器能够支持更多用户同时仿真，减少集群规模，对数仿软件计算层面做了优化，特意对数字仿真中所需的一定时间区间内的静态数据进行预计算并存入相应的预计算文件中，包括：预先计算对流层、电离层误差，并将数据存储到文件；预先计算仿真卫星的300s间隔的卫星位置、星历、历书，存储到文件。
39.通过将相关静态数据事先计算好并存入文件中，可大幅减少每次仿真的计算量，例如：对于仿真同一时间段、相同信号频点的客户端设备，云端服务器只计算一次卫星天线方向图、rdss出站电文，当仿真的是非预定义轨迹，且相同参数的轨迹的客户端设备时，只计算一次轨迹数据，同时云端支持增加预定义轨迹，客户使用一段时间后，会形成一个典型的预定义轨迹数据集合，之后用户大部分都可以从预定义轨迹中选择轨迹。当多个客户端设备配置的数仿参数一致的时候，所有仿真数据都只计算一次，即可将数据转发给多个客户。
40.优化后，如图5至图8所示，本实施例根据仿真时间读取预先计算存好的数据，然后进行计算动态参数（包括卫星的伪距、伪距速度、伪距加速度、载波伪距、载波伪距速度、载波伪距加速度、天线方向图数据、功率控制字），最后将动态参数、电文发送给数字仿真计算服务器的中频调制程序进行中频调制，得到数字中频信号数据发送给客户端设备，从而降低不必要的重复计算，提升单服务器的计算用户数，降低服务器投入成本。
41.经过测试发现，算法优化后，相比现有技术中每次仿真计算时单独进行相关仿真计算而言，本实施例的数字仿真计算服务器的计算效率提升1000%以上，有一个数量级以上的提升，有效减少了云服务器的支出。
42.在本技术的优选实施例中，所述步骤s3具体包括步骤：s301、所述客户端设备接收到导航信号数字仿真服务器发回的数字中频信号数据缓存到硬盘；s302、根据当前一段时间的网速统计出缓存多久后可以开始进行仿真，显示仿真倒计时，当缓存的数据足够支持本次仿真时，开始仿真；s303、客户端设备从硬盘缓冲区读取数字中频信号数据，根据仿真时序发送给da模块转换成模拟中频信号数据，所述模拟中频信号通过射频模块上变频到对应的射频频率，从客户端设备的射频输出口输出。
43.本实施例中，由于仿真在云端服务器中完成，客户端设备只用于接收导航信号数字仿真服务器发回的数字中频信号数据缓存到硬盘，继而根据缓存的情况和时序将数字中频信号数据转换成模拟中频信号数据后上变频为对应的射频频率经射频输出口输出，因此，如图2所示，客户端设备上安装控制软件，控制软件主要功能包括：导航参数配置、干扰参数配置、欺骗参数配置、连接云端服务器、仿真控制、卫星导航状态、干扰状态、星空图、用户轨迹图、欺骗轨迹图、控制功率、数字中频信号数据缓存控制、控制中频数字调制程序等客户端设备结构简单成本低，适用于并行用户数不是太多的情况。
44.在本技术的优选实施例中，所述步骤s2具体包括步骤：s211、对数字仿真中所需的一定时间区间内的静态数据进行预计算并存入相应的预计算文件中，所述静态数据包括300秒间隔的卫星状态数据(用于在数仿的过程中计算信号发射时刻的卫星状态，包括时间、ecef位置、ecef速度、ecef加速度)、间隔1小时的星历数据(包括开普勒各轨道参数：星历参考时间、长半轴的平方根、偏心率、近地点幅角、卫星平均运动速率与计算值之差、参考时间的平近点角、按参考时间计算的升交点赤经、升交点赤经变化率、参考时间的轨道倾角、轨道倾角变化率、纬度幅角的余弦调和改正项的振幅、纬度幅角的正弦调和改正项的振幅、轨道半径的余弦调和改正项的振幅、轨道半径的正弦调和改正项的振幅、轨道倾角的余弦调和改正项的振幅、轨道倾角的正弦调和改正项的振幅，16参数或18参数)、间隔一周历书数据(包括轨道参数，历书参考时间、长半轴的平方根、偏心率、近地点幅角、参考时间的平近点角、按参考时间计算的升交点赤经、升交点赤经变化率、参考时间的轨道参考倾角的改正量、卫星钟差、卫星钟速)、间隔10秒电离层仿真数据（包括时间、延迟距离）、间隔10秒对流层仿真数据(包括时间、延迟距离)、间隔10毫秒预定义的用户轨迹，多个预定义的轨迹存为多个用户轨迹文件；其其中，300秒间隔的卫星状态数据的作用是在数仿的过程中计算信号发射时刻的卫星状态；星历和历书的作用是组帧到电文中，通过信号播发出去，接收机端计算卫星位置使用；而对流层、电离层数据作用是计算伪距和载波伪距的时候的使用；除间隔10毫秒预定义的用户轨迹外，其他数据按照时间序列进行索引，存到相应文件，使用的时候，会根据仿真时间去获取相应时间段的数据，对于卫星状态数据、电离层数据、对流层数据，使用拉格朗日插值计算出任意时刻的数据，星历和历书数据直接使用对应时刻的即可；s212、根据客户端设备提交的数字仿真参数中的仿真时间段读取相应的预计算文件获取相应的静态数据，根据数字仿真参数和相应的静态数据计算数字仿真所需的动态参数，所述动态参数包括卫星的伪距、伪距速度、伪距加速度、载波伪距、载波伪距速度、载波伪距加速度、天线方向图数据、功率控制字；s213、根据所述动态参数进行导航信号数字仿真、欺骗信号数字仿真、干扰信号数字仿真、导航中频信号数据、干扰中频信号数据、rdss入站电文解析、全球短报文入站电文解析、数字仿真数据的生成和发送。
45.本实施例为保证数字仿真计算服务器能够支持更多用户同时仿真，减少集群规模，对数仿软件计算层面做了优化，特意对数字仿真中所需的一定时间区间内的静态数据进行预计算并存入相应的预计算文件中，包括：预先计算对流层、电离层误差，并将数据存储到文件；预先计算仿真卫星的300s间隔的卫星位置、星历、历书，存储到文件。
46.通过将相关静态数据事先计算好并存入文件中，可大幅减少每次仿真的计算量，
例如：对于仿真同一时间段、相同信号频点的客户端设备，云端服务器只计算一次卫星天线方向图、rdss出站电文，当仿真的是非预定义轨迹，且相同参数的轨迹的客户端设备时，只计算一次轨迹数据，同时云端支持增加预定义轨迹，客户使用一段时间后，会形成一个典型的预定义轨迹数据集合，之后用户大部分都可以从预定义轨迹中选择轨迹。当多个客户端设备配置的数仿参数一致的时候，所有仿真数据都只计算一次，即可将数据转发给多个客户。
47.优化后，如图5至图8所示，本实施例根据仿真时间读取预先计算存好的数据，然后进行计算动态参数（包括卫星的伪距、伪距速度、伪距加速度、载波伪距、载波伪距速度、载波伪距加速度、天线方向图数据、功率控制字），最后将动态参数、电文作为数字仿真数据直接发送给客户端设备，后续再由客户端设备的中频调制程序进行中频调制，得到数字中频信号数据，相比前述实施例，本实施例在客户端设备上部署将数字仿真数据调制成数字中频信号数据的gpu程序，用于调制云端服务器传递过来的数字仿真数据为数字中频信号数据，前述实施例的客户端设备需要传递中频数据，全频点的数据量很大，例如：传递b1，b2，b3，l2，s频点的中频数据，按照最小采样频率计算，1s钟的数据量至少是(2.046m+52m+20.46m+16.38m)*(16i+16q)=363.544mb，采用千兆网传递（最大速率1000/8=125mb/s），1秒的数据也需要2.9s才能接收完，实际互联网的情况是很难达到真正的千兆速率，所以传递中频数据需要采用缓存的方式进行，即先提交仿真，然后等待长时间的下载，等下载完成一定的比例才能够进行仿真。本实施例的客户端设备就是为解决数据量的问题设计开发的，其中增加的gpu就是用来计算调制中频数据的。本实施例的客户端设备传递的数字仿真数据主要是采用传递卫星的载波相位等数据的方式，其一个通道包括载波初始、载波变化率、伪距初始、伪距变化、功率控制字、prn序号、1字节电文，共计8*4+2*2+1+1=38字节，按照仿真500个通道、每秒计算100个点计算，500*38*100/1024/1024=1.812m，则比前述实施例降低了99.5%的数据传输量。如果采用传递中频数据方式，一台云服务器连接的1000mb端口基本上难以支持多用户并发仿真的数据传输，但利用本实施例的客户端设备则可降低网络成本，提高一部分客户端设备的硬件成本和软件复杂度，能够兼顾成本和效率。为此，本实施例的客户端设备在结构、主板、程序设计、运行逻辑方面都需要有一定的变更，具体如图3所示。
48.而预先计算相关静态参数则大大降低不必要的重复计算，提升单服务器的计算用户数，降低服务器投入成本。经过测试发现，算法优化后，相比如图4所示的现有技术中每次仿真计算时都要单独进行相关仿真计算而言，本实施例的数字仿真计算服务器的计算效率提升1000%以上，有一个数量级以上的提升，有效减少了云服务器的支出。
49.在本技术的优选实施例中，所述步骤s3具体包括步骤：s311、所述客户端设备接收到导航信号数字仿真服务器发回的数字仿真数据；s312、客户端设备将数字仿真数据进行中频信号调制，生成数字中频信号数据缓存到硬盘；s313、根据当前一段时间的网速统计出缓存多久后可以开始进行仿真，显示仿真倒计时，当缓存的数据足够支持本次仿真时，开始仿真；并根据仿真时序将数字中频信号数据发送给da模块转换成模拟中频信号数据，所述模拟中频信号通过射频模块上变频到对应的射频频率，从客户端设备的射频输出口输出。
50.本实施例中，由于仿真在客户端设备中完成，客户端设备接收导航信号数字仿真服务器发回的数字仿真数据并通过中频数字调制程序调制成数字中频信号数据缓存到硬盘，继而根据缓存的情况和时序将缓存的数字中频信号数据转换成模拟中频信号数据后上变频为对应的射频频率经射频输出口输出，如图3所示，本实施例的客户端设备比图2所示的客户端设备硬件主要多一个gpu，同时在gpu中设置中频数字调制程序用于将数字仿真数据调制成数字中频信号数据缓存到硬盘，虽然本实施例提高了一部分客户端设备的硬件成本和软件复杂度，但是却无需在网络中传递数字中频信号数据，从而大幅减少了网络宽带成本，能够兼顾成本和效率，非常适用于并行用户数较多情况下的仿真。
51.上述实施例中，rdss和全球短报文出入站测试流程如下：仿真rdss或者全球短报文的下行信号，客户端设备的射频输入信号接口连接到被测用户机的入站信号输出口，当被测用户机发送入站信号，客户端设备中的下变频射频模块将模拟信号变为中频模拟信号，然后采集中频模拟信号为中频数字信号，在fpga中解调入站信号，将电文数据、入站多普勒等传递给控制软件，控制软件发送数据给云端，云端根据入站信息，调制相应的数据到下行信号中，如此完成闭环测试。
52.以上实施例中，选配阿里云gpu云服务器gnv6作为数字仿真导航信号计算服务器，硬件主要参数包括：32g内存、8个核心的cpu、v100的gpu、1000兆网互联网。软件系统：linux系统。数字仿真服务器能够支撑同时50个节点用户的仿真服务。负载均衡服务器选配阿里云云服务器s6，4核8g内存。能够支撑起500台以上的数仿计算服务器的分配，500用户级别的并发响应。
53.软件方面，则使用qt开发跨平台的网络层收发服务程序（navnetserver）、导航信号数字仿真服务程序（navsimserver）、gpu调制数字中频信号数据服务程序（modulateifserver），主控调度服务程序（mainctrlserver），负载均衡服务程序（loadbalanceserver），网络协议使用kcp协议+udp协议，软件开发设计为支持完全离线模式、断线重连、信号回放支持从任意断开时刻继续。
54.客户端设备的硬件对外接口包含千兆网、万兆网、无线网卡、10m输入输出、1pps输入输出、rf信号输入输出等；内部包含fpga处理器、上变频射频模块、下变频射频模块、处理器、核心主板、gpu等。通过是否包含gpu将客户端设备型号分为两种，编号为i型(见图2)、ii型(见图3)，分别用于云端仿真和客户端仿真。i型不包含gpu，只支持中频数据的回放和采集，仿真全部在云端服务器上进行；ii型包含gpu，支持客户端仿真，调制生成中频数据，解调rdss入站信号。为了保证客户端便携性，自主设计核心主板，主板上集成cpu、gpu、fpga、lpddr5、ad9026*2、网络接口等其他接口，整机结构使用液冷散热，双电池热备份，整机大小为：310mm
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175mm
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45mm。并且做了三防设计，即使是野外环境也能有很好的保护性。
55.客户端设备上开发控制软件（navclient），navclient主要功能包括：导航参数配置、干扰参数配置、欺骗参数配置、连接云端服务器、仿真控制、卫星导航状态、干扰状态、星空图、用户轨迹图、欺骗轨迹图、导航信号数据接收、与fpga程序交互控制等；开发gpu中频信号调制程序（modulateif），用来调制数字中频信号数据、缓存数字中频信号数据到缓冲区；开发fpga程序signalclient程序用来控制中频数据读取、传递给da硬件。客户端设备通过5g网络连接到互联网。
56.使用时，如图9所示，在云端仿真模式下，先在navclient上配置好云端的连接参
数，连接云服务，再设置导航参数，选择数仿数据模式，开启仿真，navclient将仿真任务发送给loadbalanceserver程序，loadbalanceserver根据当前计算服务器的运行情况，指定空闲的数仿计算服务器与navclient通信，navclient将导航参数、控制指令等发送给mainctrlserver，mainctrlserver收到指令并解析执行，将导航参数传递给navsimserver，并控制开始数字仿真计算，并将数仿数据发送给调制数字中频信号数据服务程序modulateifserver调制成数字中频信号数据，再控制navnetserver将数字中频信号数据发送给客户端设备navclient，navclient缓存数字中频信号数据，控制signalclient读取缓冲区的数字仿真信号数据给da模块产生模拟中频信号，模拟中频信号通过射频模块变频后从射频口输出。
57.如图10所示，在客户端设备仿真模式下，先在navclient上配置好云端的连接参数，连接云服务，再设置导航参数，选择数仿数据模式，开启仿真，navclient将仿真任务发送给loadbalanceserver程序，loadbalanceserver根据当前计算服务器的运行情况，指定空闲的数仿计算服务器与navclient通信，navclient将导航参数、控制指令等发送给mainctrlserver，mainctrlserver收到指令并解析执行，将导航参数传递给navsimserver，并控制开始数字仿真计算，再控制navnetserver将数字仿真数据发送给客户端设备navclient，navclient缓存数字仿真数据，并控制modulateif调制生成数字中频信号数据，控制signalclient读取缓冲区的数字仿真信号数据给da模块产生模拟中频信号，模拟中频信号通过射频模块变频后从射频口输出。
58.如图11所示，本技术另一方面还提供了一种卫星导航云仿真装置，包括：仿真参数和控制指令发送模块，用于客户端设备将数字仿真参数和控制指令发送给导航信号数字仿真服务器集群的负载均衡控制服务器，所述数字仿真参数包括仿真时间段、用户轨迹、大气参数，所述负载均衡控制服务器根据导航信号数字仿真服务器的空闲情况，选择合适的导航信号数字仿真服务器；中频信号或仿真数据输出模块，用于导航信号数字仿真服务器根据数字仿真参数进行导航信号数字仿真、欺骗信号数字仿真、干扰信号数字仿真、导航中频信号数据、干扰中频信号数据、rdss入站电文解析、全球短报文入站电文解析、数字中频信号数据或数字仿真数据的生成和发送；仿真及输出模块，用于所述客户端设备接收所述数字中频信号数据或数字仿真数据进行仿真并输出射频信号。
59.如图12所示，本技术的优选实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例中的卫星导航云仿真方法的步骤。
60.如图13所示，本技术的优选实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端或活体检测服务器，其内部结构图可以如图13所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的其他计算机设备通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现上述卫星导航云仿真方法的步骤。
61.本领域技术人员可以理解，图13中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
62.本技术的优选实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行上述实施例中的卫星导航云仿真方法的步骤。
63.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
64.本实施例方法所述功能若以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个或者多个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备（可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等）执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（rom， read-only memory）、随机存取存储器（ram， random access memory），磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
65.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本技术实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言java、c++和直译式脚本语言javascript等。
66.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
67.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
68.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
69.尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优
选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
70.显然，本领域技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。