CN109918820A - 复杂卫星仿真支撑平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用化仿真支撑平台，包括：实时控制与集成交互控制平台，所述实时控制与集成交互控制平台包括高精度时钟同步装置并运行在一体化集成开发环境之上，所述高精度时钟同步装置为系统提供多个时钟同步源，采用系统同步策略提供整系统的高精度时钟同步；实时通信模块，所述实时通信模块包括实时网络通信装置及高速通信接口通道装置；复杂卫星建模单元和可视化模块，用于基于组件进行可视化仿真建模，并进行运行状态仿真及运行管理的可视化、运行数据分析结果及数据产品应用服务的可视化；以及系统仿真评估模块,系统仿真评估模块包括性能评估指标和评估模型，采集系统数据，并获得评估结果。

Description

复杂卫星仿真支撑平台

技术领域

本发明涉及卫星技术领域，具体而言，本发明涉及一种针对卫星复杂大系统进行的全流程仿真支撑平台。

背景技术

在快速发展的信息时代背景下，用户对实时仿真提出了更高的要求，其中，军事应用的要求也越来越高。性能高、成本低、品种多、数量大、研制周期短和批量化生产是当前新型卫星设计必须满足的要求。当前，设计手段、验证测试的落后是制约卫星技术水平提升的关键因素。以往卫星系统的研制过程，是先有产品再进行测试，通过对测试问题进行修改，多次反复的过程严重影响了任务的研制和使用，而且风险管理也未能提前论证。虽然部分单位开始使用了动态的仿真系统进行模拟，但由于其属于专用型定制，不能满足与其他系统的对接和其他类似系统的测试仿真，因而忽略了产品的产品化、标准化、模块化、互换化。因此，拥有能够支持新型武器装备的论证、设计、试验等全任务剖面的实时仿真支撑平台技术显得尤为迫切。必须对设计及测试理念进行创新和转变。根据技术发展趋势并借鉴国内外成功经验，引入先进技术理念，采用标准化的思想，构建虚拟化的设计、测试支撑工具是满足当前任务的设计新需求，全面提升产品设计能力和系统的验证测试能力。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明本文提出了一种针对卫星复杂大系统进行的全流程仿真支撑平台。该平台为一套新型开放式架构的卫星复杂系统仿真支撑平台，能够建立统一的仿真支撑平台，是可视化、快速、精确化的基于卫星复杂大系统的平台化仿真系统。

根据本发明的一个方面，提供一种通用化仿真支撑平台，包括：

实时控制与集成交互控制平台，所述实时控制与集成交互控制平台包括高精度时钟同步装置并运行在一体化集成开发环境之上，所述高精度时钟同步装置为系统提供多个时钟同步源，采用系统同步策略提供整系统的高精度时钟同步；

实时通信模块，所述实时通信模块包括实时网络通信装置及高速通信接口通道装置；

复杂卫星建模单元和可视化模块，用于基于组件进行可视化仿真建模，并进行运行状态仿真及运行管理的可视化、运行数据分析结果及数据产品应用服务的可视化；以及

系统仿真评估模块,系统仿真评估模块包括性能评估指标和评估模型，采集系统数据，并获得评估结果。

在本发明的一个实施例中，该通用化仿真支撑平台还包括联合仿真框架，所述联合仿真框架提供标准交互接口、智能IO适配及长线传输装置为仿真系统整体性对外接口。

在本发明的一个实施例中，在所述一体化集成开发环境中，通过仿真模型库、数据库、工具库的支撑和可视化建模单元达到自动化的快速平台开发。

在本发明的一个实施例中，所述高精度时钟同步装置包括多时钟模拟单元、多时钟同步单元以及高精度时钟同步单元。

在本发明的一个实施例中，复杂卫星建模单元和可视化模块的结合实现可视化建模，以窗口、图形方式完成模型组件的定义和仿真系统的开发。

在本发明的一个实施例中，所述复杂卫星建模单元和可视化模块用于仿真模型搭建、模型组件的重用、多语言建模、建模模型的适配、模型的可视化、建模过程可视化。

在本发明的一个实施例中，所述可视化模块提供人机交互界面、显示界面以及场景仿真界面。

在本发明的一个实施例中，所述可视化模块显示参与仿真的各空间对象的位置关系和动态变化过程，同时把天线覆盖图和雷达作用范围等本身不可见的对象用可见的图形进行模拟显示。

在本发明的一个实施例中，所述系统仿真评估模块包括性能指标体系、评估单元以及结果验证单元。

在本发明的一个实施例中，系统评估指标属性包括：实时性、可靠性、安全性、可用性、相似性、可生存性。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的实施例的复杂卫星通用化仿真支撑平台100总体框图。

图2示出根据本发明的一个实施例的实时控制与集成交互控制平台200的框图。

图3示出根据本发明的一个实施例的实时网络通信模块的示意框图。

图4示出根据本发明的一个实施例的复杂卫星建模及可视化模块400的示意框图。

图5示出根据本发明的一个实施例的基于组件的计算机模型实现过程。

图6示出根据本发明的一个实施例的基于可视化组件的计算机模型实现过程。

图7示出根据本发明的一个实施例的可视化组件开发过程的流程图。

图8示出根据本发明的一个实施例的仿真评估模块800的示意框图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

在航空领域，针对卫星复杂大系统全流程仿真具有以下几点需求：

(1)复杂卫星系统方案论证需求

方案论证，是目前产品研制过程中花费周期与成本最多的一个环节，也是全方位评估与验证测试必不可少的一项工作。由于有些技术论证的需要，在有硬件产品的基础上才能开展软件及系统工作，因此，整个过程都是串联实施，严重影响了方案论证的周期和增加了开发成本。同时，由于产品可能涉及到多方合作，各方只考虑到自身的最优设计，而忽略了整个系统的协同效应，极有可能失去系统设计整体最优方案。因此，采用实时仿真平台可以将系统间的协同分工，匹配性进行提前仿真验证与测试，尽早评估风险和进行更改。

(2)复杂卫星系统设计需求

系统设计是根据具体任务需求进行软硬件设计，其过程受到各种外部不确定因素限制以及软硬件设计时出现各种技术问题，常常会延误任务研制进度，因此，采用实时仿真平台技术，运用软硬件一体化设计模式，采用模块化的搭建方式，预先完成任务需求所需要的设计，通过这种方式可以实现快速研制，同时还达到节约成本的目的。

(3)复杂卫星系统仿真试验需求

复杂卫星系统研制过程中，花费时间与精力最多的是仿真与测试工作，仿真各个真实环境、测试产品各项功能及性能。传统研制时，采用的是单一的仿真环境和物理负载的运行测试环境开展工作，这种模式依赖性强，自动化测试水平低，故障仿真率低，不利整个产品的测试完备性。采用实时设计仿真验证支撑平台，可以提高产品测试的多样性、灵活性和可扩展性，加快负载运行的速度，实现产品的自动化测试和多种故障仿真测试。

(4)复杂卫星系统任务演练需求

在复杂卫星系统实际运行时，可能会出现一些突发情况，虽然故障预案已做好准备工作，但是短时间内为解决紧急任务而提出的一些方案未必全面和最优。通过采用实时设计仿真验证支撑平台，对复杂卫星系统运行参数进行快速模拟，可以提前发现一些可能存在的问题，提前排除可能出现的故障，并对其性能进行评估。通过这种虚拟任务运行的方式，运用虚拟跟踪实际任务，可以减少实际运行时遇到的突发情况，可以查找定位问题和避免一些损失。

(5)复杂卫星系统验证评估需求

武器装备系统是结构庞大的复杂巨系统，具有技术先进、耗资巨大、研制周期长等特点，难度和风险极高，所以其系统性能评估在卫星系统的设计、研制、试验、采购、使用及维护等各个阶段都是十分重要的问题。因此具备一套完备的实时仿真系统性能评估指标体系和评估方法无疑顺应复杂卫星系统验证评估的需求。

(6)复杂卫星系统优化改进及产业化需求

复杂卫星系统重点应用于军事用途，由于其有专属保密性，各个单位都有自己的一套技术体系与标准，且同类产品也有多种软件接口设计模型，测试仿真也多种多样。但是目前，国内甚至国际仍未有一套测试平台能同时满足多种软件接口的仿真与测试。采用实时仿真验证支撑平台技术，除满足各个架构模型的仿真与测试，还能规范统一各个产品的软件接口设计，形成一套通用化的设计标准，任何单位根据此标准设计自己的产品，对规范国内仿真平台设计，提升军事装备总体设计水平和产品升级发展具有重要的意义。

通过对复杂卫星实时仿真支撑平台技术的研究，将极大的有助于我国对复杂卫星系统系列化、迭代化乃至产业化步伐的进阶。

在我国卫星领域，对于仿真支撑平台技术也有应用，且主要集中在软件评测领域，目前部分院所采用的实时仿真支撑平台系统为环形结构全数字仿真环境模型。但在该模型的实际使用中发现该测试系统对精度要求过低，不能达到高精度的仿真实现，其次，该仿真环境模型为不对外开放的封闭化系统，较难实现该系统的通用兼容可能。

除此之外部分院所所采用的仿真测试环境是一种嵌入式软件开发和测试环境，但其内核与创景公司研制开发的虚拟开发及验证平台共享且都不具备全系统的设计。再次，该虚拟测试环境和虚拟开发及验证平台也同样无法解决虚拟测试环境的通用化问题。

本发明提出了一种针对卫星复杂大系统进行的全流程仿真支撑平台。该平台为一套新型开放式架构的卫星复杂系统仿真支撑平台；能够建立统一的仿真支撑平台；可视化、快速、精确化的基于卫星复杂大系统的平台化仿真系统。

图1示出根据本发明的实施例的复杂卫星通用化仿真支撑平台100总体框图。

复杂卫星通用化仿真支撑平台100核心在于对于卫星技术及实现方案的论证、设计、试验等全任务剖面的验证评估及优化改进等。本发明所提出的总体方案以复杂卫星全生命周期为横向坐标，自新技术研究至列装生产，深度挖掘各阶段需求；汇总一致形成能够解答全任务剖面的仿真支撑平台系统方案。如图1所示，自左向右，在复杂卫星生命周期的不同阶段，本发明所拟仿真支撑平台需要进行针对性的“适应”及“跟随验证”以满足剖面任务要求。

本发明方案以通用化仿真支撑平台100为核心，构建支撑新技术验证、方案论证、研发测试、模拟演练、任务规划以及情报分析的综合任务服务平台。

本发明以单个卫星系统级为基本仿真建模单位。多个卫星/地面站通过通讯模型，形成复杂卫星大系统。卫星系统内部依据分解层次关系，对全部硬件模块进行适应性仿真建模。待检嵌入式军用软件使用虚拟CPU装载，待检国产化硬件通过硬件重定向设备与仿真环境连接。装备平台组件采用标准仿真模型，能源热控以及环境模型提供科学数据依据。基于信息系统，提供任务模拟或真实数据源。

所有仿真部件搭建于联合仿真框架之上，该框架提供标准交互接口、智能IO适配及长线传输装置为仿真系统整体性对外接口。

高精度同步装置为系统提供多个时钟同步源，采用系统同步策略提供整系统的高精度时钟同步。

系统仿真验证评估工具在性能评估指标及评估模型的基础上，采集系统数据，获得评估结果，为论证、设计、试验等任务提供依据，是系统优化改进的基础。

可视化运行界面通过仿真场景、运行结果的可视化显示，为系统提供最直观的仿真结果。

整个平台的开发在一体化集成开发环境之上进行，通过仿真模型库、数据库、工具库的支撑和可视化建模达到自动化的快速平台开发。

返回图1，通用化仿真支撑平台100包括实时控制与集成交互控制平台110、通讯单元120、复杂装备仿真单元130、系统仿真评估模块140、可视化界面150、实时网络通信单元160以及联合仿真框架170。

实时控制与集成交互控制平台110通过标准化接口技术解决仿真系统的集成交互，并结合仿真的实时控制技术，达到仿真平台的实时控制与集成交互。

图2示出根据本发明的一个实施例的实时控制与集成交互控制平台200的框图。实时控制与集成交互控制平台200包括高精度时钟同步装置210和一体化集成开发环境220。

高精度时钟同步装置210包括多时钟模拟单元211、多时钟同步单元212以及高精度时钟同步单元213，能够为系统提供多个时钟同步源，采用系统同步策略提供整系统的高精度时钟同步。

整个平台的开发在一体化集成开发环境220之上进行，通过仿真模型库221、数据库222、工具库223的支撑和可视化建模单元224达到自动化的快速平台开发。

返回图1，通讯单元120和实时网络通信单元160构成仿真支撑平台的实时网络通信模块，其中实时网络通信单元160面向对外接口，用于外部数据交互，通讯单元120面向支持平台内部数据交互。图3示出根据本发明的一个实施例的实时网络通信模块的示意框图。实时网络通信模块包括实时网络通信装置及高速通信接口通道装置。在现有的网络技术研究的基础上，通过高速网络传输机制、高速通信接口、传输通道适配技术，来满足复杂卫星系统在进行全流程仿真过程中对实时网络通讯及接口通道通信之间的需求。

复杂装备仿真单元130也可称为复杂卫星建模单元。

系统仿真评估140在性能评估指标及评估模型的基础上，采集系统数据，获得评估结果，为论证、设计、试验等任务提供依据，是系统优化改进的基础。

可视化界面150提供仿真场景、运行结果的可视化显示，为系统提供最直观的仿真结果。

联合仿真框架170提供标准交互接口、智能IO适配及长线传输装置为仿真系统整体性对外接口。

图4示出根据本发明的一个实施例的复杂卫星建模及可视化模块400的示意框图。如图4所示，复杂卫星建模及可视化模块400包括可视化仿真建模单元410和可视化实时运行环境420。可视化仿真建模单元410可具有仿真模型搭建、模型组件的重用、多语言建模、建模模型的适配、模型的可视化、建模过程可视化等功能。可视化实时运行环境420可提供人机交互界面、显示界面以及场景仿真界面。

复杂卫星建模及可视化方案围绕基于组件的可视化仿真建模技术、实时运行环境的可视化实现两方面进行展开，拟建立集仿真模型开发、实时运行与可视化于一体的集成环境。其中基于组件的可视化建模具有以下特点：

(1)以仿真框架为中心，一体化开发，仿真框架系统开发完成后，无需复杂的编程，通过适配器可以直接将模型组件加载到仿真框架系统中构成用户需要的仿真模型，模型组件可以由C/C++、MATLAB、图形语言等不同语言创建，从而实现不同语言的兼容；

(2)基于组件的仿真系统开发模式，支持模型组件的继承与组合；

(3)提供独立于模型描述的先进仿真引擎，支持固定帧周期调度和事件调度；

(4)符合先进的“模型与实验框架分离”的系统建模理论，提供试验框架描述规范；

(5)采用可视化建模仿真技术，以窗口、图形方式完成模型组件的定义和仿真系统的开发，仿真运行过程可随时观测组件的输出，并以图、表方式输出统计结果；

(6)可自动生成分布式/并行运行平台所需的仿真描述文件，支持分布式仿真节点的自动部署。

基于组件的可视化建模技术可以解决基于组件的仿真模型搭建、模型组件的重用、多语言建模、建模模型的适配、模型的可视化、建模过程可视化等技术。

复杂装备可视化建模技术通过基于组件化的计算机模型开发，组件化的计算机模型实现过程根据使用工具的不同有两种途径：(1)首先编写高级语言或仿真语言实现组件的计算机模型(如图5)及对应的可视化仿真软件的模型库,然后应用已有组件实现整个系统的计算机模型；(2)从可视化仿真软件的模块库中选取、连接并设置模块实现组件的计算机模型，然后以模块和组件为建模单元实现整个系统的计算机模型(如图6)。

应用可视化组件实现系统的计算机模型具有六大优势,它们正是实现组件层面上的模型重用所必不可少的，代表了未来组件重用技术的发展方向。

(1)加快建模速度，因为一些概念和功能都是可以重复使用的；

(2)模型的设计和执行分开执行，有利于使用者将精力集中在功能的改进，而不是解决技术问题；

(3)构成组件的模块可以从模块库中直接选取，减少了组件模型的开发时间；

(4)仿真实验可以容易的进行，因为参数可以在可视的对话框中设置和改动；

(5)建模经验不丰富的仿真人员可以应用可视化组件建立完整的仿真模型；

(6)Template特有的结构特点降低了仿真模型的复杂性。

一般来说，可视化组件的开发过程大致分为以下四个阶段，如图7所示，即，组件仿真模型、组件的参数化啊、编辑模块库中的模块和组件的计算机模型。

而实时运行的可视化实现，就是使用软件方法，在计算机上显示参与仿真的各空间对象的位置关系和动态变化过程，同时把天线覆盖图和雷达作用范围等本身不可见的对象用可见的图形进行模拟显示，给人以直观的视觉感觉。实时运行可视化主要包括对运行状态仿真及运行管理的可视化、运行数据分析结果及数据产品应用服务的可视化。

图8示出根据本发明的一个实施例的仿真评估模块800的示意框图。如图8所示，仿真评估模块800包括性能指标体系810、评估单元820以及结果验证单元830。

复杂卫星仿真支撑平台系统的仿真试验结果能否在特定情况下吻合真实系统的相关性能，仿真结果和结论是否能真实反映系统的性能，将直接决定仿真系统的最终结果对于预期工程应用来说是否具有可用性。其可以分为复杂卫星仿真系统性能评估指标体系模型及仿真系统性能评估方法研究两方面。

进行复杂卫星仿真系统性能评估研究，需要关注的系统评估指标属性有：实时性、可靠性、安全性、可用性、相似性、可生存性。拟建立实时性、可靠性、安全性、可用性、相似性、可生存性的评估模型，并在此基础上进行评估指标进行建模。

本发明提出了一种用于新型卫星的论证、设计、试验等全任务剖面的验证评估及优化改进需求下的仿真支撑平台技术，该技术由实时控制与集成交互控制平台、实时通信模型结合复杂卫星建模及可视化技术与系统仿真评估技术组成。该仿真支撑平台技术主要用于新型卫星的论证、设计、试验等全任务剖面的验证评估及优化改进需求，针对复杂卫星系统仿真平台的框架模型的建立展开研究。其具备以下几个特点：

(1)提供高性能强实时仿真运行环境。具备稳定控制帧周期的能力，具备高精度时钟同步控制能力，具备实时接口通信能力；

(2)具备通用化建模能力。能够支持基于组件的建模开发，具备图形化建模开发及验证环境，实现复杂系统的建模；

(3)具备仿真模型资源的统筹优化与管理能力。包含仿真模型库、故障模型库、模式库等，支持基于数据库的面向对象模型类的管理和重用；

(4)系统具有良好的扩展性和较强的通用性。采用具有良好扩展能力的系统体系框架，可灵活、快速地增强仿真系统的功能或性能，满足不同仿真系统的通用需求。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种通用化仿真支撑平台，包括：

实时控制与集成交互控制平台，所述实时控制与集成交互控制平台包括高精度时钟同步装置并运行在一体化集成开发环境之上，所述高精度时钟同步装置为系统提供多个时钟同步源，采用系统同步策略提供整系统的高精度时钟同步；

实时通信模块，所述实时通信模块包括实时网络通信装置及高速通信接口通道装置；

复杂卫星建模单元和可视化模块，用于基于组件进行可视化仿真建模，并进行运行状态仿真及运行管理的可视化、运行数据分析结果及数据产品应用服务的可视化；以及

系统仿真评估模块,系统仿真评估模块包括性能评估指标和评估模型，采集系统数据，并获得评估结果。

2.如权利要求1所述的通用化仿真支撑平台，其特征在于，还包括联合仿真框架，所述联合仿真框架提供标准交互接口、智能IO适配及长线传输装置为仿真系统整体性对外接口。

3.如权利要求1所述的通用化仿真支撑平台，其特征在于，在所述一体化集成开发环境中，通过仿真模型库、数据库、工具库的支撑和可视化建模单元达到自动化的快速平台开发。

4.如权利要求1所述的通用化仿真支撑平台，其特征在于，所述高精度时钟同步装置包括多时钟模拟单元、多时钟同步单元以及高精度时钟同步单元。

5.如权利要求1所述的通用化仿真支撑平台，其特征在于，复杂卫星建模单元和可视化模块的结合实现可视化建模，以窗口、图形方式完成模型组件的定义和仿真系统的开发。

6.如权利要求1所述的通用化仿真支撑平台，其特征在于，所述复杂卫星建模单元和可视化模块用于仿真模型搭建、模型组件的重用、多语言建模、建模模型的适配、模型的可视化、建模过程可视化。

7.如权利要求1所述的通用化仿真支撑平台，其特征在于，所述可视化模块提供人机交互界面、显示界面以及场景仿真界面。

8.如权利要求1所述的通用化仿真支撑平台，其特征在于，所述可视化模块显示参与仿真的各空间对象的位置关系和动态变化过程，同时把天线覆盖图和雷达作用范围等本身不可见的对象用可见的图形进行模拟显示。

9.如权利要求1所述的通用化仿真支撑平台，其特征在于，所述系统仿真评估模块包括性能指标体系、评估单元以及结果验证单元。

10.如权利要求9所述的通用化仿真支撑平台，其特征在于，系统评估指标属性包括：实时性、可靠性、安全性、可用性、相似性、可生存性。