CN105337674A - 一种空间测控通信系统综合测试验证平台 - Google Patents

一种空间测控通信系统综合测试验证平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间测控通信系统综合测试验证平台，在系统管理控制模块中设置测试任务后，由数据库服务器生成相应的仿真结果数据和仿真参数数据。激励(信号)发生器产生测试激励信号到相应的信号模拟设备，同时，对信号模拟设备实施测试控制，待测信号经过信号适配及开关矩阵选择送入不同的信号分析仪中；这样进行数据分析、功能验证以及性能评估，从而完成空间测控通信系统综合测试验证，解决空间测控通信系统设备之间互联互通和整体链路的有效性测试验证问题，为空间测控通信系统及其可重复使用部件的研制、生产、维护测试提供支持，实现新型空间测控通信系统全性能全自动系统级动态测试与演示验证，以及在空间测控通信设备入轨运行之前进行全面的仿真、测试、验证与评估。

Description

一种空间测控通信系统综合测试验证平台
技术领域
本发明属于仿真测试与验证评估技术领域，更为具体地讲，涉及一种空间测控通信系统综合测试验证平台。
背景技术
包括各类无线收/发信机、卫星导航终端、遥控遥测设备等在内的现代无线通信系统是功能灵活、性能各异的电子系统，系统中的输入/输出信号种类繁多，不仅涵盖极宽的频段和功率范围，而且存在各种调制格式、通信制式等。而在集成了多种无线通信系统及设备的航空航天系统等大型复杂电子系统中，多个系统设备既独立工作又频繁交互，大系统在规模、任务、功能等方面的持续发展和先进性、复杂性的大幅度提高使得对无线通信系统进行仿真测试和验证评估的要求和难度随之增加，在一定程度上造成试验费用的增加和试验时间的延长；更进一步地，许多跨平台交互和相关性要求使得传统的系统试验方式与实际需求的矛盾日益突出。如能有效克服系统设备之间的互联互通及整体链路的有效性测试验证问题，缩短相关设备的试制周期，将大大提高复杂无线通信系统的整体效益，对国民经济发展具有极重要的意义。
试验与评价(Testing&Estimation，T&E)作为确保用户获得并维持具有效能、适用性且满足用户需要的复杂电子系统的关键环节，日益获得各国工业部门的重视。另一方面，建模与仿真、虚拟现实、人工智能、计算机网络等技术的巨大发展促成了仿真、虚拟技术与试验和评价的有效结合，形成一类在试验与评价领域有广泛应用前景的新技术——模拟试验/测试与仿真验证技术。
在欧美发达国家，以仿真技术为基础的模拟试验与仿真验证已成为无线通信系统试验与评价工作的重要组成部分，且有些场合可以部分取代物理试验，成为无线通信系统试验与评价的新途径。实践表明，模拟试验与仿真验证技术适应于航空航天等各领域，并已成为缩短研制周期、降低项目风险和研制成本的主要途径。尤其是对空间测控通信系统而言，由于全系统的T&E技术难度大、费用高而导致实施困难，甚至根本就无法用真实条件实现试验与评价。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空间测控通信系统综合测试验证平台，以仿真测试与验证评估的手段，有效开展全系统性能T&E(试验与评价)，为空间测控通信系统及其可重复使用部件的研制、生产、维护测试提供支持，实现新型空间测控通信系统全性能全自动系统级动态测试与演示验证，以及在空间测控通信设备入轨运行之前进行全面的仿真、测试、验证与评估，以确保其性能与系统兼容；更进一步地，为天地结合的一体化综合测控网提供技术支撑平台。
为实现上述发明目的，本发明空间测控通信系统综合测试验证平台，其特征在于，包括:
一系统管理控制模块，用于设置测试验证任务、实施测试控制；
一数据库服务器，用于根据设置的测试验证任务进行数学仿真计算，并生成相应的仿真数据，仿真数据包括仿真结果数据和仿真参数数据，并通过数据总线将仿真结果数据发送至系统管理控制模块，仿真参数数据发送给地面站模拟模块以及卫星信号模拟模块或/和信号中继模拟模块；
一卫星信号模拟模块，其根据接收的仿真参数数据进行参数、运行状态设置，模拟生成用户星或/和导航卫星信号；
一信号中继模拟模块，其根据接收的仿真参数数据进行参数、运行状态设置，模拟实现中继卫星和其他系统的信号接收和转发功能；
一地面站模拟模块，其根据接收的仿真参数数据进行参数、运行状态设置，模拟实现地面测控中心功能，包括产生前向通信链路所需信息、接收返向通信链路信息，同时测定中继部分的模拟动态；
一信号适配及开关矩阵，用于根据设置的测试验证任务，搭建测试验证任务所需的信号通路，使地面站模拟模块、信号中继模拟模块、卫星信号模拟模块按照测试验证任务构成空间测控通信系统；并根据测试验证的需要，对其中的信号功率、幅度/相位进行适配调节；
通用测试仪器，由激励(信号)发生器、信号分析仪两大类仪器组成；
系统管理控制模块根据设置的测试验证任务，选择具体的激励(信号)发生器，激励(信号)发生器在系统管理控制模块的控制下，产生的测试激励信号，通过开关矩阵进行通道切换，并被送往地面站模拟模块、信号中继模拟模块、卫星信号模拟模块中；
系统管理控制模块根据设置的测试验证任务，对地面站模拟模块、信号中继模拟模块、卫星信号模拟模块实施测试控制；
地面站模拟模块、信号中继模拟模块、卫星信号模拟模块中的待测信号经过信号适配及开关矩阵进行必要的调理，再通过开关矩阵进行选择，最后分送至不同的信号分析仪中；
系统管理控制模块读取信号分析仪的测量数据，与仿真结果数据进行比较，进行数据分析、功能验证以及性能评估。
本发明的目的是这样实现的。
本发明空间测控通信系统综合测试验证平台，针对空间测控通信系统的综合仿真/测试/验证/评估需求，以及空间测控通信系统设备之间互联互通和整体链路的有效性测试验证问题构建。包括系统管理控制模块、数据库服务器、信号模拟设备(卫星信号模拟模块、信号中继模拟模块以及地面站模拟模块)、信号适配与开关矩阵以及通用测试仪器。在系统管理控制模块中设置测试任务后，由数据库服务器生成相应的仿真结果数据和仿真参数数据，其中仿真参数数据送到信号模拟设备中进行参数、运行状态设置，同时，根据设置的测试验证任务搭建出信号通路，构成空间测控通信系统。在系统管理控制模块控制下，激励(信号)发生器产生测试激励信号到相应的信号模拟设备，同时，对信号模拟设备实施测试控制，待测信号经过信号适配及开关矩阵选择送入不同的信号分析仪中；这样，系统管理控制模块读取信号分析仪的测量数据，与仿真结果数据进行比较，进行数据分析、功能验证以及性能评估，从而完成空间测控通信系统综合测试验证，为空间测控通信系统及其可重复使用部件的研制、生产、维护测试提供支持，实现新型空间测控通信系统全性能全自动系统级动态测试与演示验证，以及在空间测控通信设备入轨运行之前进行全面的仿真、测试、验证与评估。
本发明可以通过综合运用系统仿真技术、性能/效能评估分析技术等，应用全仿真、半实物仿真测试、全实物测试模式，进行空间测控通信系统输入/输出信号测试和系统功能验证，可实现对待测设备全寿命周期的全功能、全性能、全状态的测试验证；通过灵活的平台功能组态，能够实现卫星通信系统、卫星导航系统、遥控遥测系统等的仿真测试验证。
附图说明
图1是本发明空间测控通信系统综合测试验证平台一种具体实施方式原理框图；
图2是图1所示空间测控通信系统综合测试验证平台工作流程图；
图3是前向链路仿真测试信号路径示意图；
图4是返向链路仿真测试信号路径示意图；
图5是卫星通信系统仿真组态下的数据流示意图；
图6是GPS/BD2卫星导航系统仿真组态下的信号及数据流示意图；
图7是BD1卫星导航系统仿真组态下的信号及数据流示意图；
图8是TDRSS功能仿真组态下的数据流示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
在本实施例中，如图1所示，本发明空间测控通信系统综合测试验证平台遵循可重构、开放式和可扩展性体系架构的设计原则设计，包括：系统管理控制模块1、数据库服务器2、卫星信号模拟模块3、信号中继模拟模块4、地面站模拟模块5、信号适配及开关矩阵6以及通用测试仪器7，其工作流程如图2所示。
一、各部分的功能
1、系统管理控制模块
系统管理控制的作用一方面是设置测试验证任务，另一方面是调度各部分协同工作，实施测试控制，包括通过仪用总线(GPIB、VXI或LXI等)对所有通用测试仪器进行程控操作，同时通过串行控制总线(SPI、USB、I2C等)对平台中的信号模拟设备(卫星信号模拟模块、信号中继模拟模块以及地面站模拟模块)、信号适配与开关矩阵进行控制，从而完成由测试激励信号产生、加载，到被测信号的采集、调理和分配，直至最后的测试、分析等全部测试验证过程。
此外，系统管理控制模块通过LAN(局域网)数据总线将设置的测试验证任务发送给数据库服务器。
2、数据库服务器
在本实施例中，数据库服务器2是采用多台计算机并联而成的分布式体系结构，内部由高速反射内存网互联，外部通过LAN(局域网)作为数据总线与平台中各组成部分即系统管理控制模块1、信号模拟设备(卫星信号模拟模块3、信号中继模拟模块4以及地面站模拟模块5)互连。数据库服务器2的基本功能是根据设置的测试验证任务进行数学仿真计算，生成相应的仿真数据，并存储。仿真数据包括仿真结果数据和仿真参数数据，仿真结果数据包括模拟生成地面站的测量数据等，仿真参数数据包括模拟生成各卫星星座系统的运行状况、综合卫星信号传播过程的影响等等。数据库服务器2通过数据总线将仿真结果数据发送至系统管理控制模块1，仿真参数数据发送给地面站模拟模块5以及卫星信号模拟模块3或/和信号中继模拟模块4。
3、卫星信号模拟模块
综合测试验证平台中的信号模拟设备之一，通过LAN(局域网)总线接收来自数据库服务器2的仿真参数数据，并根据接收的仿真参数数据进行参数、运行状态设置，模拟生成用户星或/和导航卫星信号。在具体实施过程中，其可产生及接收多路S、Ku、Ka各波段信号，产生GPS/RNSS/RDSS等各种导航信号，同时具备动态、多径等信道模拟及跟踪快捕功能。
4、信号中继模拟模块
综合测试验证平台中的信号模拟设备之二，通过LAN(局域网)总线接收来自数据库服务器2的仿真参数数据，并根据接收的仿真参数数据进行参数、运行状态设置，模拟实现中继卫星和其他系统的信号接收和转发功能。在具体实施过程中，其可接收多路S、Ku、Ka各波段信号、输出多路S、Ku、Ka、L各波段信号，同时也具备动态、多径等信道模拟及跟踪快捕功能。
5、地面站模拟模块
综合测试验证平台中的信号模拟设备之三，通过LAN(局域网)总线接收来自数据库服务器2的仿真参数数据，并根据接收的仿真参数数据进行参数、运行状态设置，模拟实现地面测控中心功能，包括产生前向通信链路所需信息、接收返向通信链路信息，同时测定中继部分的模拟动态。在具体实施过程中，内部集成有各类地面接收终端，以及各类GPS/RDSS/RNSS/Galileo卫星导航用户机。
6、信号适配及开关矩阵
信号适配及开关矩阵6在系统管理控制模块1的控制(通过串行控制总线)下，根据设置的测试验证任务，搭建测试验证任务所需的信号通路(进行传输通道配置)，使地面站模拟模块5、信号中继模拟模块4、卫星信号模拟模块3按照测试验证任务构成空间测控通信系统，并根据测试验证的需要，对其中信号功率、幅度/相位进行适配调节。
信号适配及开关矩阵6是实现SCMM(SingleConnectionMultipleMeasuring，单次连接多次测量)功能的核心。所有测试激励信号均通过其中的开关矩阵进行通道切换，再被送往信号模拟设备中；所有待测信号均通过其中的信号适配进行必要的调理，再通过开关矩阵进行选择，最后分送至不同的测试仪器和信号模拟设备中。由此，可最大限度地复用综合测试验证平台资源、提高系统集成度。
7、通用测试仪器
包括信号分析仪、激励(信号)发生器两大类仪器。信号分析仪用于对系统内各类信号及网络进行可溯源的测量与分析，典型仪器及功能如：
■矢量信号分析仪：可进行频谱测量、调制信号测量；
■矢量网络分析仪：可进行电缆、接头等线性器件及混频器等非线性器件的损耗、时延、频响等网络参数测量；
■微波功率计：可进行精密功率电平测量；
■微波频率计/调制域分析仪：可进行单时钟信号周期、多时钟信号钟差测量，时间间隔精密测量；
■示波器：可进行时域波形测量，信号动态测量；
■其它：误码率测试系统、电源测试系统、EMC预测试系统等。
激励信号发生器如微波矢量信号发生器，主要用于产生已知的矢量信号作为激励，基带数据可编程输入。
通用测试仪器的引入对于空间测控通信系统综合测试验证平台具有特别重要的意义。通过遴选不同等级、不同功能的仪器，可满足不同的测试任务及精度的需要，并易于实现测试过程的全自动控制。更为重要的是，使用仪器对系统平台中的功能部件以及各类输入/输出信号进行测量，使得系统测试具备可计量溯源的能力，被测系统的高可信度由此得以保障，并为标准化测试奠定了基础。如前所述，无线通信系统综合测试验证平台的基本任务是对各类无线通信系统设备进行全寿命周期的性能测试及验证，为了更充分地利用测试资源、尽量发挥平台效用，必须考虑在已有硬/软件平台的基础上建立计量体系。只有通过计量体系的强制性规范作用，才能实现待测系统及设备的标准化、自动化测试，以缩短开发周期、降低研制成本、利于运行维护，为产品研发、生产与维护保障等各层面提供技术支持。
系统管理控制模块1根据设置的测试验证任务，通过仪用总线，启动通用测试仪器7自检、初始化，并选择具体的激励(信号)发生器，激励(信号)发生器在系统管理控制模块1的控制下，产生测试激励信号，通过开关矩阵进行通道切换，并被送往地面站模拟模块5、信号中继模拟模块4、卫星信号模拟模块3中。
系统管理控制模块1根据设置的测试验证任务，通过串行控制总线对地面站模拟模块5、信号中继模拟模块4、卫星信号模拟模块3实施测试控制，包括模块功能的启动和切换等，以实现综合测试验证平台不同工作组态的切换(在系统管理控制模块1通过串行控制总线对信号适配及开关矩阵6的控制下)。
地面站模拟模块5、信号中继模拟模块4、卫星信号模拟模块3中的待测信号经过信号适配及开关矩阵6进行必要的调理，再通过开关矩阵进行选择，最后分送至不同的信号分析仪中。
系统管理控制模块1读取信号分析仪的测量数据，与仿真结果数据进行比较，进行数据分析、功能验证以及性能评估。
二、平台工作组态
空间测控系统综合测试验证平台具备多种工作组态，为便于理解本发明，下面对若干典型组态的实现进行详细描述。
1、链路仿真测试
通过信号适配及开关矩阵6，在综合测试验证平台内的信号模拟设备(包括卫星信号模拟模块3、信号中继模拟模块4、地面站模拟模块5)之间传送已知的激励信号，并最终送入信号分析仪中，能够实现对信号及其传输通道的可溯源的测试，以验证信号模拟生成的正确性和通道传输的质量。
前向链路仿真测试的信号路径设置为：激励信号加载到地面站模拟模块5(→信号适配及开关矩阵6)→信号中继模拟模块4(→信号适配及开关矩阵6)→卫星信号模拟模块3，具体如图3所示。
返向链路仿真测试的信号路径设置为：激励信号加载到卫星信号模拟模块3(→信号适配及开关矩阵6)→信号中继模拟模块4(→信号适配及开关矩阵6)→地面站模拟模块5，具体如图4所示。
在以上对仿真测试信号路径的设置说明中，“(→信号适配及开关矩阵)”表示所有信号均不是在各信号模拟设备之间直接传输，而是经由信号适配及开关矩阵实现。
2、卫星通信系统仿真
将图1所示的综合测试验证平台功能设置为：地面站模拟模块5用作卫星通信系统地球站、信号中继模拟模块4用作通信卫星，则平台可工作于卫星通信系统仿真组态，图5所示为该组态下的数据流。
需要说明的是，图5所示的数据流并不是在信号中继模拟模块4、地面站模拟模块5等设备之间直接传输，而是经由信号适配及开关矩阵6实现。为示意图清晰起见，未在图5中绘出信号适配及开关矩阵6。以下各工作组态的说明均与此相同，不再赘述。
3、卫星导航系统仿真
将图1所示的综合测试验证平台功能设置为：地面站模拟模块5用作卫星导航系统地面运控中心、信号中继模拟模块4用作RDSS标准接收机、卫星信号模拟模块3用作导航卫星，则平台可工作于卫星导航系统仿真组态。图6、图7所示分别为GPS/BD2(北斗2)导航系统及BD1(北斗1)导航系统仿真组态下的信号及数据流。
4、TDRSS(跟踪与数据中继卫星系统)功能仿真
综合以上各工作组态，可实现最为复杂的TDRSS功能仿真。此时的平台功能设置为：地面站模拟模块5用作TDRSS地面终端站、信号中继模拟模块4用作中继卫星、卫星信号模拟模块3用作用户星，则平台可工作于TDRSS功能仿真组态，图8所示为该组态下的数据流。
4.1、遥控功能仿真
地面站生成遥控数据，经中继卫星发送到用户星；用户星接收遥控数据，校验正确后执行，再将校验结果及执行状态通过遥测数据发送出去；中继卫星将遥测数据转发回地面站。
4.2、遥测功能仿真
由用户星生成遥测数据，经过中继卫星发送给地面站。地面站接收遥测数据并进行处理。
4.3、测控大回路过程仿真
地面站发送遥控数据，经中继卫星给用户星；用户星接收并响应，通过中继星将遥测数据发送回地面站。
4.4、信道满容量传输仿真
按照遥控数据发送过程，以信道满容量为限，连续、同时发送多类遥控数据，检验用户星接收情况，统计分析误码、误指令率及时间长度稳定性。再按照遥测数据发送过程，以信道满容量为限，连续、同时发送多类遥测数据，统计分析误码、误指令率及时间长度稳定性。
4.5、授时功能仿真
用户星向中继卫星请求授时，中继星响应授时请求，计算用户星时差并向用户星发送标准时间信号，用户星据此进行授时。
4.6、测定轨仿真
地面站接收中继星星历数据，仿真产生用户星轨道测量数据(含误差仿真)，并确定用户星轨道。与测量数据相比对，获知定轨精度。
三、结论
本发明针对空间测控通信系统的综合仿真/测试/验证/评估需求，以及系统设备之间互联互通和整体链路的有效性测试验证问题，基于新一代自动测试系统框架构建了一个综合测试验证平台。通过综合运用系统仿真技术、性能/效能评估分析技术等，应用全仿真、半实物仿真测试、全实物测试模式，进行无线通信系统输入/输出信号测试和系统功能验证，可实现对待测设备全寿命周期的全功能、全性能、全状态的测试验证；通过灵活的平台功能组态，能够实现卫星通信系统、卫星导航系统、遥控遥测系统等的仿真测试验证。
该综合测试验证平台架构的建立，可为空间测控通信系统及其可重复使用部件的研制、生产、维护测试提供支持，实现新型空间测控通信系统等全性能全自动系统级动态测试与演示验证；能够在空间测控通信设备入轨运行之前进行全面的仿真、测试、验证与评估，以确保其性能与系统兼容性；更进一步地，可望为未来实现天地结合的一体化综合测控网提供技术支撑平台。具有广阔的应用前景。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种空间测控通信系统综合测试验证平台，其特征在于，包括:
一系统管理控制模块，用于设置测试验证任务、实施测试控制；
一数据库服务器，用于根据设置的测试验证任务进行数学仿真计算，并生成相应的仿真数据，仿真数据包括仿真结果数据和仿真参数数据，并通过数据总线将仿真结果数据发送至系统管理控制模块，仿真参数数据发送给地面站模拟模块以及卫星信号模拟模块或/和信号中继模拟模块；
一卫星信号模拟模块，其根据接收的仿真参数数据进行参数、运行状态设置，模拟生成用户星或/和导航卫星信号；
一信号中继模拟模块，其根据接收的仿真参数数据进行参数、运行状态设置，模拟实现中继卫星和其他系统的信号接收和转发功能；
一地面站模拟模块，其根据接收的仿真参数数据进行参数、运行状态设置，模拟实现地面测控中心功能，包括产生前向通信链路所需信息、接收返向通信链路信息，同时测定中继部分的模拟动态；
一信号适配及开关矩阵，用于根据设置的测试验证任务，搭建测试验证任务所需的信号通路，使地面站模拟模块、信号中继模拟模块、卫星信号模拟模块按照测试验证任务构成空间测控通信系统；并根据测试验证的需要，对其中的信号功率、幅度/相位进行适配调节；
通用测试仪器，由激励(信号)发生器、信号分析仪两大类仪器组成；
系统管理控制模块根据设置的测试验证任务，选择具体的激励(信号)发生器，激励(信号)发生器在系统管理控制模块的控制下，产生的测试激励信号，通过开关矩阵进行通道切换，并被送往地面站模拟模块、信号中继模拟模块、卫星信号模拟模块中；
系统管理控制模块根据设置的测试验证任务，对地面站模拟模块、信号中继模拟模块、卫星信号模拟模块实施测试控制；
地面站模拟模块、信号中继模拟模块、卫星信号模拟模块中的待测信号经过信号适配及开关矩阵进行必要的调理，再通过开关矩阵进行选择，最后分送至不同的信号分析仪中；
系统管理控制模块读取信号分析仪的测量数据，与仿真结果数据进行比较，进行数据分析、功能验证以及性能评估。
2.根据权利要求1所述的测试验证平台，其特征在于，包括通过仪用总线(GPIB、VXI或LXI等)对所有通用测试仪器进行程控操作，同时通过串行控制总线(SPI、USB、I2C等)对平台中的信号模拟设备(卫星信号模拟模块、信号中继模拟模块以及地面站模拟模块)、信号适配与开关矩阵进行控制；
系统管理控制模块通过数据总线LAN(局域网)将设置的测试验证任务发送给数据库服务器；
数据库服务器2通过数据总线将仿真结果数据发送至系统管理控制模块，仿真参数数据发送给地面站模拟模块以及卫星信号模拟模块或/和信号中继模拟模块。
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