卫星组网区域覆盖效能的仿真及计算方法技术

本发明专利技术涉及一种卫星组网区域覆盖效能的仿真及计算方法，所述方法包括：S100，执行仿真场景编辑与初始化；S200，通过多个仿真CPU线程，并行仿真卫星组网的每个卫星的空间状态，其中，卫星组网的数量为一个或多个；S300，通过至少一个计算CPU线程，将步骤S100中执行仿真场景编辑与初始化后获得的数据，以及步骤S200中获得的每个卫星的空间状态数据，写入GPU；S400，通过GPU并行计算每个卫星组网的覆盖效能指标。通过多CPU及多GPU的异构多处理器混合体系结构，将算法逻辑复杂、但非数据密集计算的仿真部分由多CPU线程进行并行处理，将算法逻辑简单、但属于数据密集计算的仿真部分由GPU进行并行处理，从而在保证计算精度的同时有效减少计算时间，有效提高效率。有效提高效率。有效提高效率。

【技术实现步骤摘要】
卫星组网区域覆盖效能的仿真及计算方法


[0001]本专利技术涉及卫星仿真
，具体涉及一种卫星组网区域覆盖效能的仿真及计算方法。

技术介绍

[0002]大规模卫星组网对地面区域的时空覆盖效能仿真是卫星组网化、体系化应用效能仿真的基础，由于这类仿真涉及的卫星数量众多、任务区域范围大，导致传统的串行仿真评估算法计算量非常大，无法满足高性能仿真运行、动态快速指标评估等需求。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种卫星组网区域覆盖效能的仿真及计算方法，解决现有仿真系统中大规模、多任务卫星组网对大面积地面区域的遥感、通信、导航等覆盖效能计算效率不高的问题，在保证计算精度的同时有效减少计算时间。
[0004]本专利技术实施例提供一种卫星组网区域覆盖效能的仿真及计算方法，所述方法包括：
[0005]S100，执行仿真场景编辑与初始化；
[0006]S200，通过多个仿真CPU线程，并行仿真卫星组网的每个卫星的空间状态，其中，卫星组网的数量为一个或多个；
[0007]S300，通过至少一个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种卫星组网区域覆盖效能的仿真及计算方法，其特征在于，所述方法包括：S100，执行仿真场景编辑与初始化；S200，通过多个仿真CPU线程，并行仿真卫星组网的每个卫星的空间状态，其中，卫星组网的数量为一个或多个；S300，通过至少一个计算CPU线程，将步骤S100中执行仿真场景编辑与初始化后获得的数据，以及步骤S200中获得的每个卫星的空间状态数据，写入GPU；S400，通过GPU并行计算每个卫星组网的覆盖效能指标。2.根据权利要求1所述的卫星组网区域覆盖效能的仿真及计算方法，其特征在于，步骤S100包括：设置仿真持续时间、仿真步长、场景初始纪元时间和卫星初始状态；选择卫星组网任务类型，卫星组网任务类型包括遥感、通信和导航三种；划分目标区域，目标区域的数量至少为一个，每个卫星组网与至少一个目标区域具有对应关系；以及将每个卫星组网与其对应的目标区域关联；其中，所述划分目标区域包括：设置目标区域的网格划分的精度值，每个目标区域按照设置的精度值进行网格点划分，每个网格点由经纬度表示，并通过每个目标区域的多边形顶点的经纬度集合来描述相应目标区域的边界范围。3.根据权利要求2所述的卫星组网区域覆盖效能的仿真及计算方法，其特征在于，在步骤S200中，每个卫星均对应一个仿真CPU线程。4.根据权利要求3所述的卫星组网区域覆盖效能的仿真及计算方法，其特征在于，在步骤S200中，仿真单个卫星的空间状态，包括：计算卫星的瞬时轨道六根数、惯性系位置、星下点位置、卫星轨道高度和卫星本体姿态；当卫星的任务类型为遥感类任务时，还需要计算上一步仿真时刻T
K
‑1到当前仿真时刻T
K
的卫星传感器视场对地覆盖范围，卫星传感器视场对地覆盖范围为{L(T
K
‑1),L(T
K
),R(T
K
),R(T
K
‑1)}四个顶点构成的矩形，每个顶点由地球固连坐标系下的经纬度表示，其中，L(T
K
)和R(T
K
)为卫星传感器在T
K
时刻横向视场边界视线与地球的两个交点，L(T
K
‑1)和R(T
K
‑1)为卫星传感器在T
K
‑1时刻横向视场边界视线与地球的两个交点。5.根据权利要求4所述的卫星组网区域覆盖效能的仿真及计算方法，其特征在于，步骤S300包括：S310，根据卫星组网的数量，调用相同数量的计算CPU线程，每个计算CPU线程对应一个卫星组网，且每个卫星组网对应一个目标区域；S320，多个计算CPU线程并行运行，排队调用GPU设备，每个计算CPU线程均将对应的卫星组网的数据写入相应GPU；写入GPU的数据包括：目标区域的所有网格点的经纬度信息；卫星组网每个卫星的惯性系位置、星下点位置和卫星轨道高度；对于遥感类任务的卫星，还包括卫星传感器视场对地覆盖范围；对于导航类和通信类任务的卫星，还包括最小观测仰角。
6.根据权利要求5所述的卫星组网区域覆盖效能的仿真及计算方法，其特征在于，在步骤S400中，计算每个卫星组网的覆盖效能指标包括：S410，基于CUDA进行第一次多线程网格划分，所有GPU线程并行调用第一个内核函数，对T
K
时刻单个卫星Sat
i
(i∈[1,M])对于目标区域单个网格点P
j
(j∈[1,N])的可见性指标v(Sat
i
,P
j
,T
K
)进行计算，将计算得到的每个卫星对于每个网格点的可见性指标集合写入GPU的全局内存；S420，根据步骤S410中第一个内核函数的计算结果，基于CUDA进行第二次多线程网格划分，所有GPU线程并行调用第二个内核函数，对卫星组网对于目标区域每个网格点的覆盖效能指标进行计算；其中，对于导航类任务的卫星组网，还需要计算卫星组网对于目标区域每个网格点的导航精度因子；S430，根据步骤S410和步骤S420中两个内核函数的计算结果，调用GPU的第三个内核函数，采用归约算法，对卫星组网对目标区域{P1,P2,...,P
j
,...,P
N
}(j∈[1,N])的整体覆盖效能指标进行统计计算；其中，对于导航类任务的卫星组网，还需要计算卫星组网对于目标区域的整体导航精度因子指标；S440，GPU并行处理结束，将所有计算结果写回CPU。7.根据权利要求6所述的卫星组网区域覆盖效能的仿真及计算方法，其特征在于，在步骤S410中，包括：对于遥感类任务的卫星，可见性指标v(Sat
i
,P
j
,T
K
)的计算方式为：判别点P
j
是否在卫星传感器Sat
i
视场覆盖{L(T
K
‑1),L(T
K
),R(T
K
),R(T
K
‑1)}多边形区域内，判别方法采用水平/垂直交叉点数判别法；对于通信类和导航类任务的卫星，可见性指标v(Sat
i
,P
j
,T
K
)的计算方式为：设地面网格点的经纬度分别为λ0、φ0，卫星星下点的经纬度分别为λ
s
、φ
s
，观测点对卫星的最小观测仰角为e，则星下覆盖区对应的地球中心角γ为：仰角e为：其中，R
e
为地球半径，h为卫星轨道高度，e
min
为卫星最小观测仰角，则可见性指标v(Sat
i
,P
j
,T
K
)函数为：8.根据权利要求6所述的卫星组网区域覆盖效能的仿真及计算方法，其特征在于，在步骤S420中，包括：
计算在T
K
时刻，卫星组网{Sat1,Sat2,...,Sat
i
,...,Sat
M
}(i∈[1,M])整体对目标区域{P1,P2,...,P
j
,...,P
N
}中每个网格点的瞬时可见性和瞬时覆盖重数两个指标；其中，在T
K
时刻，卫星组网对单个网格点P
j
(j∈[1,N])的瞬时可见性指标表示为C(P
j
,T
K
)，瞬时覆盖重数指标表示为N
FC
(P
j
,T
K
)，计算结束后将每个网格点的可见性指标和瞬时覆盖重数指标写入GPU全局内存，计算公式分别为：盖重数指标写入GPU全局内存，计算公式分别为：统计在(0,T
K
]时间段内，卫星组网{Sat1,Sat2,...,Sat
i
,...,Sat
M
}(i∈[1,M])整体对目标区域{P1,P2,...,P
j
,...,P
N
}中每个网格点P
j
(j∈[1,N])的可见时刻集TWS(P
j
,T
K
)，统计结束后将每个网格点的可见时刻集写入GPU全局内存，TWS(P
j
,T
K
)可表示为：其中，TW(P
j
,T
p
,T
q
)表示在(0,T
K
]时间段内可见性连续为1的一个时间段子集，可表示为：TW(P
j
,T
p
,T
q
)＝{(T
p
,T
q
]|C(P
j
,T
p+1
)
×
C(P
j
,T
p+2
)
×……×
C(P
j
,T
q
‑1)
×
C(P
j
,T
q
)＝1}；则在(0,T
K
]时间段内卫星组网对点P
j
的覆盖次数n
C
(P
j
,T
K
)等于可见时刻集TWS(P
j
,T
K
)的元素个数，其公式为：n
C
(P
j
,T
K
)＝|TWS(P
j
,T
K
)|；基于仿真推演，已知T
k
‑1时刻卫星组网对点P
j
的可见时刻集表示为：则T
k
时刻卫星组网对点P
j
的可见时刻集按如下公式进行计算：统计在(0,T
K
]时间段内，卫星组网{Sat1,Sat2,...,Sat
i
,...,Sat
M
}(i∈[1,M])整体对目标区域{P1,P2,...,P
j
,...,P
N
}(j∈[1,N])每个网格点的累计覆盖效能指标，计算结束后将所有网...

【专利技术属性】
技术研发人员：王倩，刘建勋，高扬，于海琰，殷建丰，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：