一种数字孪生电台系统的制作方法

本发明涉及数字孪生电台，尤其涉及一种数字孪生电台系统。

背景技术：

1、数据链通信装备是信息化战争的核心装备，是支撑多域联合作战的重要手段，在现代战争中扮演着十分重要的角色。数据链是链接数字化战场上的指挥中心、作战部队和武器平台之间的一种信息处理、交换和分发系统，使得多种信息化平台可以不受时间和空间限制接入网络，实现人与人、人与物以及物与物之间的信息交互。数据链通信能够帮助完成指控中心与武器平台之间的信息融合，是未来作战武器装备的生命线、提高战斗力的倍增器。对数据链通信装备进行数字化建设，打造基于模型驱动的数据链装备研发机制，有利于快速掌握数据链装备能力底数与能力差距，加快提升数据链装备能力水平，为打赢未来智能化战争奠下重要基础。

2、随着数据链通信装备复杂程度的不断增加以及各级作战平台铰链程度的逐步加深，数据链通信装备的数字化建设面临诸多挑战，主要体现在：

3、(1)在数据链通信装备的需求建模和系统设计阶段，现有的设计模式大多采用基于需求和设计文档的系统描述，系统论证不能涵盖数据链装备全生命周期的技术管理，技术指标体系也不能直观呈现，使设计人员无法洞察装备的层级组成关系和多维技术指标的相互影响；

4、(2)在数据链通信装备的研发制造阶段，现有的研发条件缺乏统一完备的组件管理，装备的制造产线分布在多家供应商，装备的生产数据不能有效共享，难以满足跨地域、跨单位的矩阵化研发模式；

5、(3)在数据链通信装备的测试阶段，现有的装备比测方法依赖于有限的预设应用场景，测试环境也难以全面反映真实的应用环境，缺乏全面客观的仿真测试环境，用于测试数据链通信装备的战术效能指标；

6、(4)在数据链通信装备的运行维护阶段，现有的装备组件缺乏全生命周期内的装备履历和坡面信息，缺乏对无线传输处理的过程域建模和状态数据的有效分析，不能满足对数据链装备的预测性维护需求。

7、现有数据链通信装备管理体系主要使用电子或纸质文档形式进行研发测试管理，存在需求建模不完整、系统设计不完善、研发测试周期长、装备健康管理不便等问题。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的在于提供一种数据驱动的数字孪生电台系统，解决现有数据链通信装备管理体系中存在的需求建模不完整、系统设计不完善、研发测试周期长、装备健康管理不便等问题，一方面采用3d几何建模工具对数据链通信装备进行无线数字孪生体组件的几何建模，镜像刻画数据链通信装备的基带、射频、天线等组件的几何形态与集成电路资源映射关系，形成数字孪生电台系统；另一方面采用系统建模工具对数据链通信装备进行无线数字孪生体组件的行为建模，透视数据链通信装备收发信机及其信号处理机制的无线传输机理，形成无线数字孪生体系统；第三方面采用实时仿真工具进行无线数字孪生组件的状态监测、数据交互和虚拟测试，对数据链通信装备和无线数字孪生体系统的行为进行双向校准，使之具备支持数字原型设计、数据链装备状态管理、数据链装备虚拟化测试等典型应用的能力。

2、为了实现上述目的，本发明提供的一种数字孪生电台系统包括：数字孪生电台结构模型、数字孪生电台行为模型、双向校准模块；

3、所述数字孪生电台结构模型，按照典型电台进行几何建模；

4、所述数字孪生电台行为模型，采用系统仿真工具对数字孪生电台结构模型进行行为建模，对数据链通信装备的传输机理进行组件级单元分解和镜像显示；

5、所述双向校准模块，基于实时仿真和交互测试对无线数字孪生体进行双向校准，包括采用实时仿真工具进行无线数字孪生组件的状态监测、数据交互和虚拟测试，对数据链通信装备和无线数字孪生体系统的行为进行双向校准。

6、进一步优选的，所述搭建数字孪生电台结构模型包括以下过程：

7、分别建立数字孪生电台主要结构组件，所述主要结构组件包括：电台主体、镜像天线单元、镜像功放单元、镜像射频前端单元、镜像处理机单元、镜像供电单元；

8、将主要结构组件进行装配，将各主要结构组件的电路采用集成处理板卡形式进行电路封装显示；将各电路板卡之间、电路板卡与外部接口之间，进行虚拟信号流向显示；

9、将各主要结构组件的电路的软件进行模型可视化展示。

10、进一步优选的，所述电台主体包括：固定站点数据链电台、车载数据链电台、机载数据链电台、舰载数据链电台、背负型数据链电台、手持型数据链电台、星上数据链载荷、弹上数据链载荷；

11、镜像天线单元包括鞭状天线、碟状天线、环形天线、相控阵天线、共形贴装天线；

12、镜像功放单元包括：a类功放、b类功放、c类功放；

13、镜像射频前端单元包括：单通道射频组件、多通道射频组件、天线集成组件；

14、镜像处理机单元包括标准化机箱模块、标准化信号处理板卡模块；

15、镜像供电单元包括标准化电源模块。

16、进一步优选的，所述将各电路板卡之间、电路板卡与外部接口之间，进行虚拟信号流向显示；包括：采用虚拟连接器形式进行信号流向显示包括：

17、射频连接线：提供带射频信号标识的信号流向显示；

18、高速传输总线：提供带比特流标识的信号流向显示，并可提供比特流信号的单路传输、分路传输和合路传输显示；

19、控制接口：提供带控制信号标识的信号流向显示；

20、授时接口：提供秒脉冲+时间信息标识的双路控制信号显示；

21、密钥接口：提供带加密标识的控制信号接口显示；

22、供电接口：提供带电流信号的信号流向显示。

23、进一步优选的，所述将各主要结构组件的电路的软件进行模型可视化展示，包括根据信号处理的功能属性将算法/软件部署于不同的处理板卡，以对fpga、dsp、gpp等处理资源的占用比例形式显示，包括：

24、射频处理软件：提供射频处理软件及空域处理算法在fpga处理器中的资源占比显示；

25、信道处理软件：提供信道处理软件及多通道处理算法在fpga处理器中的资源占比显示；

26、基带处理软件：提供信号处理软件及基带信号处理算法在dsp处理器或gpp处理器中的资源占比显示；

27、协议处理软件：提供协议处理软件及资源调度算法在dsp处理器或gpp处理器中的资源占比显示；

28、主控及接口处理软件：提供主控及接口处理软件在gpp处理器中的资源占比显示。

29、进一步优选的，所述采用系统仿真工具对数字孪生电台结构模型进行行为建模，包括：

30、根据空间域电磁波传播机理，对镜像天线单元进行传输机理建模；包括：预定义天线参数，所述天线参数包括：天线类型、极化方式、天线指向，采用天线方向图模拟仿真映射天线孪生单元的静态天线增益特性；

31、根据射频前端单元对模拟信号的传输机理，对模拟信号在功率域和频域的信号损失进行模拟，构建射频发射孪生单元和射频接收孪生单元；

32、根据数字信号处理组件对数字信号的传输机理，建立信号发送孪生单元和信号接收孪生单元；所述信号发送孪生单元是将信源的比特信息，经过信源编码、信道编码、调制映射、脉冲封装逐级处理，形成待发送的数字信号，输出到射频发射孪生单元；

33、所述信号接收孪生单元将接收到的数字信号，经过同步捕获、信道均衡、信号解调、信道译码和比特校验逐级处理，还原出原始发送信息。

34、进一步优选的，采用如下公式表示镜像天线单元传输机理建模中的输入输出要素映射关系：

35、

36、式中，表示三维天线方向图；dta-id表示天线孪生单元标识，用于标识对应于某个实装数据链通信装备天线组件的镜像天线单元；gm表示天线孪生单元的传输机理模型；atype表示天线类型；lmis-polar表示收发天线的极化失配损失；g0表示固定天线增益；θ,分别表示天线的水平和垂直方向角，用于天线方向角的跟踪。

37、进一步优选的，采用如下公式表示射频发射孪生单元传输机理建模的输入输出要素的映射关系：

38、spectrumdttx-id(ferr,specmask,specflat,evm)＝rfm(phnoise,filternoise,panoise)  (2)

39、式中，spectrum(ferr,specmask,specflat,evm)表示射频输出信号的频谱特性；dttx-id表示射频发射孪生单元标识，用于标识对应于某个实装数据链通信装备发射组件的镜像发射单元；ferr表示射频信号偏离标称频率的归一化幅度；specmask表示发射信号频偏模板，测量发射信号质量和对相邻信道的干扰抑制能力；specflat表示频谱平坦度，表征待测信号所在信道内的功率平坦程度，影响发射信号质量；evm表示发射信号的误差向量幅度，是考量调制信号质量的指标，单位为db；rfm表示射频发射孪生单元的传输机理模型；phnoise表示非理想混频单元引入的相位噪声；filternoise表示非理想带通滤波引入的带外噪声；panoise表示功放非线性引入的带内不平坦噪声。

40、进一步优选的，采用如下公式表示射频接收孪生单元传输机理建模的输入输出要素的映射关系：

41、spectrumdtrx-id(pmax,rxsensivity,ferr,evm,snr)＝rfm(bw,nf,phnoise,filternoise)  (3)

42、式中，spectrum(pmax,rxsensivity,ferr,evm,snr)表示射频接收信号的频谱特性；dtrx-id表示射频接收孪生单元标识，用于标识对应于某个实装数据链通信装备接收组件的镜像接收单元；pmax表示限幅接收组件的最大接收信号，单位为dbm；rxsensivity表示接收灵敏度接收机能够接收的最小信号，单位为dbm；ferr表示射频信号偏离标称频率的归一化幅度，单位为ppm；evm表示接收信号的误差向量幅度，是反映接收信号质量的指标；snr是通过导频信号测量得到的信噪比，单位为db。

43、进一步优选的，所述双向校准方法包括：

44、(1)对天线孪生组件校准，将实际的载机平台的飞行姿态与天线方向图进行匹配

45、观察天线信号强度变化与载机平台姿态之间的关系，进行实装天线组件的性能与天线孪生组件的性能比较与评估；

46、(2)射频孪生组件校准

47、通过虚拟频谱仪记录功率范围、频谱模板、星座图，与实装通信装备的射频信号进行比较与性能评估；

48、(3)信号孪生组件校准

49、通过虚拟仪表观测和记录眼图、误码率曲线，与实装通信装备的基带信号进行比较与性能评估。

50、本技术公开的数字孪生电台系统，相比于现有技术，至少具有以下优点：

51、1、基于微观几何建模的数字孪生电台系统，采用3d几何建模工具对数据链通信装备进行无线数字孪生体组件的几何建模，镜像刻画数据链通信装备的基带、射频、天线等组件的几何形态与集成电路资源映射关系，可以对数据链通信装备实体进行组件级的微观可视化建模，支撑场景在环的虚拟样机设计和数字化通信装备生产制造。

52、2、基于微观行为透视的无线数字孪生体传输机理建模方法，采用系统建模工具对数据链通信装备进行无线数字孪生体组件的行为建模，透视数据链通信装备收发信机及其信号处理机制的无线传输机理，可以透视数据链通信装备的微观传输机理，评估平台状态、地形及电磁环境要素对无线数字孪生体的影响。

53、3、基于实时仿真和交互测试的无线数字孪生体双向校准方法，采用实时仿真工具进行无线数字孪生组件的状态监测、数据交互和虚拟测试，对数据链通信装备和无线数字孪生体系统的行为进行双向校准，使之具备支持数字原型设计、数据链装备状态管理、数据链装备虚拟化测试等典型应用的能力。