数据链通信装备的无线数字孪生建模和虚拟化仿真测试方法与流程

本发明涉及数据链通信，尤其涉及一种数据链通信装备的无线数字孪生建模和虚拟化仿真测试方法。

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典型重要基础。

2、对于特定类型的数据链通信装备，它的通信性能在不同的信道传播环境、温湿度环境和通信对抗环境会具有不同的表现，这些环境影响要素会作用于数据链通信装备的不同器件、通信算法和工况条件。比如，高海况条件下的无线通信引入信道的深衰落，会减小los视距通信的传输距离；高机动平台引入的大频偏，会对相干解调算法带来影响，造成同步精度和解调性能的下降；高对抗环境的无线通信会遭受敌方的电子干扰，会造成定频通信的阻塞和跳频通信的抗干扰能力下降，严重时会造成破网断链。

3、虚拟化测试是在虚拟环境下对软件进行测试的过程。利用虚拟现实技术进行虚拟化测试可以提供更真实、更准确的测试环境，使测试人员能够模拟各种实际场景和条件，以发现和解决问题。

4、利用虚拟现实技术进行虚拟化测试可以带来许多好处。首先，虚拟现实技术可以提供更真实、更逼真的测试环境，使测试结果更加准确可靠。其次，虚拟化测试可以减少对实际硬件设备和系统的依赖，降低测试成本和风险。此外，虚拟现实技术还可以加速测试的执行和反馈过程，提高测试的效率和效果。

5、采用虚拟化测试手段构造面向无线信号传输的测试环境，进行数据链通信装备的测试验证，是一种值得探索和推广应用的测试模式。

6、随着现代通信技术的发展，现有数据链通信装备的功能、技术体系和应用场景日益复杂，给数据链装备的数字化工程建设带来诸多挑战，包括：

7、(1)数据链通信装备的功能和技战术指标设计日益增加，需要考虑复杂多径传播环境、高动态设计、抗干扰设计等诸多使用环境因素，需要在多个处理环节逐一验证信号处理算法的有效性，当前的设计验证缺乏统一标准的测试验证手段；

8、(2)现有数据链通信装备的测试鉴定方法，存在试验场地受限、测试周期长、测试成本高等缺点，严重限制了数据链通信装备的研制流程和升级换代周期；

9、(3)现有数据链通信装备的比较测试主要依赖于有限的预设应用场景，难以全面反映真实客观的应用环境，装备应用测试缺乏广泛适用的环境适应性标准。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的在于提供一种数据链通信装备的无线数字孪生建模方法及虚拟化仿真测试方法，解决现有技术难以全面反映真实客观的应用环境，装备应用测试缺乏广泛适用的环境适应性标准的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供的一种数据链通信装备的无线数字孪生建模方法，包括以下步骤：

3、s1、利用仿真工具对数据链通信装备按照组件单元生成数字孪生体，包括天线孪生单元、射频孪生单元和信号孪生单元；

4、s2、建立参数级无线信道模型，对生成的数字孪生体进行测试；所述参数级无线信道模型包括大尺度衰落模型、多径衰落模型、多普勒频移衰落模型和干扰模型。

5、进一步优选的，所述天线孪生单元根据空间域电磁波传播机理，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；

6、所述射频孪生单元，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；

7、所述信号孪生单元，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；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。

8、进一步优选的，所述大尺度衰落模型包括建立发射信号与接收信号的路径损耗函数关系以及阴影衰落函数关系；

9、所述路径损耗函数关系采用如下公式(1)表示：

10、

11、式中，pt为发射信号功率，pr为接收信号功率；d为收发信机之间的通视距离；γ为信号衰减指数，取值范围为2～5；λ为信号波长；gt、gr分别为发射天线和接收天线的天线增益；l为系统损耗。

12、所述阴影衰落函数采用如下公式(2)表示：

13、

14、式中，d0为参考距离，为参考距离的平均路径损耗；γ为信号衰减指数，取值范围为2～5；xσ(t)是服从均值为0，标准差为σ的高斯分布随机变量；标准差σ的取值取决于收发信机之间的地理环境特征，地形起伏越大则标准差σ越大。

15、进一步优选的，所述多径衰落模型包括构建瑞利信道、莱斯信道、nakagami-m信道。

16、进一步优选的，所述多普勒频移衰落模型，根据平台间的相对运动会造成多普勒频移，影响接收机的时频同步进行构建，采用如下公式(6)表示：

17、

18、式中，fd(t)为多普勒频移；v(t)为平台间的相对运动速度；θ(t)为平台间的相对运动夹角；c为光速；fc为载波频率。

19、进一步优选的，所述干扰模型根据敌方施加的干扰信号形式进行构建包括：瞄准式干扰、压制式干扰，梳状谱干扰。

20、本发明还提供一种虚拟化仿真测试方法，基于上述数据链通信装备的无线数字孪生建模方法建立的无线数字孪生体进行测试，包括以下步骤：

21、s101、建立数字化电台测试系统对数据链通信装备分别进行数字域信号传输测试，所述数字化电台测试系统包括任务模拟器、信道模拟器、数据链电台、数字孪生电台；

22、所述任务模拟器用于参数配置、业务模拟和状态监控；

23、所述信道模拟器用于模拟无线传播环境，包括按照大尺度衰落模型、多径衰落模型、多普勒频移衰落模型和干扰模型进行传播环境模拟；

24、所述数据链电台包括：天线模块、射频模块、基带模块和电源模块；

25、数字孪生电台用于对数据链电台的进行组件级的机理建模，模拟实装通信电台的行为特征和性能参数；

26、s202、将数字孪生电台的数字域信号通过ad/da变换到模拟域，使其与数据链电台实现虚实互通，在典型无线信道环境中模拟信号损伤，并进行传输性能的动态测试；

27、s203、将真实战场环境中对通信的影响要素进行特征抽取和模型预测，并用信道模拟器进行拟真再现真实传播环境，形成逼近真实无线传播环境的数字化孪生信道；

28、s204、基于真实战场环境的业务传输、通信对抗、战术战法建立数字化孪生信道应用要素约束，平行复现数字域的战场环境，实现从电台传输机理、信道传输特征和作战想定要素的全面孪生，逼近真实的战场通信环境。

29、本发明还提供一种电子设备，包括：存储器，存储有计算机程序指令；处理器，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如上述虚拟化仿真测试方法的步骤。

30、本技术公开的一种数据链通信装备的无线数字孪生建模方法及虚拟化仿真测试方法。相比于现有技术至少具有以下优点：

31、1、通过任务模拟器的环境控制接口配置信道模拟器，通过参数级无线信道仿真构造典型的无线传播环境；通过任务模拟器的设备控制接口控制数据链通信装备和对应的无线数字孪生体的工作模式；同时通过信道模拟器连接数据链通信装备和无线数字孪生体，进行典型无线传播环境下的无线传输和性能测试，用于数据链通信装备的指标评估。

32、2、面向无线传输机理建模的无线数字孪生体建模方法，采用系统仿真工具对数据链通信装备的传输机理进行组件级单元分解，镜像刻画数据链通信装备的基带、射频、天线等组件的信号处理机制，支持数据链通信装备的全过程域建模和非理想器件特性对信号损伤的影响给评估。

33、3、参数级无线信道建模方法，对大尺度衰落、多径衰落、多普勒频移衰落和干扰模型进行分级建模，可以模拟数据链装备的无线传播环境，应用于仿真环境和测试环境的信道参数配置，用于数据链通信装备的测试环境构造。

34、4、基于交互式仿真的虚拟化仿真测试方法，采用任务模拟器配置数据链通信装备的工作模式和无线传播环境的工作参数，通过数字域、模拟域、地理域和任务域等四个信号处理的测试步骤，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。