北斗全球系統(tǒng)自主導(dǎo)航地面模擬測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

賈衛(wèi)松 王海紅 燕洪成 曾連連

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

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北斗全球系統(tǒng)自主導(dǎo)航地面模擬測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

賈衛(wèi)松 王海紅 燕洪成 曾連連

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

針對北斗高精度自主導(dǎo)航性能指標(biāo)的測試驗證，設(shè)計了支持北斗全球系統(tǒng)星座的自主導(dǎo)航地面模擬測試系統(tǒng)。利用標(biāo)準(zhǔn)航天器鏈路通信終端接入星載自主導(dǎo)航計算機，實現(xiàn)以遠(yuǎn)程仿真測試服務(wù)器為核心的模擬測試系統(tǒng)架構(gòu),從通信機制、時間同步策略、結(jié)果評估方法等方面闡述系統(tǒng)設(shè)計原理。工程實踐結(jié)果表明：文章設(shè)計的自主導(dǎo)航地面模擬測試系統(tǒng)，支持在模擬建鏈場景及誤差源的條件下對衛(wèi)星自主導(dǎo)航進(jìn)行“跑合”驗證，可應(yīng)用于北斗全球組網(wǎng)衛(wèi)星設(shè)計、測試及在軌運行階段。其設(shè)計方法對其它衛(wèi)星自主智能任務(wù)的測試系統(tǒng)構(gòu)建亦具有借鑒意義。

北斗全球系統(tǒng)；自主導(dǎo)航；地面模擬測試系統(tǒng)

1 引言

高精度自主導(dǎo)航是新一代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，可使導(dǎo)航系統(tǒng)在一段時期內(nèi)完全脫離地面運控系統(tǒng)并繼續(xù)給用戶提供精確導(dǎo)航服務(wù)[1]。1997年后發(fā)射的GPSII-R及后續(xù)GPS衛(wèi)星都具有星間鏈路功能，初步具備自主導(dǎo)航能力。我國北斗全球系統(tǒng)自主導(dǎo)航通過星間雙向測距、數(shù)據(jù)交換以及星載處理器濾波處理，不斷修正地面站注入的衛(wèi)星長期預(yù)報星歷及時鐘參數(shù)，并自主生成導(dǎo)航電文和維持星座基本構(gòu)型[2]，可支持60天在軌自主運行[3]，增強系統(tǒng)的生存能力。由于空間環(huán)境的影響，星載計算機處理器運算能力較低，在工程實現(xiàn)中需要持續(xù)優(yōu)化算法設(shè)計，實現(xiàn)兼顧輸出電文精度和滿足衛(wèi)星硬件資源的目標(biāo)。自主導(dǎo)航算法的地面驗證過程應(yīng)全面考慮影響導(dǎo)航性能的環(huán)境因素和硬件效應(yīng)。目前國內(nèi)針對基于星間測量的自主導(dǎo)航技術(shù)局限于通過軟件仿真進(jìn)行研究與評估。南京航空航天大學(xué)等針對基于星間測量的星座自主導(dǎo)航進(jìn)行研究并實現(xiàn)仿真系統(tǒng)[4]，但其僅利用局域網(wǎng)通信的計算機仿真出星座自主導(dǎo)航系統(tǒng)的運行過程，不具備與真實衛(wèi)星設(shè)備的對接及系統(tǒng)驗證能力。基于星間測量的自主導(dǎo)航在衛(wèi)星物理實物平臺中的驗證技術(shù)領(lǐng)域尚屬空白。

本文以北斗全球系統(tǒng)衛(wèi)星研制為背景，設(shè)計了自主導(dǎo)航地面模擬測試系統(tǒng)，在設(shè)計階段即可模擬整星軟硬件環(huán)境，實現(xiàn)自主導(dǎo)航長期可靠性“跑合”(指系統(tǒng)組裝完成后，按事先設(shè)計規(guī)程進(jìn)行的運轉(zhuǎn)試驗)，具備從設(shè)計到在軌的全生命周期的擴(kuò)展應(yīng)用能力，充分驗證北斗高精度自主導(dǎo)航性能指標(biāo)。

2 問題分析與設(shè)計原則

北斗全球系統(tǒng)自主導(dǎo)航算法復(fù)雜，接口信息繁多，組網(wǎng)衛(wèi)星之間時序配合精確，具有如下特性：

(1)自主導(dǎo)航計算機處理器及存儲器的選用受到空間環(huán)境限制，但在有限的運算精度、處理能力和存儲資源條件下必須保證導(dǎo)航服務(wù)的性能指標(biāo)。

(2)運行于較高軌道的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星易于受到單粒子效應(yīng)影響觸發(fā)設(shè)備復(fù)位或切機故障，在自主運行60天期間需要自主快速恢復(fù)。

(3)時分體制的星間網(wǎng)絡(luò)為自主導(dǎo)航提供通信鏈路資源和測量信息，但在軌的星間幾何構(gòu)型及路由算法必須保證較小的位置精度因子，提高定位精度。

為此北斗自主導(dǎo)航技術(shù)需要在地面進(jìn)行充分的測試與驗證。然而單純采用軟件模型仿真的方法僅能驗證算法理論，無法證明其在衛(wèi)星實物平臺工程實現(xiàn)的可行性與正確性；作為正在快速發(fā)展的衛(wèi)星自主智能的代表，北斗自主導(dǎo)航信息綜合性強的特點，導(dǎo)致傳統(tǒng)的激勵-反饋模式的測試方法失效；北斗全球組網(wǎng)批產(chǎn)的快節(jié)奏，導(dǎo)致在整星測試階段及分系統(tǒng)測試階段沒有資源供給自主導(dǎo)航進(jìn)行長期“跑合”可靠性測試，這些均成為地面驗證的難題。

針對自主導(dǎo)航的在軌特性及測試驗證中遇到的問題，北斗全球系統(tǒng)自主導(dǎo)航模擬測試系統(tǒng)在構(gòu)建時遵循以下設(shè)計原則：①擴(kuò)展性：以最小的設(shè)備集合實現(xiàn)最完整的功能包絡(luò)，盡量在單機階段完成全面驗證及長期可靠性“跑合”，同時進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計，靈活擴(kuò)展支持分系統(tǒng)及整星測試，使軟件設(shè)計、單機驗證、整星測試全生命周期場景一致。②通用化：驗證全球組網(wǎng)星座級自主導(dǎo)航信息流及星間星地協(xié)議，具備靈活接入中圓地球軌道(MEO)、地球靜止軌道(GEO)和傾斜地球同步軌道(IGSO)三類軌道衛(wèi)星的能力。③集成化：融合軟硬件實物平臺與全星座虛擬仿真平臺，集成運控、星間鏈路[5]及測控多通道信息模擬與處理。④自動化：支持60天無人值守運行，自主完成數(shù)據(jù)分析及跟蹤評估。

3 技術(shù)方案

北斗全球系統(tǒng)自主導(dǎo)航地面模擬測試系統(tǒng)以北斗全星座衛(wèi)星自主導(dǎo)航仿真為基礎(chǔ)，模擬測控系統(tǒng)、運行控制系統(tǒng)及星間鏈路系統(tǒng)，引入衛(wèi)星鐘差、星間測距時延、收發(fā)天線相位中心至衛(wèi)星質(zhì)心的修正量等誤差因素，建立在軌真實環(huán)境的半實物模擬測試平臺。基于航天器工程建設(shè)中設(shè)備接口繁多和信息類型龐雜的特點，本節(jié)從系統(tǒng)架構(gòu)和信息流設(shè)計兩方面對方案進(jìn)行論述。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

自主導(dǎo)航軟件運行于星載計算機，由導(dǎo)航載荷、測控應(yīng)答機和星間收發(fā)信機構(gòu)成外部通道環(huán)境，由北斗星座組網(wǎng)構(gòu)成空間鏈路環(huán)境，因此在模擬測試系統(tǒng)設(shè)計中，利用標(biāo)準(zhǔn)航天器鏈路通信終端替代鏈路設(shè)備，以仿真測試服務(wù)器建立仿真星座，實現(xiàn)圖1所示的以服務(wù)器為核心的模擬測試系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 模擬測試系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of simulation and test system

1)仿真測試服務(wù)器

北斗自主導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)是全球組網(wǎng)，由網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星節(jié)點之間測量通信并分布式計算[6]實現(xiàn)精確定位。作為控制中心，仿真測試服務(wù)器構(gòu)建了北斗全球系統(tǒng)星間及星地網(wǎng)絡(luò)，利用通信終端實現(xiàn)與自主導(dǎo)航計算機交互信息，并具備直接與整星對接的擴(kuò)展能力。服務(wù)器實現(xiàn)全星座衛(wèi)星分布式自主導(dǎo)航的仿真，集成地面測控站、地面運控主控站及Ka頻段錨固站模擬功能，基于以太網(wǎng)定制服務(wù)協(xié)議鏈接各通信終端。通信終端通過衛(wèi)星電纜與自主導(dǎo)航計算機進(jìn)行信息交互，將自主導(dǎo)航計算機實物目標(biāo)接入至仿真星座網(wǎng)絡(luò)中。與整星對接時，測控應(yīng)答機、相控陣收發(fā)信機及導(dǎo)航載荷替代通信終端，通過整星電纜網(wǎng)與自主導(dǎo)航計算機通信。在服務(wù)器外圍配套中頻處理機和射頻上、下變頻器，實現(xiàn)與相控陣收發(fā)信機通信，配套網(wǎng)絡(luò)交換機與整星測控前端及運控前端通信，建立測控、運控及星間通道，將被測衛(wèi)星接入至仿真衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器通過更換底層驅(qū)動，實現(xiàn)整星測試設(shè)備拓?fù)湎碌耐ㄐ殴δ軘U(kuò)展。服務(wù)器提供可視化界面，遠(yuǎn)程控制衛(wèi)星自主導(dǎo)航的運行，實時監(jiān)視接口狀態(tài)及算法運算過程，對下行播發(fā)的星歷及鐘差結(jié)果進(jìn)行跟蹤評估。

2)測控通信模擬

模擬系統(tǒng)針對測控通道設(shè)計了測控通信終端。通過模擬衛(wèi)星應(yīng)答機系統(tǒng)，將在遠(yuǎn)程仿真測試服務(wù)器產(chǎn)生的遙控指令數(shù)據(jù)，通過信號協(xié)議轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)發(fā)至自主導(dǎo)航計算機的遙控接口，實現(xiàn)衛(wèi)星時間校正、星間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼奥酚膳渲玫瓤刂乒δ堋Ｗ灾鲗?dǎo)航計算機產(chǎn)生的實時遙測數(shù)據(jù)，通過遙測接口發(fā)往測控通信終端，經(jīng)解析后發(fā)送至遠(yuǎn)程仿真測試服務(wù)器。仿真測試服務(wù)器根據(jù)軟件狀態(tài)及結(jié)果遙測實現(xiàn)過程自動化判讀，監(jiān)測衛(wèi)星運行狀態(tài)。

3)運控通信模擬

導(dǎo)航衛(wèi)星載荷設(shè)備負(fù)責(zé)主控站注入的運控信息業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理及轉(zhuǎn)發(fā)，模擬衛(wèi)星載荷的運控通信終端接收仿真測試服務(wù)器中模擬主控站的注入信息，轉(zhuǎn)化為星載接口業(yè)務(wù)格式，通過信號協(xié)議轉(zhuǎn)換注入至自主導(dǎo)航計算機。自主導(dǎo)航計算機從運控通信終端獲取啟動電文參數(shù)及運行周期、擬合時長等控制信息，并將計算產(chǎn)生的自主導(dǎo)航電文及完好性信息，通過運控通信終端播發(fā)至遠(yuǎn)程仿真測試服務(wù)器。

4)星間鏈路通信模擬

相控陣收發(fā)信機與自主導(dǎo)航計算機之間的星載接口業(yè)務(wù)，由星間鏈路通信終端模擬。終端將遠(yuǎn)程仿真測試服務(wù)器產(chǎn)生的本星測量幀及星間自主導(dǎo)航業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)幀，提交給自主導(dǎo)航計算機，把自主導(dǎo)航計算機產(chǎn)生的自主導(dǎo)航星間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)幀，轉(zhuǎn)發(fā)給仿真測試服務(wù)器。

3.2 信息流設(shè)計

按路徑區(qū)分，北斗自主導(dǎo)航地面模擬測試系統(tǒng)內(nèi)信息傳輸，可分為星內(nèi)路徑和星間路徑，均以北斗標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議幀為載體，為星載自主導(dǎo)航計算機構(gòu)建真實外部環(huán)境。出于兼容性設(shè)計，星內(nèi)的信息流在整星測試階段真實設(shè)備加入后可靈活隔離。按信息區(qū)分，傳輸?shù)男畔⒖煞譃榭刂祁愋畔⒑陀嬎阈畔?，控制類型信息便于系統(tǒng)狀態(tài)感知與維護(hù)，計算信息則作為北斗全球系統(tǒng)自主導(dǎo)航算法周期迭代的基礎(chǔ)。

以被測衛(wèi)星自主導(dǎo)航計算機為中心進(jìn)行分析，可以得到星地遙控、星地遙測、星內(nèi)時間業(yè)務(wù)、星間發(fā)送、星間接收、星內(nèi)接口業(yè)務(wù)、星地運控注入、星地運控用戶數(shù)據(jù)下發(fā)共8條路徑，涵蓋功能控制信息、衛(wèi)星及網(wǎng)絡(luò)健康狀態(tài)、北斗時基準(zhǔn)、電文、協(xié)方差、雙向偽距測量、用戶星歷、用戶鐘差及完好性結(jié)果等信息。由于涉及多種數(shù)據(jù)類型，在設(shè)計時需針對每類業(yè)務(wù)信息路徑進(jìn)行分析，保證信息覆蓋完整且時序無沖突。以星間路徑為例，自主導(dǎo)航電文、星歷星鐘協(xié)方差、全星座偽旋轉(zhuǎn)修正定向參數(shù)、單向偽距測量值在北斗時分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中，需要根據(jù)建鏈關(guān)系定時啟動星間交互，于算法處理之前匯聚分布式數(shù)據(jù)集合，要求系統(tǒng)部件之間以嚴(yán)格的時序通信，避免跨運行周期的數(shù)據(jù)錯亂。而星內(nèi)接口業(yè)務(wù)涵蓋的本星偽距測量值的收集、用戶星歷星鐘的傳輸、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)布等，與星間路徑中的信息時序形成嚴(yán)密的配合，覆蓋自主導(dǎo)航全部輸入輸出。各應(yīng)用業(yè)務(wù)類型在設(shè)備間的信息流如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)信息流圖Fig.2 Service information flow diagram

4 設(shè)計原理

通過系統(tǒng)架構(gòu)和信息流的設(shè)計過程可以看出，自主導(dǎo)航模擬測試系統(tǒng)涉及了整星所有信息通路及業(yè)務(wù)類型，涵蓋了星載接口業(yè)務(wù)和星座組網(wǎng)路由關(guān)鍵技術(shù)。從系統(tǒng)設(shè)計角度，利用有限的地面設(shè)備資源建立精確的星間通信機制和系統(tǒng)唯一的時間基準(zhǔn)，是對星座運行真實模擬的難點；從功能目的角度，自主導(dǎo)航性能評估方法和長期可靠性“跑合”的自動化處理，是決定系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵；從虛實融合的角度，仿真測試服務(wù)器的設(shè)計方法，是決定系統(tǒng)擴(kuò)展性、通用性和構(gòu)建北斗網(wǎng)絡(luò)分布式計算環(huán)境的核心。

4.1 星間通信機制

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星間通信采用時分復(fù)用通信機制，以n×1 s為時間粒度進(jìn)行星間信息交換。在自主導(dǎo)航工作周期內(nèi)，以星間雙向測距信息作為軌道卡爾曼濾波輸入，通過導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)完成星間測量值、測距修正量、電文等自主導(dǎo)航信息交換，各衛(wèi)星節(jié)點利用收集的信息完成分布式自主導(dǎo)航算法計算。

北斗自主導(dǎo)航地面模擬測試系統(tǒng)，完全模擬在軌運行的北斗星間通信的協(xié)議及時序，利用以太網(wǎng)替代空間信號傳輸，利用通信終端替代物理層的測控應(yīng)答機、相控陣收發(fā)信機等編碼與同步層設(shè)備，星間偽距生成組件仿真產(chǎn)生雙向測距，并根據(jù)用戶配置參數(shù)靈活動態(tài)，引入鐘差參數(shù)、電離層干擾、相對論效應(yīng)和硬件通道時延。

模擬測試系統(tǒng)僅建立鏈路層及以上層級的通信，減少了對信機等衛(wèi)星通信物理層設(shè)備的依賴，使系統(tǒng)架構(gòu)更為簡潔，利于降低自主導(dǎo)航驗證成本。

4.2 時間同步策略

北斗全球系統(tǒng)的星地之間、衛(wèi)星之間和星內(nèi)各設(shè)備之間時間嚴(yán)格同步，為用戶提供高精度位置和時間服務(wù)。在測試系統(tǒng)中，仿真衛(wèi)星與被測衛(wèi)星實時通信并同步向后推算，時分復(fù)用的通信機制要求在精簡的半實物的北斗仿真星座中也建立唯一的時間基準(zhǔn)。然而星載自主導(dǎo)航計算機僅能通過測控通道授時，且測控信息在經(jīng)過測控通信終端及以太網(wǎng)傳輸過程中存在秒級時延，使測試系統(tǒng)與衛(wèi)星之間同步困難。因此模擬測試系統(tǒng)創(chuàng)新地采用時間碼與秒脈沖分別同步的環(huán)形校正方法，星間鏈路通信終端作為秒沿基準(zhǔn)，而自主導(dǎo)航計算機作為北斗時時間碼基準(zhǔn)，如圖3所示。

圖3 時間環(huán)形校正法示意圖Fig.3 Schematic diagram of time loop synchronization method

星間鏈路通信終端模擬北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的原子鐘產(chǎn)生時頻脈沖，接入至自主導(dǎo)航計算機。星載自主導(dǎo)航計算機每秒向星間鏈路通信終端播發(fā)當(dāng)前北斗時。當(dāng)星間鏈路通信終端接收到衛(wèi)星北斗時，將其調(diào)制為IRIG-B(DC)時間碼格式[7]。仿真測試服務(wù)器插裝標(biāo)準(zhǔn)IRIG-B時間接收卡，識別時間碼元及前沿，實現(xiàn)與北斗時的秒脈沖及時間精確同步。通過測控通道注入衛(wèi)星校時指令，即可實現(xiàn)北斗自主導(dǎo)航模擬測試系統(tǒng)各設(shè)備間時間同步，時間同步精度誤差小于1 ms，滿足時分通信要求。

4.3 結(jié)果評估方法

結(jié)果評估方法以自主導(dǎo)航性能指標(biāo)的驗證為導(dǎo)向。除正常使用模式外，為加快驗證系統(tǒng)完好性的進(jìn)程，模擬測試系統(tǒng)還設(shè)計了自測試模式。在自測試模式下，仿真測試服務(wù)器獨立運行北斗星座，仿真衛(wèi)星之間交換單程測距信息及星歷信息、分布式運行自主導(dǎo)航算法并按倍頻的工作周期迭代運算。在正常模式下被測衛(wèi)星加入模擬測試系統(tǒng)后，與被測衛(wèi)星同軌位的仿真衛(wèi)星進(jìn)入隔離模式，僅接收其他衛(wèi)星發(fā)來的測距和電文，保持周期性運行。被測衛(wèi)星替代同軌位仿真衛(wèi)星接入仿真星座。被測衛(wèi)星產(chǎn)生的電文及完好性信息會在下一個工作周期被仿真星座內(nèi)其他衛(wèi)星使用。

北斗自主導(dǎo)航的精度取決于偽距和載波相位測量值及廣播導(dǎo)航數(shù)據(jù)的質(zhì)量，其誤差是由控制段、空間段和用戶段所引起的。模擬測試系統(tǒng)重點針對控制段和空間段的誤差對精度性能的影響進(jìn)行評估。由于被測衛(wèi)星節(jié)點及仿真衛(wèi)星節(jié)點所輸入的測量值、星歷及鐘差信息，均源自仿真測試服務(wù)器的算法組件，輸出電文結(jié)果的誤差與模擬測試系統(tǒng)設(shè)備無關(guān)，僅與測距生成時用戶配置的硬件通道時延、鐘差、電離層參數(shù)及幾何因子(DOP)相關(guān)。導(dǎo)航衛(wèi)星通常將誤差源歸屬到各顆衛(wèi)星的偽距中，看成是偽距值中的等效誤差[8]，因此本系統(tǒng)以數(shù)據(jù)齡期(AOD)取值0～120 min的星歷用戶偽距誤差(URE)和鐘差作為評估值。根據(jù)系統(tǒng)使用模式，提取自主導(dǎo)航結(jié)果評估的8個項目如表1所示。

表1 結(jié)果評估項目

4.4 自動化處理方法

自動化處理是自主導(dǎo)航60天長期“跑合”的支撐技術(shù)，由測控通信終端和運控通信終端配合完成，實現(xiàn)一鍵式自動化測試。系統(tǒng)運行過程可分解為初始化參數(shù)配置、時間同步、監(jiān)測評估、故障恢復(fù)環(huán)節(jié)。為實現(xiàn)無人值守的目標(biāo)，通過遠(yuǎn)程仿真測試服務(wù)器訪問運控通信終端，注入長期預(yù)報星歷、啟動星歷及鐘差等參數(shù)；利用仿真測試服務(wù)器訪問測控通信終端，操作開啟被測衛(wèi)星星間網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)及天線指向業(yè)務(wù)并同步星地時間；過程監(jiān)測及評估結(jié)果自動錄入數(shù)據(jù)庫，并通過圖形界面實時顯示；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，進(jìn)行錯誤報警并恢復(fù)。故障恢復(fù)環(huán)節(jié)與時間同步和初始化配置緊密結(jié)合：服務(wù)器通過載荷星內(nèi)接口業(yè)務(wù)向星載計算機實時播發(fā)北斗時，當(dāng)星載計算機故障復(fù)位時，根據(jù)服務(wù)器提供的北斗時基準(zhǔn)恢復(fù)星上時間，維持系統(tǒng)時間同步，被測星與仿真星利用最后一次正確的計算結(jié)果繼續(xù)運行；若對衛(wèi)星進(jìn)行校時，系統(tǒng)根據(jù)環(huán)形校正法跟隨星載計算機中維護(hù)的北斗時，實現(xiàn)星座自主導(dǎo)航在外部干擾情況下全自主運行。

4.5 仿真測試服務(wù)器設(shè)計方法

仿真測試服務(wù)器集成北斗地面模擬測試系統(tǒng)的全星座虛擬仿真與測試中樞，采用分層結(jié)構(gòu)，可劃分為用戶接口層、系統(tǒng)功能層和運行支持層，如圖4所示。

用戶接口層提供面向系統(tǒng)測試技術(shù)人員的交互界面，提供遙控及運控上行操作接口，接收并顯示遙測信息及導(dǎo)航載荷播發(fā)信息，進(jìn)行仿真測試場景或運行參數(shù)的配置，設(shè)置星座配置、衛(wèi)星連接關(guān)系、協(xié)議參數(shù)等屬性，在測試過程中動態(tài)顯示網(wǎng)絡(luò)仿真及算法運行的狀態(tài)，并根據(jù)定制方式生成評估結(jié)果的圖形化顯示。

圖4 仿真測試服務(wù)器架構(gòu)Fig.4 Architecture of the simulation and test server

系統(tǒng)功能層由執(zhí)行仿真計算及協(xié)議轉(zhuǎn)換的核心組件構(gòu)成，將用戶接口層的配置信息以配置文件導(dǎo)入各仿真組件并執(zhí)行，將組件執(zhí)行狀態(tài)、過程數(shù)據(jù)及評估結(jié)果文件保存于數(shù)據(jù)庫。利用星座軌道仿真組件產(chǎn)生北斗星座網(wǎng)絡(luò)中每顆衛(wèi)星的位置坐標(biāo)，利用自主導(dǎo)航計算組件模擬全星座衛(wèi)星節(jié)點，利用網(wǎng)絡(luò)路由仿真組件形成建鏈關(guān)系和路由規(guī)劃，利用星間交互信息生成組件實現(xiàn)星間數(shù)據(jù)產(chǎn)生與接收，利用測控協(xié)議組件及運控協(xié)議組件為用戶支持層提供操作與顯示服務(wù)，利用測試評估計算組件對星歷及鐘差精度、鏈路使用率等性能進(jìn)行評估。

運行支持層提供各組件與外部信息交互的底層支撐環(huán)境及數(shù)據(jù)存儲、查詢功能。接收外部時間信號，為各層業(yè)務(wù)提供時間基準(zhǔn)，同時將衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議幀封裝于定制的模擬測試系統(tǒng)協(xié)議幀中，實現(xiàn)與各鏈路終端的通信。

分層設(shè)計方法保證了軌道計算、建鏈路由規(guī)劃和自主導(dǎo)航算法的構(gòu)件封閉性和動態(tài)加載能力。此外，在單機交付整星測試時，僅需替換運行支持層的終端通信協(xié)議，即可實現(xiàn)模擬測試系統(tǒng)的向后兼容。

5 應(yīng)用與驗證

在單機測試階段，利用北斗全球系統(tǒng)自主導(dǎo)航地面模擬測試系統(tǒng)建立空間應(yīng)用環(huán)境，通過仿真測試服務(wù)器模擬北斗全星座衛(wèi)星，引入鐘差、時延等誤差源，對在星載計算機中運行的自主導(dǎo)航算法進(jìn)行性能評估，同時對模擬測試系統(tǒng)的通用性、集成化、自主運行穩(wěn)定性進(jìn)行考核。驗證條件如表2所示。

表2 驗證條件

測試結(jié)果表明：北斗自主導(dǎo)航地面模擬測試系統(tǒng)能夠通過可視化界面實時監(jiān)測星載自主導(dǎo)航計算過程，具備靈活接入MEO、GEO、IGSO和地面錨固站的能力，可全覆蓋驗證自主導(dǎo)航信息流及星間星地標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。在故障注入的條件下自主運行60天后，以秒脈沖為基準(zhǔn)的經(jīng)過自動化處理設(shè)計的模擬測試系統(tǒng)仿真衛(wèi)星與被測衛(wèi)星保持時分建鏈，嚴(yán)格按照網(wǎng)絡(luò)時序同步通信。結(jié)果評估的8個項目均滿足北斗自主導(dǎo)航指標(biāo)要求，其中仿真星及被測星的星歷URE差值小于1 m，說明星上針對受限的硬件資源優(yōu)化后的自主導(dǎo)航算法精度指標(biāo)與仿真衛(wèi)星一致，達(dá)到預(yù)期的驗證效果。全星座星歷URE評估結(jié)果如圖5所示。

在整星測試階段，去除模擬測試系統(tǒng)中的各通信終端，修改仿真測試服務(wù)器運行支持層，實現(xiàn)了與整星擴(kuò)頻應(yīng)答機、相控陣收發(fā)信機及導(dǎo)航載荷設(shè)備的有線對接。地面模擬測試系統(tǒng)功能擴(kuò)展后完成星-星-地聯(lián)合自主導(dǎo)航測試，驗證結(jié)果與單機測試結(jié)果相同。

圖5 全星座星歷URE-RMS評估結(jié)果圖Fig.5 Evaluation results of URE-RMS of the constellation

在軌應(yīng)用階段，根據(jù)地面模擬測試系統(tǒng)復(fù)建空間工作場景，通過衛(wèi)星遙測獲知固定時間段的真實星間偽距測量信息、全星座自主導(dǎo)航電文信息、網(wǎng)絡(luò)建鏈拓?fù)浼奥酚尚畔?，形成配置文件。將配置文件加載于仿真測試服務(wù)器的星間交互信息生成模塊，為仿真星及地面真星提供輸入。仿真星及地面真星完成自主導(dǎo)航計算后與在軌衛(wèi)星進(jìn)行自主導(dǎo)航電文結(jié)果比對，實現(xiàn)在軌與地面雙向印證的目的。若在軌自主導(dǎo)航性能指標(biāo)不理想，亦可通過模擬測試系統(tǒng)驗證自主導(dǎo)航升級版軟件后執(zhí)行在軌維護(hù)。系統(tǒng)的可擴(kuò)展性為自主導(dǎo)航設(shè)計、測試及在軌全周期的驗證一致性提供保障。

6 結(jié)束語

本文從北斗高精度自主導(dǎo)航性能指標(biāo)的測試驗證的需求出發(fā)設(shè)計北斗自主導(dǎo)航地面模擬測試系統(tǒng)，論述了系統(tǒng)設(shè)計原則與架構(gòu)，研究了星間通信機制、時間同步策略、結(jié)果評估方法等設(shè)計原理。系統(tǒng)在60天自主運行期間基準(zhǔn)鐘差不超過1 ms，仿真星和實物星URE差值小于1 m，具備超出60次復(fù)位及校時的故障恢復(fù)能力，支持在模擬建鏈場景及誤差源的條件下對北斗全球系統(tǒng)任意衛(wèi)星的自主導(dǎo)航任務(wù)進(jìn)行“跑合”驗證，可應(yīng)用于設(shè)計、測試及在軌運行階段。為全球組網(wǎng)衛(wèi)星自主導(dǎo)航算法優(yōu)化提供了有效的工具，為未來集中式自主導(dǎo)航的設(shè)計驗證方法提供參考。模擬測試系統(tǒng)擴(kuò)展性、通用化、集成化和自動化的設(shè)計原則，以及時間同步、結(jié)果評估、任務(wù)仿真等設(shè)計方法，對其它衛(wèi)星自主智能任務(wù)的測試系統(tǒng)構(gòu)建具有借鑒意義。

References)

[1]王海紅.導(dǎo)航衛(wèi)星星載自主軌道預(yù)報技術(shù)[J]，宇航學(xué)報，2012,33(8)：1019-1026

Wang Haihong. On-board autonomous orbit prediction algorithm for navigation satellites[J]. Journal of Astronautics, 2012, 33(8)：1019-1026 (in Chinese)

[2]帥平，曲廣吉，陳忠貴. 導(dǎo)航星座自主導(dǎo)航技術(shù)研究[J]. 中國工程科學(xué)，2006,8(3)：22-30

ShuaiPing, Qu Guangji, Chen Zhonggui. Studies on autonomous navigation techniques for navigation constellations[J]. Engineering Science, 2006,8(3)：22-30 (in Chinese)

[3]孟繁智. 星座自主導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 合肥：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2013

Meng Fanzhi. Research on key techniques of autonomous navigation for satellite based navigation constellation[D]. Hefei: National University of Defense Technology, 2013 (in Chinese)

[4]曹輝. 基于星間測量的星座自主導(dǎo)航研究與半物理仿真系統(tǒng)實現(xiàn)[D]. 南京：南京航空航天大學(xué), 2009

Cao Hui. Research on constellation autonomous navigation based on inter-satellite measurement and implementation of semiphysical simulation system[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2009 (in Chinese)

[5]侯振偉，易先清，鐘濤, 等. 輪詢建鏈規(guī)則下導(dǎo)航衛(wèi)星信息傳輸路徑選擇[J]. 裝備學(xué)院學(xué)報，2015(3)：69-73

Hou Zhenwei,YiXianqing, Zhong Tao,et al. Selection of navigation information transmission under the rules of polling chain-built[J]. Journal of Equipment Academy, 2015(3)：69-73 (in Chinese)

[6]林益明，秦子增，初海彬，等. 基于星間鏈路的分布式導(dǎo)航自主定軌算法研究[J]. 宇航學(xué)報，2010, 31(9)：2088-2094

Lin Yiming, Qin Zizeng, Chu Haibin, et al. A satellite cross link-based GNSS distributed autonomous orbit determination algorithm[J]. Journal of Astronautics , 2010, 31(9)：2088-2094 (in Chinese)

[7]賈磊. 基于FPGA的IRIG-B(DC)碼解碼卡的設(shè)計[J]. 計算機測量與控制，2015, 23(6)：2143-2155

Jia Lei. Design of FPGA-based IRIG-B (DC) decoder card[J]. Computer Measurement & Control, 2015, 23(6)：2143-2155 (in Chinese)

[8]Elliott D, Kaplan Cheristopher, J Hegarty. GPS原理與應(yīng)用[M]. 2版. 寇艷紅, 譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2014

Elliott D, Kaplan Cheristopher, J Hegarty. Understanding GPS: principles and applications[M]. Second Edition. Kou Yanhong, translated. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2014 (in Chinese)

(編輯：張小琳)

Design of Ground Simulation and Test System of Beidou Autonomous Navigation

JIA Weisong WANG Haihong YAN Hongcheng ZENG Lianlian

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

According to the verification of Beidou high precision autonomous navigation performance, the ground simulation and test system of Beidou satellite constellation is designed. Using the standard spacecraft link protocol terminal to access the on-board autonomous navigation computer, the architecture based on the simulation server is built. This paper expounds the system design principle from communication mechanism, time synchronization strategy, result evaluation method. The engineering practice shows that the system introduced in this paper supports the running-verification of satellite autonomous navigation under the conditions of simulated link scene and error source, and can be used in the stage of design, test and in-orbit operation. The design method can be used as reference for the construction of the test system of other satellite autonomous intelligence tasks.

Beidou satellite constellation; autonomous navigation; ground simulation and test system

2017-05-08；

2017-05-28

國家重大科技專項工程

賈衛(wèi)松，男，工程師，從事航天器綜合電子及自主運行設(shè)計工作。Email:kingarthurjs@163.com。

V474.25；V524

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.016