CN116306039B - 一种卫星测控分系统全数字仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星测控分系统全数字仿真平台，包括仿真系统和硬件层，硬件层用于支撑仿真系统运行，仿真系统用于对卫星测控分系统进行全数字仿真，仿真系统包括：数据层，为仿真系统的仿真运算提供数据；业务服务层，为卫星测控平台和星地测控链路提供可视化场景、通视和约束条件；业务应用层，进行卫星测控分系统仿真应用。本发明通过硬件层、数据层、业务服务层和业务应用层搭建一种卫星测控分系统全数字仿真平台，相对于“物理孪生”的仿真技术投入的成本低，一体化集成度高、易于扩展，降低了卫星研制周期、降低了卫星研制成本。

Description

一种卫星测控分系统全数字仿真平台

技术领域

本发明涉及卫星数字仿真技术领域，尤其涉及一种卫星测控分系统全数字仿真平台。

背景技术

卫星互联网是全互联时代涌现的前沿新兴信息产业形态，也是支撑国民其它产业和社会数字转型的重要产业，更是引领全球经济发展主线的重要基础设施，是移动互联时代之后的新阶段，需要数量众多的卫星支撑，现有天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性数字信息基础设施规划，加速了空间信息基础设施演进升级，加快卫星互联网布局的速度，需要进一步提高卫星的研发效率，降低研发成本。

随着数字孪生、AR/VR等技术的出现与发展，可以缩短现有卫星的“物理孪生”研制周期和降低了研制成本，借助全数字卫星分系统仿真平台实施卫星平台的仿真、分析、验证、故障评估与延寿，可以加速卫星研发，增强用户对卫星系统设计、卫星方案论证、卫星仿真演练和卫星模拟测试实验，降低卫星研发成本，加快卫星研发速度。

经检索，目前尚未有关于卫星测控分系统全数字仿真平台公开技术，基于上述原因，现实中需要一种卫星测控分系统全数字仿真平台，利用数字孪生技术进行卫星产品研发，形成卫星测控分系统数字模型和数字化仿真平台，方便用户卫星系统设计、卫星方案论证、卫星仿真演练和卫星模拟测试实验，为国内外的航空航天领域的卫星研发技术攻关提供必要的基础条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种卫星测控分系统全数字仿真平台，解决现有卫星研发过程中，利用卫星“物理孪生”技术进行卫星研制周期长、研制成本高的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种卫星测控分系统全数字仿真平台，包括仿真系统和硬件层，所述硬件层用于支撑仿真系统运行，所述仿真系统用于对卫星测控分系统进行全数字仿真，所述仿真系统包括：

数据层，为仿真系统的仿真运算提供数据；

业务服务层，包括多个卫星基础功能模块，多个卫星基础功能模块根据数据层数据进行仿真计算，为卫星测控平台和星地测控链路提供可视化场景、通视和约束条件；

业务应用层，利用卫星测控平台和星地测控链路的可视化场景、通视和约束条件以及数据层数据，进行卫星测控分系统仿真应用。

进一步的：所述业务服务层中多个卫星基础功能模块包括卫星轨道动力学模块、卫星多约束条件模块、天地一体化仿真模块和时空框架仿真模块。

进一步的：所述数据层数据包括：地面测控站资源信息、空间卫星信息、接口、日志、配置参数和数学算法数据。

进一步的：

所述卫星轨道动力学模块仿真计算，包括对根数确定、轨道预报、轨道建模、星下点预报和轨道外推的仿真计算；

所述卫星多约束条件模块仿真结果计算，包括对天光地影变化、日凌影响和网络性能变化的仿真计算；

所述天地一体化仿真模块仿真计算，包括对需求生成与评估、地网构建与优化、天网构建与优化和测控站效能评估的仿真计算；

所述时空框架仿真模块仿真计算，包括对时间参考系、时间坐标系转换、空间参考系和空间坐标系转换的仿真计算。

进一步的：所述卫星测控分系统包括，测控站虚拟化管理模块、测控资源参数配置模块、遥测遥控仿真模块、测控站网优化仿真分析模块和测控站网效能仿真分析模块。

进一步的：所述测控站虚拟化管理模块，包括测控站资源管理、系统原理组成图绘制、设备状态监控、测控站作用范围显示和卫星跟踪预报显示五个子模块。

进一步的：所述测控资源参数配置模块，包括测控资源虚拟化管理、遥测遥控仿真、站网优化分析和站网效能仿真分析四个子模块。

进一步的：所述遥测遥控仿真模块，包括对任务场景、卫星测控组件库、测控功能、测控链路仿真数学模型和视图展示五个子模块。

进一步的：所述测控站网优化仿真分析模块，包括对测控任务需求仿真、站网优化分析仿真和测控需求生成与评估仿真三个子模块。

进一步的：所述测控站网效能仿真分析模块，包括效能仿真分析模型、参数配置子模块和效能仿真分析子模块三个子模块。

本发明的有益效果：

1、本发明通过硬件层、数据层、业务服务层和业务应用层搭建一种卫星测控分系统全数字仿真平台，支持卫星测控平台、卫星测控链路仿真，可根据不同分系统任务需求选择合适的系统链路搭建与参数配置功能，进行卫星测控分系统仿真应用，相对于“物理孪生”的仿真技术投入的成本低，一体化集成度高、易于扩展，降低了卫星研制周期、降低了卫星研制成本。

2、仿真系统支持卫星测控中测控站虚拟化管理、测控资源参数配置、遥测遥控仿真、测控方案制定和测控站网效能等分系统仿真，仿真涵盖卫星的多个方面，结果形象直观。

3、本发明支持卫星测控链路仿真，可根据不同任务需求选择合适的系统链路搭建与参数配置功能；支持卫星测控分系统遥控功能仿真，可支持模拟测控分系统在遥控信号建立的情况下输出直接遥控指令与间接遥控指令，并显示指令接收内容和接收时间功能；支持卫星测控分系统遥测和遥测功能仿真，可根据卫星遥测格式模拟产生整星遥测数据流，并生成调制信号下传；支持测控分系统星地测量功能仿真，模拟星地系统构建双向测量通道，实现测距功能；支持测控分系统本机遥控指令及状态遥测功能仿真，可模拟系统在外部信号、指令作用下对应工作状态的实时变化；支持覆盖测控分系统的FDIR（FaultDetection, Isolation & Restoration）仿真，卫星仿真的应用范围广泛，获取卫星仿真的数据全面。

附图说明

图1为本发明一种卫星测控分系统全数字仿真平台架构图；

图2为本发明一种卫星测控分系统全数字仿真平台分系统组成图；

图3为本发明测控站虚拟化管理功能模块分系统组成图；

图4为本发明测控资源参数配置模块分系统组成图；

图5为本发明遥测遥控仿真模块分系统组成图；

图6为本发明测控站网优化仿真分析模块分系统组成图；

图7为本发明测控站网效能仿真分析模块分系统组成图；

图8为本发明一种卫星测控分系统全数字仿真平台工作流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中表示，其中自始至终相同或类似的符号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解对本发明的限制。

如图1所示，本发明公开一种卫星测控分系统全数字仿真平台，包括，仿真系统和硬件层，所述硬件层用于支撑仿真系统运行，所述仿真系统用于对卫星测控分系统进行全数字仿真，所述仿真系统包括：

数据层，为仿真系统的仿真运算提供数据；

业务服务层，包括卫星轨道动力学模块、卫星多约束条件模块、天地一体化仿真模块和时空框架仿真模块；所述轨道动力学仿真模块、卫星多约束条件模块、天地一体化仿真模块和时空框架仿真模块根据数据层数据进行仿真计算，为卫星测控平台和星地测控链路提供可视化场景、通视和约束条件。

业务应用层，利用卫星测控平台和星地测控链路的可视化场景、通视和约束条件以及数据层数据，进行卫星测控分系统仿真应用。

如图1所示，硬件层主要由计算服务器、存储设备、网络通信终端、操控终端组成，为仿真系统的运行实现提供基础环境。

操控终端通过网络通信终端连接计算服务器，计算服务器提供仿真系统的运行环境，存储设备的数据库保存数据层数据和仿真运算结果。

通过操控终端访问使用计算服务器的仿真系统，获取仿真结果。

数据层数据包括地面测控站资源信息、空间卫星信息、接口、日志、配置参数和数学算法等数据信息，为仿真系统的仿真运算提供相关数据。

测控站资源信息包括测控站运行数据、空间卫星信息包括空间卫星运行数据，接口数据信息主要包括测控站与空间卫星的接口信息，日志数据信息主要包括现有测控站和空间卫星的运行日志信息，配置参数主要为测控站与空间卫星的配置参数。

业务服务层，通过获取数据层数据和用户补充的待仿真卫星的数据信息，进行卫星基础功能仿真计算，实现对卫星的轨道动力学、多约束条件、天地一体化和时空框架的仿真运算，通过仿真运算为卫星测控平台和星地测控链路提供可视化场景、通视和约束条件。

轨道动力学仿真运算，主要进行卫星根数确定、轨道建模、轨道预报、星下点预报与轨道外推功能仿真运算。

多约束条件仿真，主要进行天光地影变化、日凌影响与网络性能变化等对测控链路的影响仿真运算。

天地一体化仿真，主要进行任务需求生成与评估、天网构建与优化、地网构建与优化及效能评估等功能仿真运算。

时空框架仿真，主要进行时间参考系、空间参考系、时间坐标系转换与空间坐标系转换等功能仿真运算。

业务服务层，是对卫星基础功能进行仿真，实现卫星轨道、约束条件、卫星天地网络和时空框架的仿真，是为卫星测控平台和星地测控链路提供可视化场景、通视和约束条件。

如图2所示，业务应用层，主要指卫星进行分系统测控应用的仿真，卫星测控分系统包括，测控站虚拟化管理模块、测控资源参数配置模块、遥测遥控仿真模块、测控站网优化仿真分析模块和测控站网效能仿真分析模块。

如图3所示，测控站虚拟化管理模块分系统，包括测控站资源管理、测控站设备系统原理组成图绘制、测控站设备状态监控、测控站作用范围显示和卫星跟踪预报共五个子功能模块，用于各类卫星测控站资源、测控站设备系统的虚拟化统一管理仿真，可实现卫星轨迹可视化显示、卫星跟踪预报、设备运行状况监控及设备原理组成图绘制等功能，为卫星的数字化仿真提供快速地面测控站资源配置与管理。

测控站资源管理子模块,主要包括对国内常见的卫星测控站资源属性管理、关键器件属性、虚拟化组件等内容的管理与模拟。

设备原理组成图绘制子模块,该子模块能够支持测控站资源组件创建典型测控站的设备原理组成图，并支持原理图的编辑、组件名称修改等功能，支持新组件创建、保存、名称修改扩展功能。

测控站设备状态监控子模块,该子模块能够对平台典型的测控站的站测计划与设备运行状态等综合信息实施可视化监控处置。

测控站作用范围可视化显示子模块,该子模块用于在可视化地图上显示卫星及各测控站对象的相关测控属性。

卫星跟踪预报显示子模块,该子模块基于系统的功能业务子模块，显示基于测控站的天线仰角的可见卫星名称、倾角、开始时间、结束时间、距离开始剩余时间、任务类型、圈次与测控站名等信息。

如图4所示，测控资源参数配置模块，包括测控资源虚拟化管理、遥测遥控仿真、测控站网优化仿真分析和测控站网效能仿真分析四个参数配置子功能模块，用于对物理卫星测控站资源的虚拟化构建与管理，为数字化卫星仿真功能实现提供地面测控站资源的能力支撑，可支持多台套测控站资源配置。

测控资源虚拟化管理配置子模块，该子模块用于配置管理卫星仿真建模平台的地面测控资源虚拟化管理的业务参数指标接口算法等。

遥测遥控仿真参数配置子模块，该子模块用于配置管理卫星仿真建模平台的遥测遥控仿真业务的参数，以满足多样化卫星测控任务仿真分析需要。

测控站网优化仿真分析配置子模块，该子模块用于各类任务需求仿真过程的参数、数学模型、接口、阈值等信息配置与管理。

测控站网效能仿真分析配置子模块，测控站网优化分析仿真配置子模块，主要采用“集中管理，统一优化”理念，按照紧贴实用的测控站网负荷均衡约束条件，进行地基测控站网的测控方案优化生成与评估过程的任务申请信息、测控站资源信息、优化分析模型参数等信息配置管理，以提高测控站网资源使用效率。

如图5所示，遥测遥控仿真模块，包括任务场景子模块、卫星测控组件库、测控功能仿真、测控链路仿真数学模型和视图展示五个子功能模块，用于卫星多样工作模式测控任务仿真、测控分系统全覆盖的FDIR（Fault Detection, Isolation & Restoration）故障处置仿真。

任务场景子模块，用于实现不同的卫星测控任务场景的新建、打开、保存、另存为、关闭场景、最近打开的场景与退出仿真软件等功能，并有对生成的场景进行信息注释等功能。

卫星测控组件库子模块，用于卫星星地直传测控模式、“天链”中继星测控模式的测控链路仿真分析、测控数传功能仿真所需的空间资源、地面测控资源等组件的分类、存放、编辑等操作。

测控功能仿真子模块，主要用于实现遥测、遥控和测距功能性仿真。

测控链路仿真数学模型，用于遥测遥控仿真任务的各类计算提供配套的数学算法与模型。

视图展示子模块，用于卫星轨道、星地测控模式与中继星测控模式的卫星测控分系统的遥测、遥控、测距链路仿真结果信息以及FDIR（Fault Detection, Isolation &Restoration）信息显示。

如图6所示，测控站网优化仿真分析模块，包括卫星测控任务需求、测控站网优化分析模型、测控需求生成与评估仿真三个子功能，用于卫星测控任务需求形成与评估、任务优先级排序和基于统一测控站网负荷平衡的测控站网任务优化分配的仿真。

测控任务需求仿真子模块，主要用于模拟各任务中心的测控任务申请的创建、编辑与保存，每个任务申请包括：任务类别、任务优先级、操作服务测控事件、所需测控站、测控弧段和测控时长限制等信息。

测控站网优化分析模型，用于实现网管中心对各任务中心申请任务的测控站网的优化分析建模工作。

测控需求生成与优化仿真子模块，该子模块主要利用各种测控任务申请需求、测控站网资源的现状、站网资源优化分析模型，进行测控方案的优化计算，并进行人工与程序相结合的需求生成与优化评估模式，形成最终的测控优化方案。

如图7所示，测控站网效能仿真模块，由测控站网效能分析模型、测控站参数配置和测控站网效能仿真分析三个子功能模块组成。

测控站网效能仿真分析模型，主要包括任务使命、作战模式及构成要素三部分。

任务使命赋予了卫星测控站网系统的目标特性、功能组成；作战模式规范了卫星测控站网系统内部各构成要素的主从关系、数据信息类型、能量流向等；构成要素决定了系统本身的固有属性，包括可靠性、可信赖性及主要的战技指标。

参数配置子模块，该子模块主要对测控站网任务的准备阶段可用度、任务过程可信性矩阵以及过程固有能力指标的基础参数的配置。

效能仿真分析子模块，该子模块以公式分项因子组件形式提供，用于配置参数各因子项并仿真计算卫星测控站网综合效能分析结果。

卫星测控分系统仿真平台工作流程见图8所示，

首先硬件层工作，使卫星测控系统仿真平台运行，通过操控终端通过网络通信终端连接计算服务器访问仿真系统，进行仿真系统初始化，加载用户任务需求场景数据，调用系统预先的参数配置、数学算法等数据层数据，对任务场景新增添的的资源信息进行资源存储保存，便于后期再查看。

进行卫星轨道动力学模块、卫星多约束条件模块、天地一体化仿真模块和时空框架仿真模块等进行业务服务层仿真计算，为卫星测控平台和星地测控链路提供可视化场景、通视和约束条件。

利用卫星测控平台和星地测控链路提供可视化场景、通视和约束条件、数据层数和任务需求场景数据，开展各种任务需求场景的功能仿真，主要有对测控站虚拟化管理模块仿真、测控资源参数配置管理、遥测遥控模块仿真、测控站网优化仿真分析和测控站网效能仿真分析。

测控站虚拟化管理模块仿真，利用系统组件库的常见组件绘制指定测控站的原理组成图，支持原型图的编辑功能；对测控站的站测计划与设备跟踪信息进行可视化显示；计算测控站作用距离并可视化显示作用范围；在二维或三维地图上显示卫星态势、测控站位置；预报卫星进出站圈次、时间、仰角等信息。

测控资源参数配置模块，为测控仿真建模子系统的各子模块进行统一参数配置管理，可进行地面测控资源虚拟化管理模块、遥测遥控仿真模块、测控站网优化仿真分析模块以及测控站网效能仿真分析模块的指标、接口、模型、参数等属性的配置，支持多台套测控资源的参数配置。

根据用户任务需求进行卫星遥测遥控模块仿真，创建卫星测控任务场景；对于星地直传测控模式、“天链”中继星测控模式，进行测控仿真链路的搭建与指标计算。可进行星地直传的卫星进出站、测控站覆盖范围、EIRP、G/T、接收功率P、接收C/N和安全裕量等，卫星应答机的G/T、接收功率P、安全裕量、等需求计算；可进行中继卫星俯仰角、方位角与用户卫星天线波束角之间的关系分析、中继链路参数动态变化分析、中继卫星和地面站之间的链路方程、中继卫星和用户卫星之间的链路方程、中继链路余量计算等。

利用测控资源参数配置模块，对测控资源虚拟化管理、遥测遥控仿真、测控站网优化仿真分析和测控站网效能仿真分析等子模块进行参数配置，对物理卫星测控站资源的虚拟化构建与管理，为数字化卫星仿真功能实现提供地面测控站资源的能力支撑，可支持多台套测控站资源配置。

对于遥测功能仿真，利用模拟遥测数据，进行加密、加扰处理、PSK副载波调制的仿真；制定卫星测控分系统故障诊断与分析评估体系、评判准则、阈值生成，开展基于遥测参数的故障诊断仿真分析，并给出故障类别和维修方案。

对于遥控功能仿真，运用指令板加工直接指令、间接指令，并形成上注载波；模拟遥控接收通道的信号接收、放大、下变频、解调、解扰和译码过程。

对于测距功能仿真，可模型主侧音体制和扩频体制的工作原理。

对于测控站网优化仿真分析，配置测控任务申请信息，测控站网资源参数，调用测控站网优化分析模型，为后续计算工作做准备；进行基于任务申请和操作服务优先级的测控站初步分配结果计算。

对于测控站网效能仿真分析，进行基于测控站负荷均匀的再次测控分配结果计算，按照国际标准分层结构模型实施计算：

计算测控站任务准备阶段可用度，采用分层法计算出各测控站的子可用度，然后根据测控网的拓扑类型，求出各测控站的稳定可用度之积，即为综合可用度值；

计算测控站网任务过程的可信度。对于有下一级的测控站，按照加权法先计算出所有测控站的子项指标，再计算出各项因子；

计算测控站网任务过程固有测控能力。测控能力由测控站网的分控指标决定，采用分层法先求出测控站网的分项指标逐项计算出各测控站网的测控能力子项，再按照加权系数法求出基本测控能力；

根据测控站网效能仿真计算公式求出综合效能；结合人员能力、素质、训练水平等因素，对计算结果进行修正处置，得出最终结果。

各分系统仿真后进行可视化信息显示和报表生成，并将数据储存到数据库存储。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种卫星测控分系统全数字仿真平台，其特征在于：包括仿真系统和硬件层，所述硬件层用于支撑仿真系统运行，所述仿真系统用于对卫星测控分系统进行全数字仿真，所述仿真系统包括：

数据层，为仿真系统的仿真运算提供数据；

业务服务层，包括卫星轨道动力学模块、卫星多约束条件模块、天地一体化仿真模块和时空框架仿真模块多个卫星基础功能模块，多个卫星基础功能模块根据数据层数据进行仿真计算，为卫星测控平台和星地测控链路提供可视化场景、通视和约束条件；

业务应用层，利用卫星测控平台和星地测控链路的可视化场景、通视和约束条件以及数据层数据，进行测控站虚拟化管理模块、测控资源参数配置模块、遥测遥控仿真模块、测控站网优化仿真分析模块和测控站网效能仿真分析模块的仿真应用；

所述测控站虚拟化管理模块，包括测控站资源管理、系统原理组成图绘制、设备状态监控、测控站作用范围显示和卫星跟踪预报显示五个子模块；

所述测控资源参数配置模块，包括测控资源虚拟化管理、遥测遥控仿真、站网优化分析和站网效能仿真分析四个子模块；

所述遥测遥控仿真模块，包括对任务场景、卫星测控组件库、测控功能、测控链路仿真数学模型和视图展示五个子模块；

所述测控站网优化仿真分析模块，包括对测控任务需求仿真、站网优化分析仿真和测控需求生成与评估仿真三个子模块；

所述测控站网效能仿真分析模块，包括效能仿真分析模型、参数配置子模块和效能仿真分析子模块三个子模块。

2.根据权利要求1所述的一种卫星测控分系统全数字仿真平台，其特征在于：所述业务服务层中多个卫星基础功能模块包括卫星轨道动力学模块、卫星多约束条件模块、天地一体化仿真模块和时空框架仿真模块。

3.根据权利要求1所述的一种卫星测控分系统全数字仿真平台，其特征在于：所述数据层数据包括：地面测控站资源信息、空间卫星信息、接口、日志、配置参数和数学算法数据。

4.根据权利要求1所述的一种卫星测控分系统全数字仿真平台，其特征在于：

所述卫星轨道动力学模块，包括对根数确定、轨道预报、轨道建模、星下点预报和轨道外推的仿真计算；

所述卫星多约束条件模块，包括对天光地影变化、日凌影响和网络性能变化的仿真计算；

所述天地一体化仿真模块，包括对需求生成与评估、地网构建与优化、天网构建与优化和测控站效能评估的仿真计算；

所述时空框架仿真模块，包括对时间参考系、时间坐标系转换、空间参考系和空间坐标系转换的仿真计算。