一种面向大规模卫星场景的轻量化仿真架构设计方法技术

一种面向超密集大规模卫星场景的轻量化仿真架构设计方法，包括如下步骤：设计辅助管理场景实体的仿真控制抽象NodeFactory类型，使用单例模式维护唯一时间并给每个卫星节点实例分配唯一身份标识；具体为，设计最小物理单元卫星节点的抽象Node类型，作为仿真基石代表一颗仿真场景中的实际卫星，存储卫星相关参数；设计卫星节点以逻辑组合而成的单层星座抽象Constellation类型，包含星座构成参数、所属卫星链接、星座运动简化；设计面向用户的由多个星座组合而成的最终仿真场景抽象Simulation类型，封装使大规模卫星仿真便捷化的常用方法以及底层接口；根据上述抽象类型编写主脚本进行仿真。

【技术实现步骤摘要】
一种面向大规模卫星场景的轻量化仿真架构设计方法
本专利技术属于卫星仿真领域，尤其涉及一种面向超密集大规模卫星场景的轻量化仿真架构设计方法。
技术介绍
卫星技术正处于快速发展阶段，特别是低轨卫星，它们可以在实现全覆盖的同时为移动用户提供不亚于地面网络的服务质量，在长距离数据传输方面更是可以提供比任何地面光纤网络更低的传播延迟。低轨卫星星座网络的搭建对于补全地面5G网络、实现地面网络全覆盖有着重要的价值和意义，其极小的传播时延与较大的信号带宽对构建一个包裹着地球的空中高速数据传输网络有重大作用，目前已有或正在搭建的低轨卫星星座有：Teledesic、Iridium、Globalstar、Oneweb、Starlink等等，可见很长一段时间以来低轨卫星星座网络已经成了国内外共同关注的话题和热门研究对象。但低轨卫星依靠其轨道高度获得极低传输时延一级较高数据带宽收益的同时，低轨卫星星座的搭建往往比中轨卫星星座、同步轨道卫星星座复杂很多。低轨星座由数十甚至上百颗卫星组成，近期SpaceX提出的Starlink计划在不断扩展下更是拥有超过万颗的卫星规模，这给使用传统方式模拟卫星场景带来了巨大的挑战。传统的节点移动性模拟器在给定场景中模拟卫星节点的实际移动性模式，并生成记录所有模拟节点的移动性轨迹的跟踪文件。卫星仿真领域最常用的节点移动性模拟器是STK(系统工具套件)，它是由AGI公司开发用于分析和可视化航空航天领域复杂系统的商用软件，拥有相当复杂的程序体系。这在使STK拥有众多特色功能的同时也导致其占用相当多计算资源，在个人电脑上使用STK进行万颗级别卫星的仿真研究是难以实现的。虽然STK提供外部扩展接口但这不能解决其内核复杂导致的运算缓慢问题，软件的实际功能与大规模移动节点仿真的实验目的不完全吻合。此外由于外部因素，在国内STK只被允许使用旧版本。综上所述，与现有技术相比，本专利技术的优点如下：1、与传统卫星仿真软件完全解耦，为仿真实验个性化定制2、轻量化架构便于实现超密集大规模的卫星星座仿真3、模块化设计保证了仿真架构的灵活性与可扩展性
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种面向超密集大规模卫星场景的轻量化仿真架构设计方法。该方法针对超大规模低轨Walker卫星星座，使用轻量化的仿真架构实现卫星星座的搭建、卫星运行结果的数据计算以及采集存储，可以进行万颗级别的低轨卫星星座仿真。本专利技术采用的技术方案为：一种面向超密集大规模卫星场景的轻量化仿真架构设计方法，设计管理辅助管理场景实体的节点工场的抽象，使用单例模式维护仿真场景时间并给每个卫星节点实例分配唯一身份标识；包括以下步骤：步骤1，设计最小物理单元卫星节点的抽象Node类型，作为仿真基石代表一颗仿真场景中的实际卫星，存储卫星相关参数；步骤2，设计卫星节点以逻辑组合而成的单层星座抽象Constellation类型，包含星座构成参数、所属卫星链接、星座运动简化；步骤3，设计面向用户的由多个星座组合而成的最终仿真场景抽象Simulation类型，封装使大规模卫星仿真便捷化的常用方法以及底层接口；设计管理数据库读写的接口抽象DataBase类型，按照研究需求实时存储读写；根据上述抽象类型编写主脚本进行仿真。步骤1，进行最小单元设计：最小单元设计包括设计基础物理实体单元卫星节点的抽象以及辅助管理场景实体的节点工场的抽象；所述卫星节点的抽象设计包含仿真目标需求的包括但不限于节点唯一识别编号、地心地固极坐标系三维坐标、运行轨道参数、所属星座信息、卫星名称，所述节点工场的抽象使用单例模式维护仿真场景时间并给每个卫星节点实例分配唯一身份标识；步骤2，进行卫星场景逻辑结构搭建：设计卫星星座以及最终仿真场景的抽象；所述卫星星座抽象包含卫星星座信息、对所含所有卫星实例的链接、卫星星座初始化方法、针对简化运算设计的卫星运动算法，所述最终仿真场景抽象包含仿真场景信息、对所含卫星星座实例的链接、针对仿真场景的常用方法与底层接口；步骤3，开始仿真并外部交互：仿真与交互包括设计数据库存储接口抽象以及仿真主程序；设计数据库存储接口抽象以及仿真主脚本；所述数据库接口抽象封装对数据库进行连接、读取、修改、删减、添加的所有细节并自定义数据存储方法，所述仿真主脚本包含仿真场景所有数据信息；步骤1中，所述的卫星节点的抽象设计，根据实验目的和针对性仿真需求抽取共同的、本质性特征并结合重构而成：包含有卫星物理实体的基础特征，包括但不限于节点唯一识别编号、地心地固极坐标系三维坐标、运行轨道参数、所属星座信息、卫星名称；其中必须包含的包括以下字段：m_id，表示该卫星实例个体的唯一识别标识，由节点工场抽象的唯一实例配置；m_currentPosition，表示该卫星实例在特定仿真时刻的实时位置，采用LLA坐标系，所述LLA坐标系表示地心地固极坐标系，包含参数为纬度、经度、海拔高度；m_inclination，表示该卫星实例所处轨道的倾角参数，默认情况下轨道偏心率为零，即以地心为圆心的正圆轨道；m_uid，表示到该卫星实例所处卫星星座的链接，默认为空链接，在构成星座时配置；m_constellationMessage是该卫星实例于所属卫星星座的信息，表示该卫星所处于星座中的逻辑位置，包含所处轨道的编号以及处于轨道内位置的编号，默认为空，在构成星座时配置；m_name，表示该卫星实例的名字，并不具有唯一性，但可包含逻辑位置信息；用于按名字检索及数据库存储查找，具象化时设置，默认为空；其中可以添加的包括以下字段：m_RAAN，表示该卫星实例的升交点赤经，若轨道模型为椭圆模型需要设置，描述轨道平面与地球赤道平面的相交关系，相交点分别为升交点和降交点，升交点赤经表示升交点与春分点的向径夹角，由于忽略地球公转带来的影响且为简化处理，将春分点视为本初子午线与赤道平面交点；m_eccentricity，表示该卫星实例的轨道的偏心率，用于描述椭圆轨道的形状；m_perigeeAngle，表示该卫星实例所在轨道的近地点与升交点的夹角，描述椭圆轨道与地球的相对位置关系；m_trueAnomaly，表示轨道平面内卫星所处位置与近地点的夹角，用于描述卫星处于卫星轨道内的位置；m_antennaMessage，表示该卫星实例上装载的天线信息，包含每个天线的种类、方向、开角、频率、带宽、功率等信息，用于描述卫星间通信或卫星与地面通信的物理连接模式；m_linkMessage，表示该卫星的星间链路连接逻辑关系，用于描述特定星座设计中星间组网的构成形式；步骤1中，辅助管理场景实体的节点工场的抽象，使用单例模式维护仿真场景时间并给每个卫星节点实例分配唯一身份标识，其管理对象包括仿真场景时间、唯一识别标识的生成、卫星节点实例链接集合；所述仿真场景时间，表示仿真内的当前时刻，用于记录整个在建立后随时间变化而发生物理实体运动变化的仿真场景时刻，在仿真场景描述的时刻变化时需要同步修改，是唯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向超密集大规模卫星场景的轻量化仿真架构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：一种面向超密集大规模卫星场景的轻量化仿真架构设计方法，设计辅助管理场景实体的仿真控制抽象NodeFactory类型，使用单例模式维护唯一时间并给每个卫星节点实例分配唯一身份标识；包括以下步骤：步骤1，设计最小物理单元卫星节点的抽象Node类型，作为仿真基石代表一颗仿真场景中的实际卫星，存储卫星相关参数；步骤2，设计卫星节点以逻辑组合而成的单层星座抽象Constellation类型，包含星座构成参数、所属卫星链接、星座运动简化；步骤3，设计面向用户的由多个星座组合而成的最终仿真场景抽象Simulation类型，封装使大规模卫星仿真便捷化的常用方法以及底层接口；设计管理数据库读写的接口抽象DataBase类型，按照研究需求实时存储读写；根据上述抽象类型编写主脚本进行仿真。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向超密集大规模卫星场景的轻量化仿真架构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：一种面向超密集大规模卫星场景的轻量化仿真架构设计方法，设计辅助管理场景实体的仿真控制抽象NodeFactory类型，使用单例模式维护唯一时间并给每个卫星节点实例分配唯一身份标识；包括以下步骤：步骤1，设计最小物理单元卫星节点的抽象Node类型，作为仿真基石代表一颗仿真场景中的实际卫星，存储卫星相关参数；步骤2，设计卫星节点以逻辑组合而成的单层星座抽象Constellation类型，包含星座构成参数、所属卫星链接、星座运动简化；步骤3，设计面向用户的由多个星座组合而成的最终仿真场景抽象Simulation类型，封装使大规模卫星仿真便捷化的常用方法以及底层接口；设计管理数据库读写的接口抽象DataBase类型，按照研究需求实时存储读写；根据上述抽象类型编写主脚本进行仿真。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体步骤如下，步骤1，进行最小单元设计：最小单元设计包括设计基础物理实体单元卫星节点的抽象以及辅助管理场景实体的节点工场的抽象；所述卫星节点的抽象设计包含仿真目标需求的包括但不限于节点唯一识别编号、地心地固极坐标系三维坐标、运行轨道参数、所属星座信息、卫星名称，所述节点工场的抽象使用单例模式维护仿真场景时间并给每个卫星节点实例分配唯一身份标识；
步骤2，进行卫星场景逻辑结构搭建：设计卫星星座以及最终仿真场景的抽象；所述卫星星座抽象包含卫星星座信息、对所含所有卫星实例的链接、卫星星座初始化方法、针对简化运算设计的卫星运动算法，所述最终仿真场景抽象包含仿真场景信息、对所含卫星星座实例的链接、针对仿真场景的常用方法与底层接口；
步骤3，开始仿真并外部交互：仿真与交互包括设计数据库存储接口抽象以及仿真主程序；设计数据库存储接口抽象以及仿真主脚本；所述数据库接口抽象封装对数据库进行连接、读取、修改、删减、添加的所有细节并自定义数据存储方法，所述仿真主脚本包含仿真场景所有数据信息；
步骤1中，所述的卫星节点的抽象设计，根据实验目的和针对性仿真需求抽取共同的、本质性特征并结合重构而成：包含有卫星物理实体的基础特征，包括但不限于节点唯一识别编号、地心地固极坐标系三维坐标、运行轨道参数、所属星座信息、卫星名称；
其中必须包含的包括以下字段：
m_id，表示该卫星实例个体的唯一识别标识，由节点工场抽象的唯一实例配置；
m_currentPosition，表示该卫星实例在特定仿真时刻的实时位置，采用LLA坐标系，所述LLA坐标系表示地心地固极坐标系，包含参数为纬度、经度、海拔高度；
m_inclination，表示该卫星实例所处轨道的倾角参数，默认情况下轨道偏心率为零，即以地心为圆心的正圆轨道；
m_uid，表示到该卫星实例所处卫星星座的链接，默认为空链接，在构成星座时配置；
m_constellationMessage是该卫星实例于所属卫星星座的信息，表示该卫星所处于星座中的逻辑位置，包含所处轨道的编号以及处于轨道内位置的编号，默认为空，在构成星座时配置；
m_name，表示该卫星实例的名字，并不具有唯一性，但可包含逻辑位置信息；用于按名字检索及数据库存储查找，具象化时设置，默认为空；
步骤1中，辅助管理场景实体的节点工场的抽象，使用单例模式维护仿真场景时间并给每个卫星节点实例分配唯一身份标识，其管理对象包括仿真场景时间、唯一识别标识的生成、卫星节点实例链接集合；
所述仿真场景时间，表示仿真内的当前时刻，用于记录整个在建立后随时间变化而发生物理实体运动变化的仿真场景时刻，在仿真场景描述的时刻变化时需要同步修改，是唯一的时间标志；
所述唯一识别标识，表示卫星节点实例在仿真场景中的唯一性身份标识，根据唯一识别标识可以通过卫星实例链接集合快速查找该卫星实例链接，进而查询卫星数据；
所述卫星节点实例链接集合，表示记录场景中所有卫星节点链接的可快速查询的数据集合；
所述唯一识别标识的生成，表示在卫星节点抽象的设计中，当卫星节点抽象具象化为实例时需要向节点工场实例申请唯一识别标识m_id，在此过程中节点工场实例返回未分配过的id值并将此id值与申请到此id的节点实例的链接绑定，并存储于节点实例链接集合中，此设计目的是获得一个完整的底层控制的接口；
所述节点工场抽象同时使用单例模式，全局接口的特性要求只能有且只需要一个节点工场的实例存在，因此可行的设计是将节点工场抽象的具象化方法及拷贝复制方法设为私有并在它的抽象中内置一个类型为节点工场的静态成员，以此阻止此抽象被随意具象化滥用；所述静态成员，是指属于此抽象但不属于抽象所诞生的实例的组成部分，只能在主程序外被初始化且拥有唯一性，通过节点工场抽象的静态接口与这个唯一的节点工场实例建立连接，从而保证节点工场抽象只有一个实例存在。
步骤1中，所述的基础物理实体单元卫星节点的抽象设计，由仿真场景的物理实体卫星节点映射而来：
所述仿真场景，是指为模拟现实中可能出现的大量卫星环境而展开研究的假想场景；
所述物理实体，是指在仿真场景中代替现实中同名物体、拥有现实意义的仿真个体；
所述基础单元，是指构成仿真场景的可以单独操控的最小物理实体集合，此处卫星场景中指代单个卫星；
所述抽象设计，是指将现实对象针对性地抽取共同的、本质性的特征并以此结合构建的该种类现实对象的一种描述方法。
所述映射，是指以该种类物理实体的抽象产生的实例在此仿真场景中代表该物理实体；
所述实例，是指将根据种类特征设计的抽象通过具体数据完成具象化处理，即一个实例只代表类型属于该抽象的一个特定个体；
所述现实节点到虚拟实例的仿真转变包含以下逻辑过程：
物理现实经过现实调研、目标设定、实验设计转变为仿真场景，其中的现实节点转变为物理实体；
仿真场景经过按类型抽取共同的、本质性的特征并结合重构的过程转换变为多种抽象，其中的某个物理实体的特征由某一种抽象描述；
抽象经过实际参数设置具象化为一个特定个体的实例，其中的某种抽象描述最终具象化为一个虚拟实例。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述步骤2中卫星星座抽象设计，包含卫星星座信息、对所含所有卫星实例的链接、卫星星座初始化方法、针对简化运算设计的卫星运动算法，即包含以下字段：
m_orbitNumber，表示此星座实例的倾斜轨道数，即P；
m_satPerOrbit，表示此星座实例每条轨道的卫星个数，即T/P；
m_phase，表示此星座实例的相位因子，即F；
m_satList，表示此星座实例包含的所有卫星实例的链接数据集合；
m_TAANOPCS，表示此星座实例所含的所有卫星实例的升点角，用于存储描述卫星处于倾斜轨道平面内的位置，方便大规模运算；
m_inclination，表示星座的轨道倾角；
m_altitude，表示星座的轨道高度；
m_seedRAAN，表示种子卫星的升交点赤经；
所述升交点赤经指种子卫星所处轨道与赤道平面夹角相交所构成的升交点向径与春分点向径的夹角；
所述升点角，指卫星倾斜轨道平面内，延卫星运行方向，升交点向径与卫星位置向径的夹角，向径指与地心连线，此处考虑的是正圆轨道，因此没有轨道近地点，故以升交点作为卫星轨道的基准点；
所述种子卫星是指为Walker-δ星座构建提供包括轨道高度、轨道倾角、升交点赤经、升点角等数据的卫星节点实例，这些数据可以由种子卫星实例解析获取也可以直接从外部输入给星座实例；
所述对所含所有卫星实例的链接，是指记录此星座中所有卫星节点链接的可快速查询的数据集合；
所述卫星星座初始化方法，是指根据种子卫星数据及星座数据计算卫星星座中所有卫星的数据，并使用这些数据进行卫星节点类型抽象的具现化，即构造此星座的所有卫星节点实例并记录链接；
所述卫星星座信息，包含星座种类信息并据此分类，卫星星座初始化方法，默认星座种类为Walker-δ星座，Walker-δ星座模型所含的参数为T、P、F、h、θ，T表示星座中总卫星个数，P表示星座中轨道平面个数，θ表示星座轨道倾角，h表示星座海拔高度，F表示轨道分布的相位因子，取值范围为1到T/P-1的整数；所述相位因子F含义为，Walker-δ星座内，当轨道内某颗卫星到达升交点时，其右侧相邻轨道上的同轨道内编号卫星的升点角为F·2Π/T；
步骤2中Walker-δ星座初始化方法，其输入参数为种子卫星轨道的升交点赤经seedRAAN、种子卫星的升点角seedTAAN、种子卫星轨道的高度h、种子卫星轨道的倾角θ、星座的倾斜轨道数P、星座每条轨道的卫星数T/P、星座的相位因子F；
初始化...

【专利技术属性】
技术研发人员：周海波，徐震杰，伍汉霖，刘晓宇，马婷，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32