论文推荐 | 郭树人, 王威, 高为广, 卢鋆,柴强, 刘文祥, 陈颖：北斗卫星导航试验验证系统设计与实现
《测绘学报》
本文内容来源于《测绘学报》2020年第9期，审图号GS（2020）4848号。
郭树人1, 王威1
, 高为广1,卢鋆1,柴强2, 刘文祥3, 陈颖1
1.北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094;
2.中国卫星导航系统管理办公室测试评估研究中心, 北京 100094;
3.国防科技大学电子科学学院, 湖南 长沙 410073
收稿日期：2019-07-20；修回日期：2019-08-15
基金项目：国家自然科学基金（41974041）
摘要：北斗卫星导航系统是一个构成庞大、星地一体紧密耦合、建设周期长、技术状态不断演进的巨系统。面临着关键技术体制复杂、组网发射密度高、系统稳定运行难度大等多方面挑战，对系统的试验验证工作提出了极高的要求。本文分析了北斗系统在设计试验、星地对接及等效运行等方面试验验证任务，提出了一个与北斗系统全系统、全规模、全要素等效的地面试验验证系统体系架构。该系统具备软硬件平台协同工作、仿真系统与真实系统的等效运行，以及试验平台与卫星地面等系统远程互联等突出特点，解决了多系统仿真建模、系统高动态特性模拟及软硬件协同仿真等难题，实现了对北斗系统设计、建设与运行阶段的全过程验证，以及对北斗系统星间链路、卫星自主完好性及精密定轨等技术体制的试验验证。本文提出的系统是目前卫星导航领域唯一一个实现系统全状态仿真、能与真实系统同步迭代演进并协同运行的试验验证系统，可为其他航天任务的试验验证工作提供参考。
关键词：北斗系统 试验验证 体系架构 仿真建模
航天工程是复杂巨系统工程，卫星导航系统更是航天工程复杂巨系统的典型代表。卫星导航系统需要几十颗卫星发射入轨，并与数十个地面站组网运行，实现星地一体化运行管理，才能提供高精度、高可靠的定位、导航、授时(PNT)服务。为有效支撑系统的技术方案、关键体制及接口协议等论证和设计，世界各主要卫星导航系统都开展了仿真系统的研制及试验验证工作。
GPS从概念提出到系统完全建成期间进行了大量的建模、仿真与试验。20世纪80年代中期，美国Rockwell公司建立了一套星地信号回路仿真系统，以支持GPS BLOCKⅡ和BLOCKⅡA卫星系列的研发[1]，仅实现了系统的对接试验；20世纪90年代后期，美国军方采用SST分布式交互的GPS仿真系统，完成了一些关键技术的单点验证[2-3]；为了支持GPS现代化，AGI和OST等公司联合开发了卫星导航软件工具箱(NavTK)，用于GPS卫星导航用户任务的建模、仿真、军事行动和分析[4-5]，但主要服务于用户层软件仿真；由美国空军空间和导航系统中心研制的GIANT软件包括GPS空间段和用户段模型以及控制段模型，可以评估GPS的效能[6-9]，但它仅提供GPS星座与应用性能分析。以上试验验证系统尚无法实现对整个全系统全规模的试验，也无法对GPS星地系统运行流程进行设计与优化。
欧盟的Galileo系统，从建设之初就十分重视利用仿真软件进行总体设计和系统验证，开发了多个软硬件平台。欧空局(ESA)为Galileo系统设计了系统仿真软件(GSSF)[10-11]，用于仿真导航系统功能和性能，但不能验证整个Galileo系统信息信号的完整流程；在Galileo系统工程研制阶段，欧盟建设了Galileo系统试验平台(GSTB)[12-13]，对导航关键技术进行验证，但只是对关键技术的逐个验证；软件仿真验证环境(GRANADA平台、Polaris计划)[14-15]是为了支持Galileo关键技术验证而建立的，是一个通过软件仿真的导航接收机验证环境，但该平台无法测试验证整个系统的各项功能指标。以上试验验证系统仅通过硬件或软件分别开展试验，并仅能在系统设计研制阶段开展试验。
我国在北斗系统建设过程中同样非常重视系统仿真平台的建设与试验。国内学者在系统数学仿真、平台设计方法及系统对接试验等方面开展了研究。文献[16—17]分析了卫星综合仿真平台的设计思想与整体架构，分析了仿真平台的主要功能，并给出了综合仿真平台的具体实现方法。文献[18]总结了卫星导航系统仿真技术，并开发了“卫星导航数学仿真系统”软件平台，研究了卫星导航系统仿真结果分析与评价技术，但只是基于纯数学仿真的数据进行的评估。文献[19]应用平行系统理论，提出了基于Agent的导航系统实体建模及平台设计方法，给出了GNSS纯仿真数据平台的设计建设过程。文献[20—22]开展了针对系统信号层数据层、接口对接性验证及工程联调测试等方面的系统研制与试验，主要的系统包括星地对接系统、卫星地检系统、仿真验证与测试评估系统等。以上试验验证系统仅通过模拟数据对卫星导航系统进行仿真建模，并仅实现了两系统的对接试验。
从国内外卫星导航系统构建的仿真试验系统情况分析可以看出，目前卫星导航仿真系统重点是针对系统单个关键技术、单个分系统、单个发展阶段进行的软件或硬件仿真试验，尚未实现能够对复杂星座系统进行全系统、全规模、全状态的软件和硬件结合的仿真试验验证。北斗卫星导航系统(下简称北斗系统)是我国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，其建设需要构建一个有效的仿真试验验证系统，即地面试验验证系统，支撑系统的设计验证、工程对接及模拟演练等试验，持续服务北斗系统的研发、建设、运行和发展的全过程。
北斗系统是我国航天领域第一个真正意义上的全球系统，通过星地星间链路构建了由30余颗卫星与地面50余个地面站构成的庞大星地协同运行网络。北斗系统具有功能高度聚合、技术难度大、星星地一体化紧密耦合网络化程度高、分阶段组网建设实施状态迭代演进迅速等特点，北斗系统的试验验证任务主要为针对高复杂技术体制、高网络化星地架构及不断演进的阶段状态开展的设计试验、综合对接及等效运行等试验验证工作，具体任务主要为以下几个方面：
(1) 北斗系统方案体制的设计试验验证任务。北斗系统功能高度聚合、技术难度大，技术状态逐步升级，需要持续开展北斗系统方案、核心体制、关键技术以及工程建设过程中技术状态优化的试验验证，为系统技术状态确定和优化升级提供依据，降低系统组网部署风险。
(2) 北斗系统星星地网络综合对接试验验证任务。北斗系统具有星座规模庞大、高密度组网发射要求高、系统间接口关系复杂等特点，需持续开展工程建设过程中卫星、运控、测控、星间链路运管和应用验证等系统级综合对接，为系统间技术状态确认、卫星出厂以及工程转阶段提供依据。
(3) 北斗系统等效运行试验验证任务。北斗系统在不同的发展阶段具有不同的试验需求，因此需要在系统设计、建设、服务及升级的不同发展过程中在地面构建一个“等效的”仿真试验平台，与系统并行开展模拟演练等工作，为系统星地测试、状态联调、运行控制、资源调度、关键软件跑核以及在轨故障排查定位等提供支撑，保障系统稳定运行与迭代演进。
因此，在北斗系统研制建设过程中，需要建立卫星导航系统级的试验验证系统，即地面试验验证系统，构建代表北斗系统近真实状态的多层次灵活可控的仿真试验平台，对技术方案、关键体制、系统间接口、运行控制流程等进行全系统、全规模、全要素、全过程的试验验证，才能有效降低系统研制建设风险。
根据以上北斗地面试验验证系统的任务分析，为完成北斗系统设计试验、工程对接及等效运行等方面的验证工作，并突破系统真实灵活建模、复杂动态环境等效、星地一体控管及与真实系统协同运行等关键技术，实现北斗全系统、全规模及全要素的仿真建模，本文开展了北斗地面试验验证系统的架构设计。主要工作包括总体架构规划、总体思路设计以及总体架构的实现，为北斗地面试验验证系统的建设提供顶层指导。
2.1 系统总体架构设计
系统总体架构主要由北斗系统的等效映射和抽象集成实现，主要分为工程属性部分和仿真属性部分(图 1)。工程属性部分主要对北斗各大系统及空间环境进行真实建模；仿真属性部分主要对试验平台及对外接口进行综合控制与管理，驱动仿真系统运行。
| 图 1 地面试验验证系统总体架构 Fig. 1 Architecture of the ground test and verification bed |
图选项 |
系统工程属性模块主要用于对北斗系统空间段、地面段、用户段以及相互空间传输特性进行等效映射和抽象集成。主要包括系统各类软硬模拟器，具备卫星导航系统功能性能，模拟卫星星座和地面的空间环境传播特性，正确映射各系统间接口关系，构建系统间动态运行环境，实现硬件层面真实可信、软件层面灵活扩展。主要分为工程模型和环境模拟模块。
仿真试验属性模块主要完成系统整体运行与试验、信号与信息的交互、综合调度及性能评估等功能，实现全系统的调度管理、运行控制与效能评估，并实现与真实系统的互联互通、在轨监测及状态评估等功能。主要分为控制管理、对外接口及试验规划模块。
2.2 系统总体设计思想
根据北斗系统试验验证任务，提出了五方面的核心设计思想，实现了地面试验验证系统的特点设计，解决了系统建设难点。设计思想主要为：
(1) 真实灵活的工程建模体系。重点对工程系统总体架构的准确等效映射，突破多专业多要素模拟等创新，解决真实灵活建模等难点。
(2) 准确的动态特性仿真与传输。重点对星地、星星、地地等空间环境模拟与传输，突破多种试验模拟动态模拟等创新，解决系统动态特性模拟等难点。
(3) 全系统全流程的仿真能力。重点对系统间真实接口关系与运行流程全状态等效与指挥调度，突破星地一体化网络验证等创新，解决系统星地一体管控等难点。
(4) 分布式的对外互联接口。重点对在轨真实系统及地面系统的协同运行及监测评估，突破多功能聚合验证等创新，解决模拟系统与真实系统远程互联等难点。
(5) 状态逐步演化的系统架构。重点实现系统架构和功能性能与北斗系统同步迭代演进，突破状态演化灵活扩展等创新点，解决有效控制系统规模与成本等难点。
系统核心设计思想与系统特点及难点的对应关系见图 2。
| 图 2 系统核心设计思想与特点及难点对应关系 Fig. 2 The corresponding relationship between the core design idea, characteristics and difficulties of the proposed system |
图选项 |
2.3 总体架构实现
2.3.1 构建系统性的仿真建模体系，实现系统的真实性
卫星导航系统的仿真建模体系主要包括系统级的仿真建模及分系统的仿真建模(图 3)。
| 图 3 工程模型的建立与技术传递 Fig. 3 Establishment of process model and technology transfer |
图选项 |
(1) 系统级的仿真建模。重点构建系统全规模的仿真试验场景，通过面向多物理节点的建模实现了对卫星导航系统的整体建模，关注系统间输入输出接口关系，不对单一系统内部指标进行验证，关注全系统网络层信息流，不对单条链路及单机设备性能进行验证。
(2) 分系统级的仿真建模。重点构建分系统级的工程仿真模型，在分系统能够与真实系统保持技术状态一致的前提下，通过构建3类分系统模拟器来实现技术状态的传递和灵活性的扩展。3种模拟器真实性逐步递减、灵活性不断增加，通过灵活配置构建代表系统状态的近真实的仿真试验环境，实现了真实性和灵活性的有效统一。
一类模拟器，直接采用工程真实系统，确保技术状态与真实系统完全一致，主要包括工程卫星电性件设备、地面段运行系统等；二类模拟器，将卫星、地面段等系统进行模块化、小型化优化设计，在对外接口特性以及内部信息流、时序关系与工程保持一致的前提下，实现功能高度集成和等效，包括卫星模拟器、数字地面站等；三类模拟器，对真实硬件系统的行为进行抽象和软件建模，并确保对外表现和内部信息流、时序关系与工程基线基本等效，包括卫星软件模型及地面段各分系统软件模型等。
2.3.2 构建动态环境仿真与传输平台，实现系统时空特性的动态模拟
空间环境的模拟仿真是卫星导航系统建模的重要组成部分，也是能够真实构建系统运行状态的重要环节(图 4)。试验验证系统在实现工程系统仿真建模的基础上，进一步采用多频段射频信号采样与生成、万兆光信号多入多出交互及高精度动态信道特性实时模拟等技术，构建系统间的动态运行环境，实现不同信道条件下多链路、多频段大范围与高精度并重的功率、时延、相位、频率变化模拟；实现多系统间信号层真实环境的仿真模拟，使系统具备下行导航、上行注入、星间链路与锚固链路全频点，多星多站全规模链路全涵盖，使得卫星、运控和用户设备在地面静止条件下可以等效为参与了系统的真实动态运行状态，完成系统内静态信号到空间动态信号的转换；实现工程模型与软件仿真平台的星间、星地等信息交互与运行流程的真实模拟。
| 图 4 动态环境模拟与传输平台 Fig. 4 Dynamic environment simulation and transmission platform |
图选项 |
2.3.3 构建全系统的仿真架构，保证系统全规模体系
在完成系统模型建立和环境模拟的基础上，还需构建全系统的仿真架构，实现全系统全规模的整体运行，即系统对信息流、时间流和控制流的全面仿真试验(图 5)。主要工程实际运行过程通过统一的场景生成与配置、统一的时间空间基准和统一的综合控制管理来实现。实现对卫星导航仿真场景数据的生成和计算，完成仿真场景的规划及初始试验任务数据的配置，为系统内其他模块提供时频基准，将工程模型模块中建立的模型节点进行集成与管理，对试验运行过程进行监控调度与试验数据采集，并完成试验结果数据的效能评估，实现不同仿真试验需求下的试验设计、运行与评估。
| 图 5 综合控制与管理架构 Fig. 5 Integrated control and management architecture |
图选项 |
尤其是在系统软硬结合的多层次多状态协同仿真的实现过程中，重点通过统一的软硬环境时间基准，以软件系统和硬件系统分别作为信息和信号生成中枢，实现各类信息信号的仿真与处理。利用万兆交换网络实现信道模拟，实现硬件信号与软件信息的实时传输与转换，实现了软硬件协同配合场景下的全规模整网仿真能力。主要流程如图 6所示。
| 图 6 软件层及硬件层协同运行技术框图 Fig. 6 Technical block diagram of collaborative operation of software layer and hardware layer |
图选项 |
2.3.4 构建分布式的对外接口平台，实现与真实系统的互联互通
为实现地面试验验证系统的对接功能，提升系统的灵活扩展性，重点采用分布式互联的方式实现地面试验验证系统与真实工程系统之间的交互。首先通过远程光纤系统实现地面试验验证系统与真实卫星、运控等系统的远程互联互通，实现数据及信息的交互；其次，可以对在轨系统运行情况进行监测，观测和评估在轨系统运行情况；最后，可针对系统真实数据及软件进行状态跑核，开展系统问题定位与排查，支撑系统技术状态优化。试验验证系统与真实系统互联关系见图 7。
| 图 7 试验验证系统对外互联关系 Fig. 7 Interconnection of the test verification system |
图选项 |
基于光纤链路的射频信号远程传输技术是实现远程互联的核心，主要通过卫星导航双频授时实现高精度时间同步，实现了信号远程低信噪比损失的采样与恢复，保证了射频信号的远距离连续稳定传输[23-24]。将信号采样与恢复设备分别放置于地面试验验证系统机房和远端厂房，数字信号通过光纤远距离交互传输，两地在同步时频下进行射频信号的采样与恢复。通过这种远程对接模式，实现了工程实际系统与地面试验验证系统的虚实结合仿真试验，可大幅提高试验效率、减少人力物力等资源消耗。系统连接关系如图 8所示。
| 图 8 远程光纤链路的射频信号远程传输技术框图 Fig. 8 Block diagram of RF signal remote transmission technology of optical fiber link |
图选项 |
2.3.5 构建状态逐步演化的仿真架构，实现多种类型试验功能
状态逐步演化的系统仿真架构将有效控制系统规模，并重点确保试验验证系统的灵活性仿真，主要通过不同层次类型的软硬件仿真模型之间协同配置构建不同的试验场景来实现。多场景的仿真架构，确保系统具备可配置、可加速和可扩展升级能力，缩短试验时间，提高试验效率。从试验架构看，一类、二类模拟器等构建了硬件试验架构，以及各类软件三类模拟器构建的软件试验架构，两种架构既可以独立运行，又可以协同工作，实现软硬协调试验架构。同时，仿真环境接入厂房卫星等真实工程系统，可实现虚实结合的试验架构。因此，地面试验验证系统可提供纯软试验、纯硬试验、虚实结合、软硬协同试验4种试验功能。4种试验架构逐步升级演进。系统最终将演化为以软件驱动的软硬协同试验结构模式，同时不同的试验架构可以支撑设计试验、工程对接及等效运行不同类型试验验证工作。纯硬件及软件试验架构重点开展设计试验工作，虚实结合试验架构重点开展工程对接试验工作，软硬协同试验架构重点开展系统等效运行试验工作。随着系统仿真架构的逐步演化，系统灵活性逐步提升，系统试验功能逐步扩展。系统架构演化与试验功能对应关系见图 9。
| 图 9 系统仿真架构与试验功能演化 Fig. 9 Evolution of system simulation architecture and test function |
图选项 |
基于上述设计架构，完成了地面试验验证系统的建设。按照系统工程属性、仿真试验属性两个维度进行了系统组成规划，基于系统4种试验功能进行了系统仿真能力设计，并在设计验证、工程对接及等效运行方面取得了良好应用。
3.1 系统基本组成
地面试验验证系统组成涵盖代表空间段、地面段、用户段等各大系统，覆盖北斗运行系统完整的接口及业务关系，共包含11个分系统。代表工程属性的分系统主要包括空间段、运控、测控、星间链路运行管理、应用终端及全球系统仿真软件分系统。代表试验验证属性的分系统主要包括环境段模拟分系统、控制与综合保障分系统、性能评估软件、信息管理系统软件和复杂电磁环境分系统(图 10)。
| 图 10 地面试验验证系统组成 Fig. 10 Components of the ground test and verification bed |
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3.2 系统仿真试验能力
(1) 北斗系统服务试验验证能力。对系统不同服务类型(定位导航授时服务、星基增强服务及全球短报文服务)、不同运行模式(正常模式、异常模式)能力进行试验验证。
(2) 北斗系统核心关键技术体制试验验证能力。具备对系统核心的星间链路、精密定轨与时间同步、系统差分与完好性、星地一体化信息传输与处理等体制进行试验验证能力。
(3) 北斗系统全业务流程仿真能力。对系统业务流程(信息流、控制流、时间流)、星地星间测量业务(星地钟差、伪距及载波相位、星间钟差及伪距)数传业务(数据传输层、协议层、网络层、应用层)、星地一体化拓扑结构、链路规划及路由策略仿真。
(4) 北斗系统工程对接能力。能够与工程组网卫星及工程地面系统开展星星地综合对接试验工作，支撑卫星出厂。
(5) 北斗系统模拟演练能力。具备对北斗系统(卫星、运控、星间链路、测控、应用)，不涉及与组网发射相关的运载火箭、发射场系统状态等效验证与评估能力。
(6) 北斗系统在轨故障排查能力。能够针对北斗系统发现的问题进行故障复现，支撑系统问题定位与排查。
(7) 北斗系统演进升级能力。软硬件可灵活配置，功能性能可扩展升级，可与北斗系统同步演进升级。
3.3 地面试验验证系统应用
地面试验验证系统主要开展了三方面的仿真试验工作：一是开展系统核心技术体制的仿真研究和设计验证，持续开展新技术验证，推动创新发展；二是开展系统运行控制、系统间接口的综合试验验证，对系统技术状态进行确认，支持工程建设；三是开展系统的等效运行试验，支撑北斗系统异常排查，保障稳定运行。
3.3.1 北斗系统星间链路体制的设计试验验证
星间链路技术体制试验采用纯硬件及纯软件试验模式，构建了局部硬件规模和软件全规模的仿真场景，验证了星间链路星星地一体化流程的正确性，信息层接口设计的正确性和匹配性。首次验证了整网条件下星间信息传输的有效性，不同信息速率下业务传输网络传输时延、丢包率、网络容量及吞吐率的能力。选取了几种典型的星间链路网络设计方案进行评估，D1—D5分别为传统、优化和自适应的星地建链参数优化方法，比较了北斗系统中不同上行数据产生速率下各星间链路网络设计方案的性能。验证结果如图 11所示。
| 图 11 不同上行速率下各方案星地传输性能比较 Fig. 11 Comparison of satellite to ground transmission performance under different uplink rates |
图选项 |
试验表明，D5取得了最低的丢包率和平均时延；D1的丢包率和平均时延则明显高于其他方案。因此，北斗系统星间链路性能与全网卫星队列状态信息和信道情况紧密相关，在一定数据速率支持下，优化的星地网络建链方案可有效提升系统整网运行性能，为北斗全球系统接口关系及星间链路关键体制的确定提供了技术依据。
3.3.2 北斗系统卫星自主完好性功能的工程对接试验验证
地面试验验证系统采用虚实结合的工作模式，构建了系统硬件环境和真实卫星互联互通的仿真场景，开展了与北斗系统卫星的对接试验工作。重点针对卫星自主完好性处理功能及流程的正确性等进行了试验。验证了卫星伪距、载波相位、信号功率、调相调频等完好性监测数据的连续性，并对告警时间等指标进行了验证，实现了基本完好性告警全流程的试验。卫星自主完好性体制试验验证结果如图 12所示。
| 图 12 卫星自主完好性体制试验验证结果 Fig. 12 Verification results of satellite autonomous integrity system test |
图选项 |
试验表明，信号功率测量数据、伪距测量数据、载波相位测量数据、卫星钟频率跳变监测数据、卫星钟相位跳变监测数据等卫星自主完好性信息能够按照1 s采样间隔正常更新。伪距测量噪声优于7 cm，相位测量噪声优于5 mm，功率测量稳定度优于0.1 dB；卫星钟频率跳变测量精度优于0.04 Hz，相位跳变测量精度优于0.004 ns。当发生异常时，卫星自主完好性可监测到异常变化量，并能够在3 s内发出告警，有效验证了卫星自主完好性的功能性能。
3.3.3 北斗系统精密定轨能力的模拟演练试验验证
地面试验验证系统采用软硬协同工作模式，构建了软件及硬件协同工作全规模的仿真场景，对系统精密定轨接口关系和软件合理性及系统运行流程进行了模拟演练。通过对精密定轨上注电文、下行电文和星间互传信息的分析结算，验证了星地星间互传信息的正确性、下行导航电文的有效性。重点验证了系统在部分星地链路和全网星间链路支持下，进行长期精密定轨功能性能的验证，在地面有效的模拟试验了系统在轨全规模的能力。结果如图 13所示。
| 图 13 系统精密定轨体制试验验证结果 Fig. 13 Experimental verification results of precise orbit determination |
图选项 |
试验表明，在长期运行周期内，高轨卫星的轨道径向、切向和法向的误差可以控制在2、10和10 m以内，中轨卫星的轨道径向、切向和法向的误差可以控制2、5和5 m以内，中轨卫星的轨道精度较优。验证了系统星地星间联合定轨的有效性，以及基于部分星地链路与星间链路支持系统长期精密定轨的可行性。
本文结合北斗系统试验验证任务，完成了北斗地面试验验证系统总体思路及结构框架的设计，提出了软硬协同、虚实结合及光纤互联等技术路线，推动地面试验验证系统对北斗系统进行了全系统、全状态、全规模的试验验证，具备与工程建设同步实施、技术状态同步演进、与运行系统协同工作的能力。在北斗系统方案设计、综合对接、等效运行等方面开展了全面的验证，有力支撑了北斗系统的建设，为系统的长远发展奠定了基础，促进了航天科研能力的提升。后续将进一步推动北斗系统的升级换代，逐步丰富和完善地面试验验证系统能力，开展下一代北斗系统关键技术试验验证，成为卫星导航领域共享开放的试验平台。
第一作者简介：郭树人(1972-), 男, 研究员, 研究方向为卫星导航系统工程及总体设计等。E-mail:gsr888@tom.com
通信作者：王威, E-mail：15810266558@163.com
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