一种航天系统数字模型自闭环校验方法

1.本发明涉及软件仿真技术领域，特别涉及一种航天系统数字模型自闭环校验方法。


背景技术：

2.国外以“一网（oneweb）”系统和“星链（starlink）”系统为代表的低轨卫星系统迅速发展，未来几年就会完成建设覆盖全球。我国卫星互联网系统也正进行前期的论证和准备工作，低轨卫星系统软件仿真平台将对其进行系统仿真、通信体制仿真、网络仿真、地面系统仿真等，实现对互联网系统关键技术的仿真验证，但是在对互联网系统验证前需首先对低轨卫星系统软件仿真平台自身进行自闭环试验，验证其功能性能满足仿真验证需求。
3.经过现有技术的检索，中国发明专利（申请公布号：cn112968737a），发明名称为一种运载火箭无线链路自闭环测试的系统、方法及火箭，其主要目的是解决运载火箭无线链路自闭环测试的问题。本发明所描述的运载火箭无线链路自闭环测试系统由测试天线模块、综合射频模块、网络转换模块、地面远端设备共同组成，解决了相关技术中运载火箭无线链路测试效率低、通用性和扩展性差的问题。
4.但是，中国发明专利（申请公布号：cn 112968737 a），发明名称为一种运载火箭无线链路自闭环测试的系统、方法及火箭，只给出了运载火箭无线链路的自闭环测试方法，并不能直接适用于低轨卫星系统软件仿真平台中的软件模型等的自闭环验证。
5.中国发明专利（申请公布号：cn 113031032 a），发明名称为一种卫星导航设备的零值信号自闭环处理方法，其主要目的是解决卫星卫星导航设备的零值信号自闭环问题。本发明通过在导航设备的fpga中生成零值发射伪码，经过ram缓存、捕获跟踪等系列处理后得到零值时延，节省了逻辑资源，避免了零值捕获跟踪失败的问题。
6.但是，中国发明专利（申请公布号：cn 113031032 a），发明名称为一种卫星导航设备的零值信号自闭环处理方法，为卫星导航设备fpga内部的零值信号自闭环处理方法，不能直接适用于低轨卫星系统软件仿真平台。
7.总结起来，目前自闭环验证大多是硬件系统自闭环测试或处理方法，针对低轨卫星系统软件仿真平台的自闭环验证几乎没有。但软件平台自身的自闭环验证对于其作为仿真验证手段对低轨系统验证又尤为重要，因此，对低轨系统软件仿真平台进行自闭环试验设计，建立自闭环试验机制以确保软件平台自身的功能和性能，进而满足低轨系统软件仿真平台的关键技术验证等工作。


技术实现要素：

8.为解决上述现有技术中所存在无法对低轨卫星系统软件仿真平台进行自闭环验证的问题，本发明提供一种航天系统数字模型自闭环校验方法，可以验证软件仿真平台自身的合理性和正确性，能够用于低轨卫星系统的关键技术仿真验证等工作。
9.为实现上述技术目的，本发明具体公开了如下技术方案：
一种航天系统数字模型自闭环校验方法，包括：设计构建自闭环校验系统，通过自闭环校验系统以实现航天系统数字模型自闭环校验；其中所述自闭环校验系统包括低轨卫星系统软件仿真平台、测试评估模块、数据获取模块；其中低轨卫星系统软件仿真平台、测试评估模块及数据获取模块两两之间相互连接；通过所述低轨卫星系统软件仿真平台进行自闭环试验仿真；通过所述测试评估模块对自闭环试验仿真结果进行测试评估；通过所述数据获取模块为自闭环试验仿真及自闭环试验结果的测试评估提供数据，数据获取模块包括第三方软件、公开的数据产品、数据生成软件及信号源。
10.可选的，所述低轨卫星系统软件仿真平台包括若干个仿真模型，其中仿真模型包括数学仿真系统、卫星系统、信关站、运管中心、测控系统、运营中心及用户系统；其中，数学仿真系统、卫星系统及测控系统依次连接；所述卫星系统、用户系统及信关站两两之间相互连接，所述运营中心、运管中心分别与信关站连接；所述测控系统与所述运管中心连接。
11.可选的，在对所述低轨卫星系统软件仿真平台进行数学仿真系统自闭环试验中，通过所述数据软件生成数学仿真初始数据；通过第三方软件及公开的数据产品生成理论数据，并对数学仿真初始数据进行检验；通过所述数学仿真系统对数学仿真初始数据进行数学仿真及数学计算，通过所述测试评估模块根据初始数据、理论数据及数学仿真结果进行合理性、一致性、正确性及完备性测试评估。
12.可选的，所述数学仿真系统中的数学仿真及数学计算包括，卫星轨道仿真、波束仿真、空间环境计算、链路仿真、链路传输计算、网络拓扑仿真、可见性计算及覆盖性计算。
13.可选的，在对所述低轨卫星系统软件仿真平台进行卫星系统自闭环试验中，通过所述数学仿真系统提供卫星系统所需信息，通过所述卫星系统对数据生成软件生成的信息及卫星系统所需信息进行信息仿真，并通过所述测试评估模块对数据生成软件生成的信息及信息仿真结果进行测试评估以实现信息接口试验及信息流解帧试验；通过所述卫星系统对信号源生成的信号及卫星系统所需信息进行信号仿真，并通过所述测试评估模块对信号源生成的信号及接收机处理的信号仿真结果进行测试评估以实现信号收发处理试验；其中信息仿真包括信息流仿真及信息收发处理仿真，信号仿真包括信号收发处理仿真。
14.可选的，在对所述低轨卫星系统软件仿真平台进行信关站及用户系统自闭环试验中，将所述卫星系统自闭环试验中的卫星系统替换为信关站或用户系统，并将所述数据生成软件、信号源及接收机的输出信息或信号替换为信关站或用户系统对应的信息或信号格式以实现信关站或用户系统的信息接口试验及信息流解帧试验。
15.可选的，在对所述低轨卫星系统软件仿真平台进行侧控系统自闭环试验中，通过数据生成软件生成初始测控数据，通过所述第三方软件对初始测控信息进行比对，通过所述测控系统对初始测控数据进行测控仿真；通过测试评估模块对测控仿真结果及初始测控信息比对结果进行测试评估以实现测控系统信息流接口测试及信息处理正确性测试；其中测控仿真包括星间链路管理仿真及卫星管理仿真。
16.可选的，在对所述低轨卫星系统软件仿真平台进行运营中心自闭环试验中，通过
所述数据生成软件构造监控信息流，通过运营中心对监控信息流进行运营中心信息仿真及运营中心卫星可见性判断；通过测试评估中心对监控信息流、由数学仿真系统生成的卫星可见性判断结果、运营中心信息仿真结果及运营中心卫星可见性判断结果进行功能及性能的测试评估，其中运营中心信息仿真包括信息流解帧息仿真及信息流参数处理仿真。
17.可选的，在对所述低轨卫星系统软件仿真平台进行运管中心自闭环试验中，通过所述数据生成软件构造监控信息流，通过运管中心对监控信息流进行运管中心信息仿真及运管中心卫星可见性判断；通过测试评估中心对监控信息流、由数学仿真系统生成的卫星可见性判断结果、运管中心信息仿真结果及运管中心卫星可见性判断结果进行功能及性能的测试评估，其中运管中心信息仿真包括信流解帧息仿真及信息流参数处理仿真。
18.可选的，该系统还包括：场景配置遍历表，在对所述低轨卫星系统软件仿真平台进行完整系统自闭环试验中，通过场景配置遍历表生成不同业务场景以驱动低轨卫星系统软件仿真平台运行，通过测试评估模块对运行过程中的低轨卫星系统软件仿真平台中各个仿真模型的中间结果及最终结果进行正确性和合理性的测试评估。
19.本发明具有如下技术效果：1）本发明所述低轨卫星系统仿真平台自闭环试验方法设计考虑了低轨卫星系统中关键分系统的自闭环验证和整体自闭环验证，且根据实际工程系统建设情况，可扩展更多分系统，相关的参数、算法可根据实际需求配置，本发明中的数据生成软件和第三方软件对比测试方法同样适用；2）本发明所述的场景配置遍历表为根据实际自闭环验证需求生成的场景配置表，同样地，该场景配置遍历表可灵活增删，且各个分系统探测点透明设计。既能完成软件仿真平台的自闭环试验需求，也可直接支撑工程系统中关键技术的验证需求，将测与用紧密结合。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例中数学仿真系统的自闭环试验设计示意图；图2为本发明实施例中卫星系统/信关站/用户系统的自闭环试验设计示意图；图3为本发明实施例中测控系统的自闭环试验设计示意图；图4为本发明实施例中运管中心/运营中心的自闭环试验设计示意图；图5为本发明实施例中低轨卫星系统软件仿真平台完整的自闭环试验设计示意图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.为了解决在现有技术中存在的问题，本发明提供了如下方案：本发明提供了一种低轨卫星系统软件仿真平台自闭环试验设计方法，设计构建自闭环校验系统，在自闭环校验系统中，低轨卫星系统软件仿真平台包含数学仿真系统、卫星系统、信关站、运管中心、测控系统、运营中心和用户系统各个分系统。一种低轨卫星系统软件仿真平台自闭环试验设计，包括卫星及星座系统自闭环设计、信关站自闭环设计、运营中心自闭环设计、运管中心自闭环设计、测控系统自闭环设计、用户系统自闭环设计、完整系统自闭环设计。各分系统的自闭环设计包含：数据生成软件按照对应的协议构造信息流/第三方软件构造数据流/信号源构造信号流，分系统完成相应的数据仿真输出，测试评估模块比对试验结果。完整系统的自闭环设计包括：设计星间链路、整网信息流、卫星测控、用户通信导航等业务的场景配置遍历表，驱动低轨卫星系统软件仿真平台运行，在各个模型的输出口设置数据探测节点，由测试评估模块评估每个中间结果和最终结果的正确性和合理性。本发明通过构建低轨卫星系统软件仿真平台各分系统和完整系统的自闭环设计试验系统，既可是软件模型的试验亦可是工程硬件的试验，试验的输入和状态可以灵活配置，可实现与低轨卫星系统软件平台或硬件平台的自闭环验证。
24.根据本发明的一方面，一种航天系统数字模型自闭环校验方法，所述自闭环设计包括卫星及星座系统自闭环设计、信关站自闭环设计、运营中心自闭环设计、运管中心自闭环设计、测控系统自闭环设计、用户系统自闭环设计、完整系统自闭环设计。其中，所述低轨卫星系统软件仿真平台包含数学仿真系统、卫星系统、信关站、运管中心、测控系统、运营中心和用户系统各个分系统。所述各个分系统的自闭环设计为各个分系统自闭环试验的方法，所述完整系统为各个分系统集成后组成的低轨卫星系统软件仿真平台这一完整系统，其自闭环试验设计为完整系统的自闭环设计。
25.针对本发明所提供的系统相关的各个分系统及完整系统的自闭环设计，其自闭环设计包括以下内容：s1、设计数学仿真系统自闭环试验，数学仿真系统包含卫星轨道仿真、波束仿真、空间环境计算、链路仿真、链路仿真、链路传输计算、网络拓扑仿真、可见性计算和覆盖性计算等模块。自闭环试验也是围绕这些模块的功能逐个进行试验，测其是否满足了数学仿真系统整体的功能和性能要求。数学仿真系统的自闭环试验主要由第三方软件stk软件等和公开的数据产品与测试评估模块完成。首先将数学仿真系统所需初始数据生成，输入至数学仿真系统中，处理后的结果送入测试评估模块与公开的数据产品、第三方软件及初始数据进行对比，主要以合理性、一致性、正确性、完备性四个准则来评价；s2、设计卫星系统自闭环试验，卫星系统包括信息流仿真、信息收发处理仿真、信号收发处理仿真三大功能。卫星系统的自闭环试验也围绕这三大功能展开。卫星系统的自闭环试验主要由数据生成软件、信号源、数学仿真系统、接收机与测试评估模块完成。其中，经自闭环验证后的数学仿真系统作为卫星系统的输入将卫星系统所需的卫星轨道、姿态、可见性信息输入。自闭环试验分为接口试验、信息流组解帧试验、信息收发处理试验和信号收发处理试验，其中，所述数据生成软件辅助完成信息接口试验、信息流组解帧试验和信息收发处理试验。信号源和接收机辅助完成信号收发处理试验；s3、设计信关站和用户系统自闭环试验，卫星系统与信关站及用户系统为信号信息收发直接互联，信息信号相互收发的两个系统，因此，卫星系统的自闭环试验过程同样适
用于信关站。不同的是其中数据生成软件、信号源和接收机是分别根据卫星系统和信关站的信号信息格式进行收发，二者的自闭环验证过程设计完全一致；s4、设计测控系统自闭环试验，测控系统与运营管理中心和卫星都存在连接关系，测控系统主要对卫星和星间链路进行管理。因此测控系统的自闭环试验需要借助stk软件和数据生成软件协作完成，stk软件用于比对测控系统的卫星测控的信息和星间链路规划及路由信息，数据生成软件则辅助完成测控系统信息流接口测试、信息处理正确性测试等。
26.s5、设计运管中心和运营中心的自闭环试验，运管中心和运营中心主要与信关站进行信息传输，因此其自闭环试验围绕信息流与信息处理仿真进行。数据生成软件按照对应的协议构造卫星数传数据、站间数传数据和主要业务的监控信息等信息流对运管中心/运营中心的信息流组解帧仿真和信息流参数处理仿真进行功能和性能验证；s6、根据实际工程系统中以上各个分系统的连接关系和运行控制逻辑，集成构成完整的低轨卫星仿真平台，设计星间链路、整网信息流、卫星测控、用户通信导航等业务的场景配置遍历表，生成后驱动低轨卫星系统软件仿真平台运行，在各个模型的输出口设置数据探测节点，由测试评估模块评估每个中间结果和最终结果的正确性和合理性。
27.通过系统对应的实验设计步骤对上述内容进行详细说明：s1、如图1所示为本发明实施例中数学仿真系统的自闭环设计包括以下步骤：1）定义数学仿真系统的功能模块：已包含的有卫星轨道仿真、波束仿真、空间环境计算、链路仿真、链路传输计算，可根据低轨卫星业务需求进一步按需增加。
28.2）第三方软件stk或公开的轨道和环境等数据产品生成卫星轨道仿真、波束仿真、空间环境的初始数据及外推数据，将初始数据输入数学仿真系统，由测试评估模块比对第三方软件和数学仿真系统的输出轨道外推结果一致性，比对空间环境计算、链路可见性计算和覆盖性解算结果的一致性和正确性。
29.3）第三方软件opnet生成网络拓扑的初始配置数据，由测试评估模块比对数学仿真系统生成的网络拓扑结构、路由表的正确性。
30.s2、如图2所示为本发明示例中卫星系统/信关站/用户系统的自闭环设计，包括以下步骤。
31.1）定义卫星系统/信关站/用户系统的功能模块：三者的自闭环验证的可以采用统一的架构，其共同点在于均是对其信息流组解帧功能、信息收发处理逻辑和信号收发处理进行验证，具体地，功能可根据业务需求进一步扩展和细化。
32.2）卫星系统/信关站/用户系统均是信号收发的实体，既需要借助信号源对其信号接收功能进行自闭环验证，也需要借助接收机完成其信号发送功能的自闭环验证。在实际低轨卫星系统中，卫星系统发送卫星信号，由信关站和用户系统接收，同样地，信关站和用户系统也会将上注信号等发送给卫星，另外卫星间、信关站间也存在信号收发。因此，信号源在对卫星系统进行自闭环验证时，播发的信号可来自卫星、信关站和用户，同样地，信号源对信关站进行自闭环验证时，播发的信号可来自信关站、卫星和用户。
33.3）卫星系统/信关站/用户系统的信息流仿真和信息收发处理仿真与信号收发流程类似，不同的是信息收发处理验证的是数据收发和交换处理的正确性，因此不需再借助信号源和接收机完成，只需利用数据生成软件按照对应的信息编排方式给卫星系统/信关站/用户系统，由测试评估模块对其输出结果进行正确性和一致性验证。
34.s3、如图3所示为本发明示例中测控系统的自闭环设计，包括以下步骤。
35.1）定义测控系统的自闭环验证功能：包含但不限于星间链路管理和卫星管理功能。
36.2）利用数据生成软件按照初始数据生成卫星的姿轨控信息输入至测控系统，并将初始数据也输入stk软件生成卫星的调姿调轨数据，利用测试评估模块对比stk软件得到的可见性、姿态和轨道的理论数据和测控系统生成的卫星位置姿态信息。
37.3）利用数据生成软件将星间链路初始信息输入测控系统，将其输出的星间链路建链规划表和路由表交由测试评估模块分析合理性。
38.s4、如图4所示为本发明示例中运管中心/运营中心的自闭环设计，包括以下步骤。
39.1）定义运管中心/运营中心的自闭环验证功能，包括但不限于信息流仿真和信息处理仿真。
40.2）利用数据生成软件模拟运管中心/运营中心收发的信息流，包括但不限于卫星数传数据、信关站间数传数据、主要业务监控信息等。
41.3）将运管中心/运营中心处理后的信息与数据生成软件的原始信息输入测试评估模块就行比对。运管中心处理的参数中可能会包含卫星可见性等，需要将其与数仿系统进行比对。
42.s5、如图5所示为本发明示例中低轨卫星系统软件仿真平台完整的自闭环设计，包括以下步骤。
43.1)将数学仿真系统、卫星系统、测控系统、用户系统、信关站、运营中心和运管中心按连接关系集成为低轨卫星系统软件仿真平台，各个子系统设置输出结果探测点。
44.2）设计场景配置遍历表，遍历低轨卫星系统的使用场景，以驱动各个系统测到对应的功能，如星地星间站间数传等。
45.3）测试评估模块根据各个分系统探测点输出的中间结果和最终结果，评估结果的正确性和一致性。
46.现有技术中，未见有低轨卫星系统的软件仿真自闭环试验验证方法，根据本实施例的方案，系统性地自底向上介绍了低轨卫星系统软件仿真平台的自闭环设计，自闭环设计的接口是可扩展的，各个分系统仿真模型中的软件模型具备真实工程系统的处理流程，并且模型的对外接口定义可与工程的接口控制文件定义相一致，保证了数据格式是与工程接口控制文件相统一的，保证了该平台经自闭环验证后可直接用于系统关键技术验证，实现测用紧密结合。
47.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。