CN115629954A - 一种航天地面测控仿真方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种航天地面测控仿真方法及系统，该方法包括仿真准备、仿真初始化和仿真推演。本发明通过采用仿真技术，构建单独的仿真应用环境，模拟航天测控网运行，提供任务训练终端，解决训练无依托缺手段的问题，又可保证航天地面测控任务能够全时段开展常态化训练；针对任务系统软件进行改造，只增加了数据记录等部分功能，并不破坏原有的数据、接口、界面，从根本上保证了面向人员的环境逼真度；借助于接口仿真，在仿真中进行系统级测试，可作为任务系统测试的有益补充手段，弥补任务系统中测试条件的不足；通过态势显示与效果评估，为呈现任务训练效果，实现教学、对外展示提供了必需手段。

Description

一种航天地面测控仿真方法及系统
技术领域
本发明涉及航天地面测控技术领域，尤其涉及到一种航天地面测控仿真方法及系统。
背景技术
目前，我国航天事业正处于一个高速发展的关键时期，航天地面测控系统所承担的测控任务越发繁重，且专业技术含量高，对人员专业素质与专业技能要求高，如何对人员进行培训以提高任务实施与保障能力是急需研究解决的重要问题。开展航天地面测控任务训练方法研究，对于搞好人员培训、培养领域人才具有重大的现实意义，可以提高人员任务处置与协作能力，从而达到提升任务一次完成率、增强风险应对能力的目的。
传统中，主要采用桌面独立推演与任务空闲期训练两种任务训练方式，存在一定的不足，具有一定的局限性。桌面独立推演往往是将任务系统关键部分部署于单独的环境中运行，不能够完全反映出任务执行与系统运行全貌，与实际任务系统会有差距，且任务数据准备过程繁杂；任务空闲期训练则是在任务空闲期时，直接在实际任务系统中操作，这极大地影响了任务系统稳定性以及数据的安全性与完整性，且任务繁重造成训练时间较少。因此，采用传统手段已无法适应未来航天地面测控的训练需求。
为满足航天地面测控训练需求，采用数字仿真、信息处理、虚拟现实等多种技术，构建多种任务背景下的仿真应用环境，模拟航天测控网及其运行环境，提供贴近实际的任务训练终端，必然是未来航天地面测控任务训练的发展趋势。相比于传统任务训练方式，仿真模拟训练方式具备全时段独立运行、训练安全风险小的特点，是现阶段航天地面测控任务训练的主流发展方向。
考虑到未来航天地面测控任务训练增多，为了减轻仿真运行环境的运行管理成本，提升仿真运行环境的综合利用效率，仿真模拟训练方式不单实现任务训练终端以满足基础的任务训练需求，还需要对训练环境模拟、训练任务规划、训练进程控制、训练效果呈现等进行重点研究与统一设计，提供训练全过程相关的能力支撑。训练环境模拟的关键问题是如何对任务系统外围进行仿真、如何保证任务训练仿真环境的逼真度，前者要既能够与任务训练仿真环境实现流程闭环，又不能增加太多仿真工作量，毕竟是任务系统的外围，后者涉及到训练是否能够达到目的。急需解决训练任务无法规划的问题，避免数据准备易出错与耗时长、训练科目无法提前设计，能在仿真训练运行前就可编排相关训练数据，训练时数据自动装载使用。仿真训练过程中，不可能脱离对训练进程地控制与监视，在满足前置条件下，需自动触发规定的训练科目，尤其是针对训练现场情况的临机干预，以训练科目驱动训练任务，引导人员进行任务训练。引入训练效果呈现手段是解决对外展示、训练数据利用的重要手段，重点在于研究如何采集训练过程与结果数据、如何将数据应用于综合态势显示与训练效果评估。凡此种种，国内外现有研究中缺乏详细成熟的、适应于航天地面测控任务训练的仿真框架，用于构建仿真环境及其支撑手段，完成航天地面测控训练。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种航天地面测控仿真方法及系统，旨在解决目前航天地面测控仿真方案无法满足训练常态化、训练无风险、环境高逼真度以及多用途需求的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种航天地面测控仿真方法，所述方法包括以下步骤：
仿真准备：
S11：获取仿真基础数据；
S12：仿真想定编排；其中，所述仿真想定编排的内容包括想定名、想定描述、仿真时间段和训练科目；
仿真初始化：
S21：选择指定仿真想定进行加载；
S22：对加载的仿真想定进行初始化设置；其中，所述初始化设置包括仿真模式设置、运行状态切换、仿真时间计算与分发和导调控制指令分发；
仿真推演：
S31：周期地计算仿真时间，并向系统各部分分发仿真时间，达到任务训练仿真时间同步；
S32：在仿真时间同步后，根据训练科目要求，定时向系统内各部分分发导控指令，导控指令在被执行时，实现仿真训练对应的训练场景变化；
S33：在导控指令执行后，根据训练场景变化和训练端操作信息，实现测控任务模拟与仿真。
可选的，所述步骤S11，还包括：调用基础数据准备服务将仿真基础数据进行迁移导入、管理以及导出备份。
可选的，所述仿真基础数据包括遥测码本、遥控码本、卫星属性和资源能力；其中，仿真基础数据以时间标签标识进行数据集存储。
可选的，所述步骤S12，还包括：调用训练想定编排服务执行训练科目设计和导控指令编辑；其中，所述训练科目设定包括科目名设定、科目描述设定和导控指令集设定，所述导控指令编辑包括导控指令ID编辑、导控指令描述编辑、导控发送时间编辑、导控执行时间编辑和导控指令参数编辑。
可选的，所述步骤S22，还包括：调用仿真运行驱动服务和仿真运行控制服务执行初始化设置；其中，所述仿真模式设置包括仿真运行模式和数据回放模式，所述运行状态包括方案未加载状态、方案加载待启动状态、仿真运行状态和仿真运行结束状态。
可选的，所述仿真时间的表达式，具体为：
Figure BDA0003764801710000031
其中，TSim表示仿真时间，T0表示初始仿真时间，N表示仿真步数，
Figure BDA0003764801710000032
表示第i个仿真步的仿真步长，fi表示第i个仿真步的仿真速率，
Figure BDA0003764801710000033
表示第i个仿真步的仿真周期。
可选的，所述导调控制指令包括既定导控和临机导控。
可选的，所述步骤S32，还包括：调用测控接口仿真服务，实现仿真训练对应的训练场景变化；所述步骤S33，还包括：调用测控任务处理服务，根据训练场景变化和训练端操作信息，实现测控任务模拟与仿真。
可选的，所述仿真推演时，所述方法还包括：
调用测控数据采集服务记录测控仿真数据；调用测控态势显示服务显示测控仿真信息；调用测控效能评估服务对测控仿真执行评估。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种航天地面测控仿真系统，所述航天地面测控仿真系统包括基础数据准备服务模块，训练想定编排服务模块、仿真运行驱动服务模块、仿真运行控制服务模块、测控接口仿真服务模块、测控任务处理服务模块、测控数据采集服务模块、测控态势显示服务模块和测控效能评估服务模块，所述航天地面测控仿真系统用于执行如上所述的航天地面测控仿真方法。
本发明实施例提出的一种航天地面测控仿真方法及系统，该方法包括仿真准备、仿真初始化和仿真推演。本发明通过采用仿真技术，构建单独的仿真应用环境，模拟航天测控网运行，提供任务训练终端，解决训练无依托缺手段的问题，又可保证航天地面测控任务能够全时段开展常态化训练；针对任务系统软件进行改造，只增加了数据记录等部分功能，并不破坏原有的数据、接口、界面，且基础数据从任务系统导入，从根本上保证了面向人员的环境逼真度；借助于接口仿真，在仿真中进行系统级测试，可作为任务系统测试的有益补充手段，弥补任务系统中测试条件的不足；通过态势显示与效果评估，为呈现任务训练效果，实现教学、对外展示提供了必需手段；训练终端逼真，对进行各类任务联调和演训任务具有重大意义。
附图说明
图1为本发明实施例中一种航天地面测控仿真系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中一种航天地面测控仿真运行的状态示意图；
图3为本发明实施例中一种航天地面测控仿真方法的流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
目前，在相关技术领域，现有航天地面测控仿真方案无法满足训练常态化、训练无风险、环境高逼真度以及多用途的需求。
为了解决这一问题，提出本发明的航天地面测控仿真方法的各个实施例。本发明提供的航天地面测控仿真方法通过采用仿真技术，构建单独的仿真应用环境，模拟航天测控网运行，提供任务训练终端，解决训练无依托缺手段的问题，又可保证航天地面测控任务能够全时段开展常态化训练；针对任务系统软件进行改造，只增加了数据记录等部分功能，并不破坏原有的数据、接口、界面，且基础数据从任务系统导入，从根本上保证了面向人员的环境逼真度；借助于接口仿真，在仿真中进行系统级测试，可作为任务系统测试的有益补充手段，弥补任务系统中测试条件的不足；通过态势显示与效果评估，为呈现任务训练效果，实现教学、对外展示提供了必需手段；训练终端逼真，对进行各类任务联调和演训任务具有重大意义。
本发明实施例提供了一种航天地面测控仿真方法，基于航天地面测控仿真系统，该系统包括基础数据准备服务模块，训练想定编排服务模块、仿真运行驱动服务模块、仿真运行控制服务模块、测控接口仿真服务模块、测控任务处理服务模块、测控数据采集服务模块、测控态势显示服务模块和测控效能评估服务模块；通过以下措施来达到航天地面测控仿真：
(1)基础数据准备服务负责从任务系统迁移并导入涉及的基础数据到仿真环境中，并实现基础数据集的管理。
(2)训练想定编排服务主要是对仿真想定进行编排与管理，仿真想定涵盖场景基础数据、训练科目、导调控制指令。
(3)作为仿真训练的控制中枢，仿真运行驱动服务与仿真运行控制服务共同实现指定仿真想定选择与加载、仿真模式设置、运行控制与状态切换、仿真时间计算与分发、导调控制指令分发。
(4)测控接口仿真服务能够对地面测控资源接口、用户中心接口进行仿真，可以手动地或者通过导控指令触发模拟运行。
(5)测控任务处理服务直接采用任务系统软件进行改造，加入时间获取、状态上报、导控响应、数据记录等功能模块。
(6)测控数据采集服务提供数据记录接口，将测控相关数据进行汇集、归一化、储存，是训练数据利用的主要来源。
(7)测控态势显示服务基于采集数据，借助二维、三维、曲线、统计图等多种手段，呈现训练任务场景的综合态势或专题态势。
(8)测控效能评估服务基于采集数据，构建训练效能评估指标体系后，对测控任务训练效果进行综合分析与评估。
具体而言，如图1所示，基于航天地面测控仿真系统由基础数据准备服务、训练想定编排服务、仿真运行驱动服务、仿真运行控制服务、测控接口仿真服务、测控任务处理服务、测控数据采集服务、测控态势显示服务、测控效能评估服务等部分组成，各部分是一个有机整体、共同实现仿真训练环境。
基础数据准备服务、训练想定编排服务为仿真系统运行提供数据支持。
基础数据准备服务为测控任务处理服务提供仿真训练涉及的基础数据，实现基础数据迁移导入、基础数据集管理、基础数据导出备份。基础数据包括遥测码本、遥控码本、卫星属性、资源能力等。基础数据以时间标签标识为数据集。迁移导入是基础数据主要来源，导入时添加时间标签。导出备份用于备份数据，导出时同时导出时间标签。
训练想定编排服务为测控任务处理服务提供仿真训练场景及任务想定，主要实现对仿真想定进行编排，如训练科目设计、导控指令编辑。仿真想定描述了仿真训练的场景及相关任务，包括想定名、想定描述、仿真时间段、训练科目组成等。训练科目描述了训练某阶段的任务，包括科目名、科目描述、导控指令集等。导控指令是场景变化、任务驱动的主要手段，由导控指令ID、导控指令描述、导控发送时间、导控执行时间、导控指令参数等组成。
仿真运行驱动服务、仿真运行控制服务作为任务仿真训练的控制中枢。
仿真运行驱动服务直接对测控任务处理服务、测控接口仿真服务进行仿真控制，实现指定仿真想定加载、仿真模式设置、运行状态切换、仿真时间计算与分发、导调控制指令分发。仿真运行控制服务作用于仿真运行驱动服务，实施想定选择控制、启停运行控制、仿真时间控制、导控干预控制等仿真控制干预。仿真模式分为仿真运行模式与数据回放模式，前者用于任务训练，后者用于训练复盘。运行状态分为方案未加载、方案加载待启动、仿真运行、仿真运行结束等4个状态，分别对应于方案选择、方案加载、仿真启动、仿真停止等操作，运行状态切换如附图2所示。仿真时间的计算公式：
Figure BDA0003764801710000061
TSim表示仿真时间，T0表示初始仿真时间，N表示仿真步数，
Figure BDA0003764801710000071
表示第i个仿真步的仿真步长，fi表示第i个仿真步的仿真速率，
Figure BDA0003764801710000072
表示第i个仿真步的仿真周期。导调控制方式分为既定导控与临机导控，前者规定在仿真想定中不可修改，后者可根据现状临时添加并控制。
测控任务处理服务、测控接口仿真服务是涉及系统业务的最核心部分。
测控接口仿真服务用于模拟任务系统外围对象，如地面资源、用户中心，以信息接口为主，与测控任务处理服务共同形成业务信息闭环与流程闭环。支持手动地界面触发接口仿真，或者通过导控指令触发接口仿真。
测控任务处理服务直面训练人员，提供训练操作终端，实现遥测处理、遥控处理、资源调度、资源管控、轨道计算等航天地面测控操作。对任务系统软件加以改造，加入时间获取、状态上报、导控响应、数据记录等功能模块，但不修改任务接口、流程、界面的形式。
测控数据采集服务、测控态势显示服务、测控效能评估服务提供了训练数据采集与展示能力。
测控数据采集服务提供数据记录接口，对测控任务处理服务、测控接口仿真服务上报的数据进行汇集，如遥测数据、遥控数据、任务申请、资源状态等，并按照特定格式将数据归一化处理，最后存储于系统存储设施中。
测控态势显示服务在地理信息背景基础上，基于采集数据，借助二维、三维、曲线、统计图等多种手段，叠加显示航天器轨道、星地链路、测控计划等主要信息，向外呈现训练任务场景的综合态势或专题态势。综合态势部署在显示大屏幕上，专题态势部署在各训练岗位上。支持动态地订阅不同航天器或资源，形成特定的专题态势。
测控效能评估服务以采集数据为输入，按照指定评估指标、评估模型、评估方法，通过评估模型计算得到评估指标，再基于评估指标集合采用评估方法计算得到最终评估结果，实现对训练效能的量化评估，达到训练效果评估目的。评估指标包括指标ID、指标名称、指标类型等。评估模型描述了以哪些信息做输入、如何计算得到评估指标。评估方法可采用层次分析法、模糊综合评判法、ADC方法等。支持以报表形式输出评估结果。支持任务满足率、任务成功率、资源使用率、资源健康状态等指标。
参照附图3。本发明所述仿真应用的步骤分为仿真准备阶段、仿真运行阶段，仿真运行阶段又分为仿真初始化、仿真推演。
仿真准备阶段，是指系统仿真运行前的数据准备阶段，涵盖了基础数据准备与训练想定编排的各种相关操作，主要包括数据迁移导入、导控指令编辑、训练科目设计、仿真想定编排等。依据任务训练要求，数据迁移导入针对场景基础数据，导控指令编辑针对导调控制指令，训练科目设计针对训练科目数据，仿真想定编排针对训练场景及任务想定，各操作均是将数据按照时间、描述等数据标签，以集合形式存储，可以多次反复利用。在仿真运行阶段仿真初始化时，使用的数据若存在，则直接使用不必每次创建数据。
仿真运行阶段，是指系统仿真环境启动并运行的阶段，此阶段时进行测控场景模拟、测控任务模拟、测控业务流程模拟、测控信息处理模拟，提供任务训练时测控人员处置操作端，实现仿真训练、演练教学、对外展示、研究测试。仿真运行阶段分为仿真初始化、仿真推演两个子阶段。
仿真初始化，即在仿真推演前，以指定仿真想定为输入，对仿真环境进行测控场景设置以及测控任务训练科目设置，设置测控场景中所包含航天器、地面资源等主要场景要素的特征与属性，按照科目时间排列测控任务训练科目序列，对仿真训练的仿真开始时间与仿真结束时间进行设置，并自动启动测控任务处理、测控接口仿真等相关服务。仿真初始化完成后，仿真环境就具备了仿真推演所要求的数据、后台服务、前端界面。
仿真推演，是测控仿真场景初始化完成后，在测控任务仿真不断驱动下，完成测控任务处理与人员处置操作训练。仿真推演过程持续于仿真开始时间与仿真结束时间(或仿真停止操作时)。在此期间，根据仿真步长、仿真速率与时间控制，系统周期地计算仿真时间，并向系统内各部分分发仿真时间，达到任务训练仿真时间同步的目的；在仿真时间驱动下，根据训练科目要求，系统定时向系统内各部分分发导控指令，导控指令被接收后在指定时间被执行，实现测控任务发起、测控任务取消、测控资源入退网、测控资源工作异常等训练场景变化，并允许根据训练现场情况，实施临机导控干预训练过程；在仿真时间与导控指令双重驱动下，系统进行测控场景模拟、测控任务模拟，根据训练端的显示信息，人员通过界面完成相应的处置操作，使得测控业务能够流转、测控信息能够处理，并在训练过程中不断采集上报数据，进行综合/专题态势显示、训练效能评估分析与报告输出。
在本实施例中，提供一种航天地面测控仿真方法及系统，通过采用仿真技术，构建单独的仿真应用环境，模拟航天测控网运行，提供任务训练终端，解决训练无依托缺手段的问题，又可保证航天地面测控任务能够全时段开展常态化训练；针对任务系统软件进行改造，只增加了数据记录等部分功能，并不破坏原有的数据、接口、界面，且基础数据从任务系统导入，从根本上保证了面向人员的环境逼真度；借助于接口仿真，在仿真中进行系统级测试，可作为任务系统测试的有益补充手段，弥补任务系统中测试条件的不足；通过态势显示与效果评估，为呈现任务训练效果，实现教学、对外展示提供了必需手段；训练终端逼真，对进行各类任务联调和演训任务具有重大意义。
以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种航天地面测控仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
仿真准备：
S11：获取仿真基础数据；
S12：仿真想定编排；其中，所述仿真想定编排的内容包括想定名、想定描述、仿真时间段和训练科目；
仿真初始化：
S21：选择指定仿真想定进行加载；
S22：对加载的仿真想定进行初始化设置；其中，所述初始化设置包括仿真模式设置、运行状态切换、仿真时间计算与分发和导调控制指令分发；
仿真推演：
S31：周期地计算仿真时间，并向系统各部分分发仿真时间，达到任务训练仿真时间同步；
S32：在仿真时间同步后，根据训练科目要求，定时向系统内各部分分发导控指令，导控指令在被执行时，实现仿真训练对应的训练场景变化；
S33：在导控指令执行后，根据训练场景变化和训练端操作信息，实现测控任务模拟与仿真。
2.如权利要求1所述的航天地面测控仿真方法，其特征在于，所述步骤S11，还包括：调用基础数据准备服务将仿真基础数据进行迁移导入、管理以及导出备份。
3.如权利要求2所述的航天地面测控仿真方法，其特征在于，所述仿真基础数据包括遥测码本、遥控码本、卫星属性和资源能力；其中，仿真基础数据以时间标签标识进行数据集存储。
4.如权利要求1所述的航天地面测控仿真方法，其特征在于，所述步骤S12，还包括：调用训练想定编排服务执行训练科目设计和导控指令编辑；其中，所述训练科目设定包括科目名设定、科目描述设定和导控指令集设定，所述导控指令编辑包括导控指令ID编辑、导控指令描述编辑、导控发送时间编辑、导控执行时间编辑和导控指令参数编辑。
5.如权利要求1所述的航天地面测控仿真方法，其特征在于，所述步骤S22，还包括：调用仿真运行驱动服务和仿真运行控制服务执行初始化设置；其中，所述仿真模式设置包括仿真运行模式和数据回放模式，所述运行状态包括方案未加载状态、方案加载待启动状态、仿真运行状态和仿真运行结束状态。
6.如权利要求5所述的航天地面测控仿真方法，其特征在于，所述仿真时间的表达式，具体为：
Figure FDA0003764801700000021
其中，TSim表示仿真时间，T0表示初始仿真时间，N表示仿真步数，
Figure FDA0003764801700000022
表示第i个仿真步的仿真步长，fi表示第i个仿真步的仿真速率，
Figure FDA0003764801700000023
表示第i个仿真步的仿真周期。
7.如权利要求5所述的航天地面测控仿真方法，其特征在于，所述导调控制指令包括既定导控和临机导控。
8.如权利要求1所述的航天地面测控仿真方法，其特征在于，所述步骤S32，还包括：调用测控接口仿真服务，实现仿真训练对应的训练场景变化；所述步骤S33，还包括：调用测控任务处理服务，根据训练场景变化和训练端操作信息，实现测控任务模拟与仿真。
9.如权利要求1所述的航天地面测控仿真方法，其特征在于，所述仿真推演时，所述方法还包括：
调用测控数据采集服务记录测控仿真数据；调用测控态势显示服务显示测控仿真信息；调用测控效能评估服务对测控仿真执行评估。
10.一种航天地面测控仿真系统，其特征在于，所述航天地面测控仿真系统包括基础数据准备服务模块，训练想定编排服务模块、仿真运行驱动服务模块、仿真运行控制服务模块、测控接口仿真服务模块、测控任务处理服务模块、测控数据采集服务模块、测控态势显示服务模块和测控效能评估服务模块，所述航天地面测控仿真系统用于执行如权利要求1-9任意一项所述的航天地面测控仿真方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118072133A (zh) * 2024-04-17 2024-05-24 中国电子科技集团公司信息科学研究院 一种基于仿真推演的自动测试方法和装置

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