CN111221271A - 一种北斗卫星自主导航平行仿真模拟方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种北斗卫星自主导航平行仿真模拟方法与系统，方法包括以下步骤：构建具有工程代表性的仿真系统；开发两种模式的星间链路数据来源，其一为数学仿真得到的模拟星间测量数据，其二为外部离线加载的真实工程在轨卫星的星间测量数据；按照试验目的，进行自主导航试验。北斗卫星自主导航平行仿真模拟统包括仿真调度运行模块、仿真模型库、场景配置模块、监控与显示模块、性能评估模块、在轨工程数据库和星间链路用表数据库。本申请进行的的自主导航试验结果可信性高，能够用于北斗工程系统自主导航算法的试验验证及优化，除了复现北斗工程系统的状态之外，还具有灵活扩展的能力，为自主导航算法的评估和算法迭代优化提供了强大的手段。

Description

一种北斗卫星自主导航平行仿真模拟方法与系统

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种北斗卫星自主导航平行仿真模拟方法与系统。

背景技术

北斗卫星导航系统作为重要的战略性资源，已经在军事和国民经济建设各个方面扮演着越来越重要的角色。目前，各种卫星导航系统的正常运行都是通过地面控制来实现的，如果地面设备发生故障或者被摧毁，导航系统的性能将大幅下降甚至是不能提供服务。因此，基于星间链路技术的卫星导航系统自主导航技术应运而生，它的出现有助于提高卫星导航系统的安全性与自主生存能力。我国的北斗系统目前也具备自主导航的能力，但是由于北斗导航卫星上的星载计算机处理器运算能力较低，在工程中需要不断的迭代优化自主导航算法的设计，并且要综合考虑工程约束和输出电文的精度。需要建设具备真实工程系统约束条件的自主导航算法试验验证系统，从而降低工程实施风险、并提供算法优化验证的手段。

目前，已知的对北斗卫星导航系统自主导航算法进行验证的系统，要么是为了学术研究而搭建的针对理想条件的仿真平台，缺乏对实际工程系统约束的考虑（文献1：曹辉．基于星间测量的星座自主导航研究与半物理仿真系统实现[D]．南京：南京航空航天大学，2009）；要么是搭建的半实物模拟系统用于对单台卫星关键单机的测试，缺乏系统级对全系统全星座要素条件的自主导航算法的验证（文献2：贾卫松等．北斗全球系统自主导航地面模拟系统设计与实现[J]．航天器工程，2017，26（3）：105-111）。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种北斗卫星自主导航平行仿真模拟方法与系统。可以最大程度的逼近北斗工程系统的状态，进而保证仿真试验结果可信，能够灵活的用于北斗工程系统的关键技术试验验证及优化、工程卫星流程的检验及优化等任务。

根据本发明的一个方面，提供一种北斗卫星自主导航平行仿真模拟方法,包括以下步骤：

S1、根据贴近工程系统实际状态的要求，构建具有工程代表性的仿真系统，其中，所述的仿真系统的卫星系统模型的接口应当遵循工程的接口控制文件定义、并且具备真实工程卫星系统的处理流程、可以输出并存储内部的关键数据信息便于评估分析、内部的自主导航算法模块能够灵活的加载与配置；

S2、根据系统灵活性要求，开发两种模式的星间链路数据来源，其一为数学仿真得到的模拟星间测量数据，其二为外部离线加载的真实工程在轨卫星的星间测量数据；

S3、按照试验目的，进行自主导航试验，其中，所述的自主导航试验步骤包括：

S101、仿真场景配置。主要配置星座属性、数学仿真属性、仿真起始时刻、仿真时长、星间测量数据来源途径等；

S102、加载本场景对应的星间链路用表，用于指明卫星模型之间的连接关系；

S103、加载自主导航试验所需要初始数据:给每一个参与仿真的卫星节点模型加载自主导航试验所需要的星历参数、星钟参数、群延迟参数、长期预报星历参数、自主导航业务参数等；

S104、仿真启动，仿真系统中的卫星模型开启自主导航功能，按照星间测量数据源的不同，卫星获得星间测量数据。数据来源包括：数学仿真得到的模拟星间测量数据和真实工程在轨卫星的星间测量数据；

S1、仿真结束，对结果进行数据分析评估。

根据本发明的另一方面，提供一种北斗卫星自主导航平行仿真模拟系统，包括仿真调度运行模块、仿真模型库、场景配置模块、监控与显示模块、性能评估模块、在轨工程数据库和星间链路用表数据库：

其中，所述仿真调度运行模块用于获取试验想定，调用相关模型和数据，驱动系统按照相关时序运行，仿真模拟导航系统自主导航运行全过程，并且完成数据的存储。

所述仿真模型库建模了自主导航试验相关的各种分系统，包括：卫星处理节点模型、地面站节点模型和数据仿真模型。所述卫星处理节点模型的接口应当遵循工程的接口控制文件定义、并且具备真实工程卫星系统的处理流程、可以输出并存储内部的关键数据信息便于评估分析、内部的自主导航算法模块能够灵活的加载与配置；地面站节点模型主要生成自主导航试验所需要的星历参数、星钟参数、群延迟参数、长期预报星历参数、自主导航业务参数等，并上注给卫星处理节点模型；数学仿真模型仿真生成与观测数据有关的各类数据，包括卫星轨道与钟差数据、星间观测数据、地面观测数据等。

所述场景配置模块主要根据自主导航试验规划任务脚本、系统仿真模式及流程开发脚本、运行场景开发脚本映射为仿真运行调度引擎的启停、各类模型参数或属性中，并进行初始运行的加载。

所述监控与显示模块显示仿真场景配置、控制仿真的运行状态、态势信息、自主导航试验数据的分析结果等。

所述性能评估模块主要在仿真结束之后，读取仿真平台已经存储的试验数据，进行试验评估，主要评估指标包括：仿真卫星的星历URE、仿真卫星的钟差、自主导航算法星历卡尔曼滤波有效链路条数和自主导航算法星钟卡尔曼滤波有效链路条数，等。

所述在轨工程数据库主要存储工程在轨的星间测量数据，根据评估场景的配置，可以导入平台中，作为自主导航试验过程中的星间测量数据的来源。

所述星间链路用表数据库主要存储北斗卫星之间星间链路的建链关系，与星间测量数据配对使用，支撑仿真运行。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1）卫星处理节点模型具备真实工程卫星系统的自主导航业务处理流程，并且模型的对外接口定义与工程的接口控制文件定义相一致，模拟了测量数据在量化传输过程中的误差，最大程度的复现了北斗工程系统的现有状态，进而保证了本仿真系统的自主导航试验结果的可信性，能够用于北斗工程系统自主导航算法的试验验证及优化；2）本仿真系统除了复现北斗工程系统的状态之外，还具有灵活扩展的能力，卫星处理节点模型具备输出并存储内部的关键数据信息的能力，以便于数据的分析，为自主导航算法的评估和算法迭代优化提供了强大的手段。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中一种北斗卫星自主导航平行仿真模拟方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中一种北斗卫星自主导航平行仿真模拟系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示为本发明实施例的一种北斗卫星自主导航平行仿真模拟方法,包括以下步骤：

S1、根据贴近工程系统实际状态的要求，构建具有工程代表性的仿真系统，其中，仿真系统的卫星系统模型的接口应当遵循工程的接口控制文件定义、并且具备真实工程卫星系统的处理流程、可以输出并存储内部的关键数据信息便于评估分析、内部的自主导航算法模块能够灵活的加载与配置；

S2、根据系统灵活性要求，开发两种模式的星间链路数据来源，其一为数学仿真得到的模拟星间测量数据，其二为外部离线加载的真实工程在轨卫星的星间测量数据；

S3、按照试验目的，进行自主导航试验，参考图1，自主导航试验的步骤包括：

S301、根据试验需求配置仿真场景。

具体地，仿真场景配置应当包括但不限于：

1）星座属性。包括卫星的数量、类型、轨道根数、自主导航算法的类型，等；

2）数学仿真属性。包括，测量伪距误差的均值、钟差误差的均值、传播误差仿真，等；

3）星间测量数据来源途径。包括：数学仿真得到的模拟星间测量数据和真实工程在轨卫星的星间测量数据；

4）时间设置。包括：仿真的起始时刻、仿真的时长，等。

S302、根据所配置的仿真场景，加载对应的星间链路用表。

具体地，星间链路用表用于指明卫星模型之间的连接关系，在仿真运行过程中，数学仿真模型通过星间链路用表得到在特定时刻的卫星互联关系，进而计算出此刻的星间测量值。

S303、根据所配置的仿真场景，准备自主导航试验的初始数据。

具体地，自主导航试验的初始数据主要用于为自主导航算法提供初始配置和支撑参数。具体包括：星历参数、星钟和群延迟参数、长期预报星历参数、自主导航业务参数，等。

S3d、启动运行仿真，仿真过程中根据配置来判断星间测量数据的来源，确定星间测量数据是工程数据还是数学仿真模型模拟产生的。

具体地，启动仿真具体是指仿真调度运行模块按照节拍开始调度各个模型、并且推进仿真进程。仿真过程中各个卫星处理节点模型的传输数据是遵循工程的接口控制文件定义，进而模拟了星间测量数据由于量化而导致的误差。

S304、启动仿真，按照两种星间链路数据的来源进行两种数据驱动试验，包括工程数据驱动试验和仿真模拟数据驱动试验两种。

具体地，工程数据驱动试验具体为驱动自主导航试验的星间测量数据来自于事先收集的工程在轨数据。这样的数据来源，加上自主导航算法也是工程算法，从而实现了工程在轨场景的复现，用以实现对实际工程问题的排查。

需要说明的是，上述举例仅为更好地说明本发明的技术方案，而非对本发明的限制，本领域技术人员应该理解，任何根据使用实际工程数据的方法，不管是离线方式使用，或者在线导入的方式，均应包含在本发明的范围内。

具体地，仿真模拟数据驱动试验具体为驱动自主导航试验的星间测量数据来自于数学仿真模块的模拟数据。主要用于在没有真实工程数据条件下的，自主导航算法验证和优化。

S305、仿真结束，评估试验结果。

具体地，评估试验结果主要是指在仿真结束之后，按照试验目的开展试验评估，验证自主导航算法的工作状态及性能。主要评估指标包括：仿真卫星的星历URE、仿真卫星的钟差、自主导航算法星历卡尔曼滤波有效链路条数和自主导航算法星钟卡尔曼滤波有效链路条数。

现有技术中，自主导航试验验证平台仅仅是局限于针对学术研究的针对理想条件的仿真平台，缺乏对实际工程系统约束的考虑；或者是半实物模拟系统用于对单台卫星关键单机的测试，缺乏系统级对全系统全星座要素条件的自主导航算法的验证。根据本实施例的方案，卫星处理节点模型的建立最大限度的贴近了真实工程系统自主导航的状态，卫星处理节点模型的接口满足现有工程的接口控制文件定义，进而模拟了星间测量数据由于量化而导致的误差，这就大大的提升了本发明的自主导航试验验证系统与真实工程系统的一致性，从而保证本发明仿真系统对自主导航算法的评估结果具有真实工程系统的代表性，算法优化结果能用于工程实现中。

如图2所示为本发明实施例的一种北斗卫星自主导航平行仿真模拟系统，包括仿真模型库1、仿真调度运行模块2、场景配置模块3、监控与显示模块4、性能评估模块5、在轨工程数据库6和星间链路用表数据库7。

具体地，仿真模型库1建模了自主导航试验相关的各种分系统，包括：卫星处理节点模型、地面站节点模型和数据仿真模型。

优选地，仿真模型库包括如下模块但不限于：

1）卫星处理节点模型。包括了星地载荷模块、星间载荷模型、综合任务处理单元，等。卫星处理节点模型的接口应当遵循工程的接口控制文件定义、并且具备真实工程卫星系统的处理流程、可以输出并存储内部的关键数据信息便于评估分析、内部的自主导航算法模块能够灵活的加载与配置；

2）地面站节点模型。主要生成自主导航试验所需要的星历参数、星钟参数、群延迟参数、长期预报星历参数、自主导航业务参数等，并上注给卫星处理节点模型；

3）数学仿真模型。主要仿真生成与观测数据有关的各类数据，包括卫星轨道与钟差数据、星间观测数据、地面观测数据等。

具体地，仿真调度运行模块2主要获取试验想定，调用相关模型和数据，驱动系统按照相关时序运行，仿真模拟导航系统自主导航运行全过程，并且完成数据的存储。

优选地，仿真调度运行模块包括如下模块但不限于：

1）任务规划与调度引擎（图未示）。主要包括：星间链路规划映射、自主导航试验映射，等。

2）时间引擎（图未示）。主要完成仿真过程中的时间推进，能够以自主导航试验所需的最小时间颗粒度进行仿真调度。

3）运行引擎（图未示）。主要完成仿真的运行调度，统一调度各种事件运行。

具体地，场景配置模块3主要根据自主导航试验规划任务脚本、系统仿真模式及流程开发脚本、运行场景开发脚本映射为仿真运行调度引擎的启停、各类模型参数或属性中，并进行初始运行的加载。

具体地，监控与显示模块4显示仿真场景配置、控制仿真的运行状态、态势信息、自主导航试验数据的分析结果等。

优选地，监控与显示模块包括如下模块但不限于：

1）仿真场景配置。按照试验任务的目标，配置卫星星座属性、地面站属性、仿真时长、自主导航试验数据来源，等；

2）态势显示。可以显示仿真运行的进度、仿真过程中的关键日志信息，等；

3）运行状态显示。显示卫星的运行轨迹、地面站的位置、星间链路的实时建链关系、星地实时建链关系，等；

4）分析评估结果。显示当前试验配置下的自主导航评估结果，包括：仿真卫星的星历URE、仿真卫星的钟差、自主导航算法星历卡尔曼滤波有效链路条数和自主导航算法星钟卡尔曼滤波有效链路条数。

具体地，性能评估模块5主要在仿真结束之后，读取仿真平台已经存储的试验数据，进行试验评估，主要评估指标包括：仿真卫星的星历URE、仿真卫星的钟差、自主导航算法星历卡尔曼滤波有效链路条数和自主导航算法星钟卡尔曼滤波有效链路条数，等。

具体地，在轨工程数据库6主要存储工程在轨的星间测量数据，根据评估场景的配置，可以导入平台中，作为自主导航试验过程中的星间测量数据的来源。

具体地，星间链路用表数据库7主要存储北斗卫星之间星间链路的建链关系，与星间测量数据配对使用，支撑仿真运行。

综上,本发明具有以下优点：1）卫星处理节点模型具备真实工程卫星系统的自主导航业务处理流程，并且模型的对外接口定义与工程的接口控制文件定义相一致，模拟了测量数据在量化传输过程中的误差，最大程度的复现了北斗工程系统的现有状态，进而保证了本仿真系统的自主导航试验结果的可信性，能够用于北斗工程系统自主导航算法的试验验证及优化；2）本仿真系统除了复现北斗工程系统的状态之外，还具有灵活扩展的能力，卫星处理节点模型具备输出并存储内部的关键数据信息的能力，以便于数据的分析，为自主导航算法的评估和算法迭代优化提供了强大的手段。

需要注意的是，本发明可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，本发明的各个装置可采用专用集成电路（ASIC）或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本发明的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本发明的软件程序（包括相关的数据结构）可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本发明的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (9)

1.一种北斗卫星自主导航平行仿真模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建贴近工程系统实际状态的仿真模拟系统；

S2、获取两种模式的星间链路数据来源, 一种模式为数学仿真得到的模拟星间测量数据，另一种模式为外部离线加载的真实工程在轨卫星的星间测量数据；

S3、进行自主导航试验,具体步骤为:

S301、进行仿真场景配置；

S302、加载对应星间链路用表，用于指明卫星模型之间的连接关系；

S303、加载自主导航试验所需要初始数据；

S304、启动仿真，按照两种星间链路数据的来源进行两种数据驱动试验；

S305、仿真结束，进行数据分析评估。

2.根据权利要求1所述的北斗卫星自主导航平行仿真模拟方法,其特征在于：所述步骤S1中仿真模拟系统中各个卫星系统模型的接口应当遵循工程的接口控制文件定义、并且具备真实工程卫星系统的处理流程、可以输出并存储内部的关键数据信息便于评估分析、内部的自主导航算法模块能够灵活的加载与配置。

3.根据权利要求2所述的北斗卫星自主导航平行仿真模拟方法,其特征在于：所述步骤S301中仿真场景配置的配置参数包括星座属性、数学仿真属性、仿真起始时刻、仿真时长和星间测量数据来源途径。

4.一种北斗卫星自主导航平行仿真模拟系统，其特征在于，包括：

仿真调度运行模块，用于获取试验想定，调用相关模型和数据，驱动系统按照相关时序运行，仿真模拟导航系统自主导航运行全过程，并且完成数据的存储；

仿真模型库，用于建模自主导航试验相关的各种分系统模型；

场景配置模块，用于根据自主导航试验规划任务脚本、系统仿真模式及流程开发脚本、运行场景开发脚本映射为仿真运行调度引擎的启停、各类模型参数或属性中，并进行初始运行的加载；

监控与显示模块，用于显示仿真场景配置、控制仿真的运行状态、态势信息、自主导航试验数据的分析结果；

性能评估模块，用于在仿真结束之后，读取仿真平台已经存储的试验数据，进行试验评估；

在轨工程数据库，用于存储工程在轨的星间测量数据，作为自主导航试验过程中的星间测量数据的来源；

星间链路用表数据库，用于存储北斗卫星之间星间链路的建链关系，与星间测量数据配对使用，支撑仿真运行。

5.根据权利要求4所述的北斗卫星自主导航平行仿真模拟系统,其特征在于：所述分系统模型包括卫星处理节点模型、地面站节点模型和数学仿真模型。

6.根据权利要求5所述的北斗卫星自主导航平行仿真模拟系统,其特征在于：所述卫星处理节点模型遵循工程的接口控制文件定义、并且具备真实工程卫星系统的处理流程、可以输出并存储内部的关键数据信息便于评估分析、内部的自主导航算法模块能够灵活的加载与配置。

7.根据权利要求5所述的北斗卫星自主导航平行仿真模拟系统,其特征在于：所述地面站节点模型用于生成自主导航试验所需要的星历参数、星钟参数、群延迟参数、长期预报星历参数、自主导航业务参数等，并上注给卫星处理节点模型。

8.根据权利要求5所述的北斗卫星自主导航平行仿真模拟系统，其特征在于：所述数学仿真模型用于仿真生成与观测数据有关的各类数据。

9.根据权利要求4所述的北斗卫星自主导航平行仿真模拟系统，其特征在于：所述试验评估的评估指标包括：仿真卫星的星历URE、仿真卫星的钟差、自主导航算法星历卡尔曼滤波有效链路条数和自主导航算法星钟卡尔曼滤波有效链路条数。

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