CN115361051B - 一种面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，采用B/S架构，所述系统包括：包括基于浏览器的交互层以及部署在后端的计算层和数据层，其中，所述交互层，用于场景参数交互、数据查询，以及结果可视化显示；所述计算层为服务端并行计算部分，采用Docker+微服务设计思想，用于基于数据驱动进行轨道外推、场景建模、干扰计算和数据统计的分布式并行处理；所述数据层为系统的文件系统部分，用于通过存储集群进行各类数据的组织，并提供查询逻辑。本发明的系统能够适用多种不同场景、兼容多类仿真节点类型、轨道和卫星类型，具有应用广的优点。

Description

一种面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统

技术领域

本发明属于空间星座兼容性分析技术领域，尤其涉及一种面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统。

背景技术

空间频率轨道资源是关系国家安全和利益拓展的重大战略稀缺资源，是国家主权的延伸，是空间信息系统建设和运行的前提和基础，国际竞争十分激烈。随着Starlink、Telesat等全球低轨互联网星座系统的快速发展与部署，造成多星共轨、多星同频而造成的频轨资源枯竭、干扰日益严重。空间频轨资源兼容共用技术作为一项跨学科、多领域的融合技术，发展并建设面向大规模空间互联网星座发展浪潮下的频轨资源兼容性分析技术及支撑工具成为国际关注热点。

因此，面向大规模空间互联网星座发展浪潮下的频轨资源兼容性分析技术及支撑工具缺失等瓶颈问题，通过进一步深化突破复杂动态海量节点干扰场景建模与分析技术、干扰规避辅助设计与星座协同优化技术等关键技术，解决制约卫星互联网星座系统频轨资源兼容性分析方面的核心问题，建设独立自主的卫星互联网星座系统电磁兼容仿真分析平台，并达到4000颗卫星节点规模以上的干扰仿真分析和干扰规避策略验证与评估能力，为促进我国卫星互联网星座系统频率轨道战略资源的储备和航天产业的快速发展，加强天地融合跨越，推动国家空间基础新基建规划战略发展，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统。

为了实现上述目的，本发明提出了一种面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，采用B/S架构，所述系统包括：基于浏览器的交互层以及部署在后端的计算层和数据层，其中，

所述交互层，用于场景参数交互、数据查询，以及结果可视化显示；

所述计算层为服务端并行计算部分，采用Docker+微服务设计思想，用于基于数据驱动进行轨道外推、场景建模、干扰计算和数据统计的分布式并行处理；

所述数据层为系统的文件系统部分，用于通过存储集群进行各类数据的组织，并提供查询逻辑。

作为上述系统的一种改进，所述交互层包括：分析场景参数交互服务、干扰分析结果数据库交互与报告生成服务、可视化交互服务以及场景管理与交互服务；其中，

所述分析场景参数交互服务，用于获取卫星轨道参数、地面终端参数、地面业务系统参数、天线波束参数、链路载波参数、跟踪策略、干扰规避策略、干扰指标及门限以及系统运行参数，得到构建兼容性分析场景的配置信息；

所述干扰分析结果数据库交互与报告生成服务，用于根据用户指定的链路、空间节点或地面节点，进行海量数据的查询及分析，并展示相关结果，用于对于超限时间段及相应空间干扰场景的拓扑关系，结合可视化交互服务进行联合展示，还用于导出数据形成兼容性分析报告；

所述可视化交互服务，用于基于真实星表数据进行星空场景展示，工作及干扰场景的展示，还用于基于干扰分析结果进行曲线图表的展示；

所述场景管理与交互服务，用于对干扰分析场景配置进行分类编目、增量修改，以及存储管理，形成干扰分析场景Demo库。

作为上述系统的一种改进，所述分析场景参数交互服务包括：卫星轨道及姿态参数配置模块、地面终端参数配置模块、卫星及地面站波束特性参数配置模块、链路物理/链路层参数配置模块、跟踪及干扰规避策略配置模块和系统运行仿真参数配置模块；其中，

所述卫星轨道及姿态参数配置模块，用于通过查询卫星网络数据库和/或根据STK格式化数据导入卫星轨道数据，或根据用户手动输入的轨道六根数，利用Walker星座生成方法进行星座参数配置，以及多颗卫星与多个星座的分组组合配置；用于设置单颗卫星的俯仰、滚转及偏航角度；还用于根据配置文件配置星座或多颗分组卫星的姿态参数；

所述地面终端参数配置模块，用于根据用户手动输入WGS84坐标系的经纬度，以全球或区域概率分布撒点方式对地面站进行设置，还用于对地面终端或地面站进行分组设置及网格化设置；

所述卫星及地面站波束特性参数配置模块，用于对卫星和/或地面站进行单点和/或多点波束的参数配置；

所述链路物理/链路层参数配置模块，用于通过选择链路的起点及终点，以卫星或地面站及对应波束集合进行关系映射建立，构建星地上行链路、星地下行链路以及星间链路之间的链路映射模型；还用于通过配置链路空口参数，构建链路空口模型；

所述跟踪及干扰规避策略配置模块，用于根据用户输入的跟踪建立条件、跟踪策略、GSO及NGSO卫星系统干扰规避策略，以辅助验证大规模星座干扰规避策略的有效性；

所述系统运行仿真参数配置模块，用于接收用户自定义的仿真时间、时长以及步长进行配置；用于接收系统级可视化仿真参数进行配置；用于对用户配置场景的保存、读取以及典型星座或链路DEMO管理及增量配置；还用于设置相应分析指标及门限。

作为上述系统的一种改进，所述干扰分析结果数据库交互与报告生成服务，包括干扰分析结果数据库查询与统计模块、报告模板管理模块和报告生成与导出模块；其中，

所述干扰分析结果数据库查询与统计模块，用于根据系统级指标超限结果，得到相应的干扰超限时间及相应的受扰节点与干扰源，进而获得对应干扰源，并定位干扰来源最大值节点；还用于根据查询策略，提供查询对象，包括链路、空间节点、地面节点、干扰指标结果及相应的超限时间、干扰源来源；

所述报告模板管理模块，用于按照分析场景类型、议题、规则和建议书规则多个维度，设置、管理并存储干扰分析报告模板；

所述报告生成与导出模块，用于预留与其他仿真系统的调用、展示以及对结果进行二次处理的接口，针对被选中的分析对象与场景，自动或选择生成干扰与被干扰对象间的干扰分析报告，所述干扰分析报告包括参数类型、参数值、干扰与被干扰链路和仿真分析结果要素的直观展示。

作为上述系统的一种改进，所述可视化交互服务包括：二维/三维可视化场景展示模块、工作及干扰场景展示模块及分析结果查询曲线与图表展示模块；其中，

所述二维/三维可视化场景展示模块，用于基于真实星表数据展示星空背景场景和地表场景；

所述工作及干扰场景展示模块，用于对卫星及星座进行展示，用于对地面终端进行展示，用于对仿真任务运行情况进行展示，还用于对干扰情况进行展示；

所述分析结果查询曲线与图表展示模块，用于对干扰分析结果及相应的CDF统计分布以图表方式进行展示。

作为上述系统的一种改进，所述场景管理与交互服务包括：场景管理模块和场景交互模块；其中，

所述场景管理模块，用于对已分析干扰场景进行分类编目、增量修改以及存储管理，还用于对典型模型、典型波束配置、空口参数配置、典型星座和重点轨位进行Demo编辑，形成干扰分析场景Demo库；

所述场景交互模块，用于对已存储的典型场景进行增加、编辑、删除和复制的交互操作。

作为上述系统的一种改进，所述计算层包括：链路场景分析仿真建模服务和链路及干扰计算模型服务；其中，

所述链路场景分析仿真建模服务，用于在链路跟踪策略的约束下，根据实际需要构建NGSO与NGSO星座之间、NGSO星座与地面5G业务系统之间的通信链路，进行上、下行链路的干扰场景分析，建立时、空、频仿真场景参数到建链情况、链路参数的映射关系，并确定受扰链路与干扰链路，以完成仿真对象分组，优化仿真对象的目的；用于根据预定策略从候选台站中选择要跟踪的台站，定义跟踪策略；还用于提供第三方干扰规避策略的接入接口；

所述链路及干扰计算模型服务，用于构建干扰分析指标体系，根据链路场景构建情况，对受扰链路进行干扰指标计算，并对相应结果进行时间分布与统计。

作为上述系统的一种改进，所述链路场景分析仿真建模服务包括：跟踪策略仿真计算模块、干扰规避策略辅助验证模块、干扰仿真场景建模模块、信道仿真模块、5G宏基站建模模块和5G微基站建模模块；其中，

所述跟踪策略仿真计算模块，用于根据轨道与业务覆盖仿真的运行结果以及选取的跟踪策略，在时空关系的约束下通过仿真从候选台站中选择要跟踪的台站，建立仿真场景参数到链路建链的映射关系；

所述干扰规避策略辅助验证模块；用于根据轨道与业务覆盖仿真的运行结果以及配置的干扰规避策略，通过仿真解析出相应的场景时空约束，建立仿真场景参数到链路参数的映射关系；还用于对星载相控阵天线提供干扰规避策略辅助设计；

所述干扰仿真场景建模模块，用于根据轨道与业务覆盖仿真的运行结果，通过可配置的跟踪与干扰规避策略，判断当前场景的工作链路，并结合频段指配和工作链路的判断结果，分别确定上行和下行链路、星间链路的干扰链路和受扰链路，并进行分组，构建干扰仿真场景模型；还用于提供网格化干扰场景的建模计算分析；

所述信道仿真模块，用于根据系统分析频段，结合轨道仿真动态，引入信道动态，建立信道仿真模型；

所述5G宏基站建模模块，用于建立包括多个宏基站的一个基站簇，每个宏基站包括三个扇区；

所述5G微基站建模模块，用于在宏蜂窝覆盖区内生成微蜂窝基站簇，每个微蜂窝基站簇包括多个微基站，每个微基站通过随机或固定方式生成，作为用户终端撒点的依据。

作为上述系统的一种改进，所述链路及干扰计算模型服务包括：链路工作指标计算模块和干扰指标计算模块；其中，

所述链路工作指标计算模块，用于建立链路预算模型，根据链路物理层与链路层的参数设置条件，以及信道仿真结果，计算星地、星间和地地相应工作链路的操作条件，并结合误码率条件，估算链路余量；具体包括工作链路工况计算、链路干扰源筛选和链路单入干扰计算；

所述干扰指标计算模块，用于根据相应的链路参数计算链路干扰分析指标以及相应的累计统计分布。

作为上述系统的一种改进，所述数据层包括数据库管理服务，用于对干扰分析场景配置参数、干扰分析运行所产生的中间过程数据进行入库管理，为分析结果数据与可视化交互提供数据基础。

作为上述系统的一种改进，所述数据库管理服务包括：卫星网络资料SRS数据重构模块以及干扰分析仿真结果数据组织与管理模块；其中，

所述卫星网络资料SRS数据重构模块，用于对卫星网络卫星轨道参数、地面站参数、波束指配进行解析提取及重构；

所述干扰分析仿真结果数据组织与管理模块，用于根据分析场景，对干扰分析场景配置文件进行数据库管理，用于对干扰分析运行所产生的中间过程数据进行入库管理，构建数据映射及关联调用关系，为数据与场景可视化，分析结果查询提供数据基础。

作为上述系统的一种改进，所述系统具有兼容性分析工作模式、干扰规避策略辅助验证工作模式和兼容性分析结果离线回放模式；其中，

所述兼容性分析工作模式，用于分析大规模空间互联网星座之间的频率兼容性情况；

所述干扰规避策略辅助验证工作模式，用于在兼容性分析工作模式中，对大规模空间互联网星座系统所提出的相应干扰规避策略或运行流程进行分析验证，通过干扰分析结果判定干扰规避策略设计的有效性；

所述兼容性分析结果离线回放模式，用于在无局域网的条件下，利用已经处理分析的相关场景下的兼容性分析结果的数据库数据进行离线回放，展示相应场景下的干扰分析结果与挑点后的可视化场景。

作为上述系统的一种改进，所述兼容性分析工作模式包括以下步骤：

步骤1)交互层的分析场景参数交互服务配置兼容性分析场景信息；

步骤2)交互层的分析场景参数交互服务设置仿真起始时间、步长以及仿真时长；

步骤3)计算层运行仿真，通过交互层的可视化交互服务以可视化方式展示仿真运行过程，并以仿真时间步长为单位，由计算层的链路场景分析仿真建模服务完成链路运行场景构建，由计算层的链路及干扰计算模型服务依次完成卫星轨道星历计算、波束覆盖计算和干扰分析计算；

步骤4)计算层仿真结束，由数据层的数据库管理服务将干扰分析结果数据与软件中间运行数据管理入库；

步骤5)数据层的数据库管理服务运行干扰分析结果查询服务，根据用户所制定的查询对象分析查询相应指标及中间数据结果，由交互层的干扰分析结果数据库交互与报告生成服务进行展示；

步骤6)计算层判断是否存在干扰门限超限情况，若超限则进一步有干扰分析结果查询服务确定超限时间范围，调整步长设置精度，并转至步骤3)重新运行仿真，进一步展宽干扰分布细节，若无超限情况，则转至步骤7)；

步骤7)交互层的可视化服务对干扰分析结果进行曲线展示，对干扰分析场景细节进行可视化展示；

步骤8)交互层的干扰分析结果数据库交互与报告生成服务导出数据及图表，并生成兼容性分析报告。

作为上述系统的一种改进，所述干扰规避策略辅助验证工作模式包括以下步骤：

步骤1)交互层的分析场景参数交互服务配置兼容性分析场景信息；

步骤2)交互层的分析场景参数交互服务设置仿真起始时间、步长以及仿真时长；

步骤3)计算层运行仿真，通过交互层的可视化交互服务以可视化方式展示仿真运行过程，并以仿真时间步长为单位，由计算层的链路场景分析仿真建模服务完成链路运行场景构建，由计算层的链路及干扰计算模型服务依次完成卫星轨道星历计算和波束覆盖计算；

步骤4)计算层的干扰计算模型服务判断干扰规避策略触发门限，若触发规避策略门限，则引入干扰规避策略，转至步骤4)；否则，转至步骤5)；

步骤5)计算层的干扰计算模型服务进行干扰分析计算；

步骤6)计算层停止仿真，由数据层的数据库管理服务将干扰分析结果数据与软件中间运行数据管理入库；

步骤7)数据层的数据库管理服务运行干扰分析结果查询服务，根据用户所制定的查询对象分析并展示相应指标及中间数据结果，继续进行兼容性分析工作模式流程，进行高精度步长迭代仿真；

步骤8)交互层的可视化服务对干扰分析结果进行曲线展示，对干扰分析场景细节进行可视化展示；

步骤9)交互层的干扰分析结果数据库交互与报告生成服务导出数据及图表，并生成兼容性分析报告。

作为上述系统的一种改进，所述兼容性分析结果离线回放模式包括以下步骤：

步骤1)交互层的干扰分析结果数据库交互与报告生成服务导入预先存储的干扰分析结果数据库文件；

步骤2)数据层的数据库管理服务进行结果查询，由交互层的可视化服务展示干扰分析结果的时间分布曲线及CDF曲线；

步骤3)交互层的可视化服务利用数据库中的卫星星历数据、波束覆盖数据、干扰场景数据进行可视化展示；

步骤4)交互层的干扰分析结果数据库交互与报告生成服务生成兼容性分析报告与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的系统能够适用多种不同场景、兼容多类仿真节点类型、轨道和卫星类型，具有应用广的优点；

2、本发明的系统能够支持的卫星数量仿真规模不少于4000颗；地球站可遍历GSO覆盖范围内所有地点，并且最小精度可按经纬度1度遍历或按要求设定；

3、本发明的系统采用Docker+微服务设计思想，用于基于数据驱动进行轨道外推、场景建模、干扰计算和数据统计的分布式并行处理，当空间节点规模在千颗量级，仿真时长为24小时，仿真步长为1秒时，本系统仿真1个地理位置的仿真运行时间小于3min；具有运行时间短，仿真效率高的优点；

4、本发明的系统采用了灵活的工作流程设计，满足频率干扰分析工作的要求。

附图说明

图1是本发明的面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统的架构图；

图2是数据存储方式示意图；

图3是后端并行计算设计架构；

图4是系统总体分层架构；

图5是软件功能组成框图

图6是兼容性分析工作模式基本流程；

图7是干扰规避策略辅助验证工作模式基本流程；

图8是兼容性分析结果离线回放模式基本流程；

图9是后端计算逻辑；

图10是下行工作链路场景构建逻辑；

图11是工作链路计算逻辑；

图12是下行链路干扰源筛选；

图13是单入干扰计算逻辑；

图14是系统数据流转图；

图15是并行计算策略。

具体实施方式

本发明提出了一种面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，采用B/S架构，此处大规模界定的指标为4000颗卫星节点规模。

该系统包括：包括基于浏览器的交互层以及部署在后端的计算层和数据层，其中，

所述交互层，用于场景参数交互、数据查询，以及结果可视化显示；

所述计算层为服务端并行计算部分，采用Docker+微服务设计思想，用于基于数据驱动进行轨道外推、场景建模、干扰计算和数据统计的分布式并行处理；

所述数据层为系统的文件系统部分，用于通过存储集群进行各类数据的组织，并提供查询逻辑。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例

本发明的实施例提出了一种面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统。

一、系统架构

大规模空间互联网星座的频率共用分析系统主要面向大规模星座及地面业务系统频率兼容性分析低，一方面计算规模大，链路映射关系复杂，对计算速度、场景可定制要求较高，同时，干扰计算的规则与方法需支持未来升级扩展，支持计算流程的定制。针对上述需求特点，软件在设计上采用分层设计，层次间相互依赖性应尽量低；特别是业务层要有明确的隔离，采用微服务设计思想，将各类计算逻辑进行微服务封装；针对业务流程可以通过脚本化流程调度引擎按用户需求进行定制重组，而不影响系统的工作；对于大规模星座干扰计算，需要采用主流并行计算架构，将海量计算节点以及相关复杂链路干扰计算进行分解并行计算，提升计算效能。对于操作系统、文件系统、中间件、应用程序模式等的选择应遵循开放和标准化的原则，采用云平台虚拟架构使得各个层次可以独立升级、移植，系统具备对不同操作系统和硬件设备的支持能力。系统技术架构如图1所示。

1)B/S架构

本系统采用B/S架构。B/S架构在处理模式上大大简化了客户端，用户只需安装浏览器即可，同时对应用环境的依赖性较小，同时因为客户端使用浏览器，在开发维护上更加便利，可以减少系统开发和维护的成本，同时可以给用户使用带来便捷，只要能够连接网络，即可以使用该系统。B/S架构将应用逻辑集中在服务器和中间件上，采用反向代理、负载均衡等方式完成Server端的应用处理，进行信息分布式处理，可以有效提高数据处理性能，降低资源成本，提高系统运行可靠性。

系统在仿真、分析、计算过程中必须保证数据及结果的实时显示。本方案采用WebSocket的方式实现前后台通信，WebSocket是伴随HTML5发布的一种新协议。它实现了浏览器与服务器全双工通信(full-duplex)，可以传输基于消息的文本和二进制数据。WebSocket是浏览器中最靠近套接字的API，可以在服务端和客户端之间建立并维持实时传输通道，实现服务的数据的实时推送，保证了实时数据的刷新显示。

2)消息中间件

该系统结构复杂，功能多，模块多，交互多，除基于数据库的交互外，系统内部存在大量的消息交互，例如各个模块间的协同通知消息、实时的通知消息等。大型分布式系统首要解决的问题就是消息传递问题，本系统采用消息中间件Kafka实现消息传递。消息中间件适用于需要可靠的数据传送的分布式环境，不同的对象之间通过传递消息来激活对方的事件，完成相应的操作。发送者将消息发送给消息服务器，消息服务器将消息存放在若干队列中，根据需要将消息转发给接收者。消息中间件能在不同平台之间通信，它常被用来屏蔽掉各种平台及协议之间的特性，实现应用程序之间的协同，其优点在于能够在客户和服务器之间提供同步和异步的连接，并且在任何时刻都可以将消息进行传送或者存储转发。利用消息中间件作为统一内部通信接口，避免因软件服务数量增加而导致的接口增加，实现软件之间的解耦。同时，消息中间件本身具有高I/O，可加密、可压缩、高可靠等功能，让数据业务更安全、可靠。

3)Docker+微服务

本系统中存在着大量的电波传播模型、干扰规避策略、跟踪策略、信道仿真、场景建模、干扰计算等多种算法，而且每个算法的输入、输出较为明确，后期存在算法优化改进的情况，同时各种场景下的业务处理逻辑采用了不同算法的不同逻辑组合，为控制算法更改的影响，避免局部更动影响系统，同时业务逻辑处理的按需伸缩，实现系统快速部署扩展，在本系统设计中使用微服务架构模式。微服务是一个软件架构模式，通过开发一系列的小型服务的方式来实现一个应用，本项目中可以是一个算法，也可以是一个业务处理逻辑，它只专注做一件事情并且做好，而这个事情通常可以是业务能力，或者提供业务价值的最小单元服务。每一个这样的小服务都是运行在自己的进程里面，并且通过轻量级的HTTPAPI方式进行通讯，服务会以业务模块为界限，能够被单独开发部署。

为避免传统环境下软件部署约束多，各软件耦合多的问题，将容器作为各微服务组件的运行环境和载体。本系统设计的各类应用服务在容器内运行，测试完毕后，可以使用容器把应用以及应用所依赖的环境完整打成一个包，上传到容器仓库，这个包拿到哪里都能原生运行，可以在开发、测试、运维中保证环境的一致性，实现了业务的快速部署。

4)存储集群

如图2所示。

MySql属于关系型数据库，主要用来存储各类关系型数据，例如卫星、天线及空口协议数据，地面站、天线及空口协议数据，跟踪约束关系，系统模型数据以及数据处理方法等，保存分析计算的基础数据。

ClickHouse来存储时序结果数据。在仿真分析场景中存在大量的时序数据，例如轨道预报数据、姿态预报数据以及大量中间结果数据等，数据带有时间属性。这类数据会持续高并发写入数据库。时序数据库将数据先写入内存后存入磁盘的方式支持高并发写入，能够按照区间、时间范围、统计信息聚合展示数据，能够提供一些通用的对时间序列数据分析的功能和操作，适用仿真分析系统中时序数据的存储。

Elasticsearch，是一个兼有搜索引擎和NoSQL数据库功能的系统，能够提供分布式存储和全文检索，可以看作是面向文档型的数据库。本方案中使用成熟的ELK方案来实现系统日志管理，日志信息收集、分析后存储在ES。

Redis是基于内存的数据库，将数据保存在内存中，用来存储系统运行过程的热数据和完成实时的业务状态保存，作为系统信息处理过程中的缓存，加快处理速度完成。

HDFS来实现文件类数据的存储，HDFS(Hadoop Distributed File System，Hadoop分布式文件系统)是一个高度容错的系统，能检测和应对硬件故障。HDFS主要解决并行计算中分布式存储数据的问题，单个文件可以很大，能达到TB，且数据不丢失，用于分析计算结果、各类报告及文件等。

5)并行处理

本软件需能够支持4000颗以上大规模星座节点频轨信息的计算，在运行过程中存在轨道外推、跟踪策略计算、链路筛选、干扰计算等大量的计算工作，在仿真、分析计算过程中会不断产生大量的轨道、姿态、指向、覆盖以及链路计算等仿真数据，数据从产生那一刻，就被期待着尽快处理与展现，同时在处理过程中具有无状态的属性，是完全的数据驱动，根据数据计算得到处理结果。从计算流程分析，轨道外推、两两链路的干扰计算等大量工作可以并行运行，为提高效率，节省计算时间，需要引用并行计算处理。并行处理架构设计如图3所示。

并行流程：

1)本软件并行化设计底层的架构主要依托于Spark+Yarn的计算框架，基于Hadoop的大数据集群,利用CDH大数据平台进行任务管理；

2)在进行轨道外推的计算时，使用单个卫星和时间切片作为并行化任务的最小单元，输出并存储在步长时间切片内的卫星星历数据；

3)在进行卫星地面站覆盖跟踪建链计算时，为了尽可能提高并行度，将并行维度从“(卫星/地面站)和时间片的维度”细化为“接收/发送端波束和时间切片”作为并行化任务的最小单元，输出并存储在步长时间切边内接收波束对发送波束的跟踪信息；

4)在进行上/下行干扰隔离角与干扰系统与受扰系统相对距离的计算时，以受扰终端(星/站)、时间切片作为并行化最小任务单元，输出并存储在步长时间切片内的干扰受扰波束之间的隔离角与相对距离信息；

5)在进行上/下行单入干扰计算时，以干扰、受扰波束、时间切片作为并行化最小任务的最小单元，输出并存储在步长时间切片内的干扰受扰波束的单入干扰计算结果；

6)在进行上/下行集总干扰计算时，以受扰波束、时间切片作为并行化最小任务单元，输出并存储在步长时间切片内的集总干扰结果。

在分析计算过程中，存在大规模卫星星座、多地面站、多模型计算的情况，本系统采用Spark并行计算引擎，实现海量数据的并行处理。并行计算引擎完成静态处理算法库的加载和调用，同时完成计算资源的调度，实现各类计算的负载均衡。由于并行计算引擎为集群的工作方式，统一类型数据可能被不同的处理实例消费处理，不存在单体运行的进程实例，不存在单点故障的问题，其可以根据计算负载，只需扩展计算资源即可实现负载的扩展。并行计算的应用有效提高了数据处理时效、并行处理能力和运行可靠性。

二、系统组成

系统从总体结构上分为三层，包括交互层、计算层，以及数据层，交互层即前端浏览器客户端，用于场景参数交互、数据查询，以及结果可视化显示；交互层包括：分析场景参数交互服务、干扰分析结果数据库交互与报告生成服务、可视化交互服务以及场景管理与交互服务；

计算层为服务端并行计算部分，用于轨道外推、场景建模、干扰计算、数据统计等；数据层为系统的文件系统部分，用于各层级的数据组织与查询逻辑等。如图4所示。计算层包括链路场景分析仿真建模服务和链路及干扰计算模型服务。

数据层包括数据库管理服务，用于对干扰分析场景配置参数、干扰分析运行所产生的中间过程数据进行入库管理，为分析结果数据与可视化交互提供数据基础。

本系统按照高内聚松耦合、层次化的设计原则，按功能模块划分，系统包括分析场景参数交互服务、基础计算模型服务、卫星轨道外推与波束覆盖仿真服务、ITU议题研究与计算服务、链路场景分析仿真建模服务、链路及干扰计算模型服务、干扰分析结果数据库交互与报告生成服务、可视化交互服务、场景管理与交互服务、数据库管理服务等，共包括30个功能模块。如图5所示。具体介绍如下：

·分析场景参数交互服务

用于建立系统软件与用户、外部数据之间的关联关系，并约束外部输入与配置文件格式等。通过分析场景参数交互服务功能，获取外部如卫星轨道参数、地面终端参数、地面业务系统参数、天线波束参数、链路载波参数、跟踪策略、干扰规避策略、干扰指标及门限、系统运行参数等，得到构建兼容性分析场景的所有配置信息。分析场景参数交互服务主要包括如下功能模块。

1)卫星轨道及姿态参数配置模块

具备通过查询卫星网络数据库(SRS)与STK格式化数据(TLE文件)导入的相关卫星轨道数据，并且能够手动输入轨道六根数，利用Walker星座生成方法进行星座参数配置，并且支持多颗卫星与多个星座的分组组合配置。此外，对于卫星姿态参数，默认对地定向，且能够设置单颗卫星的俯仰、滚转，以及偏航，具备配置文件形式配置星座或多颗分组卫星的姿态参数。

2)地面终端参数配置模块

具备手动输入WGS84坐标系经、纬度方式，以及全球或区域概率分布撒点方式对地面站进行设置，其中，分布方式包括高斯、均匀、对数正态、瑞利、Gamma，以及Weibull等，此外，具备对地面终端或地面站进行分组设置以及网格化设置的能力。

3)卫星及地面站波束特性参数配置模块

具备单点、多点波束的参数配置能力，其中，单点波束包括圆形波束、椭圆波束、矩形波束，以及赋形波束等；多点波束具备规则阵列与非规则阵列分布，阵列分布方式包括圆形、正六边形、方形，以及圆形等，且具备多色复用设置的能力。另外，对于天线方向图，具备包括电联建议及附录46个天线方向图和自定义天线方向图的设置功能。

4)链路物理/链路层参数配置模块

支持链路映射关系配置，通过选择链路的起点、终点，以卫星或地面站及对应波束集合进行关系映射建立，构建星地上行链路、星地下行链路、星间链路之间的链路映射模型；通过配置链路空口参数，如频率范围、信道带宽、发射功率、发射线损、滤波器特性参数(成型滤波器)、接收天线增益、接收线损、调制类型、编译码类型、噪声系数、天线噪声温度、LNA噪声系数或噪声温度、解调损失、极化方式(发射与接收)、电波传播模型选择等参数项，构建链路空口模型；

5)跟踪及干扰规避策略配置模块

支持用户输入跟踪建立条件，如最小跟踪仰角、规避GSO弧段范围等；支持用户选择跟踪策略，如最短通信距离、最高通信仰角、最长通信时长等，或支持用户配置文件输入；支持配置文件输入GSO及NGSO卫星系统干扰规避策略，如与GSO弧段隔离角设置、调整卫星姿态策略(俯仰渐进)或配置文件设置、调整波束指向或配置文件设置，以及调整设置发射功率或关闭波束等方式，用以辅助验证大规模星座干扰规避策略有效性。

6)系统运行仿真参数配置模块

支持用户自定义配置系统仿真时间、时长、以及步长；支持配置系统二三维窗口转换、可视化视角切换、坐标系转换、渲染引擎等系统级可视化仿真参数；支持用户配置场景保存、读取、典型星座或链路DEMO管理及增量配置等；另外，支持用户配置相应分析指标及门限，包括EPFD、△T/T、I/N、C/I、PFD等。

·基础计算模型服务

支持符合ITU建议书与附录的天线模型，根据不同台站类型选取相应的天线模型，同时支持自定义天线模型的导入，此外，具备对于2101建议书中涉及的5G阵列天线波束合成天线方向图的计算仿真能力。并且，支持符合ITU建议书的空间与地面传播模型，可根据台站选用的频段、地理位置、业务类型、传播方向等信息推荐符合当前仿真场景的传播模型，也可手动选择所需传播模型。为链路仿真及干扰分析提供精确的信道建模仿真模型数据基础。基础计算模型服务包括如下功能模块。

1)天线方向图模型仿真模块

建立符合ITU建议书与附录的天线模型数据库，包含46个天线方向图模型，根据不同台站类型选取相应的天线模型数据；也支持自定义天线模型的导入，形成本地模型库，以便后续仿真分析直接加载。其中，主要包括电联建议书S.580、S.1528、S.672、S.1428、S.465、AP8、S.2101(5G阵列天线等)。

2)电波传播模型仿真模块

建立符合ITU关于星地链路的传播模型数据库，根据不同链路频段选取相应的模型库；该功能以国际电联P系列建议书为基础，主要包括：P.525、P.618、P.619、P.676、P.680、P.452等，构建电波传播模型，包括降雨衰减、大气吸收、云雾衰减、电离层和对流层闪烁、晴空效应，以及去极化效应等。

·卫星轨道外推及波束覆盖仿真服务

用于大规模NGSO卫星星座系统轨道星历的外推仿真、卫星姿态仿真，以及波束覆盖计算等，在保证轨道推演精度和仿真效率的基础上，为信道仿真及干扰计算的数据基础，主要涉及的轨道类型包括LEO、MEO、IGSO，以及HEO等。卫星轨道外推及波束覆盖仿真服务包括如下模块。

1)LEO/MEO/IGSO轨道计算模块

对于不同卫星星座来说，其对地覆盖区域的重叠情况和星间链路的冲突情况变得十分复杂，因此，为了仿真可能出现的链路重叠冲突问题，需要构建精确的卫星星座轨道模型。在轨运行时，卫星除了受到地心引力外，还受到太阳光压、日月引力、大气阻力，以及地球非球形引力等摄动力。因此，系统需具备轨道外推计算能力，支持的轨道类型包括：LEO卫星、MEO卫星，以及IGSO卫星，同时具备相应大规模星座轨道外推计算的并行处理能力，模型支持二体、J2、J4模型。

2)HEO轨道计算模块

具备HEO轨道外推计算能力，同时具备相应HEO星座轨道外推计算的并行处理能力，模型支持二体、J2、J4模型。

3)卫星姿态计算仿真模块

利用配置参数或星座姿态参数配置文件等方式，具备卫星姿态的调整控制能力，主要描述卫星姿态的参数包括：偏航角、滚转角，以及俯仰角，此外，还包括相应的时间信息，系统根据相应的输入约束对卫星姿态进行控制，用以精细化刻画卫星在轨运行状态，丰富干扰规避调整策略。

4)卫星波束覆盖计算仿真模块

建立动态时变条件下的复杂多波束对象之间的覆盖与可见性关系，作为链路场景模型构建及跟踪策略筛选的数据基础，构建系统工作链路运行模型，具备大规模复杂波束配置的并行分析能力与过境任务规划能力，涵盖星地链路、星间链路、地地链路等多维度场景。

·链路场景分析仿真建模服务

在链路跟踪策略的约束下，根据实际需要构建NGSO与NGSO星座之间、NGSO星座与地面5G业务系统之间的通信链路(包括星地、星间、地地等链路类型)，进行上、下行链路的干扰场景分析，建立时、空、频等仿真场景参数到建链情况、链路参数的映射关系，并确定受扰链路与干扰链路，以完成仿真对象分组，优化仿真对象的目的。此外，可根据预定策略从候选台站中选择要跟踪的台站，包括发射与接收台站间的最小仰角、最短距离、最长通信时间等方式进行定义，也可通过设置仰角、方位角、距离、弧段、经纬度等几何参数自定义跟踪策略。具备干扰规避策略的接入接口，方便符合接口规范的第三方干扰规避策略的接入。链路场景分析仿真建模服务包括如下功能模块。

1)跟踪策略仿真计算模块

建立预设的跟踪策略体系，预定策略包括但不限于发射与接收台站间的最小通信仰角、最大通信仰角、最短通信距离、最长通信时间等方式。支持通过设置仰角、方位角、距离、弧段、经纬度等几何参数自定义跟踪策略；根据轨道与业务覆盖仿真的运行结果以及选取的跟踪策略，在时空关系的约束下通过仿真从候选台站中选择要跟踪的台站，建立仿真场景参数到链路建链的映射关系。

2)干扰规避策略辅助验证模块

根据轨道与业务覆盖仿真的运行结果以及配置的干扰规避策略，通过仿真解析出相应的场景时空约束，建立仿真场景参数到链路参数的映射关系。主要的干扰规避策略仿真，包括与GSO弧段隔离角策略、调整卫星姿态策略(俯仰渐进)、调整波束指向策略，以及调整设置发射功率或关闭波束策略等，用以辅助验证大规模星座干扰规避策略有效性。此外，具备对于星载相控阵天线的干扰规避策略辅助设计能力。

3)干扰仿真场景建模模块

根据轨道与业务覆盖仿真的运行结果，通过可配置的跟踪与干扰规避策略，判断当前场景的工作链路，并结合频段指配(卫星链路的空口频率资源分配方案)、工作链路的判断结果，为分析系统间的干扰情况，分别确定各系统的上行、下行链路、星间链路的干扰链路和受扰链路，并对其进行分组，构建干扰仿真场景模型，并且，具备网格化干扰场景的建模计算分析能力。

4)信道仿真模块

根据系统分析频段，结合轨道仿真动态，引入信道动态，如多普勒、多普勒变化率、时延等，建立信道仿真模型，孪生刻画信道条件变化，定量分析信道条件链路的信噪比、信干比，以及误码率影响，为后续系统进一步向网络层与应用层的拓展仿真奠定基础。

5)5G宏基站建模模块

宏基站在5G仿真中的整个网络区域为一个基站簇，由多个宏基站组成，其中每个基站为三个扇区，为避免网络部署边缘效应，其他的基站簇以此簇为中心采用环绕方法向四周延伸，构成宏基站网络拓扑。

6)5G微基站建模模块

在宏蜂窝覆盖区内生成微蜂窝基站簇，每个簇由多个微基站组成，通过随机或固定方式生成微基站，作为用户终端撒点的依据。

·链路及干扰计算模型服务

用于构建干扰分析指标体系，并根据链路场景构建情况，对受扰链路进行干扰指标计算，包含C/I、C/N、C/(N+I)、I/N、ΔT/T、PFD、EPFD等仿真结果，以及相应结果的时间分布与统计。链路及干扰计算模型服务包括如下功能模块。

1)链路工作指标计算模块

建立链路预算模型，根据链路物理层与链路层的参数设置条件，以及信道仿真结果，计算星地、星间、地地相应工作链路的操作条件，结合误码率条件，估算链路余量。

2)干扰指标计算模块

结合ITU现有研究基础，根据规则和建议书约束，如22条、S.1432、S.740、S.741、S1529、S.1503等，建立干扰分析指标体系，根据相应的链路参数计算链路干扰分析指标以及相应的累计统计分布，如C/I、C/N、C/(N+I)、I/N、ΔT/T、PFD、EPFD等。

·干扰分析结果数据库交互与报告生成服务

用于提供用户对于海量数据查询、分析，以及结果曲线展示等兼容性计算结果分析手段，通过用户指定查看对象，如链路、空间节点或地面节点等，展示与用户选择对象相关联的相关干扰指标计算结果，并对得到统级指标与相应CDF统计分布曲线进行展示，此外，对于超限时间段及相应空间干扰场景的拓扑关系，结合可视化交互服务进行联合展示，最终导出数据形成兼容性分析报告。

1)干扰分析结果数据库查询与统计模块

能够根据系统级指标超限结果，得到相应的干扰超限时间及相应的受扰节点与干扰源，进而获得对应干扰源，定位干扰来源最大值节点。面向海量干扰分析结果数据，根据软件查询策略，通过用户配置得到查询对象，包括链路、空间节点、地面节点，并且，对于用户所关切的相应对象，可查询得到期干扰指标结果及相应的超限时间、干扰源来源等信息。

2)报告模板管理模块

按照分析场景类型、议题、规则、建议书规则等多个维度，预先设置并存储干扰分析报告模板，并通过交互接口可通过增加、编辑、删除等操作修改相应分析模板。

3)报告生成与导出模块

预留与其他仿真系统的调用、展示，以及对结果进行二次处理的接口，针对被选中的分析对象与场景，可自动或选择生成干扰与被干扰对象间的干扰分析报告，包含参数类型、参数值、干扰与被干扰链路、仿真分析结果等要素的直观展示。

·可视化交互服务

用于NGSO低轨宽带卫星星座及地面终端、地面5G系统的分布、轨道运行、波束覆盖、链路建立场景，以及干扰场景等基础仿真场景通过三维、二维等方式进行展示，同时实时可视化通信链路、干扰分析、规避策略等计算服务的结果，并基于后台数据给用户提供兼容性分析的可视手段。可视化服务包括如下功能模块。

1)二维/三维可视化场景展示模块

基于真实星表数据来展示星空背景场景，包括星座、星体、星系等元素，对于地表场景展示，包括多分辨率纹理、凹凸纹理、经纬网格、行政区划等。

2)工作及干扰场景展示模块

具备卫星及星座效果展示，包括卫星及其载荷模型、卫星轨道、卫星姿态、实时运行位置、通信波束指向、工作链路、通信覆盖区域、星座构型、星地通信链路、星间通信链路效果、多点波速或扫描波束指向效果、通信覆盖区域等；地面终端展示，从总体上展示通信用户的区域分布密度情况，从细节上展示特定区域用户个体的分布情况，包括地面站模型、位置、通信指向、通信链路效果等；任务运行情况展示，包括当前所仿真任务的基本情况、仿真时间及步长、任务流程及当前节点等；干扰情况展示，包括总体干扰情况展示、特定干扰段详细情况展示、干扰波束重叠情况展示等，相应干扰场景，并对干扰程度通过热度图方式展示等。

3)分析结果查询曲线与图表展示模块

对于干扰分析结果，如I/N、EPFD等，以及相应的CDF统计分布，进行曲线、散点图、热度图等方式展示，通过曲线交互，用户可清晰定位相关指标的超限时间区间或超限概率。

·场景管理与交互服务

用于对干扰分析场景配置进行分类编目、增量修改，以及存储管理，形成干扰分析场景Demo库，以便于用户进行已分析场景调取、利用，提高仿真分析效率。场景管理与交互服务包括如下功能模块。

1)场景管理模块

具备已分析干扰场景分类编目、增量修改，以及存储管理等操作功能，对于典型模型或典型波束配置，空口参数配置、典型星座、重点轨位等进行Demo编辑，形成Demo库管理模式，便于用户日后开展应用。

2)场景交互模块

对于已存储的典型场景能够通过增加、编辑、删除、复制等交互操作，具备对复用度较高的模型或实例的灵活配置能力，降低复杂分析场景的模型建立难度，提高系统易用性。

·数据库管理服务

对于干扰分析场景配置参数、干扰分析运行所产生的中间过程数据进行入库管理，包括轨道外推数据、波束覆盖数据、场景映射数据、干扰计算结果数据等进行入库管理，为分析结果数据与可视化交互提供数据基础。数据库管理服务包括如下功能模块。

1)卫星网络资料SRS数据重构模块

具备SRS数据解析能力，重构设计SRS数据，作为便于本地维护，主要对卫星网络卫星轨道参数、地面站参数、波束指配，包括天线类型、频率指配、频率范围、极化方式等进行解析提取，以作为兼容性分析的其中一项数据来源。

2)干扰分析仿真结果数据组织与管理模块

根据分析场景，将干扰分析场景配置文件等进行数据库设计与入库管理，同时，对于干扰分析运行所产生的中间过程数据同样进行入库管理，包括轨道外推数据、波束覆盖数据、场景构建数据、干扰分析结果等，构建数据映射及关联调用关系，为数据与场景可视化，分析结果查询建立数据基础。

三、系统运行流程

·兼容性分析工作模式

兼容性分析工作模式为本系统的主要工作模式，用于分析大规模空间互联网星座之间的频率兼容性情况，其工作流程如图6所示。

步骤1：首先在运行软件前端，配置场景信息。场景信息包括：GSO卫星轨道根数、NGSO星座系统构型、地面终端参数、地面站分布、通信频段、跟踪运行策略等信息，如下表所示。

表1场景配置信息

步骤2：设置仿真起始时间、步长以及仿真时长；

步骤3：运行仿真，通过可视化方式展示仿真运行过程，并以仿真时间步长为单位，依次完成卫星轨道星历计算、波束覆盖计算、链路运行场景构建、干扰分析计算；

步骤4：仿真结束，干扰分析结果数据与软件中间运行数据管理入库。

步骤5：运行干扰分析结果查询服务，根据用户所制定的查询对象分析并展示相应指标及中间数据结果；

步骤6：判断是否存在干扰门限超限情况，若超限则进一步有干扰分析结果查询服务确定超限时间范围，调整步长设置精度，并重新运行仿真，进一步展宽干扰分布细节，若无超限情况，则进行下一步流程；

步骤7：干扰分析结果曲线展示，干扰分析场景细节可视化展示；

步骤8：导出数据及图表，并生成兼容性分析报告；

步骤9：结束流程。

·干扰规避策略辅助验证工作模式

干扰规避策略辅助验证工作模式用于兼容性分析过程当中，对大规模空间互联网星座系统所提出的相应干扰规避策略或运行流程进行分析验证，通过干扰分析结果判定干扰规避策略设计的有效性，即干扰限值在保护门限范围之内，其工作流程如图7所示。

步骤1：首先在运行软件前端，配置场景信息，如表6-1所示；

步骤2：设置仿真起始时间、步长以及仿真时长；

步骤3：运行仿真，通过可视化方式展示仿真运行过程，并以仿真时间步长为单位，依次完成卫星轨道星历计算、波束覆盖计算、链路运行场景构建；

步骤4：判断干扰规避策略触发门限，如与GSO弧段隔离角度、星下点经纬度等判决条件，若触发规避策略门限，则引入干扰规避策略，如关闭波束、调整卫星姿态、调整波束指向，以及降低发射功率(同步降低信道带宽)等方式，否则，继续进行仿真流程；

步骤5：进行干扰分析计算；

步骤6：停止仿真，干扰分析结果数据与软件中间运行数据管理入库。

步骤7：运行干扰分析结果查询服务，根据用户所制定的查询对象分析并展示相应指标及中间数据结果，在此可继续进行兼容性分析工作模式流程，进行高精度步长迭代仿真；

步骤8：干扰分析结果曲线展示，干扰分析场景细节可视化展示；

步骤9：导出数据及图表，并生成兼容性分析报告；

步骤10：结束流程。

·兼容性分析结果离线回放模式

兼容性分析结果离线回放模式主要用于无局域网条件下，利用已经处理分析的相关场景下的兼容性分析结果数据库数据进行离线回放，展示相应场景下的干扰分析结果与挑点后的可视化场景，其工作流程如图8所示。

步骤1：利用光盘或存储介质，导入相应的干扰分析结果数据库；

步骤2：进行结果查询，展示干扰分析结果的时间分布曲线及CDF曲线；

步骤3：利用数据库中的卫星星历数据、波束覆盖数据、干扰场景数据等进行可视化展示；

步骤4：生成兼容性分析报告；

步骤5：结束流程。

数据流及逻辑设计

后端计算逻辑如图9所示。

1)设置干扰/受扰卫星系统(星座)、天线等参数，并生成Walker星座列表，设置干扰/受扰地面站参数、天线，生成地面站位置列表，设置干扰规避/跟踪策略，生成建链限制条件；

2)运行轨道预报模块，生成卫星TLE星历数据；

3)运行跟踪预报模块，根据卫星链路建链条件，分别生成干扰/受扰系统在每一时刻下的建链映射列表，建立其工作链路，以下行链路为例，如图10所示；

第一步：筛选可视卫星

通过波束覆盖、仰角大于最小仰角条件筛选出符合条件的卫星；

第二步：根据跟踪策略排序

按照用户选择的跟踪策略对符合条件的波束进行排序，策略包括最大仰角策略、最短距离策略、最长通信时间。

第三步：确定发送波束ID

先判断前一时刻的波束是否存在波束覆盖的条件，确保保持链路的稳定性。如果前一时刻波束已经不存在波束覆盖，这选择排序后的第一个波束ID。

4)运行链路计算，根据链路参数条件，开展工作链路计算，计算逻辑图11所示；

第一步：发射端参数计算

·通过P点位置、地面站E位置、卫星A位置，计算发射天线偏轴角α；

·通过用户配置获取当前链路发射功率Pt；

·通过用户配置发射天线方向图、发射天线偏轴角α，计算得发射天线增益Gt；

第二步：空间段参数计算

·通过卫星位置、地面站位置，得链路距离d；

·根据距离d、频率，计算得自由空间损耗Ls；

·根据地面站位置、仰角等，通过雨衰模型得雨衰损耗Lr；

·根据地面站位置、仰角等，通过云雾、大气模型得云雾损耗Lc，大气损耗La；

·Lr，Lc，La亦可选用用户配置模拟损耗，简化计算。

第三步：接收端参数计算

·判断地面站E天线是否固定指向，如果不是固定指向接收天线偏轴角β＝0°；如果是固定指向，通过固定指向位置、地面站位置、卫星位置，计算得接收天线偏轴角β。

·通过用户配置接收天线方向图、接收天线偏轴角β，计算得接收天线增益Gr。

5)运行干扰计算模块，筛选干扰源，并计算单条链路间的单入干扰，如图12、图13所示；图14是系统数据流转图；

图12中的步骤：

第一步：筛选可视卫星

通过判断β角大小，筛选出与地面站同侧，可视范围的干扰卫星队列

第二步：排除地面站天线背面卫星(全向天线除外)

·首先，确定地面站天线指向，根据指向点、地面站位置、干扰卫星B位置，计算得出α。

·其次，排除α>90°的干扰卫星。

图13中步骤：

第一步：发射端参数计算

·通过Pb点位置、地面站EA位置、卫星B位置，计算发射天线偏轴角θ；

·通过用户配置获取干扰链路发射功率Pt；

·通过用户配置获取干扰链路、受扰链路频率计算得频率重叠情况Overlap；

·通过Pt、Overlap计算得干扰发射功率IPt；

·根据用户配置发射天线方向图、发射天线偏轴角θ，计算得干扰发射天线增益IGt；

第二步：空间段参数计算

·通过卫星B位置、地面站EA位置，得链路距离d；

·根据距离d、频率，计算得自由空间损耗Ls；

·根据地面站EA位置、仰角等，通过雨衰模型得雨衰损耗Lr；

·根据地面站EA位置、仰角等，通过云雾、大气模型得云雾损耗Lc，大气损耗La；

·Lr，Lc，La亦可选用用户配置模拟损耗，简化计算。

第三步：接收端参数计算

·判断地面站EA天线是否固定指向，如果不是固定指向通过卫星A位置、地面站EA位置、卫星B位置，计算得接收天线偏轴角γ；如果是固定指向，通过固定指向位置、地面站EA位置、卫星B位置，计算得接收天线偏轴角γ。

·通过用户配置接收天线方向图、接收天线偏轴角γ，计算得干扰接收天线增益IGr；

6)计算集总干扰，完成系统后端计算逻辑。

并行计算策略如图15所示。

并行策略：

1)后端生成用户配置的场景信息文件，并存储在HDFS(分布式文件系统)；

2)并行化读取配置文件，获取卫星，地面站相关配置信息(终端-天线-波束)，空口信息，固定链路信息，链路分组信息，卫星，地面站分组信息等；

3)并行计算GSO/NGSO卫星的轨道外推数据；

4)并行计算卫星波束与地面站波束之间的覆盖信息；

5)并行计算卫星波束与地面站波束之间的跟踪信息；

6)并行计算上/下行干扰受扰系统波束之间的干扰隔离角，相对距离；

7)并行计算上/下行干扰受扰系统波束之间的单入干扰；

8)并行计算上/下行受扰系统波束受到的集总干扰。

四、功能与指标设计

1)仿真节点类型：

不少于3种，包括天空地网络，支持卫星、HAPS、地面5G系统仿真建模型；

卫星轨道类型包括：IGSO、HEO、LEO、MEO等

卫星类型不少于6种，包括通信卫星、中继卫星、导航卫星、遥感卫星、侦察卫星、预警卫星等。

2)仿真节点数量：

卫星数量：不少于4000颗；

地球站可遍历GSO覆盖范围内所有地点，最小精度可按经纬度1度遍历或按要求设定。/>

5G基站部署密度：不少于10个/km2，可等效。

5G用户终端部署密度(暂定)：不少于30个/km2，可等效。

3)天线模型：支持符合ITU规范的卫星、地球站天线模型，以及支持区域波束、全球波束、多点可移动波束、赋形波束、相控阵天线，以及自定义天线模型的仿真与导入。

4)卫星轨道计算精度：轨道单点位置精度优于10米；外推24小时位置精度优于500米。

5)支持分析的空间坐标系：地球惯性坐标系、地球固联坐标系、卫星轨道坐标系、大地坐标系等；

6)仿真效率：当空间节点规模在百颗量级，仿真时长为24小时，仿真步长为1秒时，该软件仿真1个地理位置的仿真运行时间小于5min。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，采用B/S架构，其特征在于，所述系统包括：基于浏览器的交互层以及部署在后端的计算层和数据层，其中，

所述交互层，用于场景参数交互、数据查询，以及结果可视化显示；

所述计算层为服务端并行计算部分，采用Docker+微服务设计思想，用于基于数据驱动进行轨道外推、场景建模、干扰计算和数据统计的分布式并行处理；

所述数据层为系统的文件系统部分，用于通过存储集群进行各类数据的组织，并提供查询逻辑；

所述交互层包括：分析场景参数交互服务、干扰分析结果数据库交互与报告生成服务、可视化交互服务以及场景管理与交互服务；其中，

所述分析场景参数交互服务，用于获取卫星轨道参数、地面终端参数、地面业务系统参数、天线波束参数、链路载波参数、跟踪策略、干扰规避策略、干扰指标及门限以及系统运行参数，得到构建兼容性分析场景的配置信息；

所述干扰分析结果数据库交互与报告生成服务，用于根据用户指定的链路、空间节点或地面节点，进行海量数据的查询及分析，并展示相关结果，用于对于超限时间段及相应空间干扰场景的拓扑关系，结合可视化交互服务进行联合展示，还用于导出数据形成兼容性分析报告；

所述可视化交互服务，用于基于真实星表数据进行星空场景展示，工作及干扰场景的展示，还用于基于干扰分析结果进行曲线图表的展示；

所述场景管理与交互服务，用于对干扰分析场景配置进行分类编目、增量修改，以及存储管理，形成干扰分析场景Demo库；

所述计算层包括：链路场景分析仿真建模服务和链路及干扰计算模型服务；其中，

所述链路场景分析仿真建模服务，用于在链路跟踪策略的约束下，根据实际需要构建NGSO与NGSO星座之间、NGSO星座与地面5G业务系统之间的通信链路，进行上、下行链路的干扰场景分析，建立时、空、频仿真场景参数到建链情况、链路参数的映射关系，并确定受扰链路与干扰链路，以完成仿真对象分组，优化仿真对象的目的；用于根据预定策略从候选台站中选择要跟踪的台站，定义跟踪策略；还用于提供第三方干扰规避策略的接入接口；

所述链路及干扰计算模型服务，用于构建干扰分析指标体系，根据链路场景构建情况，对受扰链路进行干扰指标计算，并对相应结果进行时间分布与统计；

所述数据层包括数据库管理服务，用于对干扰分析场景配置参数、干扰分析运行所产生的中间过程数据进行入库管理，为分析结果数据与可视化交互提供数据基础。

2.根据权利要求1所述的面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，其特征在于，所述分析场景参数交互服务包括：卫星轨道及姿态参数配置模块、地面终端参数配置模块、卫星及地面站波束特性参数配置模块、链路物理/链路层参数配置模块、跟踪及干扰规避策略配置模块和系统运行仿真参数配置模块；其中，

所述卫星轨道及姿态参数配置模块，用于通过查询卫星网络数据库和/或根据STK格式化数据导入卫星轨道数据，或根据用户手动输入的轨道六根数，利用Walker星座生成方法进行星座参数配置，以及多颗卫星与多个星座的分组组合配置；用于设置单颗卫星的俯仰、滚转及偏航角度；还用于根据配置文件配置星座或多颗分组卫星的姿态参数；

所述地面终端参数配置模块，用于根据用户手动输入WGS84坐标系的经纬度，以全球或区域概率分布撒点方式对地面站进行设置，还用于对地面终端或地面站进行分组设置及网格化设置；

所述卫星及地面站波束特性参数配置模块，用于对卫星和/或地面站进行单点和/或多点波束的参数配置；

所述链路物理/链路层参数配置模块，用于通过选择链路的起点及终点，以卫星或地面站及对应波束集合进行关系映射建立，构建星地上行链路、星地下行链路以及星间链路之间的链路映射模型；还用于通过配置链路空口参数，构建链路空口模型；

所述跟踪及干扰规避策略配置模块，用于根据用户输入的跟踪建立条件、跟踪策略、GSO及NGSO卫星系统干扰规避策略，以辅助验证大规模星座干扰规避策略的有效性；

所述系统运行仿真参数配置模块，用于接收用户自定义的仿真时间、时长以及步长进行配置；用于接收系统级可视化仿真参数进行配置；用于对用户配置场景的保存、读取以及典型星座或链路DEMO管理及增量配置；还用于设置相应分析指标及门限。

3.根据权利要求1所述的面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，其特征在于，所述干扰分析结果数据库交互与报告生成服务，包括干扰分析结果数据库查询与统计模块、报告模板管理模块和报告生成与导出模块；其中，

所述干扰分析结果数据库查询与统计模块，用于根据系统级指标超限结果，得到相应的干扰超限时间及相应的受扰节点与干扰源，进而获得对应干扰源，并定位干扰来源最大值节点；还用于根据查询策略，提供查询对象，包括链路、空间节点、地面节点、干扰指标结果及相应的超限时间、干扰源来源；

所述报告模板管理模块，用于按照分析场景类型、议题、规则和建议书规则多个维度，设置、管理并存储干扰分析报告模板；

所述报告生成与导出模块，用于预留与其他仿真系统的调用、展示以及对结果进行二次处理的接口，针对被选中的分析对象与场景，自动或选择生成干扰与被干扰对象间的干扰分析报告，所述干扰分析报告包括参数类型、参数值、干扰与被干扰链路和仿真分析结果要素的直观展示。

4.根据权利要求1所述的面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，其特征在于，所述可视化交互服务包括：二维/三维可视化场景展示模块、工作及干扰场景展示模块及分析结果查询曲线与图表展示模块；其中，

所述二维/三维可视化场景展示模块，用于基于真实星表数据展示星空背景场景和地表场景；

所述工作及干扰场景展示模块，用于对卫星及星座进行展示，用于对地面终端进行展示，用于对仿真任务运行情况进行展示，还用于对干扰情况进行展示；

所述分析结果查询曲线与图表展示模块，用于对干扰分析结果及相应的CDF统计分布以图表方式进行展示。

5.根据权利要求1所述的面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，其特征在于，所述场景管理与交互服务包括：场景管理模块和场景交互模块；其中，

所述场景管理模块，用于对已分析干扰场景进行分类编目、增量修改以及存储管理，还用于对典型模型、典型波束配置、空口参数配置、典型星座和重点轨位进行Demo编辑，形成干扰分析场景Demo库；

所述场景交互模块，用于对已存储的典型场景进行增加、编辑、删除和复制的交互操作。

6.根据权利要求1所述的面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，其特征在于，所述链路场景分析仿真建模服务包括：跟踪策略仿真计算模块、干扰规避策略辅助验证模块、干扰仿真场景建模模块、信道仿真模块、5G宏基站建模模块和5G微基站建模模块；其中，

所述跟踪策略仿真计算模块，用于根据轨道与业务覆盖仿真的运行结果以及选取的跟踪策略，在时空关系的约束下通过仿真从候选台站中选择要跟踪的台站，建立仿真场景参数到链路建链的映射关系；

所述干扰规避策略辅助验证模块，用于根据轨道与业务覆盖仿真的运行结果以及配置的干扰规避策略，通过仿真解析出相应的场景时空约束，建立仿真场景参数到链路参数的映射关系；还用于对星载相控阵天线提供干扰规避策略辅助设计；

所述干扰仿真场景建模模块，用于根据轨道与业务覆盖仿真的运行结果，通过可配置的跟踪与干扰规避策略，判断当前场景的工作链路，并结合频段指配和工作链路的判断结果，分别确定上行和下行链路、星间链路的干扰链路和受扰链路，并进行分组，构建干扰仿真场景模型；还用于提供网格化干扰场景的建模计算分析；

所述信道仿真模块，用于根据系统分析频段，结合轨道仿真动态，引入信道动态，建立信道仿真模型；

所述5G宏基站建模模块，用于建立包括多个宏基站的一个基站簇，每个宏基站包括三个扇区；

所述5G微基站建模模块，用于在宏蜂窝覆盖区内生成微蜂窝基站簇，每个微蜂窝基站簇包括多个微基站，每个微基站通过随机或固定方式生成，作为用户终端撒点的依据。

7.根据权利要求1所述的面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，其特征在于，所述链路及干扰计算模型服务包括：链路工作指标计算模块和干扰指标计算模块；其中，

所述链路工作指标计算模块，用于建立链路预算模型，根据链路物理层与链路层的参数设置条件，以及信道仿真结果，计算星地、星间和地地相应工作链路的操作条件，并结合误码率条件，估算链路余量；具体包括工作链路工况计算、链路干扰源筛选和链路单入干扰计算；

所述干扰指标计算模块，用于根据相应的链路参数计算链路干扰分析指标以及相应的累计统计分布。

8.根据权利要求1所述的面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，其特征在于，所述数据库管理服务包括：卫星网络资料SRS数据重构模块以及干扰分析仿真结果数据组织与管理模块；其中，

所述卫星网络资料SRS数据重构模块，用于对卫星网络卫星轨道参数、地面站参数、波束指配进行解析提取及重构；

所述干扰分析仿真结果数据组织与管理模块，用于根据分析场景，对干扰分析场景配置文件进行数据库管理，用于对干扰分析运行所产生的中间过程数据进行入库管理，构建数据映射及关联调用关系，为数据与场景可视化，分析结果查询提供数据基础。

9.根据权利要求1所述的面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，其特征在于，所述系统具有兼容性分析工作模式、干扰规避策略辅助验证工作模式和兼容性分析结果离线回放模式；其中，

所述兼容性分析工作模式，用于分析大规模空间互联网星座之间的频率兼容性情况；

所述干扰规避策略辅助验证工作模式，用于在兼容性分析工作模式中，对大规模空间互联网星座系统所提出的相应干扰规避策略或运行流程进行分析验证，通过干扰分析结果判定干扰规避策略设计的有效性；

所述兼容性分析结果离线回放模式，用于在无局域网的条件下，利用已经处理分析的相关场景下的兼容性分析结果的数据库数据进行离线回放，展示相应场景下的干扰分析结果与挑点后的可视化场景。

10.根据权利要求9所述的面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，其特征在于，所述兼容性分析工作模式包括以下步骤：

步骤1)交互层的分析场景参数交互服务配置兼容性分析场景信息；

步骤2)交互层的分析场景参数交互服务设置仿真起始时间、步长以及仿真时长；

步骤3)计算层运行仿真，通过交互层的可视化交互服务以可视化方式展示仿真运行过程，并以仿真时间步长为单位，由计算层的链路场景分析仿真建模服务完成链路运行场景构建，由计算层的链路及干扰计算模型服务依次完成卫星轨道星历计算、波束覆盖计算和干扰分析计算；

步骤4)计算层仿真结束，由数据层的数据库管理服务将干扰分析结果数据与软件中间运行数据管理入库；

步骤5)数据层的数据库管理服务运行干扰分析结果查询服务，根据用户所制定的查询对象分析查询相应指标及中间数据结果，由交互层的干扰分析结果数据库交互与报告生成服务进行展示；

步骤6)计算层判断是否存在干扰门限超限情况，若超限则进一步有干扰分析结果查询服务确定超限时间范围，调整步长设置精度，并转至步骤3)重新运行仿真，进一步展宽干扰分布细节，若无超限情况，则转至步骤7)；

步骤7)交互层的可视化服务对干扰分析结果进行曲线展示，对干扰分析场景细节进行可视化展示；

步骤8)交互层的干扰分析结果数据库交互与报告生成服务导出数据及图表，并生成兼容性分析报告。

11.根据权利要求9所述的面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，其特征在于，所述干扰规避策略辅助验证工作模式包括以下步骤：

步骤1)交互层的分析场景参数交互服务配置兼容性分析场景信息；

步骤2)交互层的分析场景参数交互服务设置仿真起始时间、步长以及仿真时长；

步骤3)计算层运行仿真，通过交互层的可视化交互服务以可视化方式展示仿真运行过程，并以仿真时间步长为单位，由计算层的链路场景分析仿真建模服务完成链路运行场景构建，由计算层的链路及干扰计算模型服务依次完成卫星轨道星历计算和波束覆盖计算；

步骤4)计算层的干扰计算模型服务判断干扰规避策略触发门限，若触发规避策略门限，则引入干扰规避策略，转至步骤4)；否则，转至步骤5)；

步骤5)计算层的干扰计算模型服务进行干扰分析计算；

步骤6)计算层停止仿真，由数据层的数据库管理服务将干扰分析结果数据与软件中间运行数据管理入库；

步骤7)数据层的数据库管理服务运行干扰分析结果查询服务，根据用户所制定的查询对象分析并展示相应指标及中间数据结果，继续进行兼容性分析工作模式流程，进行高精度步长迭代仿真；

步骤8)交互层的可视化服务对干扰分析结果进行曲线展示，对干扰分析场景细节进行可视化展示；

步骤9)交互层的干扰分析结果数据库交互与报告生成服务导出数据及图表，并生成兼容性分析报告。

12.根据权利要求9所述的面向大规模空间互联网星座的频率共用分析系统，其特征在于，所述兼容性分析结果离线回放模式包括以下步骤：

步骤1)交互层的干扰分析结果数据库交互与报告生成服务导入预先存储的干扰分析结果数据库文件；

步骤2)数据层的数据库管理服务进行结果查询，由交互层的可视化服务展示干扰分析结果的时间分布曲线及CDF曲线；

步骤3)交互层的可视化服务利用数据库中的卫星星历数据、波束覆盖数据、干扰场景数据进行可视化展示；

步骤4)交互层的干扰分析结果数据库交互与报告生成服务生成兼容性分析报告。

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