CN115378531A - 一种航天系统大规模星地节点仿真运行方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航天系统大规模星地节点仿真运行方法及系统，其中，该方法包括以下步骤：建立不同颗粒度的分系统软件模型；根据仿真评估目的确定需要重点关注的节点模型编号及其在整个系统中的物理位置；按照距离重点业务逻辑关系越远，仿真模型精度越低建模越抽象的原则配置整个仿真系统所使用的软件模型；仿真模拟高中低轨卫星系统运行全过程并存储试验数据；对试验数据进行评估得到系统性能。本发明充分考虑了距离重点业务逻辑关系越远的节点对重点业务影响越小的特点，使用大、中、小尺度仿真模型，在海量节点卫星系统的仿真效率和仿真精度之间取得较好的折中，采用该技术的仿真系统能够支撑高中低轨巨型系统的研究及工程建设。

Description

一种航天系统大规模星地节点仿真运行方法及系统

技术领域

本发明涉及高中低轨卫星仿真技术领域，尤其涉及一种航天系统大规模星地节点仿真运行方法及系统。

背景技术

近年来，以美国星链系统（Starlink）和英国一网系统（OneWeb）为代表的高中低轨卫星系统（Low Earth Orbit，LEO）被工业界和学术界广泛关注，LEO工程系统的建设也在如火如荼的开展。与由单颗或者少数几颗卫星组成的卫星系统相比，LEO卫星系统普遍向着海量数量卫星星座组网、卫星之间网络化的方向发展，此外还大量的采用先进技术，包括：集约化设计、低成本民用器件、可回收式火箭发射入轨等新技术，具有从设计到组网周期短、在轨寿命短、技术迭代快等特点。为了在卫星发射之前，全面验证各项新技术，降低系统建设风险，各LEO卫星系统都开展了针对LEO系统的地面软件数字化仿真工作。为了最大化程度发挥软件仿真的作用，需要对LEO系统的分系统进行高逼真建模，但是高逼真的仿真模型会使仿真效率变低，特别是对于有着成千上万颗卫星的高中低轨卫星仿真系统，仿真效率直接制约着仿真系统能够发挥多大作用。因此需要以高中低轨卫星原理为基础，结合复杂航天系统仿真技术，提出兼顾高仿真逼真度和高仿真效率的海量节点卫星系统仿真方法。

经过现有技术的检索，中国发明专利（申请公布号：CN 109413682A），发明名称为一种天地一体化卫星通信网络仿真系统及方法，其主要目的是建立天地一体化卫星通信网络仿真系统，通过定时更新LEO卫星通信网络的拓扑结构，实现百万级用户节点的LEO卫星通信网络仿真，解决大规模用户的移动性管理问题。

但是，中国发明专利（申请公布号：CN 109413682A），发明名称为一种天地一体化卫星通信网络仿真系统及方法，只给出一种通用的天地一体化卫星通信网络仿真方法，并且仿真节点只是简化模型，并没有解决大规模高逼真数字孪生高中低轨卫星节点下的仿真运行问题。

中国发明专利（申请公布号：CN 109981375 A），发明名称为用于卫星通信仿真网络构建的方法和设备，其主要目的是解决卫星通信仿真网络模拟节点规模问题。本发明采用Docker服务器集群并提供集群管理工具，从而实现仿真网络规模扩大的效果，同时也在操作和管理上提供方便。

但是，中国发明专利（申请公布号：CN 109981375 A），发明名称为用于卫星通信仿真网络构建的方法和设备，仅仅从仿真硬件计算资源的角度描述了提升卫星通信仿真效率的方法，并未从软件仿真自身角度提升仿真效率。

总结起来，目前基于数字孪生高逼真模型的高中低轨卫星仿真系统提升效率的方法要么是简化模型的建模精度，缺乏在高逼真模型条件下的高效仿真方法；要么是增加计算的硬件资源，缺乏从软件仿真自身效率提升角度的仿真方法。所以，在不损失模型仿真精度的情况下，又要高效仿真成千上万颗卫星构成的海量节点高中低轨卫星系统，亟需建立兼顾高仿真逼真度和高仿真效率的海量节点卫星系统仿真方法，支撑高中高中低轨巨型系统的研究及工程建设。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种航天系统大规模星地节点仿真运行方法及系统，利用混合建模颗粒度的仿真方法，充分考虑了距离重点节点业务逻辑关系越远的节点对重点节点影响越小的特点，使用了大、中、小尺度仿真模型，可以在海量节点卫星系统的仿真效率和仿真精度之间取得较好的折中。

为实现上述目的，本发明提供了一种航天系统大规模星地节点仿真运行方法，包括以下步骤：

S1：建立不同颗粒度的分系统软件模型；

S2：根据仿真评估目的,确定重点关注节点分系统软件模型编号及其在整个仿真系统中的物理位置；

S3：按照距离重点关注节点的业务逻辑关系远近的原则，配置整个仿真系统的分系统软件模型；

S4：基于整个仿真系统配置的分系统软件模型，仿真模拟高中低轨卫星系统运行全过程，并存储每个节点输入和输出数据；

S5：对每个节点输入和输出数据进行评估，得到所述高中低轨卫星系统的性能。

优选的，所述S1中，所述不同颗粒度的分系统软件模型包括：大尺度仿真模型、中尺度仿真模型和小尺度仿真模型；

所述大尺度仿真模型，用于对核心体制、算法、系统架构和星座构型中粗颗粒度要素的建模；

所述中尺度仿真模型，用于对接口、处理流程和模块行为中已经收敛但还需优化的要素的建模；

所述小尺度仿真模型，用于对真实系统的数字孪生式的建模。

优选的，所述重点关注的节点包括：卫星馈电链路的关键节点或者用户接入卫星的典型节点；其中，所述卫星馈电链路的关键节点包括：信关站的可见卫星和数据拥塞节点。

优选的，在所述S3中，按照距离重点关注的节点业务逻辑关系远近的原则，配置整个仿真系统的软件模型的方法包括：

S301：所述重点关注的节点使用小尺度仿真模型；

S302：根据需要，确定靠近重点关注的节点的周边的第二层节点的范围大小，在第二层节点中使用中尺度仿真模型；

S303：最外层的节点使用大尺度仿真模型。

优选的，所述S4中，基于整个仿真系统配置的分系统软件模型，仿真模拟高中低轨卫星系统运行全过程，并存储每个节点输入和输出数据的方法包括：

S401：按照仿真评估目的，设定仿真参数，制定仿真场景；

S402：按照距离重点关注的节点业务逻辑关系越远，仿真模型精度越低建模越抽象的原则配置整个仿真系统所使用的分系统软件模型；

S403：基于整个仿真系统配置的分系统软件模型，仿真引擎驱动系统按照相关时序运行，仿真模拟高中低轨卫星系统运行全过程，在运行过程中记录存储每个节点输入和输出数据。

优选的，在所述S5中，依据高中低轨星座的功能对每个节点输入和输出数据进行评估，其中，评估内容包括：通信性能和导航性能，所述通信性能包括：丢包率、时延和吞吐量，所述导航性能包括：定位精度和授时精度。

本发明还提供了一种航天系统大规模星地节点仿真运行系统，包括：模型构建模块、重点节点确定模块、配置模块、仿真模块和评估模块；

所述模型构建模块，用于建立不同颗粒度的分系统软件模型；

所述重点节点确定模块，用于根据仿真评估目的,确定重点关注节点的分系统软件模型编号及其在整个仿真系统中的物理位置；

所述配置模块，用于按照距离重点关注节点的业务逻辑关系远近的原则，配置整个仿真系统的分系统软件模型；

所述仿真模块，用于基于整个仿真系统配置的分系统软件模型，仿真模拟高中低轨卫星系统运行全过程，并存储每个节点输入和输出数据；

所述评估模块，用于对每个节点输入和输出数据进行评估，得到所述高中低轨卫星系统的性能。

优选的，所述模型构建模块中，所述不同颗粒度的分系统软件模型包括：大尺度仿真模型、中尺度仿真模型和小尺度仿真模型；

所述大尺度仿真模型，用于对核心体制、算法、系统架构和星座构型中粗颗粒度要素的建模；

所述中尺度仿真模型，用于对接口、处理流程和模块行为中已经收敛但还需优化的要素的建模；

所述小尺度仿真模型，用于对真实系统的数字孪生式的建模。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1）建模了多种尺度的节点模型，实现了仿真模型精度的弹性可控，为仿真速度和仿真精度的调节奠定了基础；2）建模的高逼真小尺度模型能够最大程度的贴近真实系统的运行状态，从而保证了重点节点的仿真结果的真实性；3）仿真过程中创新性的使用了混合建模颗粒度的方法，充分考虑了距离重点节点业务逻辑关系越远的节点对重点节点影响越小的特点，使用了大、中、小尺度仿真模型，从而避免了系统中全部使用小尺度仿真模型仿真效率低，或者全部使用大尺度仿真模型仿真精度低的问题。本发明内容所述方法可以在海量节点卫星系统的仿真效率和仿真精度之间取得较好的折中，采用该技术的仿真系统能够支撑高中低轨巨型系统的研究及工程建设。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例用于实现一种航天系统大规模星地节点仿真运行方法示意图；

图2为本发明实施例用于实现一种高中低轨卫星系统立体结构下的重点区域划分示意图；

图3为本发明实施例用于实现一种高中低轨卫星系统平铺结构下的重点区域划分示意图。

附图说明：A-重点区域；B-次重点区域；C-非重点区域。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例1

图1为本发明实施例用于实现一种海量节点卫星系统仿真方法流程示意图。

根据本实施例的方法包括步骤：

S1：根据不同需求，建立不同颗粒度的分系统软件模型，这些分系统软件模型的输入和输出数据类型是一致的，但是内部处理流程与真实系统之间会有差别；

S2：根据仿真评估目的确定需要重点关注节点的分系统软件模型编号及其在整个系统中的物理位置；

S3：重点关注的节点使用数字孪生高逼真的仿真模型，按照距离重点关注节点的业务逻辑关系越远，仿真模型精度越低建模越抽象的原则配置整个仿真系统所使用的分系统软件模型；

S4：基于整个仿真系统配置的分系统软件模型，仿真系统按照设定的场景、参数和相关时序运行，仿真模拟高中低轨卫星系统运行全过程，存储试验数据；其中，所述试验数据为每个节点输入和输出数据。

S5：对试验数据进行评估，得到高中低轨卫星系统性能。

在步骤S1中，建立不同颗粒度的分系统软件模型主要是面向不同的验证需求。

具体地，不同颗粒度的分系统软件模型应当包括但不限于：

1）大尺度仿真模型，主要针对系统设计阶段，具体分系统的详细设计还没有完成，主要实现对核心体制、算法、系统架构、星座构型等粗颗粒度要素的建模；

2）中尺度仿真模型，主要针对系统初样设计阶段，主要实现对接口、处理流程、模块行为等已经收敛但还可以优化的要素的建模；

3）小尺度仿真模型，主要针对系统正样设计阶段，主要实现对真实系统的数字孪生式的建模。

在步骤S2中，划分重点关注的节点模型所在的地理区域。

具体地，划分重点关注的节点模型所在的地理区域应当包括但不限于：

1）可以是卫星馈电链路的关键节点，例如信关站的可见卫星、数据拥塞节点等；

2）也可以是用户接入卫星的典型节点，例如为了评估接入网的性能，可以选取典型位置用户的接入卫星。

需要说明的是，上述举例仅为更好地说明本发明的技术方案，而非对本发明的限制，本领域技术人员应该理解，任何根据所述的方法定义的重点关注的节点模型所在的地理区域均应包含在本发明的范围内。

在步骤S3中，按照距离重点关注的节点的远近确定使用模型的精度。

具体地，按照距离重点关注的节点的远近确定使用模型的精度应当包括但不限于：

1）重点关注的节点使用精度最高的小尺度数字孪生模型，即小尺度仿真模型；

2）根据需要确定靠近重点关注的节点的周边的第二层节点的范围大小，在第二层中使用中尺度仿真模型；

3）最外层的节点使用大尺度仿真模型。

需要说明的是，上述举例仅为更好地说明本发明的技术方案，而非对本发明的限制，本领域技术人员应该理解，任何根据所述的方法定义的不同区域使用不同精度模型的方法均应包含在本发明的范围内。

在步骤S4中，仿真系统的仿真运行。

具体地，仿真系统的仿真运行应当包括但不限于：

1）按照试验评估目的，设定仿真参数，制定仿真场景；

2）按照距离重点关注的节点业务逻辑关系越远，仿真模型精度越低建模越抽象的原则配置整个仿真系统所使用的软件模型；

3）基于整个仿真系统配置的分系统软件模型，仿真引擎驱动系统按照相关时序运行，仿真模拟高中低轨卫星系统运行全过程，在运行过程中记录存储系统每个节点输入和输出数据。

在步骤S5中，依据高中低轨星座的功能进行评估；存储结果和场景配置是一一对应的；评估步骤S4所得到的试验数据，评估内容可以包括通信性能（丢包率、时延、吞吐量，等）、导航性能（定位精度、授时精度，等）。

现有技术中，面向海量节点的卫星系统仿真方法要么是简化模型的建模精度，缺乏在高逼真模型条件下的高效仿真方法；要么是增加计算的硬件资源，缺乏从软件仿真自身效率提升角度的仿真方法。根据本实施例的方案，建立了多种尺度的节点模型，为实现仿真效率与仿真精度的良好折中提供了支撑；建模的高逼真小尺度模型能够最大程度的贴近真实系统的运行状态，从而保证了重点节点的仿真结果的真实性；仿真过程中使用了混合建模颗粒度的方法，充分考虑了距离重点节点业务逻辑关系越远的节点对重点节点影响越小的特点，从而避免了系统中全部使用小尺度仿真模型仿真效率低，或者全部使用大尺度仿真模型仿真精度低的问题。本发明内容所述方法可以在海量节点卫星系统的仿真效率和仿真精度之间取得较好的折中，采用该技术的仿真系统能够支撑高中高中低轨巨型系统的研究及工程建设。

图2为本发明实施例用于实现一种高中低轨卫星系统立体结构下的重点区域划分示意图。根据本实施例的高中低轨卫星系统立体结构下的重点区域划分包括重点区域A，次重点区域B和非重点区域C。

具体地，立体结构下的重点区域A主要包含重点关注的卫星本身，以及与这颗卫星通过星间链路直接连接的卫星。

具体地，立体结构下的次重点区域B主要包含可以通过路由2到5跳与重点关注卫星建立联系的卫星。

具体地，立体结构下的非重点区域C主要包重点区域A和次重点区域B之外的其他卫星。

图3为本发明实施例用于实现一种高中低轨卫星系统平铺结构下的重点区域划分示意图。根据本实施例的高中低轨卫星系统平铺结构下的重点区域划分包括重点区域A，次重点区域B和非重点区域C。

具体地，平铺结构下的重点区域A主要包含重点关注的卫星本身，以及与这颗卫星通过星间链路直接连接的卫星。

具体地，平铺结构下的次重点区域B主要包含可以通过路由2到5跳与重点关注卫星建立联系的卫星。

具体地，平铺结构下的非重点区域C主要包重点区域A和次重点区域B之外的其他卫星。

实施例2

本发明还提供了一种航天系统大规模星地节点仿真运行系统，包括：模型构建模块、重点节点确定模块、配置模块、仿真模块和评估模块；

模型构建模块，用于建立不同颗粒度的分系统软件模型；

重点节点确定模块，用于根据仿真评估目的,确定重点关注节点的分系统软件模型编号及其在整个仿真系统中的物理位置；

配置模块，用于按照距离重点关注节点的业务逻辑关系远近的原则，配置整个仿真系统的分系统软件模型；

仿真模块，用于基于整个仿真系统配置的分系统软件模型，仿真模拟高中低轨卫星系统运行全过程，并存储每个节点输入和输出数据；

评估模块，用于对每个节点输入和输出数据进行评估，得到高中低轨卫星系统的性能。

具体的，模型构建模块中，不同颗粒度的分系统软件模型包括：大尺度仿真模型、中尺度仿真模型和小尺度仿真模型；

大尺度仿真模型，用于对核心体制、算法、系统架构和星座构型中粗颗粒度要素的建模；

中尺度仿真模型，用于对接口、处理流程和模块行为中已经收敛但还需优化的要素的建模；

小尺度仿真模型，用于对真实系统的数字孪生式的建模。

需要注意的是，本发明可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，本发明的各个装置可采用专用集成电路（ASIC）或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本发明的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本发明的软件程序（包括相关的数据结构）可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本发明的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种航天系统大规模星地节点仿真运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立不同颗粒度的分系统软件模型；

S2：根据仿真评估目的,确定重点关注节点的分系统软件模型编号及其在整个仿真系统中的物理位置；

S3：按照距离重点关注节点的业务逻辑关系远近的原则，配置整个仿真系统的分系统软件模型；

S4：基于整个仿真系统配置的分系统软件模型，仿真模拟高中低轨卫星系统运行全过程，并存储每个节点输入和输出数据；

S5：对每个节点输入和输出数据进行评估，得到所述高中低轨卫星系统的性能。

2.根据权利要求1所述的航天系统大规模星地节点仿真运行方法，其特征在于，所述S1中，所述不同颗粒度的分系统软件模型包括：大尺度仿真模型、中尺度仿真模型和小尺度仿真模型；

所述大尺度仿真模型，用于对核心体制、算法、系统架构和星座构型中粗颗粒度要素的建模；

所述中尺度仿真模型，用于对接口、处理流程和模块行为中已经收敛但还需优化的要素的建模；

所述小尺度仿真模型，用于对真实系统的数字孪生式的建模。

3.根据权利要求1所述的航天系统大规模星地节点仿真运行方法，其特征在于，所述重点关注的节点包括：卫星馈电链路的关键节点或者用户接入卫星的典型节点；其中，所述卫星馈电链路的关键节点包括：信关站的可见卫星和数据拥塞节点。

4.根据权利要求1所述的航天系统大规模星地节点仿真运行方法，其特征在于，在所述S3中，按照距离重点关注的业务逻辑关系远近的原则，配置整个仿真系统的分系统软件模型的方法包括：

S301：所述重点关注的节点使用小尺度仿真模型；

S302：根据需要，确定靠近重点关注的节点的周边的第二层节点的范围大小，在第二层节点中使用中尺度仿真模型；

S303：最外层的节点使用大尺度仿真模型。

5.根据权利要求1所述的航天系统大规模星地节点仿真运行方法，其特征在于，所述S4中，基于整个仿真系统配置的分系统软件模型，仿真模拟高中低轨卫星系统运行全过程，并存储每个节点输入和输出数据的方法包括：

S401：按照仿真评估目的，设定仿真参数，制定仿真场景；

S402：按照距离重点关注的节点业务逻辑关系越远，仿真模型精度越低建模越抽象的原则配置整个仿真系统所使用的分系统软件模型；

S403：基于整个仿真系统配置的分系统软件模型，仿真引擎驱动系统按照相关时序运行，仿真模拟高中低轨卫星系统运行全过程，在运行过程中记录存储每个节点输入和输出数据。

6.根据权利要求1所述的航天系统大规模星地节点仿真运行方法，其特征在于，在所述S5中，依据高中低轨星座的功能对每个节点输入和输出数据进行评估，其中，评估内容包括：通信性能和导航性能，所述通信性能包括：丢包率、时延和吞吐量，所述导航性能包括：定位精度和授时精度。

7.一种航天系统大规模星地节点仿真运行系统，其特征在于，包括：模型构建模块、重点节点确定模块、配置模块、仿真模块和评估模块；

所述模型构建模块，用于建立不同颗粒度的分系统软件模型；

所述重点节点确定模块，用于根据仿真评估目的,确定重点关注节点的分系统软件模型编号及其在整个仿真系统中的物理位置；

所述配置模块，用于按照距离重点关注节点的业务逻辑关系远近的原则，配置整个仿真系统的分系统软件模型；

所述仿真模块，用于基于整个仿真系统配置的分系统软件模型，仿真模拟高中低轨卫星系统运行全过程，并存储每个节点输入和输出数据；

所述评估模块，用于对每个节点输入和输出数据进行评估，得到所述高中低轨卫星系统的性能。

8.根据权利要求7所述的航天系统大规模星地节点仿真运行系统，其特征在于，所述模型构建模块中，所述不同颗粒度的分系统软件模型包括：大尺度仿真模型、中尺度仿真模型和小尺度仿真模型；

所述大尺度仿真模型，用于对核心体制、算法、系统架构和星座构型中粗颗粒度要素的建模；

所述中尺度仿真模型，用于对接口、处理流程和模块行为中已经收敛但还需优化的要素的建模；

所述小尺度仿真模型，用于对真实系统的数字孪生式的建模。

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