CN115185631A - 一种天地一体化孪生模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天地一体化孪生模拟系统，包括：场景部署服务子系统，用于以微服务的形式提供场景部署服务以实现天地一体化孪生模拟对应的仿真场景部署和空天地资源配置功能，并生成天地一体化孪生模拟中的仿真节点；模型算法服务子系统，用于以微服务的形式提供模型算法服务以根据所述场景部署服务的仿真场景部署和空天地资源配置进行环境建模并产生仿真节点对应的仿真数据；硬件接入服务子系统，用于以微服务的形式提供硬件接入服务以将半实物设备和实物设备接所述系统并通过虚实映射将半实物设备和实物设备与对应的仿真节点进行映射并将仿真节点与设备进行关联、以及采集设备产生的数据；每个子系统配置在独立容器中，容器部署在分布式服务器中。

Description

一种天地一体化孪生模拟系统及方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，具体来说，涉及卫星通信技术领域中 的卫星设计对应的仿真模拟领域，更具体地说，涉及一种针对卫星网络在 论证、建设、使用过程中的天地一体化孪生模拟系统及方法。

背景技术

国际通信组织将卫星通信纳入未来重要的网络接入方式之一。国际电 信联盟(ITU)在2016提出“下一代移动通信网应满足用户能随时随地访 问服务”的需求，针对星地融合提出中继宽带传输、数据回传、动中通与 混合多媒体四类典型应用场景。

目前，地球同步轨道卫星长期主导卫星通信业务，但是地球同步轨道 卫星的轨道资有限，且传输时延大，而低轨道卫星传输时延大大降低，新 兴的低轨通信星座大都能实现50ms以内的时延，与地面光纤网络相当， 因此，低轨卫星的设计和建设变得越来越重要。但是，如果采用低轨卫星 来覆盖全球，就需要大量的卫星来成大规模卫星星座，例如OneWeb卫星 星座，且由于卫星通信网络具有复杂多变的网络环境和通信情况，因此卫 星网络在论证、建设和使用的过程中都面临更加严峻的挑战，如何在卫星 建设实施过程中进行更好的仿真模拟和论证变得尤为重要。

如图1所示，目前国内外卫星通信领域主流仿真软件均是C/S架构的 单机版系统，所有的模块(场景模块库、分析模块库)都放在一个单机软 件(STK软件)中，然后这个软件部署在一台工作站上，所有的功能都由这 台工作站提供，STK通过模块接口调用场景和分析，并通过二维或三维渲 染显示模拟场景。由此可以看出，单机C/S机构的仿真软件无法满足大规 模星座网络的仿真要求，且单机版仿真系统没有接入通信协议和实物仿真， 未形成一个大规模天地一体化孪生模拟平台，仿真规模达不到大规模网络 星座的要求，无法为大规模卫星网络的建设提供有效的仿真模拟以支持卫 星建设论证。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种新的天 地一体化孪生模型系统及方法。

根据本发明的第一方面，提供一种天地一体化孪生模拟系统，所述系 统包括：场景部署服务子系统，用于以微服务的形式提供场景部署服务以 实现天地一体化孪生模拟对应的仿真场景部署和空天地资源配置功能，并 生成天地一体化孪生模拟中的仿真节点；模型算法服务子系统，用于以微 服务的形式提供模型算法服务以根据所述场景部署服务的仿真场景部署 和空天地资源配置进行环境建模并产生仿真节点对应的仿真数据；硬件接 入服务子系统，用于以微服务的形式提供硬件接入服务以将半实物设备和 实物设备接所述系统并通过虚实映射将半实物设备和实物设备与对应的 仿真节点进行映射并将仿真节点与设备进行关联、以及采集设备产生的数 据；其中，所述多个子系统中的每一个配置在一个独立的容器中，所述容 器部署在一台或多台分布式服务器中。

优选的，所述系统还包括：仿真模拟服务子系统，用于以微服务的形 式提供不同协议的仿真模拟服务对应的仿真模拟配置以供用户发起天地 一体化孪生模拟的仿真模拟任务，并收集仿真过程产生的数据。

优选的，所述系统还包括：协议栈服务子系统，用于以微服务的形式 提供协议栈服务以实现天地一体化孪生模拟的协议栈仿真模拟，并完成各 仿真节点对应的仿真数据的交互以及通信指标的统计。

优选的，所述系统还包括：消息推送服务子系统，用于以微服务的形 式提供数据推送服务，以实现将仿真数据推送。

优选的，所述系统还包括：数据存储服务子系统，用于以微服务的形 式提供数据存储服务，以存储天地一体化孪生模拟产生的数据。

优选的，所述系统还包括：网关路由服务子系统，用于以微服务的形 式提供网关路由服务，以在天地一体化孪生模拟中为其他子系统提供的微 服务配置统一的访问入口。

优选的，所述系统还包括：监控中心服务子系统，用于以微服务的形 式提供监控服务，以在天地一体化孪生模拟中监控其他子系统的微服务的 运行状态。

优选的，所述系统还包括：配置中心服务子系统，用于以微服务的形 式提供统一的配置管理服务，以在天地一体化孪生模拟中管理所有子系统 的微服务的配置文件。

优选的，所述系统还包括：注册中心服务子系统，用于以微服务的形 式向所有子系统提供微服务注册服务，并使注册的微服务在天地一体化孪 生模拟中相互发现和调用。

优选的，所述系统还包括：展示交互服务子系统，用于以微服务的形 式提供展示交互服务以展示天地一体化孪生模拟的仿真场景，以及为其他 子系统的微服务之间的交互、配置和展示提供展示界面。

在本发明的一些实施例中，所述空天地资源包括：卫星节点、固定终 端节点、移动终端节点、导弹，其中，所述固定终端包括核心网、信关站、 基站；所述移动终端包括飞机、车辆、船只。

优选的，所述场景部署服务子系统以微服务形式提供的仿真场景部署 类型包括：空天地综合信息网络应用、卫星及星座互联、空中战术数据链 组网、地面蜂窝通信组网。其中，所述场景部署服务包括：场景管理，用 于根据用户的仿真需求部署天地一体化孪生模拟的仿真场景类型；卫星管 理，用于配置所述场景管理模块部署的天地一体化孪生模拟的仿真场景对 应的卫星资源；固定终端管理，用于配置所述场景管理模块部署的天地一 体化孪生模拟的仿真场景对应的固定终端资源；移动终端管理，用于配置 所述场景管理模块部署的天地一体化孪生模拟的仿真场景对应的移动终 端资源；导弹管理，用于配置所述场景管理模块部署的天地一体化孪生模 拟的仿真场景对应的导弹资源；分析评估，用于根据所述场景管理模块部 署的天地一体化孪生模拟的仿真场景对应的资源配置生成仿真节点。

在本发明的一些实施例中，所述模型算法服务包括：空间动力类模型， 其包括运动模型、轨迹模型、空间模型、姿态模型；空间环境类模型，其 包括大气模型、雨衰模型、电离层模型；用户与业务类模型，其包括用户 模型、业务模型、分布模型；通信链路类模型，其包括信道模型、干扰模 型、天线模型；标准接口，用于为所有模型提供标准接口以接入所述系统。

在本发明的一些实施例中，所述硬件接入服务包括：硬件管理，用于 对接入的半实物设备和实物进行管理；其中，所述半实物设备包括物理板 卡，所述实物设备包括终端样机、干扰模拟设备、信道模拟设备、测试仪 器仪表；设备接入，用于基于标准SDK将半实物设备和实物设备向系统注 册以将半实物设备和实物设备接入所述系统；虚实映射，用于在天地一体 化孪生模拟系统中将将半实物设备和实物设备与对应的仿真节点进行映 射并将仿真节点与设备进行关联；硬件数据采集，用于采集接入的设备产 生的数据。

在本发明的一些实施例中，所述仿真模拟服务包括：协议配置，用于 对资源节点的通信协议进行配置；仿真配置，用于基于配置的通信协议将 资源对应的仿真节点组成天地一体化仿真通信网络；仿真推演引擎，用于 调度运行仿真任务并生成仿真数据；仿真数据采集，用于收集仿真任务运 行过程中产生的数据并调用消息推送服务将数据提送至展示交互服务进 行展示。

在本发明的一些实施例中，所述协议栈服务包括：协议控制系统，用 于根据仿真模拟服务配置的通信协议提供协议栈仿真模拟功能以模拟真 实的通信协议栈，包括处理协议的加载、调度、运行和销毁；网络协议系 统，用于提供多种协议体制的通信协议仿真，所述协议体制包括TT、LINK16、 DVB、5G、4G。

在本发明的一些实施例中，所述展示交互服务以网页的形式提供天地 一体化孪生模拟的用户交互界面和渲染引擎，用于展示天地一体化孪生模 拟仿真场景，并为其他子系统的微服务之间的交互、配置和展示提供展示 界面。

根据本发明的第二方面，提供一种天地一体化孪生模拟平台，所述平 台包括：如本发明第一方面所述的系统；一个或多个客户端工作站，用于 通过网络访问天地一体化孪生模拟系统。优选的，所述每个客户端工作站 配置有：浏览器，用于通过网络访问天地一体化孪生模拟系统、与展示交 互服务进行交互以请求网页和WebGL脚本并执行脚本、调用WebGL接口对 天地一体化孪生模拟的数据进行图形绘制并以网页形式对数据进行2D或 3D显示；显卡和显卡驱动程序，用于完成浏览器中的2D或3D的显示和 交互渲染；GPU，用于进行硬件图形加速。

根据本发明的第三方面，提供一种采用如本发明第一方面所述系统的 天地一体化孪生模拟方法，所述方法包括：S1、启动系统服务，部署仿真 场景并配置空天地资源，生成天地一体化孪生模拟的仿真节点；S2、根据 所述步骤S1部署的仿真场景和配置的空天地资源进行环境建模并产生仿 真节点对应的仿真数据；S3、将半实物设备和实物设备接所述系统并通过 虚实映射将半实物设备和实物设备与对应的仿真节点进行映射并将仿真 节点与设备进行关联、以及采集设备产生的数据。

与现有技术相比，本发明主要有以下优点：1、设计了一种基于微服 务架构的天地一体化孪生模拟平台构建方法。2、设计了一种服务化的平 台业务切分方法，业务模块具备独立性、低耦合，增强平台业务扩展性和 延伸性。3、设计了一种多场景、多样配置资源共存的管理方法，实现支 持多场景切换和单个场景资源多样化配置，空天地资源可任意配置，达到 单个场景的多样化模拟仿真4、实现了真实卫星通信节点虚拟化，模型具 备标准化接口，可自动识别标准化算法服务，支持节点快速模型数字化分 析。5、设计了一种兼容多种通信体制，业务模块自适应通信机制匹配方 法，支持多种协议体制，提供跨平台中间层，自适应操作系统，协议接口 具备通用和标准化，支持空天地一体化网络的通信协议仿真。6、设计了 一种高效、快速的设备接入和控制方法，具备虚实映射标准化中间件，实 现虚实映射、数据共享和虚实孪生。由此，本发明基于成熟的微服务技术， 设计了天地一体化孪生模拟平台，支持模块业务单独开发部署提高效率， 且单个服务能够动态扩展，整体容错性更好，解决海量用户同时使用和大 规模通信节点同时仿真模拟的问题。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明实施例的现有技术下的卫星通信仿真架构示意图；

图2为根据本发明实施例的天地一体化仿真模拟场景示意图；

图3为根据本发明实施例的天地一体化孪生模拟系统中的服务框架结 构上示意图；

图4为根据本发明实施例的天地一体化孪生模拟系统中的各服务工作 流程示意图；

图5为根据本发明实施例的展示交互服务与客户端、其他服务的关系 示意图；

图6为根据本发明实施例的场景部署服务组成示意图；

图7为根据本发明实施例的场景部署服务的工作流程示意图；

图8为根据本发明实施例的场景部署服务调用其他服务示意图；

图9为根据本发明实施例的仿真模拟服务组成示意图；

图10为根据本发明实施例的仿真模拟服务工作流程示意图；

图11为根据本发明实施例的仿真模拟服务调用其他服务示意图；

图12为根据本发明实施例的模型算法服务组成示意图；

图13为根据本发明实施例的模型算法服务被其他服务调用示意图；

图14为根据本发明实施例的协议栈服务组成示意图；

图15为根据本发明实施例的通信协议匹配流程示意图；

图16为根据本发明实施例的硬件接入服务组成示意图；

图17为根据本发明实施例的硬件接入服务工作流程示意图；

图18为根据本发明实施例的硬件接入服务调用其他服务示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下通过具体 实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如背景技术所述的，国内外卫星通信领域主流仿真软件均是C/S架构 的单机版系统，在大规模星座网络仿真上达不到要求，没有接入通信协议 和实物仿真，未形成一个大规模卫星互联网数字孪生模拟平台。

众所周知，B/S架构支持多用户操作，并采用分布式集群解决大规模 运算和部署的问题，从理论上来说，将B/S架构应用于卫星模拟仿真，构 建分布式卫星通信孪生模拟平台，可以解决单机系统无法解决的规模要求 问题，但是由于卫星通信领域的通信具有复杂多变的网络环境和通信情况， 仅仅是采用B/S架构还无法很好的实现天地一体化孪生模拟，主要表现为： 1、无法实现将真实卫星通信节点接入仿真系统，建立数字孪生平台；2、无法实现仿真资源的动态扩展以支持大规模并行仿真业务处理；3、无法 支持仿真系统各个实体的数字化建模实现、指标体系精确计算、通信系统 仿真部署、运行控制以及仿真过程可视化数据交互等功能以充分满足系统 仿真多种需求。

基于此，发明人提出一种基于分布式部署、微服务和虚实结合技术， 将真实卫星通信节点虚拟化、同时接入真实物理世界中的网络建立数字孪 生平台的方案。

为了更好的理解本发明，首先介绍简单介绍一下本发明的主要技术方 案。

首先，本发明采用B/S架构，进行分布式部署，并基于微服务和虚实 结合技术将真实卫星通信节点虚拟化，同时接入真实物理世界中的网络， 建立数字孪生平台，一方面对场景对象的运行状态产生模拟数据，另一方 面采集和感知真实数据，共同完成卫星通信模拟和分析。

其次，针对天地一体化仿真大量并行业务处理的需求，基本发明于微 服务技术，采用标准化框架将协议栈资源服务化，并用过容器技术进行虚 拟化，形成虚拟资源池，支持仿真资源动态扩展，支撑大规模并行仿真业 务处理。

最后，本发明针对天地一体化仿真具有海量规模节点、数据交互具有 实时性频繁性以及运行动态不确定性等特征，通过微服务技术对仿真系统 进行设计，对各项业务进行合理的切分，即通过合理的划分业务组件模块， 并以微服务的方式提供业务服务来构建天地一体化孪生模拟平台，能够很 好的支持系统各个实体的数字化建模实现、指标体系精确计算、通信系统 仿真部署、运行控制以及仿真过程可视化数据交互等功能，充分满足系统仿真多种需求。

下面结合附图和具体实施例详细说明本发明。

如图2所示的为天地一体化仿真模拟的场景，其中，图2左侧场景 模拟系统展示的是本平台仿真的现实生活中的通信节点和通信链路，如卫 星、飞机、船只、车辆、终端等，图2右侧是通过标准接口接入平台的各 种设备包括终端样机设备、干扰模拟设备、信道模拟设备、测试仪器仪表 等，这些设备用于模拟真实环境的干扰、信道等，以及对左侧通信节点和 环境进行建模形成的节点虚拟化模型库、空间模型、环境模型、信道模型 等，这些模型用于仿真真实环境的干扰、信道等。这些通信节点和设备、 模型共同组成了天地一体化仿真模拟场景，其中，“天”是指由近千颗低 轨卫星构成的超大型卫星星座，在图2中以卫星A、卫星B、卫星C、卫星 D为代表；“地”是指部署在地面上的各种固定终端、移动终端，在图2 中以干扰机、飞机A、车辆、船只为代表；孪生是指通过虚实映射，将实 际的半实物设备和实物设备如终端样机、干扰模拟设备、信道模拟设备、 测试仪器仪表等映射到天地一体化孪生模拟系统中，“天”、“地”、“设 备”通过多种通信协议体制进行数据交互，从而实现一体化仿真模拟。

大规模仿真场景包括：

1、常规通信场景

单跳场景：终端-卫星-终端，评估通信时延、速率、误码率等。

多跳场景：终端-卫星-卫星-卫星-终：端，评估通信时延、速率、误 码率、跳数等。

2、用户并发接入场景

10万个用户全球随机发起建链通信场景；

多星多站互联场景：改变信关站部署评估用户容量、平均通信时延、 平均跳数等。

3、多星多站互联场景

数量、卫星部署数量及轨道参数，基于上述通信场景评估覆盖范围、 系统容量、用户容量、平均时延、平均跳数、通信速率等。

从图2可以看出，天地一体化孪生模拟仿真具有海量规模节点，数据 交互具有实时性、频繁性以及运行状态不确定性。而这些场景在传统仿真 平台是无法实现的，传统仿真平台不支持大规模部署、协议仿真、实物仿 真、半实物仿真，本发明针对这样的仿真模拟需求，提出了一种基于B/S 架构、微服务技术的天地一体化孪生模拟系统，为了满足大规模仿真的需 求，本发明采用微服务和分布式的思想，按照业务功能，将单机结构中的 功能模块拆分成一个个独立的子系统，至少包括场景部署服务子系统、模 型算法服务子系统、硬件接入服务子系统，每个子系统称为“服务”，将 这些子系统独立运行在容器中并提供对应的微服务，容器运行在分布式服 务器中，其中，一般一个容器中运行一个服务，一个服务器中运行一个或 多个容器，服务之间通过Http方式通信，并通过调用不同的服务来构建 天地一体化孪生模拟系统进行仿真模拟，且可通过启动多个相同的容器来 启动多个相同的服务。用户可通过客户端台式工作站以网页形式访问天地 一体化孪生模拟系统，其中，天地一体化孪生模拟系统由分布式部署在各 服务器的容器中子系统提供的服务组成，服务包括展示交互服务、场景部 署服务、仿真模拟服务、硬件接入服务、协议栈服务、模型算法服务、半 实物设备、实物设备等，其中半实物设备和实物组成设备通过硬件接入服 务接入到平台中，从而突破单机硬件资源的限制，从而满足大规模仿真的 需求。

根据本发明的一个实施例，如图3所示的是本发明的一种天地一体化 孪生模拟系统的服务架构示意图，其中，台式工作站和浏览器用于访问模 拟平台，各服务器中部署的是平台中的不同服务，包括展示交互服务、网 关路由服务、注册中心服务、配置中心服务、监控中心服务、场景部署服 务、仿真模拟服务、消息推送服务、模型算法服务、协议栈服务、硬件接 入服务、数据存储服务，每个服务提供不同的功能：所述展示交互服务以 网页的形式提供平台交互界面和渲染引擎，用于展示天地一体化仿真场景， 并为其他服务的交互、配置和展示提供界面。所述网关路由服务提供网关 路由、认证鉴权、过滤器、服务分发、限流降级等功能，并为其他服务提 供统一的访问入口。所述注册中心服务提供服务注册功能，使平台的各个 微服务能够互相发现和调用。所述配置中心服务提供统一的配置管理功能， 能够管理平台所有微服务的配置文件。所述监控中心服务提供平台服务的 监控功能，能够监控其他服务的运行状态，保障平台平稳运行。所述场景 部署服务提供天地一体化仿真场景部署和空天地资源配置功能，资源包括 卫星节点、固定终端节点、移动终端节点，为下一步仿真模拟做准备。所 述仿真模拟服务提供不同协议的仿真模拟配置界面，供用户发起仿真模拟 任务，并收集仿真过程中产生的数据，通过消息推送服务推送到交互界面 服务进行展示。所述消息推送服务提供数据推送的功能，用于从服务器主 动向工作站推送数据。所述模型算法服务提供卫星、终端、核心网、信关 站、基站等节点和自然环境、人造环境、信息物理环境等要素的建模功能， 用于在场景部署服务和仿真模拟服务中调用，产生节点仿真数据。所述协 议栈服务提供协议栈仿真模拟功能，能够模拟真实的通信协议栈，完成各 节点数据的交互，并统计相应的通信指标如通信时延、速率、误码率等。 所述硬件接入服务。提供硬件接入功能，能够将半实物设备和实物设备通 过虚实映射的方式，在平台中关联相应的仿真节点构成孪生，作为仿真模 拟资源使用。所述数据存储服务提供数据存储功能，用于存储平台运行过 程中产生的各类数据包括关系型数据、非关系型数据、拓扑数据、缓存数 据、时序数据、文件数据等。上述各种业务服务是基于服务化将平台业务进行切分，服务之间通过HTTP的方式进行通信，互相协作共同完成仿真 业务，业务模块具备独立性、低耦合，增强平台业务扩展性和延伸性。

天地一体化仿真孪生模拟平台的各服务工作流程如图4所示，这里展 示了两种仿真分析任务，主要包括如下步骤：

步骤1、通过硬件接入服务，将半实物设备和实物设备接入平台；

步骤2、通过浏览器访问展示交互服务，登录并进入场景部署界面， 创建场景，并部署卫星、终端、飞机、信关站等仿真节点；

步骤3、用户在场景部署界面发起链路预算等仿真分析任务1，场景 部署通过调用模型算法服务进行仿真计算，计算完成后，模型算法服务调 用消息推送服务将数据推送至展示交互服务进行展示，最后调用数据存储 服务将数据存储至数据库。

步骤4、用户访问仿真模拟界面，选择上述场景，发起仿真分析2， 仿真分析服务调用模型算法服务和协议栈服务进行计算，在这个过程中， 协议栈服务会调用半实物或实物设备进行数据传输，计算完成后，通过调 用消息推送服务将数据推送至展示交互服务进行展示。最后调用数据存储 服务将数据存储至数据库。

为了更好的理解本发明，下面对在平台中核心服务：场景部署服务、 仿真模拟服务、模型算法服务、协议栈服务、硬件接入服务进行展开详细 说明。其他的服务如注册中心服务、配置中心服务、监控中心服务等服务 属于构建一个微服务系统的通用基础服务，在此不再赘述。

一、展示交互服务

展示交互服务在平台中以网页的形式提供平台交互界面和渲染引擎， 用于展示天地一体化仿真场景，并为其他服务的交互、配置和展示提供界 面。根据本发明的一个实施例，如图5所示，展示交互服务与客户端、其 他服务的关系，其中，用户在浏览器中，通过网络向服务器的展示交互服 务请求网页和WebGL脚本并执行本，再调用显卡驱动程序和显卡完成2D、 3D的显示和交互渲染，在渲染的过程中，会通过展示交互服务调用其他服 务获取数据。由于天地一体化仿真是一种大规模仿真场景，对于二三维的 渲染有很高的技术要求，除平台的硬件具备很高的图形处理能力，对整体 平台高速渲染技术也有较高要求，因此本发明的平台的展示交互服务采用 WebGL技术，利用显卡资源实现二三维场景高效渲染与交互。后台数据采 用JSON或纹理压缩的方式传递给前端浏览器，并调用WebGL接口进行图 形绘制，浏览器通过GPU进行硬件图形加速。

二、场景部署服务

场景部署服务主要负责天地一体化仿真场景的构建与编辑，提供天地 一体化仿真场景部署和空天地资源配置功能，资源包括卫星节点、固定终 端节点、移动终端节点，为下一步仿真模拟做准备。根据本发明的一个实 施例，如图6所示，场景部署服务包括场景管理、卫星管理、终端管理、 移动终端管理、导弹管理、分析评估等。其中，场景管理用于根据用户的 仿真需求部署天地一体化孪生模拟的仿真场景类型；卫星管理用于配置所 述场景管理模块部署的天地一体化孪生模拟的仿真场景对应的卫星资源； 固定终端管理用于配置所述场景管理模块部署的天地一体化孪生模拟的 仿真场景对应的固定终端资源；移动终端管理用于配置所述场景管理模块 部署的天地一体化孪生模拟的仿真场景对应的移动终端资源；导弹管理用 于配置所述场景管理模块部署的天地一体化孪生模拟的仿真场景对应的 导弹资源；分析评估用于根据所述场景管理模块部署的天地一体化孪生模 拟的仿真场景对应的资源配置生成仿真节点。

传统的仿真软件每次只能打开一个场景，本平台通过场景管理，在用 户访问时，将该用户的场景数据异步加载至页面显示，并通过设置场景的 激活状态，让用户可以在激活的场景中调用卫星管理等模块接口，配置卫 星、终端、移动终端、导弹等资源节点，节点通过类别来区分，实现了一 种多场景、多样配置资源共存的管理方法，实现支持多场景切换和单个场 景资源多样化配置，空天地资源可任意配置，达到单个场景的多样化模拟 仿真。场景部署服务的工作流程如图7所示，包括如下步骤：

步骤1、创建场景，场景类型包括场景类型包括：空天地综合信息网 络应用、卫星及星座互联、空中战术数据链组网、地面蜂窝通信组网等；

步骤2、激活场景，由于本平台多场景可以共存显示，所以需要先激 活场景，再进行配置；

步骤3、配置资源节点，资源节点包括卫星、终端、移动终端、导弹 等；

步骤4、完成场景部署。

在场景部署中，需要配置资源节点，资源节点包括卫星、终端(包括 终端、核心网、信关站、基站等)、移动终端(包括飞机、车辆、船只等)、 导弹等类型，本发明通过对真实卫星通信节点的抽象建模，每个节点都有 各自的类型标识符(objectType)，根据展示交互服务传入的模型参数(通 用参数如表1所示)，自动识别并调用对应类型模型算法服务，完成节点 的创建和配置，从而实现真实卫星通信节点虚拟化，模型具备标准化接口， 可自动识别标准化算法服务，支持节点快速模型数字化分析。

表1

在场景部署过程中，需要场景部署服务调用模型算法服务，其调用关 系如图8所示，其中，场景部署服务根据展示交互服务传入的模型参数， 自动识别并调用对应类型模型算法服务，完成节点的创建和配置，例如， 展示交互服务传入类型为卫星的模型参数，场景部署服务会自动调用模型 算法服务中的卫星轨道模型，从而计算该卫星的轨道参数，将卫星部署到 场景中。

三、仿真模拟服务

仿真模拟服务提供不同协议的仿真模拟配置界面，供用户发起仿真模 拟任务，由仿真推演引擎调度按照场景部署的资源节点配置，调度资源开 始仿真，并收集仿真过程中产生的数据，通过消息推送服务推送到交互界 面服务进行展示。根据本发明的一个实施例，如图9所示，仿真模拟服务 包括协议配置、仿真配置、仿真推演引擎、仿真数据采集等。传统的仿真 软件没有将场景部署的资源节点与通信协议结合起来，本平台通过仿真模 拟服务的协议配置，让用户可以对资源节点的通信协议进行配置，并在该 基础上将独立的资源节点组建为天地一体化仿真通信网络，使用户能够在 这个网络上开展天地一体化仿真模拟任务配置，然后通过仿真推演引擎， 调度运行该仿真任务，最后通过数据采集，收集仿真过程中产生的数据， 调用消息推送服务推送至展示交互服务进行展示。仿真模拟服务工作流程 如图10所示，包括如下步骤：

步骤1、通过场景部署服务创建天地一体化仿真场景并激活；

步骤2、通过协议配置来配置场景中每个资源节点的通信协议属性；

步骤3、根据资源节点的通信协议属性组建天地一体化仿真网络；

步骤4、通过仿真配置来配置天地一体化仿真参数和任务；

步骤5、将所有的配置交给仿真推演引擎进行仿真调度，完成该仿真 任务；

步骤6、在仿真调度的过程中，通过仿真数据采集收集数据，并通过 消息推送服务将数据实时推送至展示交互服务进行显示；

步骤7、结束仿真。

在仿真过程中，需要仿真模拟服务调用场景部署服务和模型算法服务， 调用关系如图11所示，其中，仿真模拟服务根据展示交互服务传入的仿 真参数，调用场景部署服务获取场景配置，然后调用相应的模型算法服务， 完成天地一体化仿真网络的组建。

四、模型算法服务

模型算法提供卫星、终端、核心网、信关站、基站等节点和自然环境、 人造环境、信息物理环境等要素的建模功能，用于在场景部署服务和仿真 模拟服务中调用，产生节点仿真数据。如图12所示，模型算法服务包括 空间动力模型、空间环境模型、用户与业务模型、通信链路模型等。其中， 空间动力模型包括运动模型、轨迹模型、空间模型、姿态模型等；空间环 境模型包括：大气模型、雨衰模型、电离层模型等；用户与业务模型包括 用户模型、业务模型、分布模型等；通信链路模型包括信道模型、干扰模 型、天线模型等，在传统的单机仿真软件中，这些模型以DLL库的形式存 在，只能本地调用，根据本发明的一个实施例，如图13所示，这些模型 以服务的形式存在，通过标准接口层暴露HTTP接口供其他服务调用，方 便替换。

五、协议栈服务

协议栈服务提供协议栈仿真模拟功能，能够模拟真实的通信协议栈， 完成各节点数据的交互，并统计相应的通信指标如通信时延、速率、误码 率等，如图14所示，协议栈服务包括协议控制系统和网络协议系统。其 中，网络协议系统提供多种体制的通信协议仿真，协议体制包括TT、LINK16 等，协议控制系统负责处理协议的加载、调度、运行、销毁等，传统的协 议仿真软件只能单独对一种协议体制进行仿真，不能实现多种协议体制的 网络一体化仿真，本发明在协议控制系统中，协议管理模块根据在仿真模 拟服务的协议配置模块中配置的资源节点通信协议标识，进行节点通信协 议的创建和加载，从而实现了一种兼容多种通信体制，业务模块自适应通 信机制匹配方法，支持天地一体化网络的通信协议仿真。

根据本发明的一个实施例，如图15所示，协议匹配流程包括如下步 骤：

步骤1、通过场景部署服务创建天地一体化仿真场景，通过仿真模拟 服务配置场景中每个资源节点的通信协议属性；

步骤2、仿真模拟服务向协议栈服务下发资源节点的通信协议配置；

步骤3、协议控制系统根据配置自动匹配网络协议体制；

步骤4、协议控制系统调用网络协议系统，创建对应的协议网络；

步骤5、结束匹配。

六、硬件接入服务

硬件接入服务提供硬件接入功能，能够将半实物设备和实物设备通过 虚实映射的方式，在平台中关联相应的仿真节点，形成设备的孪生节点， 作为仿真模拟资源使用；根据本发明的一个实施例，如图16所示，硬件 接入服务包括硬件管理、设备接入、虚实映射、硬件数据采集等。其中， 硬件管理用于对接入的半实物设备和实物进行管理，所述半实物设备包括 物理板卡等，所述实物设备包括终端样机、干扰模拟设备、信道模拟设备、 测试仪器仪表等；设备接入用于基于标准SDK将半实物设备和实物设备向 系统注册以接入所述系统；虚实映射用于在天地一体化孪生模拟系统中将 半实物设备和实物设备与对应的仿真节点进行映射并将仿真节点与设备 进行关联；硬件数据采集用于采集接入的设备产生的数据。

传统的仿真软件不能在软件中接入设备并进行孪生，或者只能定制接 入某一种设备，无法提供统一的接入手段，局限性较大，因此本发明通过 硬件接入服务提供的标准SDK，通过设备接入向平台注册设备信息，注册 信息如表2所示：

表2

硬件管理模块通过设备注册的ip和port对设备进行管控，然后通过 虚实映射中间件在场景中建立仿真节点并绑定设备信息形成孪生，完成虚 拟节点和实物节点孪生映射，最后通过硬件采集收集并上报设备产生的数 据，从而实现一种高效、快速的设备接入和控制方法，实现虚实映射、数 据共享和虚实孪生。硬件接入流程图17所示，包括如下步骤：

步骤1、将半实物设备或实物设备连接至服务器；

步骤2、配置设备的信息并启动设备接入SDK；

步骤3、SDK向硬件接入服务的设备接入注册设备信息，并通过硬件 管理创建设备记录；

步骤4、硬件接入服务调用场景部署服务，在天地一体化仿真场景中 创建仿真节点；

步骤5、绑定仿真节点和硬件信息。

步骤6、完成设备接入。

在设备接入的过程中，需要硬件接入服务调用场景部署服务完成虚实 映射孪生，调用关系如图18所示，硬件接入服务根据设备的类型，调用场 景部署服务创建相应的仿真节点，然后将此仿真节点与设备进行绑定，从 而完成虚实映射孪生，在进行天地一体化仿真模拟时，作为资源节点参与 仿真，并实时上报数据。

通过上述实施例可知，传统的仿真软件是单体架构，在大规模网络仿 真上达不到要求，并且没有接入通信协议、半实物和实物，无法形成大规 模的天地一体化仿真模拟，本发明通过采用B/S架构，采用微服务思想和 容器技术，将平台拆分为场景部署服务、仿真模拟服务、模型算法服务、 协议栈服务、硬件接入服务等，通过场景部署服务配置资源节点，通过仿 真模拟服务配置仿真参数和任务，通过模型算法服务对真实物理世界中共 的网络和卫星通信节点进行建模，通过协议栈服务构建多种协议体制的一 体化仿真网络，通过硬件接入服务接入半实物设备和实物设备，建立仿真 节点，并将与设备对应的仿真节点与设备进行关联孪生，从而构建了一种 基于微服务架构的天地一体化孪生模拟平台，完成大规模的天地一体化仿 真模拟。

与现有技术相比，本发明主要有以下优点：1、设计了一种基于微服 务架构的天地一体化孪生模拟平台构建方法。2、设计了一种服务化的平 台业务切分方法，业务模块具备独立性、低耦合，增强平台业务扩展性和 延伸性。3、设计了一种多场景、多样配置资源共存的管理方法，实现支 持多场景切换和单个场景资源多样化配置，空天地资源可任意配置，达到 单个场景的多样化模拟仿真4、实现了真实卫星通信节点虚拟化，模型具 备标准化接口，可自动识别标准化算法服务，支持节点快速模型数字化分 析。5、设计了一种兼容多种通信体制，业务模块自适应通信机制匹配方 法，支持多种协议体制，提供跨平台中间层，自适应操作系统，协议接口 具备通用和标准化，支持空天地一体化网络的通信协议仿真。6、设计了 一种高效、快速的设备接入和控制方法，具备虚实映射标准化中间件，实 现虚实映射、数据共享和虚实孪生。由此，本发明基于成熟的微服务技术， 设计了天地一体化孪生模拟平台，支持模块业务单独开发部署提高效率， 且单个服务能够动态扩展，整体容错性更好，解决海量用户同时使用和大 规模通信节点同时仿真模拟的问题。

需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意 味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些 可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可 以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方 面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令 的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁 存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意 合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括： 便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、 可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、 便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、 软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、 以及上述的任意合适的组合。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽 性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范 围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更 都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原 理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术 人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (23)

1.一种天地一体化孪生模拟系统，其特征在于，所述系统包括：

场景部署服务子系统，用于以微服务的形式提供场景部署服务以实现天地一体化孪生模拟对应的仿真场景部署和空天地资源配置功能，并生成天地一体化孪生模拟中的仿真节点；

模型算法服务子系统，用于以微服务的形式提供模型算法服务以根据所述场景部署服务的仿真场景部署和空天地资源配置进行环境建模并产生仿真节点对应的仿真数据；

硬件接入服务子系统，用于以微服务的形式提供硬件接入服务以将半实物设备和实物设备接所述系统并通过虚实映射将半实物设备和实物设备与对应的仿真节点进行映射并将仿真节点与设备进行关联、以及采集设备产生的数据；

其中，所述多个子系统中的每一个配置在一个独立的容器中，所述容器部署在一台或多台分布式服务器中。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

仿真模拟服务子系统，用于以微服务的形式提供不同协议的仿真模拟服务对应的仿真模拟配置以供用户发起天地一体化孪生模拟的仿真模拟任务，并收集仿真过程产生的数据。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

协议栈服务子系统，用于以微服务的形式提供协议栈服务以实现天地一体化孪生模拟的协议栈仿真模拟，并完成各仿真节点对应的仿真数据的交互以及通信指标的统计。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

消息推送服务子系统，用于以微服务的形式提供数据推送服务，以实现将仿真数据推送。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

数据存储服务子系统，用于以微服务的形式提供数据存储服务，以存储天地一体化孪生模拟产生的数据。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

网关路由服务子系统，用于以微服务的形式提供网关路由服务，以在天地一体化孪生模拟中为其他子系统提供的微服务配置统一的访问入口。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

监控中心服务子系统，用于以微服务的形式提供监控服务，以在天地一体化孪生模拟中监控其他子系统的微服务的运行状态。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

配置中心服务子系统，用于以微服务的形式提供统一的配置管理服务，以在天地一体化孪生模拟中管理所有子系统的微服务的配置文件。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

注册中心服务子系统，用于以微服务的形式向所有子系统提供微服务注册服务，并使注册的微服务在天地一体化孪生模拟中相互发现和调用。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

展示交互服务子系统，用于以微服务的形式提供展示交互服务以展示天地一体化孪生模拟的仿真场景，以及为其他子系统的微服务之间的交互、配置和展示提供展示界面。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述空天地资源包括：卫星节点、固定终端节点、移动终端节点、导弹，其中，所述固定终端包括核心网、信关站、基站；所述移动终端包括飞机、车辆、船只。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述场景部署服务子系统以微服务形式提供的仿真场景部署类型包括：空天地综合信息网络应用、卫星及星座互联、空中战术数据链组网、地面蜂窝通信组网。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述场景部署服务包括：

场景管理，用于根据用户的仿真需求部署天地一体化孪生模拟的仿真场景类型；

卫星管理，用于配置所述场景管理模块部署的天地一体化孪生模拟的仿真场景对应的卫星资源；

固定终端管理，用于配置所述场景管理模块部署的天地一体化孪生模拟的仿真场景对应的固定终端资源；

移动终端管理，用于配置所述场景管理模块部署的天地一体化孪生模拟的仿真场景对应的移动终端资源；

导弹管理，用于配置所述场景管理模块部署的天地一体化孪生模拟的仿真场景对应的导弹资源；

分析评估，用于根据所述场景管理模块部署的天地一体化孪生模拟的仿真场景对应的资源配置生成仿真节点。

14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述模型算法服务包括：

空间动力类模型，其包括运动模型、轨迹模型、空间模型、姿态模型；

空间环境类模型，其包括大气模型、雨衰模型、电离层模型；

用户与业务类模型，其包括用户模型、业务模型、分布模型；

通信链路类模型，其包括信道模型、干扰模型、天线模型；

标准接口，用于为所有模型提供标准接口以接入所述系统。

15.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述硬件接入服务包括：

硬件管理，用于对接入的半实物设备和实物进行管理；其中，所述半实物设备包括物理板卡，所述实物设备包括终端样机、干扰模拟设备、信道模拟设备、测试仪器仪表；

设备接入，用于基于标准SDK将半实物设备和实物设备向系统注册以将半实物设备和实物设备接入所述系统；

虚实映射，用于在天地一体化孪生模拟系统中将将半实物设备和实物设备与对应的仿真节点进行映射并将仿真节点与设备进行关联；

硬件数据采集，用于采集接入的设备产生的数据。

16.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述仿真模拟服务包括：

协议配置，用于对资源节点的通信协议进行配置；

仿真配置，用于基于配置的通信协议将资源对应的仿真节点组成天地一体化仿真通信网络；

仿真推演引擎，用于调度运行仿真任务并生成仿真数据；

仿真数据采集，用于收集仿真任务运行过程中产生的数据并调用消息推送服务将数据提送至展示交互服务进行展示。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述协议栈服务包括：

协议控制系统，用于根据仿真模拟服务配置的通信协议提供协议栈仿真模拟功能以模拟真实的通信协议栈，包括处理协议的加载、调度、运行和销毁；

网络协议系统，用于提供多种协议体制的通信协议仿真，所述协议体制包括TT、LINK16、DVB、5G、4G。

18.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述展示交互服务以网页的形式提供天地一体化孪生模拟的用户交互界面和渲染引擎，用于展示天地一体化孪生模拟仿真场景，并为其他子系统的微服务之间的交互、配置和展示提供展示界面。

19.一种天地一体化孪生模拟平台，其特征在于，所述平台包括

如权利要求1-18任一所述的系统；

一个或多个客户端工作站，用于通过网络访问天地一体化孪生模拟系统。

20.根据权利要求19所述的平台，其特征在于，所述每个客户端工作站配置有：

浏览器，用于通过网络访问天地一体化孪生模拟系统、与展示交互服务进行交互以请求网页和WebGL脚本并执行脚本、调用WebGL接口对天地一体化孪生模拟的数据进行图形绘制并以网页形式对数据进行2D或3D显示；

显卡和显卡驱动程序，用于完成浏览器中的2D或3D的显示和交互渲染；

GPU，用于进行硬件图形加速。

21.一种采用权利要求1-18任一所述系统的天地一体化孪生模拟方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、启动系统服务，部署仿真场景并配置空天地资源，生成天地一体化孪生模拟的仿真节点；

S2、根据所述步骤S1部署的仿真场景和配置的空天地资源进行环境建模并产生仿真节点对应的仿真数据；

S3、将半实物设备和实物设备接所述系统并通过虚实映射将半实物设备和实物设备与对应的仿真节点进行映射并将仿真节点与设备进行关联、以及采集设备产生的数据。

22.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求21所述方法的步骤。

23.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现如权利要求21中任一项所述方法的步骤。

Images