月球车通信性能半实物仿真方法、仿真系统及其实现方法

本发明属于通信，具体涉及一种基于月面地理信息的月球车通信性能半实物仿真方法、仿真系统及其实现方法。

背景技术：

1、未来月球探测任务过程中的计算类任务量将急剧增加。深空现场感知数据已从视频图像向高清数字电视(hdtv)方向发展。月球探测中的巡视器、机器人、无人机等智能装备将配备光影相机、视觉相机、样本分析仪、粒子射线分析计和器载计算机等数十台先进高精密仪器，不断开展自主、智能的月球地形感知、定位导航、路径规划和避障以及大数据分析处理等计算类任务。而月球探测具有环境复杂不确定、距离遥远测控难度大、通信链路断续时延长、数据传输速率低、信息不完备导致决策不可控、业务承载过量导致中继星计算时延、占用宝贵的深空通信带宽资源等难题。这些难题制约了自主处理海量计算任务的执行效率，导致月面通信与地面通信方法存在差异，也导致月面通信实地测量困难、仿真数据与方案难以验证等问题。而现阶段很多关于月球通信的仿真工作都是基于软件仿真，还没有标准化的硬件仿真平台可以整合地面通信协议和月球通信。另外，关于月面及行星表面多节点通信网络的体系架构，到底采用何种通信组网方式，使用哪些关键技术实现组网，目前还处于空白状态。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题，提供了一种基于月面地理信息的月球车通信性能半实物仿真方法、仿真系统及其实现方法，针对月面科研站任务的特点，分析月面地理信息，探讨月面各设备间通信和管理需求，测试各类组网协议在月面环境的通信性能，设计出可视化的月球车通信性能半实物仿真方法、系统及其实现方式。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于月面地理信息的月球车通信性能半实物仿真方法，所述方法包括：

4、结合实测的月面地理信息数据，选择月球表面通信塔的部署位置，通过电磁波绕射损耗预测模型模拟电波绕射传播结果，获得接收端理论接收信号强度；

5、采用特定的组网方式和通信技术真实模拟月球车和基站之间的通信状况，联合调整基站端和月球车端的参数，使模拟月球车的信号强度和接收端理论信号强度一致，此时若模拟月球车能接收完整数据并展示则表示使用的组网方式和通信技术适合月面通信，若模拟月球车不能接收完整数据并展示则表示使用的组网方式和通信技术不适合月面通信。

6、在一些实施例中，所述方法还包括获取月面各位置的接收增益方法，具体包括：

7、通过场强预测模块得到的理论接收信号强度数据计算接收信号信噪比；

8、固定模拟基站发射端发射参数，通过调整模拟月球车接收端接收增益来调节接收信噪比的变化，获取接收端接收增益和接收信噪比的关系；

9、根据接收端接收增益和接收信噪比的关系，获取理论接收信号强度和接收增益的关系，结合月球表面地理信息，即得到月面各位置的接收增益。

10、在一些实施例中，所述方法的通信实现方式包括：在发射端，通过pycharm软件实现模拟月球车移动轨迹与理论信号强度实时演示，同时发射端根据输入的通信制式发送电信号；在接收端利用gnu radio和usrp组成的软件无线电系统接收空间中的电信号，并将接收到的电信号一方面通过socket发送到pycharm进行数据流的还原以及接收速率的展示，另一方面通过wireshark软件进行抓包，绘制实际接收信号强度的变化过程。

11、在一些实施例中，获取接收信噪比方法包括：根据输入输出端口声明，读取输入信息流，根据输入信息流寻找是否有关键字snr，若没有，返回0，若有，则提取关键字信息并进行数据类型变换，最终输出端口订阅snr；调整模拟月球车接收端接收增益来调节接收信噪比，具体包括：根据输入输出端口声明，读取输入信息流，并进行信息队列处理，核对指令信息是否正确，若有误，则返回0，若正确，则调取增益信息并输出，最终输出端口订阅增益信息。

12、在一些实施例中，所述模拟月球车在基于月面地理信息的真实地形上跑动，地形和所处环境的不同导致所述模拟月球车与所述模拟基站的通信过程实时变化，即所述模拟月球车所在地的接收信号强度实时变化；遍历地图上所有点，可模拟出月球车在月球表面任意处的通信质量。

13、本发明还公开了一种月球车通信性能半实物仿真系统，所述系统包括：

14、场强预测模块，用于基于月面地理信息选择月球表面通信塔的部署位置，通过电磁波绕射时场强预测模型模拟电波绕射传播结果，获得接收端理论接收信号强度；

15、通信模块，用于将模拟月球车和模拟基站之间采用特定的组网方式和通信技术，联合调整基站端和月球车端的参数，使模拟月球车的信号强度和接收端理论信号强度一致，此时若模拟月球车和模拟基站之间传输效果好则表示使用的组网方式和通信技术适合月面通信，若传输效果不好，则代表不适合月面通信。

16、在一些实施例中，所述系统还包括自适应增益模块，用于获取月面各位置的接收增益方法，具体包括：

17、通过场强预测模块得到的理论接收信号强度数据计算接收信号理论信噪比；

18、固定模拟基站发射端发射参数，通过调整模拟月球车接收端接收增益来调节接收信噪比的变化，获取接收端接收增益和接收信噪比的关系；

19、根据接收端接收增益和接收信噪比的关系，获取理论接收信号强度和接收增益的关系，结合月球表面地理信息，即得到月面各位置的接收增益。

20、在一些实施例中，所述通信模块的实现方式包括：在发射端，通过pycharm软件实现模拟月球车移动轨迹与理论信号强度实时演示，同时发射端根据输入的通信制式发送电信号；在接收端利用gnu radio和usrp组成的软件无线电系统接收空间中的电信号，并将接收到的电信号一方面通过socket发送到pycharm进行数据流的还原以及接收速率的展示，另一方面通过wireshark软件进行抓包，绘制实际接收信号强度的变化过程。

21、本发明还公开了一种利用上述月球车通信性能半实物仿真系统实现仿真的方法，所述实现方法包括以下步骤：

22、系统输入：将包括月表地形、移动轨迹以及包括组网协议的通信制式输入系统；

23、场强预测：根据月面地理信息，利用遗传算法布署月球表面通信塔位置，即基站部署位置，以及月表各位置的理论接收信号强度；

24、系统搭建：根据通信制式规定的收发系统信号处理技术，在软件gnu radio上搭建好发射机tx和接收机rx，并生成可执行的python文件；

25、有线连接：发射机tx和接收机rx之间有线连接；

26、实时移动：依据月面地理信息，随机选取移动轨迹，并将选取的地理位置实时同步显示理论接收信号强度；

27、增益变化：根据月表各位置的理论接收信号强度，计算得到接收信号信噪比数据库，同时实验获取接收信噪比snr和接收增益gain的关系gain(snr)，即可获得实时地理位置下的接收增益，实现接收机rx的实时同步接收增益变化；

28、分包传输：在发送端，通过pycharm实现信息源jpg进行分包传输；

29、数据发送：通过socket向gnu radio中实现的发射机tx发送信息流，形成发送的数据信息流；

30、wireshark抓包：接收机rx实时捕获实际接收信号强度，并在grc流图中通过wireshark软件抓包保存接收到的信息，用于绘制实际接收信号强度变化过程；

31、数据接收：接收机rx通过socket将接收的信息发送到pycharm软件，用于实时显示接收速率和还原图片；

32、演示展示：发射端统计移动轨迹下的理论接收信号强度；接收端实时捕获和统计实际接收信号强度，同时显示接收效果，输出指标有吞吐量、峰值信噪比(psnr)。

33、本公开实施例提供的技术方案：一种基于月面地理信息的月球车通信性能半实物仿真方法、仿真系统及其实现方法，针对月面科研站任务的特点，结合实际测量的月球南极地形数据以及适配的月面通信塔模型，分析月面各设备间通信和管理需求，提出符合工程要求的月面科研站通信与信息管理架构方案，设计并搭建出的可视化月面分布式通信半实物仿真系统，并且基于ieee 802.11a/g/p标准进行了仿真验证。具体地，本发明仿真系统能够验证已有通信制式在月球上实现的可行性，创造性地模拟月面真实地形信息中的真实数据流传输情况，利用软件无线电设备usrp实现月球车在真实月面中移动时的通信情况仿真，提高了仿真系统的真实性；为方便月球车移动时信号强度的模拟，调节接收增益用于将实际仿真时的接收信号强度趋于理论接收信号强度；搭建软件无线电仿真演示系统，本系统不仅仅以信号速率和信号强度为衡量标准，更是以直观的图片传输情况达到更好的演示效果，提高了仿真系统的可用性。综上所述，本发明结合月面地理信息，确定合适的组网方式和通信技术，最终实现对月球车通信性能模拟仿真。该平台可以在可视化的轨迹下，模拟实时的收发图片，测量其实时通信速率和接收信号强度，根据上述指标判断通信制式在月球表面实现分布式组网通信的可行性。本系统通过研究地球通信网络对月表通信的适用性，可以明确哪些地面通信技术同样适用于月面，大大降低再开发月面通信网络的成本。

34、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。