CN111291503A - 一种卫星导航系统模型集成系统及其建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星导航系统模型集成系统及其建立方法，方法包括以下步骤：依据不同试验任务想定来确定仿真模型开发与集成规范；建立不同的仿真模型组件；建立针对卫星导航系统接口控制文件的工具库；建立仿真模型组合工具；通过SMP2组合模型规范将模型组合形成不同的试验分析应用。系统包括想定试验配置单元、导航系统ICD接口工具单元、仿真模型组件库单元、仿真模型组合工具单元、分布式共享数据管理单元和分布式计算节点单元。本发明实现了仿真模型与实际工程系统的接口的统一，保证了不同来源的仿真模型的对外状态的一致性，降低了专业领域模型与仿真调度引擎的耦合性、大大提升了平台的鲁棒性和研制效率。

Description

一种卫星导航系统模型集成系统及其建立方法

技术领域

本发明涉及卫星导航仿真技术领域，尤其涉及一种卫星导航系统模型集成系统及其建立方法。

背景技术

当前，全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)已经被应用于国计民生的各个方面，与此同时GNSS也在不断的升级换代中。例如，我国的北斗三号导航系统与2020年6月完成全球组网，与前两代北斗导航卫星相比，最新的北斗三号导航系统采用了星间链路、全球短报文、自主导航等新技术。北斗导航系统的互联关系更加的复杂。所以需要在地面建立GNSS的仿真验证系统，进行关键技术验证、卫星状态确认等工作，进而降低工程建设的风险。目前采用软件仿真的验证方法是最为高效和灵活的方式。全球卫星导航系统涉及不同子系统间的通信和数据处理，是卫星导航、通信和电子技术等多领域的集成，需要以导航工程原理为基础，结合通信仿真技术，提出面向全球系统导航仿真试验的软件建模架构。

经过现有技术的检索，中国发明专利（申请公布号：CN 1890639 A），发明名称为基于接口标准模型的卫星仿真建模系统，其主要目的是建立卫星仿真系统，用于使用模型管理单元将每个卫星子系统和接口建模成独立的对象，根据接口标准模型转换从飞行软件模块和卫星子系统标准模型发送的指令数据，并将转换后的数据发送到相应的单元。

但是，中国发明专利（申请公布号：CN 1890639 A），发明名称为基于接口标准模型的卫星仿真建模系统，只给出一种通用的卫星接口的仿真方法，并不能直接用于含有地面段、用户段、空间段的复杂卫星导航系统建模仿真中。

中国发明专利（申请公布号：CN 110687825 A），发明名称为卫星单机仿真系统及方法，其主要目的是解决卫星单机的仿真验证问题。本发明通过建立卫星单机仿真系统与星上软件、动力分系统和能源分系统连接，进行卫星单机的验证。

但是，中国发明专利（申请公布号：CN 110687825 A），发明名称为卫星单机仿真系统及方法，还是一种贴近真实工程状态的半实物仿真方法，提供了单机验证的灵活性，但是并未给出卫星单机的纯软件建模方法。

中国发明专利（申请公布号：CN 107423508 A），发明名称为卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型的建立方法，其主要目的是解决卫星导航系统的测试评估数学模型的建立问题。本发明通过将卫星导航系统的四个阶段的需求来形成测试和评估方法，再对卫星实体进行抽象，形成仿真模型，最后进行自闭环验证。

但是，中国发明专利（申请公布号：CN 107423508 A），发明名称为卫星导航系统试验验证与测试评估数学模型的建立方法，仅仅给出了卫星导航系统物理实体的建模方法，并没有考虑卫星导航系统众多的仿真模型如何高效集成在仿真平台上的问题，缺乏对卫星导航系统仿真模型的开发与建模规范方面的考虑。

总结起来，目前卫星导航系统建模方法要么是单机层面的建模方法，缺乏对完整分系统的建模；要么是对导航系统单个分系统的建模方法，缺乏对导航系统种类繁多的仿真模型的统一的开发与建模规范方面的考虑。所以，为了采用软件建模的方式验证卫星导航系统，亟需建立卫星导航系统建模方法和集成框架，约束模型的开发和集成，使得卫星导航系统不同的模型、算法、模块、软件能够符合统一的模型集成标准。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种卫星导航系统模型集成系统及其建立方法，实现了仿真模型与实际工程系统的接口的统一，保证了不同来源的仿真模型的对外状态的一致性，降低了专业领域模型与仿真调度引擎的耦合性、大大提升了平台的鲁棒性和研制效率。

根据本发明的一种实施例，一种卫星导航系统模型集成系统建立方法，包括以下步骤：

S1：依据不同试验任务想定来确定仿真模型开发与集成规范，即依据试验任务的目标，制定模型开发与集成的规范，使得不同来源的模型满足统一的接口调用规则；

S2：在试验任务想定配置工具的支持下，建立不同的仿真模型组件。其中，仿真模型组件为建模卫星导航系统对应的各种分系统模型，各个分系统模型具备真实工程系统的处理流程，并且遵循欧洲航天局的仿真模型可移植性标准（Simulation Model PortabilityStandards 2，SMP2）规范；

S3：建立针对卫星导航系统接口控制文件的工具库；

S4：建立仿真模型组合工具，使不同的分系统模型可以通过端口接收、发送和处理由仿真平台接口自动生成的信息对象，避免模型重复开发数据组解帧的功能，实现步骤S2中的分系统模型和步骤S3中的工具库作为一个整体被仿真平台所调用；

S5：所述SMP2组合模型规范将调用仿真模型组合工具组成试验所需的组合仿真模型，并且结合公共功能模型，进而对仿真引擎提供模型服务。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S1中，仿真模型开发与集成规范是由试验任务驱动的，具体包括如下步骤：

S101：确定标准的模型开发规范使得开发的模型软件能够符合模型集成标准；

S102：为能将模型组合起来形成不同的分析应用，将模型约束在模型框架下，并满足模型组合规范；

S103：模型开发必须通过模型测试才能进行组合形成仿真应用；

S104：模型经过测试验证后存储到模型库中作为模型组件支持试验想定配置和仿真计算试验。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S2中，仿真模型组件的开发应当尽可能的复现真实工程系统的状态，为了满足上述要求，所述仿真模型组件需满足：

所述分系统模型具备真实工程系统的处理流程；所述分系统模型具有灵活性，与工程系统相比，可以输出并存储内部的关键数据信息，关键数据信息包括算法执行状态、缓存占用状态、流程进度等信息；分系统模型的关键参数可以通过仿真平台进行配置；分系统模型遵循SMP2接口规范。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S3中，所述卫星导航系统接口控制文件的工具库主要实现导航系统的接口控制文件所定义的接口数据的组帧、解帧、数据的拼装和拆分等工作，作为公共的模块被各种仿真模型组件调用。其中所述的接口控制文件包括：空间段与地面段的上下行接口控制文件、空间段与用户段的上下行接口控制文件、空间段与空间段的星间数据收发接口控制文件，等。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S4中，所述仿真模型组合工具基于SMP2设计开发，采用基于组件设计（Component-based Design, CBD）的概念，支持将各个可以重用的仿真模型组件按照试验任务进行组装，具体包括如下步骤：

S401：将不同仿真模型组件（卫星模型、监测站模型、主控站模型、注入站模型、用户模型等）与对应的卫星导航系统接口控制文件的工具库进行组合形成不同的组合仿真模型；

S402：基本仿真模型组件和组合仿真模型中进一步组合用于发送和接收信息的端口对象。进而，不同的模型可以通过端口接收、发送和处理由仿真平台接口自动生成的信息对象；

S403：由信道模型对端口间传递的信息对象进行计算处理，进而模拟仿真节点之间的测量误差。

作为本发明的进一步改进，不同仿真模型组件和信道模型的特性参数通过模型参数管理功能在模型组合时进行配置。

根据本发明的一种实施例，一种卫星导航系统模型集成系统，包括：想定试验配置单元、导航系统ICD接口工具单元、仿真模型组件库单元、仿真模型组合工具单元、分布式共享数据管理单元和分布式计算节点单元；

想定试验配置单元，所述想定试验配置单元与分布式共享数据管理单元相连以用于对试验进行配置；

导航系统ICD接口工具单元，所述导航系统ICD接口工具单元与分布式计算节点单元相连以用于为各种仿真模型组件提供统一的接口控制文件类服务；

所述仿真模型组件库单元与分布式计算节点单元相连以用于提供建模工程对应的各种分系统仿真模型；

所述仿真模型组合工具单元与分布式计算节点单元相连以用于提供仿真模型组件组合所需要的各种端口对象和组合工具；

所述分布式共享数据管理单元与分布式计算节点单元相连以用于作为各个分布式计算节点之间的桥梁，实现数据的共享；

所述分布式计算节点单元用于通过SMP2组合模型规范将模型组合形成不同的试验分析应用，并且结合公共功能模型对仿真引擎提供模型服务。

作为本发明的进一步改进，所述仿真模型组件库单元包括卫星模型组件、运控系统模型组件、测控系统组件、星间链路运行管理系统组件和用户模型组件。

作为本发明的进一步改进，所述分布式共享数据管理单元包括试验任务配置信息处理及转发单元和模型状态和交互事件处理单元。

作为本发明的进一步改进，所述分布式计算节点单元包括公共模型、领域计算模型、数据记录模型、SMP2组合模型、共享状态和仿真服务和节点运行服务。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1）提供了公共的卫星导航系统接口控制文件的工具库，可以被各种分系统模型调用，进而实现了仿真模型与实际工程系统的接口一致性；2）制定了仿真模型开发规范，保证了不同来源的仿真模型的对外状态的一致性，方便模型在仿真平台中的整合；3）提出了多层次的组合模型，实现了仿真模型组件与端口对象共同形成仿真模型的思路，并且加入了信道模型对端口间传递的信息对象进行计算处理，最终实现了针对卫星导航系统的信道误差的仿真，提升了软件仿真与实际现实情况的匹配度；4）提出了统一的模型集成规范和框架，保证了仿真模型和仿真引擎之间的接口是满足SMP2规范的，进而实现仿真模型的变化不会影响仿真引擎对模型的调用方式，降低了专业领域模型与仿真调度引擎的耦合性、大大提升了平台的鲁棒性和研制效率。

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卫星导航系统模型集成系统建立方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中一种卫星导航系统模型集成系统的结构示意图；

图3为本发明实施例中一种卫星导航系统仿真模型集成概念的框架结构示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明实施例的一种卫星导航系统模型集成系统建立方法，包括以下步骤

S1、依据不同试验任务想定来确定仿真模型开发与集成规范。

具体地，仿真模型开发与集成规范包括：

1）确定标准的模型开发规范，使得开发的模型软件能够符合模型集成标准；

2）为能将模型组合起来形成不同的分析应用，需要这些模型必须在模型框架的约束下，并满足一定的模型组合规范；

3）模型开发必须通过模型测试才能具备进行组合形成仿真应用的条件；

4）模型经过测试验证后可以存储到模型库中作为模型组件支持试验想定配置和仿真计算试验。

S2、在试验任务想定配置工具的支持下，建立不同的仿真模型组件。

具体地，仿真模型组件包括：

1）包括卫星导航系统的各个分系统的组件，包括：卫星模型组件、运控系统模型组件、测控系统组件、星间链路运行管理系统组件、用户模型组件，等；

2）各个分系统模型具备真实工程系统的处理流程；

3）所述分系统模型具有灵活性，与工程系统相比，可以输出并存储内部的关键数据信息，包括，算法执行状态、缓存占用状态、流程进度等信息；

4）分系统模型的关键参数可以通过仿真平台进行配置；

5）遵循欧洲航天局的仿真模型可移植性标准SMP2规范。

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，任何根据所述的可移植性原则而使用的移植方法均应包含在本发明的范围内。

S3、建立针对卫星导航系统接口控制文件的工具库。

具体地，接口控制文件的工具库包括：

1）实现导航系统的接口控制文件所定义的接口数据的组帧、解帧、数据的拼装和拆分等功能；

2）各种接口控制文件：空间段与地面段的上下行接口控制文件、空间段与用户段的上下行接口控制文件、空间段与空间段的星间数据收发接口控制文件，等。

S4、建立仿真模型组合工具，使不同的分系统模型可以通过端口接收、发送和处理由仿真平台接口自动生成的信息对象，避免模型重复开发数据组解帧的功能，实现步骤S2中的分系统模型和步骤S3中的工具库作为一个整体被仿真平台所调用。

具体地，仿真模型组合工具包括：

1）通过将不同仿真模型组件（卫星模型、监测站模型、主控站模型、注入站模型、用户模型等）与对应的卫星导航系统接口控制文件的工具库进行组合形成不同的组合仿真模型；

2）基本仿真模型组件和组合仿真模型中进一步组合用于发送和接收信息的端口对象。进而，不同的模型可以通过端口接收、发送和处理由仿真平台接口自动生成的信息对象；

3）由信道模型对端口间传递的信息对象进行计算处理，进而模拟仿真节点之间的测量误差；

4）不同仿真模型组件和信道模型的特性参数可以通过模型参数管理功能在模型组合时进行配置。

S5、通过SMP2组合模型规范将模型组合形成不同的试验分析应用,并且结合公共功能模型，进而对仿真引擎提供模型服务。

如图2所示为本发明实施例中一种卫星导航系统模型集成系统，包括想定试验配置单元1、导航系统ICD接口工具单元2、仿真模型组件库单元3、仿真模型组合工具单元4、分布式共享数据管理单元5和分布式计算节点单元6。

具体地，想定试验配置单元1主要实现对试验的配置，为后续仿真模型组合工具组合哪些仿真模型组件提供依据。

优选地，所述想定试验配置单元包括：

1）测量类业务试验配置（图未示），主要开展信号层面的试验配置，主要包括：定位授时、精密定位、自主导航、星星地联合定轨等；

2）数据传输类业务试验配置（图未示），主要开展信息层面的试验配置，主要包括：运控上注、遥测回传、全球短报文等。

具体地，导航系统ICD接口工具单元2主要为各种仿真模型组件提供统一的接口控制文件类服务。

优选地，所述导航系统ICD接口工具单元包括：

1）数据组帧模块（图未示）、数据解帧模块（图未示）、数据拼装模块（图未示）和数据拆分模块（图未示）；

2）接口控制文件数据库（图未示），统一提供各种数据的定义，包括：空间段与地面段的上下行接口控制文件、空间段与用户段的上下行接口控制文件、空间段与空间段的星间数据收发接口控制文件，等。

具体地，仿真模型组件库单元3用于提供建模工程对应的各种分系统仿真模型。

优选地，所述仿真模型组件库单元包括：卫星模型组件（图未示）、运控系统模型组件（图未示）、测控系统组件（图未示）、星间链路运行管理系统组件（图未示）和用户模型组件（图未示）。

具体地，仿真模型组合工具单元4用于提供仿真模型组件组合所需要的各种端口对象和组合工具等。

优选地，所述仿真模型组合工具单元包括：

1）仿真模型组件与对应的卫星导航系统接口控制文件的工具库组合工具；

2）基本仿真模型组件和组合仿真模型中进一步组合用于发送和接收信息的端口对象。

具体地，分布式共享数据管理单元5主要作为各个分布式计算节点之间的桥梁，实现数据的共享。

优选地，所述分布式共享数据管理单元包括：试验任务配置信息处理及转发单元（图未示）和模型状态和交互事件处理单元（图未示）。

具体地，分布式计算节点单元6主要实现SMP2组合模型规范将模型组合形成不同的试验分析应用。并且结合公共功能模型，进而对仿真引擎提供模型服务。

优选地，所述分布式计算节点单元包括：

1）公共模型，主要实现仿真中公共的功能，例如，坐标系的转换、时间的转换，等；

2）领域计算模型，主要实现误差等的计算；

3）数据记录模型，主要实现在仿真过程中的，仿真模型生成的日志文件和关键数据的记录；

4）SMP组合模型，主要包含了满足SMP2协议规范的通用模型；

5）共享状态和仿真服务，主要是和仿真引擎协同工作，完成仿真；

6）节点运行服务，主要是接收到来自于分布式共享数据管理单元的控制指令，启动仿真。

如图3所示，为本发明实施例中一种卫星导航系统仿真模型集成概念的框架结构示意图。根据本实施例，所有仿真模型组件都需要组合上用于发送和接收信息的端口对象，才能实现模型之间的数据收发，并且可以在彼此收发的数据上模拟仿真节点之间的测量误差。基本模型7用于运动轨迹、信息生成、信息接收处理和信息分发。基本模型7之间通过输出端口71发送数据，输入端口72接收数据，并且通过信道73进行信息的误差测量和信息的延迟计算，

现有技术中，卫星导航系统建模方法要么是单机层面的建模方法，缺乏对完整分系统的建模；要么是对导航系统单个分系统的建模方法，缺乏对导航系统种类繁多的仿真模型的统一的开发与建模规范方面的考虑。根据本实施例的方案，建立了公共的卫星导航系统接口控制文件的工具库，可以被各种分系统模型调用，进而实现了仿真模型与实际工程系统的接口一致性；制定了仿真模型开发规范，保证了不同来源的仿真模型的对外状态的一致性，方便模型在仿真平台中的整合操作；提出了多层次的组合模型，实现了仿真模型组件与端口对象共同形成仿真模型的思路，并且加入了信道模型对端口间传递的信息对象进行计算处理，最终实现了针对卫星导航系统的信道误差的仿真，提升了软件仿真与实际现实情况的匹配度；提出了统一的模型集成规范和框架，保证了仿真模型和仿真引擎之间的接口是满足SMP2规范的，进而实现仿真模型的变化不会影响仿真引擎对模型的调用方式，降低了专业领域模型与仿真调度引擎的耦合性、大大提升了平台的鲁棒性和研制效率。

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)

1.一种卫星导航系统模型集成系统的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、依据不同试验任务想定来确定仿真模型开发与集成规范，使各厂家的模型满足统一的接口调用规则；

S2、在试验任务想定配置工具的支持下，建立不同的仿真模型组件，仿真模型组件为建模卫星导航系统对应的各种分系统模型，分系统模型具备真实工程系统的处理流程；

S3、建立针对卫星导航系统接口控制文件的工具库，供不同分系统模型调用，避免各个模型重复开发数据组解帧的功能；

S4、建立仿真模型组合工具，使不同的分系统模型可以通过端口接收、发送和处理由仿真平台接口自动生成的信息对象，避免模型重复开发数据组解帧的功能，实现步骤S2中的分系统模型和步骤S3中的工具库作为一个整体被仿真平台所调用；

S5、通过SMP2组合模型规范调用仿真模型组合工具组成试验所需的组合仿真模型，并且结合公共功能模型，进而对仿真引擎提供模型服务。

2.根据权利要求1所述的卫星导航系统模型集成系统的建立方法,其特征在于：所述步骤S1中，仿真模型开发与集成规范具体包括：

S101、确定标准的模型开发规范使得开发的模型软件能够符合模型集成标准；

S102、将模型约束在模型框架下，并满足模型组合规范，以用于将模型组合起来形成不同的分析应用；

S103、模型开发通过模型测试后才能进行组合形成仿真应用；

S104、模型经过测试验证后存储到模型库中作为模型组件支持试验想定配置和仿真计算试验。

3.根据权利要求1所述的卫星导航系统模型集成系统的建立方法，其特征在于：所述步骤S2中分系统模型具有灵活性，与工程系统相比，可以输出并存储内部的关键数据信息，分系统模型的关键参数可以通过仿真平台进行配置；所述分系统模型遵循SMP2接口规范。

4.根据权利要求1所述的卫星导航系统模型集成系统的建立方法，其特征在于：所述步骤S3中接口控制文件包括：空间段与地面段的上下行接口控制文件、空间段与用户段的上下行接口控制文件、空间段与空间段的星间数据收发接口控制文件。

5.根据权利要求1所述的卫星导航系统模型集成系统的建立方法，其特征在于：所述步骤S4中建立仿真模型组合工具的具体步骤为

S401、将不同仿真模型组件与对应的卫星导航系统接口控制文件的工具库进行组合形成不同的组合仿真模型；

S402、将基本仿真模型组件和组合仿真模型中进一步组合用于发送和接收信息的端口对象；不同的模型可以通过端口接收、发送和处理由仿真平台接口自动生成的信息对象；

S403、由信道模型对端口间传递的信息对象进行计算处理，模拟仿真节点之间的测量误差；

S404、不同仿真模型组件和信道模型的特性参数通过模型参数管理功能在模型组合时进行配置。

6.一种卫星导航系统模型集成系统，其特征在于，包括：想定试验配置单元、导航系统ICD接口工具单元、仿真模型组件库单元、仿真模型组合工具单元、分布式共享数据管理单元和分布式计算节点单元；

所述想定试验配置单元与分布式共享数据管理单元相连以用于对试验进行配置；

导航系统ICD接口工具单元，所述导航系统ICD接口工具单元与分布式计算节点单元相连以用于为各种仿真模型组件提供统一的接口控制文件类服务；

所述仿真模型组件库单元与分布式计算节点单元相连以用于提供建模工程对应的各种分系统仿真模型；

所述仿真模型组合工具单元与分布式计算节点单元相连以用于提供仿真模型组件组合所需要的各种端口对象和组合工具；

所述分布式共享数据管理单元与分布式计算节点单元相连以用于作为各个分布式计算节点之间的桥梁，实现数据的共享；

所述分布式计算节点单元用于通过SMP2组合模型规范将模型组合形成不同的试验分析应用，并且结合公共功能模型对仿真引擎提供模型服务。

7.根据权利要求6所述的卫星导航系统模型集成系统，其特征在于：所述仿真模型组件库单元包括卫星模型组件、运控系统模型组件、测控系统组件、星间链路运行管理系统组件和用户模型组件。

8.根据权利要求6所述的卫星导航系统模型集成系统，其特征在于：所述分布式共享数据管理单元包括试验任务配置信息处理及转发单元和模型状态和交互事件处理单元。

9.根据权利要求6所述的卫星导航系统模型集成系统，其特征在于：所述分布式计算节点单元包括公共模型、领域计算模型、数据记录模型、SMP2组合模型、共享状态和仿真服务和节点运行服务。

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