CN115276860A - 卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法及装置 - Google Patents

卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法及装置 Download PDF

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CN115276860A CN202210770243.8A CN202210770243A CN115276860A CN 115276860 A CN115276860 A CN 115276860A CN 202210770243 A CN202210770243 A CN 202210770243A CN 115276860 A CN115276860 A CN 115276860A
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魏承
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韩煜
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Abstract

本发明提供了一种卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法及装置，涉及计算机仿真技术领域，仿真方法包括：获取仿真步长和仿真时间，根据仿真步长，遍历仿真时间，获取任一仿真时刻下卫星的空间位置；获取当前拓扑信息或当前用户请求，根据当前拓扑信息或当前用户请求，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星的通信链路；或获取地球辐射带计算模型的控制参数，根据地球辐射带计算模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带粒子通量。本发明实现空间通信卫星星座组网与星间通信链路的实现并且得到各个卫星所处的空间位置的极端带电粒子辐射环境量化协同仿真。

Description

卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法及装置
技术领域
本发明涉及计算机仿真技术领域，具体而言，涉及一种卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法、装置、计算机设备及可读存储介质。
背景技术
宇宙空间是人类继陆地、海洋、大气之后，逐步探索开发利用的第四大人类活动空间。对空间的探索与人类航天飞行器技术的发展息息相关。飞行器所处的空间环境的研究有助于了解空间飞行器恶劣的运行环境，有助于研究如何使空间飞行器在轨高可靠运行。
空间辐射环境是地球周围由于地球磁场的存在，使空间高能带电粒子受到地球磁感线的约束在地球周围做高速运动而形成的高能带电粒子辐射环境。高能带电粒子能够穿透空间飞行器的外壳体，部分高能粒子甚至可以直接轰击到飞行器内部电子电路器件，空间飞行器上的电子元器件一般是飞行器在轨运行的控制中心，指令中心，运算中心，是空间飞行器的大脑，一旦出现问题对飞行器在轨高可靠运行造成致命的影响。所以研究空间辐射环境对空间飞行器具有重要意义。
通信卫星主要解决人类对全球任何位置都能通信的需求。通过通信基站假设受地球地表复杂环境地形的影响难以实现信号的全球覆盖。自从人类有了地球人造卫星技术，通过通信卫星解决全球通信信号覆盖的问题成为可能。而卫星通信是卫星在轨的一种运行状态，对于基于卫星通信的全球通信信号覆盖问题，需要使用卫星星座组网，通常会考虑不同高度的卫星星座来进行卫星通信。在地球周围分布的不同卫星其所处的空间环境各不相同，而通信卫星星座在空间环境中生存，其面临的最大影响就是空间高能带电粒子的影响。地球周围受到地球自身地磁场的作用，存在高能的电子和质子在地球磁场中往复运动，形成地球辐射带，也成为范艾伦带。空间中的高能带电粒子对卫星上的电子电路系统有巨大的破坏作用和影响，会直接影响卫星的指挥控制系统，从而影响卫星的空间任务的实现。对于卫星通信主要依靠卫星上的电子电路系统，通信卫星受地球辐射带的影响更加明显。
发明内容
本发明解决的问题是通信卫星在轨运行期间，空间中的高能带电粒子对卫星上的电子电路系统有巨大的破坏作用和影响，会直接影响卫星的指挥控制系统，从而影响卫星的空间任务的实现中的至少一个方面。
为解决上述问题，本发明提供一种卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法，包括：
获取仿真步长和仿真时间，
根据所述仿真步长，遍历所述仿真时间，得到任一仿真时刻下卫星的空间位置；
获取当前拓扑信息或当前用户请求，
根据所述当前拓扑信息或所述当前用户请求，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星的通信链路；
或获取地球辐射带计算模型的控制参数，
根据所述地球辐射带计算模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带粒子通量。
可选地，所述根据所述当前拓扑信息或所述当前用户请求，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星的通信链路，包括：
获取当前拓扑信息，
将所述当前拓扑信息与预存拓扑信息进行比较，
根据比较的结果，获取断开或无法再满足请求需求的失效链路，将所述失效链路上的请求路由到有效链路，并更新拓扑链路状态表，得到各个卫星的当前通信链路。
可选地，将所述当前拓扑信息与预存拓扑信息进行比较，包括：
将所述当前拓扑信息与预存拓扑信息进行比较，输出比较结果，并将所述当前拓扑信息作为更新后的预存拓扑信息。
可选地，所述根据所述当前拓扑信息或所述当前用户请求，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星的通信链路，包括：
获取当前用户请求，
根据所述当前用户请求的生存时间，将网络中已经停止的请求及其资源剥离拓扑链路状态表，并根据所述拓扑链路状态表中记录的链路状态数据生成逻辑拓扑，根据所述逻辑拓扑的链路度量长度执行最短路径算法，得到优选路径，并根据所述优选路径更新所述拓扑链路状态表。
可选地，卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法还包括初始化卫星轨道六根数以及卫星在空间运行的时间时刻，其中，所述卫星轨道六根数用于确定卫星在空间中的位置和速度，且根据星座的双行元数据初始化卫星轨道六根数，所述卫星在空间运行的时间时刻根据世界协调时间确定。
可选地，根据所述地球辐射带计算模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带粒子通量，包括：
根据AP-8模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带质子通量，或根据AE-8模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带电子通量。
可选地，所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法，还包括：
将所述卫星的空间位置、所述卫星的通信链路和/或所述卫星所处的地球辐射带粒子通量，在地球空间三维视图或二维视图上进行可视化显示。
本发明所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法相对于现有技术的优势在于：本发明实现空间通信卫星星座组网与星间通信链路的实现并且得到各个卫星所处的空间位置的极端带电粒子辐射环境量化协同仿真，为通信卫星星座在轨正常运行，优化通信卫星星座设计，合理规避极端空间环境影响，进行通信卫星在轨运行高可靠设计方案，提供有力支撑和技术保障。
为解决上述问题，本发明还提供一种卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真装置，包括：
获取单元，所述获取单元用于获取仿真步长和仿真时间，
所述获取单元用于获取当前拓扑信息或当前用户请求，
所述获取单元用于获取地球辐射带计算模型的控制参数；
所述获取单元还用于根据所述仿真步长，遍历所述仿真时间，获取任一仿真时刻下卫星的空间位置；
路径规划单元，所述路径规划单元用于根据所述当前拓扑信息或所述当前用户请求，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星的通信链路；
计算单元，所述计算单元用于根据所述地球辐射带计算模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带粒子通量。
本发明所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真装置与所述卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。
为解决上述问题，本发明还提供一种计算机设备，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法。
本发明所述的计算机设备与所述卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。
为解决上述问题，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法。
本发明所述的计算机可读存储介质与所述卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例中卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法流程图；
图2为本发明实施例中采用域内路由模块得到各个卫星的通信链路的流程图；
图3为本发明实施例中采用域间路由模块得到各个卫星的通信链路的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、详尽地描述。
在本申请实施例的描述中，术语“一些实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
如图1所示，本发明实施例提供一种卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法，包括：
获取仿真步长和仿真时间，
根据所述仿真步长，遍历所述仿真时间，得到任一仿真时刻下卫星的空间位置；
获取当前拓扑信息或当前用户请求，
根据所述当前拓扑信息或所述当前用户请求，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星的通信链路；
或获取地球辐射带计算模型的控制参数，
根据所述地球辐射带计算模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带粒子通量。
一些实施例中，所述根据所述当前拓扑信息或所述当前用户请求，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星的通信链路，包括：
获取当前拓扑信息，
将所述当前拓扑信息与预存拓扑信息进行比较，
根据比较的结果，获取断开或无法再满足请求需求的失效链路，将所述失效链路上的请求路由到有效链路，并更新拓扑链路状态表，得到各个卫星的当前通信链路。
可选地，将所述当前拓扑信息与预存拓扑信息进行比较，包括：
将所述当前拓扑信息与预存拓扑信息进行比较，输出比较结果，并将所述当前拓扑信息作为更新后的预存拓扑信息。
可选地，所述根据所述当前拓扑信息或所述当前用户请求，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星的通信链路，包括：
获取当前用户请求，
根据当前用户请求的生存时间，将网络中已经停止的请求及其资源剥离拓扑链路状态表，并根据所述拓扑链路状态表中记录的链路状态数据生成逻辑拓扑，根据所述逻辑拓扑的链路度量长度执行最短路径算法，得到优选路径，并根据所述优选路径更新所述拓扑链路状态表。
一些实施例中，获取当前用户请求，即获取当前用户需要通信的两个目标的节点，可以为从卫星到卫星或者是从某个地面单位到另一地面单位，也可以从某一卫星到地面单位，总之是场景中任意的两个用户需要通信的任意两个目标的节点。
一些实施例中，卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法还包括初始化卫星轨道六根数以及卫星在空间运行的时间时刻，其中，所述卫星轨道六根数用于确定卫星在空间中的位置和速度，且根据星座的双行元数据初始化卫星轨道六根数，所述卫星在空间运行的时间时刻根据世界协调时间确定。
本实施例中，世界协调时间UTC即格林威治平太阳时间，是指格林威治所在地的标准时间，也是表示地球自转速率的一种形式，UTC基于国际原子时间，通过不规则的加入闰秒来抵消地球自转变慢的影响，是世界上调节时钟和时间的主要时间标准。
本实施例中，卫星轨道六根数包括轨道半长轴a、轨道偏心率e、轨道倾角i、近地点幅角ω、升交点赤经Ω和平近点角M0。通过卫星轨道六根数确定卫星在空间中的位置和速度。
一些实施例中，根据所述地球辐射带计算模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带粒子通量，包括如下两种方式：
其一，根据AP-8模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带质子通量。
具体地，AP-8(NASA)模式所依据的探测数据主要来自上世纪60年代和70 年代早期的20几颗卫星。该模式能够较充分地覆盖地球辐射带质子区域，并有较宽的质子能量范围。尽管相当部分数据是通过外推得到的，AP-8(NASA) 模式仍是国际上用于工程问题的基本模式。
AP-8模式描述磁宁静条件下地球辐射带质子的全向积分通量与地磁坐标的关系，包括太阳活动高年的AP-8MAX模式和低年的AP-8MIN模式。所涉及的辐射带质子的能量(E)范围为0.1MeV-400MeV。应用AP-8(NASA)模式计算轨道能谱时，必须与适当的地磁场模式相匹配。NASA规定，应用AP-8MIN模式时，选用Jensen-Cain1960地磁场模式；应用AP-8MAX模式时，选用GSFC(12/66) 地磁场模式。
其二，根据AE-8模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带电子通量。
AE-8模式，能够给出辐射带电子通量的静态分布。通过该模式可分别针对太阳活动高年和低年计算给出不同能量(E)和空间位置下辐射带电子的积分通量和微分通量。所依据的探测数据主要来自上世纪60年代至70年代中期的20几颗卫星，能够较好地覆盖地球辐射带的空间区域(L＝1.2-11RE)，并有较宽的电子能量范围(40keV-7MeV)。
一些实施例中，所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法，还包括：将所述卫星的空间位置、所述卫星的通信链路和/或所述卫星所处的地球辐射带粒子通量，在地球空间三维视图上进行可视化显示。
一些实施例中，所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法，还包括：将所述卫星的空间位置、所述卫星的通信链路和/或所述卫星所处的地球辐射带粒子通量，在地球空间二维视图上进行可视化显示。
本实施例所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法相对于现有技术的优势在于：本实施例实现空间通信卫星星座组网与星间通信链路的实现并且得到各个卫星所处的空间位置的极端带电粒子辐射环境量化协同仿真，为通信卫星星座在轨正常运行，优化通信卫星星座设计，合理规避极端空间环境影响，进行通信卫星在轨运行高可靠设计方案，提供有力支撑和技术保障。
本发明另一个实施例提供一种卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真装置，包括：
获取单元，所述获取单元用于获取仿真步长和仿真时间，
所述获取单元用于获取当前拓扑信息或当前用户请求，
所述获取单元用于获取地球辐射带计算模型的控制参数；
所述获取单元还用于根据所述仿真步长，遍历所述仿真时间，获取任一仿真时刻下卫星的空间位置；
路径规划单元，所述路径规划单元用于根据所述当前拓扑信息或所述当前用户请求，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星的通信链路；
计算单元，所述计算单元用于根据所述地球辐射带计算模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带粒子通量。
具体地，路径规划单元根据所述当前拓扑信息或所述当前用户请求，调用两个主要模块遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星的通信链路，两个主要模块为域间路由模块与域内路由模块。其中域内路由模块是域间路由模块的基础。
如图2所示，域内路由模块主要由两个并行的处理模块路径变更模块和路径规划模块组成，用来分别处理两个并行的输入：拓扑输入与用户接入。
路径变更模块用于处理拓扑输入，包括拓扑记忆/比较模块、请求提取/ 迁移模块。当有新的拓扑信息输入时，拓扑比较模块会与拓扑记忆模块记录的拓扑对比，找出断开的链路以及无法再满足请求QoS需求的链路，再将其链路上的请求路由到其他可用链路，并更新拓扑链路状态表，其中拓扑链路状态表记录了每条链路的带宽占用以及其上承载的请求信息。
其中，拓扑记忆/比较模块中，卫星组网最初的拓扑会初始化拓扑记忆模块，当新的拓扑到来时，先将新拓扑与拓扑记忆模块中的拓扑对比，导出对比结果，最后拓扑记忆模块更新为新到来的拓扑。
请求提取/迁移模块中，当拓扑比较结果输入时，遍历变化路径上承载的请求，查看变化的链路目前的状态是否依然可以满足其上请求的QoS需求，将无法满足的链路(失效链路)上承载的请求提取出来，并选取另一条替代路径。最后更新拓扑链路状态表，以便未来选路。
路径规划模块用于处理用户接入，包括OSPF模块，当有新的用户请求输入时，基于总体拓扑、链路状态表，以及改进的OSPF算法选取一条较优路径，并根据路径结果更新链路状态表。
其中，OSPF模块基于用户请求生存时间，将网络中已经停止的请求及其资源占用剥离拓扑链路状态表，并根据拓扑链路状态表中记录的链路状态数据(传输时延，剩余带宽，链路建立状态)生成逻辑拓扑，逻辑拓扑中链路的度量长度由多个状态数据加权生成，链路传输时延越长度量长度越长，链路若已经建立，度量长度则相对较短。再根据逻辑拓扑的链路度量长度执行最短路径算法，以尽量减小建立(切换)路径的数量。
如图3所示，域间路由模块用于将域间选路问题转化为域内选路问题，即将多域的拓扑转化成一个单域的拓扑，称为跨域拓扑。域间路由模块包括跨域路径更新模块、域内路径更新模块与BGP模块，其中跨域路径更新模块与域内路径更新模块是域内路由模块的复用，用来计算跨域拓扑的链路属性并更新拓扑链路状态表，BGP则根据跨域拓扑选取路径并更新拓扑链路状态表。拓扑结构即为星座中各个卫星节点随时间推移在空间中的相对位置网络。用户需求即是用户提出的从A到B的通信需求。通过上述计算过程即可实现卫星间通信链路的搭建。
本实施例所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真装置与所述卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。
本发明另一个实施例提供一种计算机设备，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法。
本实施例所述的计算机设备与所述卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。
本发明另一个实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法。
本实施例所述的计算机可读存储介质与所述卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。
虽然本发明披露如上，但本发明的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法，其特征在于，包括：
获取仿真步长和仿真时间，
根据所述仿真步长，遍历所述仿真时间，获取任一仿真时刻下卫星的空间位置；
获取当前拓扑信息或当前用户请求，
根据所述当前拓扑信息或所述当前用户请求，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星的通信链路；
或获取地球辐射带计算模型的控制参数，
根据所述地球辐射带计算模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带粒子通量。
2.根据权利要求1所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法，其特征在于，所述根据所述当前拓扑信息或所述当前用户请求，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星的通信链路，包括：
获取当前拓扑信息，
将所述当前拓扑信息与预存拓扑信息进行比较，
根据比较的结果，获取断开或无法再满足请求需求的失效链路，将所述失效链路上的请求路由到有效链路，并更新拓扑链路状态表，得到各个卫星的当前通信链路。
3.根据权利要求2所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法，其特征在于，将所述当前拓扑信息与预存拓扑信息进行比较，包括：
将所述当前拓扑信息与预存拓扑信息进行比较，输出比较结果，并将所述当前拓扑信息作为更新后的预存拓扑信息。
4.根据权利要求1所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法，其特征在于，所述根据所述当前拓扑信息或所述当前用户请求，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星的通信链路，包括：
获取当前用户请求，
根据所述当前用户请求的生存时间，将网络中已经停止的请求及其资源剥离拓扑链路状态表，并根据所述拓扑链路状态表中记录的链路状态数据生成逻辑拓扑，根据所述逻辑拓扑的链路度量长度执行最短路径算法，得到优选路径，并根据所述优选路径更新所述拓扑链路状态表。
5.根据权利要求1所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法，其特征在于，还包括初始化卫星轨道六根数以及卫星在空间运行的时间时刻，其中，所述卫星轨道六根数用于确定卫星在空间中的位置和速度，且根据星座的双行元数据初始化卫星轨道六根数，所述卫星在空间运行的时间时刻根据世界协调时间确定。
6.根据权利要求1所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法，其特征在于，根据所述地球辐射带计算模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带粒子通量，包括：
根据AP-8模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带质子通量，或根据AE-8模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带电子通量。
7.根据权利要求1所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法，其特征在于，还包括：
将所述卫星的空间位置、所述卫星的通信链路和/或所述卫星所处的地球辐射带粒子通量，在地球空间三维视图或二维视图上进行可视化显示。
8.一种卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真装置，其特征在于，包括：
获取单元，所述获取单元用于获取仿真步长和仿真时间，
所述获取单元用于获取当前拓扑信息或当前用户请求，
所述获取单元用于获取地球辐射带计算模型的控制参数；
所述获取单元还用于根据所述仿真步长，遍历所述仿真时间，获取任一仿真时刻下卫星的空间位置；
路径规划单元，所述路径规划单元用于根据所述当前拓扑信息或所述当前用户请求，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星的通信链路；
计算单元，所述计算单元用于根据所述地球辐射带计算模型的控制参数，遍历各个卫星的空间位置，得到各个卫星所处的地球辐射带粒子通量。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如权利要求1-7任一项所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现如权利要求1-7任一项所述的卫星在轨地球辐射带环境量化表征仿真方法。
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