CN111427067B - 一种基于高轨导航兼容机半物理测试系统及方法 - Google Patents

一种基于高轨导航兼容机半物理测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于高轨导航兼容机半物理测试系统及方法，属于空间技术领域。本发明提出一种真实GNSS天线+GNSS模拟器结合的半物理测试方法，解决高轨导航兼容机在半物理测试中高轨弱信号无法逼真模拟的问题；同时采用通过反射内存网络握手方式实现动力学上位机与GNSS模拟器的同步触发，解决了系统级半物理测试时将高轨导航兼容机测量数据无法实时接入控制闭环的问题。

Description

一种基于高轨导航兼容机半物理测试系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于高轨导航兼容机半物理测试系统及方法，具体在卫星平台半物理仿真条件下的高轨导航兼容机的系统级测试方法。
背景技术
在常规卫星平台上导航兼容机主要提供校时功能和辅助地面测定轨功能，只需要输出准确的时间信息和导航星原始测量数据即可。其测试方法通常采用室外实收天线通过频率转发器将GPS、GLONASS及BD信号引入导航兼容机，利用导航兼容机的校时功能和星地数传链路将时间信息及原始测量数据下传地面，辅助完成校时和地面测定轨功能。由于导航星分布大多部署于中高轨道且发射天线指向地球，对于高轨卫星平台导航兼容机只能接收掩星弱信号，且卫星平台自主轨道测量及控制功能需要将导航兼容机的定位定轨功能引入控制系统闭环。
GNSS模拟器可以模拟导航星座的射频信号，常规低轨卫星平台采用GNSS模拟器离线轨迹驱动的方式进行系统半物理测试，将GNSS天线视为全向天线，即所有模拟器产生的导航星信号均引入导航兼容机解算，对于高轨卫星的GNSS天线截止角很小，大部分模拟器产生的导航星信号均在高轨GNSS天线处剔除，因而若将其视为全向天线会导致测试结果严重失真；另外离线驱动由于时间不同步会导致每秒几千米的导航误差，无法实现精确的轨道测量与控制。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于高轨导航兼容机半物理测试系统及方法，将高轨导航兼容机的测量数据实时接入控制系统闭环测试，同时保证了射频仿真环境的高度逼真。
本发明的技术解决方案是：一种基于高轨导航兼容机半物理测试系统，包括GNSS模拟器、可调衰减器、地面发射天线、动力学上位机、远程控制计算机、高轨导航兼容机、星载控制计算机和数据库；
GNSS模拟器，接收动力学上位机发送的初始化数据，进行初始化配置和灵敏度标定后启动，并在初始化完成后将初始化完成状态发送至远程控制计算机；接收动力学上位机发送的数据，并将数据转换为射频信号后通过可调衰减器和地面发射天线输出至高轨导航兼容机的GNSS天线，高轨导航兼容机对接收的射频信号滤波、变频和解算后得到测量数据，并将测量数据实时发送至星载控制计算机，星载控制计算机生成控制量发送至动力学上位机，形成闭环控制；
远程控制计算机，接收初始化完成状态后，与动力学上位机配合完成握手协议，并向其发送同步启动信号；
动力学上位机，接收同步启动信号后启动动力学仿真；接收星载控制计算机发送的控制量，进行控制量的解算，并将解算出的数据发送至GNSS模拟器；同时将闭环控制的数据发送至数据库；
显示终端计算机，用于从数据库中提取闭环控制数据，供用户进行读取。
进一步地，所述远程控制计算机通过反射内存接口与动力学上位机完成握手协议，动力学上位机的反射内存网络读取到同步启动信号后启动，实现与GNSS模拟器的同步触发。
进一步地，所述GNSS模拟器将自身的时钟信息发送至动力学上位机；所述动力学上位机接收GNSS模拟器的时钟信息，根据接收的时钟信息调整自身时间，实现与GNSS模拟器的时钟同步。
进一步地，所述动力学上位机设有时间阈值；当动力学上位机的时间与接收的GNSS模拟器的时间的差值超出时间阈值时，对动力学上位机的时间进行校准，同时将数据递推到校准后的时间点继续输出。
进一步地，进行初始化配置的方法为：选星策略设置为功率优先，星座可见性设置为地球切线5°仰角以上可见。
进一步地，进行灵敏度标定的方法为：先将可调衰减器置零，使用频谱仪标定空衰时GNSS模拟器输出的射频信号强度，再根据高轨导航兼容机的灵敏度指标计算链路衰减值，通过调节衰减器使输出射频信号强度优于指标1～2dB。
进一步地，根据所述的一种基于高轨导航兼容机半物理测试系统实现的基于高轨导航兼容机半物理测试方法，包括如下步骤：
GNSS模拟器接收动力学上位机发送的初始化数据，进行初始化配置和灵敏度标定后启动，并在初始化完成后将初始化完成状态发送至远程控制计算机；
远程控制计算机，接收初始化完成状态后，与动力学上位机配合完成握手协议，并向其发送同步启动信号；
动力学上位机接收同步启动信号后启动动力学仿真；
GNSS模拟器接收动力学上位机发送的数据，并将数据转换为射频信号后通过可调衰减器和地面发射天线输出至高轨导航兼容机的GNSS天线，高轨导航兼容机对接收的射频信号滤波、变频和解算后得到测量数据，并将测量数据实时发送至星载控制计算机，星载控制计算机生成控制量发送至动力学上位机，形成闭环控制；
接收星载控制计算机发送的控制策略，进行控制量的解算，并将解算出的数据发送至GNSS模拟器；同时将闭环控制的数据发送至数据库；
显示终端计算机从数据库中提取闭环控制数据，供用户进行读取。
进一步地，所述GNSS模拟器将自身的时钟信息发送至动力学上位机；所述动力学上位机接收GNSS模拟器的时钟信息，根据接收的时钟信息调整自身时间，实现与GNSS模拟器的时钟同步；
所述动力学上位机设有时间阈值；当动力学上位机的时间与接收的GNSS模拟器的时间的差值超出时间阈值时，对动力学上位机的时间进行校准，同时将数据递推到校准后的时间点继续输出。
进一步地，进行初始化配置的方法为：选星策略设置为功率优先，星座可见性设置为地球切线5°仰角以上可见；
进行灵敏度标定的方法为：先将可调衰减器置零，使用频谱仪标定空衰时GNSS模拟器输出的射频信号强度，再根据高轨导航兼容机的灵敏度指标计算链路衰减值，通过调节衰减器使输出射频信号强度优于指标1～2dB。
进一步地，所述远程控制计算机与动力学上位机完成握手协议的方法为：通过反射内存接口与动力学上位机完成握手协议，动力学上位机的反射内存网络读取到同步启动信号后启动，实现与GNSS模拟器的同步触发。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明实现了在半物理测试中将高轨导航兼容机的实测值引入控制闭环，验证控制方案的正确性；
(2)本发明实现了与动力学上位机同步触发运行解决了由于时钟不同步而产生较大导航误差的问题；
(3)本发明同时接收天线采用真实GNSS天线实现了高轨环境下弱信号模拟，半物理仿真条件能够比较真实得体现实际在轨运行情况，充分验证了控制系统的轨道控制精度。
附图说明
图1为本发明系统原理示意图。
具体实施方式
如图1，一种基于高轨导航兼容机半物理测试系统，包括GNSS模拟器、可调衰减器、地面发射天线、动力学上位机、远程控制计算机、高轨导航兼容机、星载控制计算机和数据库；
GNSS模拟器，接收动力学上位机发送的初始化数据，进行初始化配置和灵敏度标定后启动，并在初始化完成后将初始化完成状态发送至远程控制计算机；接收动力学上位机发送的数据，并将数据转换为射频信号后通过可调衰减器和地面发射天线输出至高轨导航兼容机的GNSS天线，高轨导航兼容机对接收的射频信号滤波、变频和解算后得到测量数据，并将测量数据实时发送至星载控制计算机，星载控制计算机生成控制量发送至动力学上位机，形成闭环控制；
远程控制计算机，接收初始化完成状态后，与动力学上位机配合完成握手协议，并向其发送同步启动信号；
动力学上位机，接收同步启动信号后启动动力学仿真；接收星载控制计算机发送的控制量，进行控制量的解算，并将解算出的数据发送至GNSS模拟器；同时将闭环控制的数据发送至数据库；
显示终端计算机，用于从数据库中提取闭环控制数据，供用户进行读取。
具体的，本发明主要解决高轨导航兼容机在半物理测试中高轨弱信号无法逼真模拟的问题以及系统级半物理测试时将高轨导航兼容机测量数据无法实时接入控制闭环的问题。其具体实施方法如下所示：
步骤一：按系统连接图1方式完成测试系统建立；其中地面发射天线口与GNSS天线口正对安放，距离不超过0.5m，在可调衰减器空衰情况下用频谱仪标定模拟器输出信号强度，利用空间衰减公式计算衰减量如下式：
Figure BDA0002400120090000051
其中，G为衰减器衰减量
P为高轨导航兼容机灵敏度指标；
G0为衰减器空衰时标定的模拟器输出强度；
GL为射频电缆线路损耗；
λ为载波波长，以GPS为例为0.19m；
d为地面发射天线与GNSS天线口面之间的直线距离；
L为预留量，一般取1～2dB。
调节链路衰减量，并将GNSS模拟器初始化场景状态设置为高轨环境，即选星策略功率最优+星座可见性地球切线5°以上；
步骤二：动力学上位机虚启动，将初始化数据(含起始PTV及飞行器姿态相关数据)通过TCP/IP传送给GNSS模拟器，GNSS模拟器收到第一拍数据立即启动预热；
步骤三：GNSS模拟器预热完成后将初始化完成状态通过422接口传送给远程控制计算机，同时模拟器正常运行；远程控制计算机通过反射内存接口与动力学上位机完成握手协议，动力学上位机反射内存网络读取到同步启动信号后立即实启动，实现与GNSS模拟器的同步触发；
GNSS模拟器初始化完成状态定义在反射内存网络中固定地址，GNSS模拟器定时在此地址中写初始化状态，同时远程控制计算机和动力学上位机通过反射内存网络在此地址循环读取初始化状态，GNSS模拟器完成初始化后立即启动同时将完成标志写在此地址中，当远程控制计算机和动力学上位机读取到完成标志时立即实启动，实现与GNSS模拟器的同步触发；
步骤四：GNSS模拟器运行中定时将自身时钟信息通过422口传送给动力学上位机，通过时间差与阈值比对来实时修正动力学时间；
步骤五：半物理系统信息流中每个控制周期的动力学仿真数据通过TCP/IP传送给数据库，各显示终端访问数据库得到测试数据和曲线，以此评估高轨导航兼容机的半物理测试结果。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种基于高轨导航兼容机半物理测试系统，其特征在于：包括GNSS模拟器、可调衰减器、地面发射天线、动力学上位机、远程控制计算机、高轨导航兼容机、星载控制计算机和数据库；
GNSS模拟器，接收动力学上位机发送的初始化数据，进行初始化配置和灵敏度标定后启动，并在初始化完成后将初始化完成状态发送至远程控制计算机；接收动力学上位机发送的数据，并将数据转换为射频信号后通过可调衰减器和地面发射天线输出至高轨导航兼容机的GNSS天线，高轨导航兼容机对接收的射频信号滤波、变频和解算后得到测量数据，并将测量数据实时发送至星载控制计算机，星载控制计算机生成控制量发送至动力学上位机，形成闭环控制；
远程控制计算机，接收初始化完成状态后，与动力学上位机配合完成握手协议，并向其发送同步启动信号；
动力学上位机，接收同步启动信号后启动动力学仿真；接收星载控制计算机发送的控制量，进行控制量的解算，并将解算出的数据发送至GNSS模拟器；同时将闭环控制数据发送至数据库；
显示终端计算机，用于从数据库中提取闭环控制数据，供用户进行读取；
所述远程控制计算机通过反射内存接口与动力学上位机完成握手协议，动力学上位机的反射内存网络读取到同步启动信号后启动，实现与GNSS模拟器的同步触发；
所述GNSS模拟器将自身的时钟信息发送至动力学上位机；所述动力学上位机接收GNSS模拟器的时钟信息，根据接收的时钟信息调整自身时间，实现与GNSS模拟器的时钟同步。
2.根据权利要求1所述的一种基于高轨导航兼容机半物理测试系统，其特征在于：所述动力学上位机设有时间阈值；当动力学上位机的时间与接收的GNSS模拟器的时间的差值超出时间阈值时，对动力学上位机的时间进行校准，同时将解算出的数据递推到校准后的时间点继续输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于高轨导航兼容机半物理测试系统，其特征在于，进行初始化配置的方法为：选星策略设置为功率优先，星座可见性设置为地球切线5°仰角以上可见。
4.根据权利要求1所述的一种基于高轨导航兼容机半物理测试系统，其特征在于，进行灵敏度标定的方法为：先将可调衰减器置零，使用频谱仪标定空衰时GNSS模拟器输出的射频信号强度，再根据高轨导航兼容机的灵敏度指标计算链路衰减值，通过调节衰减器使输出射频信号强度优于指标1～2dB。
5.根据权利要求1所述的一种基于高轨导航兼容机半物理测试系统实现的基于高轨导航兼容机半物理测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
GNSS模拟器接收动力学上位机发送的初始化数据，进行初始化配置和灵敏度标定后启动，并在初始化完成后将初始化完成状态发送至远程控制计算机；
远程控制计算机，接收初始化完成状态后，与动力学上位机配合完成握手协议，并向其发送同步启动信号；
动力学上位机接收同步启动信号后启动动力学仿真；
GNSS模拟器接收动力学上位机发送的数据，并将数据转换为射频信号后通过可调衰减器和地面发射天线输出至高轨导航兼容机的GNSS天线，高轨导航兼容机对接收的射频信号滤波、变频和解算后得到测量数据，并将测量数据实时发送至星载控制计算机，星载控制计算机生成控制量发送至动力学上位机，形成闭环控制；
接收星载控制计算机发送的控制策略，进行控制量的解算，并将解算出的数据发送至GNSS模拟器；同时将闭环控制数据发送至数据库；
显示终端计算机从数据库中提取闭环控制数据，供用户进行读取；
所述GNSS模拟器将自身的时钟信息发送至动力学上位机；所述动力学上位机接收GNSS模拟器的时钟信息，根据接收的时钟信息调整自身时间，实现与GNSS模拟器的时钟同步；
所述动力学上位机设有时间阈值；当动力学上位机的时间与接收的GNSS模拟器的时间的差值超出时间阈值时，对动力学上位机的时间进行校准，同时将解算出的数据递推到校准后的时间点继续输出。
6.根据权利要求5所述的基于高轨导航兼容机半物理测试方法，其特征在于：进行初始化配置的方法为：选星策略设置为功率优先，星座可见性设置为地球切线5°仰角以上可见；
进行灵敏度标定的方法为：先将可调衰减器置零，使用频谱仪标定空衰时GNSS模拟器输出的射频信号强度，再根据高轨导航兼容机的灵敏度指标计算链路衰减值，通过调节衰减器使输出射频信号强度优于指标1～2dB。
7.根据权利要求5所述的基于高轨导航兼容机半物理测试方法，其特征在于，所述远程控制计算机与动力学上位机完成握手协议的方法为：通过反射内存接口与动力学上位机完成握手协议，动力学上位机的反射内存网络读取到同步启动信号后启动，实现与GNSS模拟器的同步触发。
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