CN111783302A - 一种卫星导航仿真模型一致性验证系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星导航仿真模型一致性验证方法，包括以下步骤：建立试验任务归类模型；根据试验任务的不同属性，建立试验任务验证目标体系；明确试验任务的核查对象；定义覆盖全面的任务评估内容；根据评估内容中涉及的模型和内容，对各类试验任务进行设计。还提供了一种卫星导航仿真模型一致性验证系统，包括卫星模型、应用模型、主控站模型、测控站模型、监测站模型、注入站模型、组合模型管理模块、基本模块模型参数和属性配置模块、以及试验任务参数配置模块。本发明的方案，可以为卫星导航仿真模型提供一种自顶向下的仿真验证方法，最大限度保证试验任务的全面性，验证结果能够直接用于北斗工程系统的优化升级。

Description

一种卫星导航仿真模型一致性验证系统

技术领域

本发明主要涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种卫星导航仿真模型一致性验证系统。

背景技术

大型复杂卫星网络规模大，实体多，业务广泛，为了降低真实系统的运行风险，大型复杂卫星系统建设前往往会伴随建设其数字孪生的软件仿真系统，对真实卫星系统运行情况进行模拟。软件仿真系统具备灵活性、开放性、前瞻性等硬件系统无法比拟的优势，但软件仿真系统首先必须关注仿真系统对于真实系统的等效性，仿真模型的正确性直接关系到整个仿真系统的有效性。北斗全球导航系统也需要建设软件仿真系统，用于在地面灵活的验证系统核心关键技术，北斗系统的软件仿真涉及卫星系统模型、运控系统模型、测控系统模型、星间链路运行管理系统模型和应用系统模型等多个等效模型，如何对仿真模型与真实模型间进行一致性验证确保仿真系统的有效性，成为了建立软件仿真系统最重要的部分。

经过现有技术的检索，中国发明专利（申请公布号：CN 201710609081 .9），发明名称为卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，其主要目的是解决卫星导航仿真模型的可信度的问题。本发明所描述的可信度验证方法包含四个方面的内容：通过建立体系化、层次化的模型验证标准工具库、建立基于时空参考框架、建立自底向上逐层递进的加权检验和建立基于实测数据误差分离及反推解算结合。

但是，中国发明专利（申请公布号：CN 201710609081 .9），发明名称为卫星导航系统高保真仿真模型的可信度验证方法，只对单个模型的精细化建模和模型层次化结果比对以验证模型可信度提供了一种方法，北斗全球导航系统地面试验验证系统中的仿真模型精细化建模和验证由对应的工程系统建设方完成，由此来保证仿真模型与真实模型的一致性，但真实的卫星系统是面向业务和用户的，且导航系统的业务有其特殊性，一个业务需要多个模型联动才能完成，单个模型的正确性无法保证其参与联动时是有效的，因此，该方法不能用于整个卫星导航系统模型的一致性验证中。

中国发明专利（申请公布号：CN 201710608895 .0），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系统级仿真试验验证的问题。该发明描述的试验验证与测试评估数学模型的建立方法包含四个三个方面的内容：以验证、设计、建设及应用过程为驱动，测试待测项；根据驱动数据形成系统级仿真模型；形成自闭合验证模型。

但是，中国发明专利（申请公布号：CN 201710608895 .0），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，该发明重点关注如何将系统划分一、二、三级颗粒度分别进行评估验证，同样的，未提及如何基于卫星导航系统业务对整个仿真系统进行试验验证。

总结起来，目前的卫星导航系统模型验证方法和系统，要么单纯地描述模型的高保真建模与验证方法，要么是系统性的描述卫星导航系统的测试评估体系验证，缺少从真实业务角度针对卫星导航系统软件仿真模型进行一致性验证的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种卫星导航仿真模型一致性验证系统，用于解决北斗系统地面软件仿真中各模型的正确性验证问题。

根据本发明实施例的一种卫星导航仿真模型一致性验证系统，包括：卫星模型、应用模型、主控站模型、测控站模型、监测站模型、注入站模型、组合模型管理模块、基本模块模型参数和属性配置模块、以及试验任务参数配置模块；

所述卫星模型的接收端连接注入站模型，所述卫星模型的发送端分别连接应用模型、监测站模型和测控站模型，以用于下播导航电文、生成遥测下行信息、组解帧星间互传信息、自主导航模式下的卫星轨道与钟差解算；

所述应用模型的接收端连接卫星模型，用于根据导航信号观测值和导航电文信息完成用户导航解算；

所述监测站模型的接收端连接卫星模型，以用于接收下行导航电文并解析；所述监测站模型的发送端连接主控站模型，以用于将导航电文帧格式信息回传至主控站模型；

所述测控站模型的接收端连接卫星模型，测控站模型的发送端连接主控站模型，以用于上注遥控指令和星间控管信息，接收运控的上注回执信息；

所述主控站模型的接收端连接监测站模型和测控站模型，发送端连接注入站模型，以用于实现精密定轨、时间同步、电文参数生成、上注电文编辑、导航电文上注和接收监测站回传导航电文；

所述注入站模型的接收端连接主控站以用于接收主控站测通系统发送的上注电文数据帧，所述注入站模型的输出端连接卫星模型以用于上注导航电文帧格式；

所述组合模型管理模块用于对各个模型进行组合配置；

所述基本模块模型参数和属性设置模块用于对各个模型配置参数；

所述试验任务参数配置用于配置系统时间、系统工作模式和系统场景。

作为本发明的进一步改进，所述试验任务参数配置模块根据场景配置针对不同的试验任务对各个模型进行组合调用，模型的配置从基本模块模型参数和属性设置导入，模型连接的各个节点透明，作为探测点进行数据监测。

根据本发明实施例的一种卫星导航仿真模型一致性验证方法，包括以下步骤：

S1：根据卫星导航系统的主要功能，从功能要求、试验属性、实施方式三方面进行任务归类，形成任务归类模型，每类模型可采用同样或类似的试验方法。

S2：核定任务目标：根据试验任务划分归类模型定义每类任务的任务目标内容，形成全面覆盖的任务目标体系。

S3：明确核查对象：结合卫星导航系统精细化的功能要求，按任务目标将目标任务链路中所有覆盖的核查要素列举。

S4：定义任务评估内容：以上两步明确了任务评估的主体和目标，任务评估内容则定义待评估的核查对象的具体行为内容是否满足任务目标。

S5：任务设计：按照以上任务评估内容对每个任务的试验配置、试验过程和试验结果进行详细定义；

S6：将模型放入仿真平台，仿真运行进行评估；如果评估过程中模型的行为符合预期，即评估中各种各样探测点的性能都满足预期，则表明卫星导航仿真模型的一致性达到预期。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S1中，所述任务归类模型将卫星导航系统试验任务划分为测量类试验任务和信息类试验任务。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S2中，信息类试验任务核定目标为正确性评估、一致性评估、完备性评估和时效性评估；测量类任务的试验任务目标为系统定轨与时间同步指标和差分与完好性评估指标。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S3中，信息类试验的核查对象为信息内容和信息执行载体；测量类试验的核查对象为系统关键体制。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S4中，结合卫星导航系统的功能需求，信息类试验的任务评估内容包含：L星地上下行环路信息流试验、L上行S遥测下行环路信息流试验、多星星间链路信息流试验和星间星地信息流试验。测量类任务内容包含：组网星星座星间星地常规条件下系统测量试验、组网星星座星间星地故障条件下系统测量试验、组网星星座星间星地组网条件下系统测量试验、组网星星座自主运行常规条件下系统测量试验、组网星星座自主运行故障条件下系统测量试验。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S5中，任务设计中包含场景配置设计、试验方法设计和探测点设计等，试验方法涉及复杂的内部处理流程，本发明的重点在于场景配置设计和探测点设计。探测点设计覆盖任务试验链路中的每个节点的监测内容，各个节点试验结果可追溯。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明建立的从任务归类至任务设计的验证方法和系统相较于传统方法提供了一种自顶向下的仿真验证设计思路，最大限度保证了试验任务的全面性。

2、本发明中的任务目标体系既包含通用的信息类核查目标体系，也包含导航系统特有的测量类核查目标体系，该目标体系相较于传统方法较为全面地覆盖了导航系统的试验目标，其中信息类核查目标体系也可通用于其他系统中。

3、本发明中的核查对象和任务评估内容与工程系统运行参与要素和行为一一对应，验证结果直接用于北斗工程系统的优化升级。

4、本发明中的任务设计中的探测点设计覆盖任务链路中的各个节点，能够有效地追溯问题节点。

附图说明

图1为本发明实施例中一种卫星导航仿真模型一致性验证的方法流程示意图。

图2为本发明实施例中一种卫星导航仿真模型一致性验证的系统结构示意图。

图3为本发明实施例中卫星导航系统的试验任务归类模型设计示意图。

图4为本发明实施例中卫星导航系统的试验验证目标体系设计示意图。

图5为本发明实施例中卫星导航系统的试验内容设计示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明实施例中一种卫星导航仿真模型一致性验证的方法流程示意图,包括以下步骤。

S1、根据导航系统的功能要求建立北斗导航系统试验任务的归类模型。

具体地，北斗导航系统试验任务的归类模型中包括：

1）时间空间统一驱动试验任务：基于时频统一信号的试验任务；

2）信号层试验任务：基于信号发送、传输、接收类的试验任务；

3）通信层试验任务：基于搭载于信号上的信息的发送、传输、接收类的试验任务。包含整网连通性、任意节点间通信时延、通信容量及通信质量等；

4）测量层试验任务：基于导航系统测量性能的试验任务，包含定轨性能、时间同步性能、星历星钟预报性能、差分及完好性性能；

5）服务层试验任务：基于导航系统服务性能的试验任务，包含用户PVT精度、完好性、连续性、可用性；

6）基于软件仿真的卫星模型的不能直接对系统信号层进行验证，仿真试验任务主要针对系统的通信层、测量层和服务层进行验证；

7）测量层和服务层均以测量性能指标为验证目标，而通信层以信息流的正确性为验证目标，因此，按通信层、测量层和服务层的验证目标分为信息类验证任务和测量类验证任务。

S2、根据归类模型的划分，核定信息类验证任务和测量类验证任务的验证目标。

具体地，核定验证目标包括：

1）信息类验证任务的验证目标为：正确性、一致性、完备性、时效性。其中正确性验证目标包含信息格式的正确性和信息播发正确性。一致性验证目标包含信息约束一致性、信息传递一致性、指令响应一致性和异常处理策略一致性。完备性验证指标包含文件体系完整、信息要素完整和信息约束与系统要求一致。时效性验证目标包含信息更新频度及时、节点信息处理与传播时延合理、信息传播的系统整体时延合理；

2）测量类试验目标为验证系统在特定星间链路体制与工作模式下的定轨与时间同步体制、差分及完好性体制。a）系统定轨与时间同步评估体系，其内容有星间时间同步精度、星地时间同步精度、星地联合定轨精度、自主定轨精度和系统等效测量误差。b）差分与完好性评估体系，其内容有完好性告警时间、完好性告警门限、完好性风险概率、空间信号改正精度和电离层格网改正精度。

S3、明确信息类试验任务和测量类试验任务的核查对象。

具体地，核查对象包括：

1）信息类的核查对象应包括但不限于信息内容和信息执行载体：信息内容即系统间空中接口控制文件中定义的各项内容，主要分为导航服务参数、上注管理控制指令和星间控管指令参数三类。信息执行载体为卫星模型、运控模型、测控模型、用户模型等系统内的载体，主要包含卫星的导航任务处理单元、运控的管控系统和测通系统等，核查这些信息执行载体在信息处理或执行（如信息组帧、信息解析、信息格式重排、控制指令信息响应等）的正确性；

2）测量类试验的核查对象为北斗导航系统的关键体制：星间链路体制、星地联合定轨与时间同步体制、自主定轨与时间同步体制、差分及完好性监测体制。

S4、定义信息类试验任务和测量类试验任务的评估内容。

具体地，评估内容包括：

1）信息流核查验证试验遵循分阶段、分层次、循序渐进展开的原则。按照信息链路，北斗导航系统的信息流核查验证试验应当包含但不限于：L星地上下行环路、L上行S遥测下行环路、多星星间转发环路等局部环路试验，以及扩展到全链路的星间星地信息流试验；

2）北斗导航系统的测量类试验任务的评估内容应当包含但不限于：组网星星座星间星地常规条件下系统测量试验、组网星星座星间星地故障条件下系统测量试验、组网星星座星地组网条件下系统测量试验、组网星星座自主运行常规条件下系统测量试验和组网星星座自主运行故障条件下系统测量试验。

S5、任务设计的内容包含场景设计和探测点设计。

具体地，场景设计和探测点包括：

1）L星地上下行环路信息流试验：场景配置为1颗组网星（即卫星模型）和1个主控站（包含运控系统的测通系统模型、管控系统模型及下行监测接收模型）。探测点设计：管控系统入出口、测通系统出口、卫星模型入出口、下行信号监测系统入出口；

2）L下行S遥测环路信息流试验：场景配置为1颗组网星（即卫星模型）、1个主控站（包含运控系统的测通系统模型、管控系统模型）和1个测控站模型。探测点设计：管控系统入口、卫星模型出口、测控站入口；

3）多星星间链路信息流试验：场景配置为5颗组网星（即卫星模型）。探测点设计：各个卫星的入出口；

4）星间星地信息流试验：星间星地试验包含星地联合模式运行和自主导航模式运行，星地联合运行的场景配置为5颗组网星（即卫星模型）、2个运控地面站（参与模型包含地面运控系统的管控模型、测通模型、下行信号监测接收模型、站间模型，测控系统的网管中心模型、遥测站模型）和1个测控站模型，自主导航的场景配置为5颗组网星（即卫星模型）和若干锚固站。探测点设计：管控系统入出口、测通系统出口、卫星出入口、下行信号监测系统出入口、测控网管中心出口、测控站出口、卫星出入口、锚固站出口；

5）星间星地常规条件下系统测量试验：场景配置：组网星星座（卫星模型）、地面试验支持系统全运控站型（主控站、注入站、监测站、并址锚固站）、运控系统星间链路任务管理中心及测控站。探测点设计：主控站信息处理系统；

6）星间星地故障条件下系统测量试验：场景配置：同第5个试验，区别在于场景设置卫星或检测站节点失效、部分测量数据丢失、部分链路故障、测量数据输入时序异常等故障场景。探测点设计：主控站信息处理系统；

7）星间星地组网条件下系统测量试验：场景配置：同第5个试验，区别在于星座配置按全部组网卫星模型按照组网先后顺序逐一入网的不同组网星座。探测点设计：主控站信息处理系统；

8）自主运行常规条件下系统测量试验：场景配置：同第5个试验，区别在于无地面监测站或仅有地面锚固站，系统是在自主运行或半自主运行状态。探测点设计：主控站信息处理系统；

9）自主运行故障条件下系统测量试验：场景配置：同第8个试验，区别在于卫星或检测站节点失效、部分测量数据丢失、部分链路故障、测量数据输入时序异常等故障场景。探测点设计：主控站信息处理系统。

S6：将模型放入仿真平台，仿真运行进行评估；如果评估过程中模型的行为符合预期，即评估中各种各样探测点的性能都满足预期，则表明卫星导航仿真模型的一致性达到预期。

图2为本发明一个实施例用于实现一种卫星导航仿真模型一致性验证的系统结构示意图。

根据本实施例的系统包括组合模型管理模块1、基本模块模型参数和属性设置2、试验任务参数配置3、卫星模型4、应用模型5、测控站模型6、监测站模型7、主控站模型8、注入站模型9。

具体地，组合模型管理模块1支持用户对各个模型进行组合配置。基本模块模型参数和属性设置2为各个模型配置其各自所需的参数。试验任务参数配置3为本次试验任务中的系统时间、系统工作模式、系统场景等的配置。卫星模型4为按照工程要求开发的仿真模型，能够接收上注电文、下播导航电文、生成遥测下行信息、组解帧星间互传信息、自主导航模式下的卫星轨道与钟差解算。应用模型5为用户应用模型，能够接收下行导航电文，解析电文参数，根据导航信号观测值和导航电文信息完成用户导航解算。测控站模型6能够上注遥控指令和星间控管信息，接收运控的上注回执信息等。监测站模型7为主要接收下行导航电文并解析，将导航电文帧格式信息回传至主控站测通系统。主控站模型8包含信处系统、管控系统和测通系统，主要完成精密定轨、时间同步、电文参数生成、上注电文编辑、导航电文上注和接收监测站回传导航电文。注入站模型9接收主控站测通系统发送的上注电文数据帧，上注导航电文帧格式。

图3为本发明一个实施例用于卫星导航系统的试验任务归类模型设计示意图。

具体地，卫星导航系统的试验任务归类模型呈金字塔型，时间空间统一驱动、信号层是基础，通信层和测量层是导航系统的主要功能，通信层与信息流相关，测量层则与导航信号的计算解析有关，最上层为服务层，该层的性能指标主要是用户的定位授时精度、完好性、可用性和连续性等。

图4为本发明一个实施例用于卫星导航系统的试验验证目标体系设计示意图。

具体地，描述了本发明建立的试验验证目标体系，信息流验证阶段解决系统信息传输与运行控制响应的验证问题。卫星系统间信息内容繁多复杂，按照信息类型和信息层级进行划分后对照该指标体系，确保验证的全面性。信息类验证任务的验证目标，即信息类验证目标体系包括正确性、一致性、完备性和时效性。其中，正确性包括信息格式正确性和信息播发正确性，一致性包括信息约束一致性、信息传递一致性、指令响应一致性和异常处理策略一致性，完备性包括文件体系完整、信息要素完整、信息约束与系统要求一致，时效性包括信息更新频度及时、节点信息处理与传播时延合理、信息传播的系统整体时延合理。

测量类验证任务的验证目标，即测量类验证目标体系覆盖系统定轨与时间同步评估、差分与差分与完好性评估的所有指标。其中，系统定轨与时间同步评估包括星地时间同步精度、星间时间同步精度、星地联合定轨精度、自主定轨精度和系统等效测量误差；差分与差分与完好性评估包括完好性告警时间、完好性告警门限、完好性风险概率、空间信号改正精度和电离层格网改正精度。

如图5所示为试验内容设计的体系架构，本发明实施例中卫星导航系统的试验内容为信息流类试验任务和测量类试验任务。信息流试验涵盖卫星L和S链路及星间链路的信息流试验，具体包括L星地上下行环路、L上行S遥测下行环路、多星星间转发环路等局部环路试验，以及扩展到全链路的星间星地信息流试验。测量类试验则涵盖星间星地及自主运行常规和故障模式下的所有指标测量内容，具体包括组网星星座星间星地常规条件下系统测量试验、组网星星座星间星地故障条件下系统测量试验、组网星星座星地组网条件下系统测量试验、组网星星座自主运行常规条件下系统测量试验和组网星星座自主运行故障条件下系统测量试验。

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 (2)

1.一种卫星导航仿真模型一致性验证系统，其特征在于，包括：卫星模型、应用模型、主控站模型、测控站模型、监测站模型、注入站模型、组合模型管理模块、基本模块模型参数和属性配置模块、以及试验任务参数配置模块；

所述卫星模型的接收端连接注入站模型，所述卫星模型的发送端分别连接应用模型、监测站模型和测控站模型，以用于下播导航电文、生成遥测下行信息、组解帧星间互传信息、自主导航模式下的卫星轨道与钟差解算；

所述应用模型的接收端连接卫星模型，用于根据导航信号观测值和导航电文信息完成用户导航解算；

所述监测站模型的接收端连接卫星模型，以用于接收下行导航电文并解析；所述监测站模型的发送端连接主控站模型，以用于将导航电文帧格式信息回传至主控站模型；

所述测控站模型的接收端连接卫星模型，测控站模型的发送端连接主控站模型，以用于上注遥控指令和星间控管信息，接收运控的上注回执信息；

所述主控站模型的接收端连接监测站模型和测控站模型，发送端连接注入站模型，以用于实现精密定轨、时间同步、电文参数生成、上注电文编辑、导航电文上注和接收监测站回传导航电文；

所述注入站模型的接收端连接主控站以用于接收主控站测通系统发送的上注电文数据帧，所述注入站模型的输出端连接卫星模型以用于上注导航电文帧格式；

所述组合模型管理模块用于对各个模型进行组合配置；

所述基本模块模型参数和属性设置模块用于对各个模型配置参数；

所述试验任务参数配置用于配置系统时间、系统工作模式和系统场景。

2.根据权利要求1所述的卫星导航仿真模型一致性验证系统，其特征在于：所述试验任务参数配置模块根据场景配置针对不同的试验任务对各个模型进行组合调用，各个模型连接的节点透明，以用于作为探测点进行数据监测。

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