一种大规模低轨卫星综合仿真平台

1.本发明涉及卫星仿真领域，具体涉及一种大规模低轨卫星综合仿真平台。


背景技术：

2.当前卫星互联网的模拟研究主要集中在卫星网络性能、组网形态、路由算法设计、信道估计以及卫星器件升级这几方面上。经过现有技术的检索，网路规划的研究学者从拓扑学的角度探讨各式各样网络拓扑，针对网络层面上分析不同拓扑架构对信号性能的影响。中国发明专利(申请公布号：cn 210807274 u)，提出了一种新型低轨卫星网络结构设计方案，不仅简化了低轨卫星网络结构与系统部署成本，还提高了网络的灵活性。研究路由算法的学者根据拓扑层面分析选路与组网对性能的提升程度，针对某一指标提出路由算法与优化机制。中国发明专利(申请公布号：cn 105119823 a)，发明名称为一种基于模糊理论的ngeo卫星路由算法，根据dijkstra最短路由算法找到最短路径，并根据卫星节点阻塞问题进行拥塞控制，能够很好完成流量分配与卫星星座的负载均衡。除此之外，研究信道的人更多的是在点对点链路中探讨某个信道的特征以及信道特征对接收质量劣化程度的分析。中国发明专利(申请公布号：cn 111147169a)，发明名称为一种低轨卫星天地通信信道建模模型及建模方法，解决了信道上各种干扰因素问题，主要分析了传输时延、多普勒频移、信道噪声等干扰因素，通过信道建模与信道干扰因素的分析，能够较为准确的描述低轨卫星移动通信信道的传输特性。
3.然而，当前的很多研究都是建立在单一且比较独立的衡量标准的去评估静态拓扑上的性能，缺乏大规模卫星星座动态性能分析，无法满足动态拓扑上链路通信质量分析且不适合在大规模动态低轨卫星仿真，脱离了现实意义。我们在分析节点间通信的过程中不仅要考虑不同选路方案，还需要知道选路上相对应的通信性能。因为选路与卫星组网的最终目的是为了能够实现卫星与卫星之间的信息交互。假若分析过程中无法体现出卫星间的通信质量或者只是从单一方面去评估特定场景的话，就意味着通信是有缺陷的。当前所对应的各种网络仿真平台大部分是关于通信过程中网络性能的比较，往往忽视了自由空间中传输信道对信号的劣化情况，或者是只是考虑了信道上面的建模而忽略了系统网络特征，缺乏网络性能与信道质量相结合的综合仿真平台。因此，为了能够更好的模拟与应对太空中的不确定因素并观测信号质量的变化，我们需要建立低轨卫星系统的综合仿真系统平台，在验证本仿真平台的有效性的前提下模拟大规模卫星星座动态变化过程，评估每一次选路过程中的信号质量以及性能变化，为卫星通信场景提供模拟服务。


技术实现要素：

4.本发明要解决的问题在于提出一种大规模低轨卫星综合仿真平台，以克服传统仿真平台固定静态拓扑上、分析性能单一且无法适用与大规模空间卫星通信的问题。该仿真平台模拟太空中卫星运行状态并读取通信过程中的网络性能与信道性能结果，还考虑在不同时刻下每一段星间链路上的接收信号结果，保证其在不同应用场景下的可靠性和稳定
性。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种大规模低轨卫星综合仿真平台，其特征在于，该仿真平台包括：星座生成单元、星间信道单元、性能评估单元和数据测试单元；星座生成单元通过输入卫星参数自定义星座规模，根据轨道数量与轨道上卫星数目创建动态低轨卫星星座，计算并存储每一颗卫星在星座结构上面的三维坐标数据；对于创建好的卫星星座建立星间信道模型，卫星两两之间搭载激光通信链路用于数据交互；
6.星间信道单元考虑了自由空间衰减、日凌以及多普勒频移等核心要素用于评估信号劣化程度；
7.性能评估单元对于星座上卫星通信业务，建立高动态性能衡量指标实时监测不同选路下每条通信链路上对应的网络性能与信号质量变化情况；
8.数据测试单元兼容对外部输入数据测试的功能，通过输入卫星通信相关的实验数据或仿真数据驱动仿真平台，分析在对等环境下不同输入数据仿真结果的差异比较；
9.所述星座生成单元完成高动态激光卫星巨型星座的组网构架设计与仿真系统搭建，生成具备支持高动态拓扑特性的低地球轨道(leo)激光卫星网络仿真系统。卫星间搭载的是激光链路，星间激光链路是在空间卫星间相互连接的通信链路，实现不同卫星节点的数据传输；通过创建好的卫星星座提取每一颗卫星在不同时刻下的位置信息，根据卫星三维坐标对星座进行可视化，选取星座上卫星节点实现端到端的动态演示，完成星座上卫星通信的基础建设。
10.所述星间信道单元考虑了自由空间衰减、日凌以及多普勒频移等星间信道干扰因素。卫星网络拓扑是动态的，不同时刻下节点间的信道影响程度有所差异。其中，自由空间衰减在固定光波段内受星间距离而改变，遵循公式1的变化规则。
[0011][0012]
其中，c表示光波在真空或介质中的传播速度，f表示传播的无线信号波的频率，d表示星间传输距离。
[0013]
日凌因素取决于不同时刻下卫星之间日凌角的大小，日凌角是通信卫星双方的连线与太阳光的夹角，是与时间相关的变量，其变化规律遵循公式2。
[0014][0015]
其中，e
in
表示太阳辐射功率，a表示接收天线的口径面积，θs(t)表示不同时刻下日凌角的变化情况，t表示周期运转过程中的某一时刻。
[0016]
多普勒频移则根据不同状态下相对运动速度与相对运动角速度频移中心频率，呈周期性变化。动态拓扑下多普勒频移大小衡量通过以下公式3计算获得。
[0017][0018]
其中，e
in
(t)表示t时刻状态下输入信号的幅度，fd表示卫星之间产生的多普勒频移值，v(t)表示t时刻下卫星之间的相对运动速度，θd(t)表示t时刻下卫星之间的相对运动角速度。
[0019]
此外，长距离通信业务根据中继卫星透明转发到下一跳卫星，期间通过光放大器级联补偿损耗的功率，恢复至最初输入的功率的大小。
[0020]
所述性能评估单元具备多类型星座分析能力，可定量分析星座覆盖率、点对点传播延迟、星间通信质量等指标参数作为网络性能与信道性能评估依据。我们的延时由三部分组成，包括转发处理延时、排队延时以及传播延时。在自由空间中没有遮挡和传输介质影响的情况下，忽略介质的折射率和温度等因素对信号传播速度的影响，通过星间距离与光速的比值得到每一段上通信传播延时，并根据路由算法逐段累加获得源节点与目的节点之间总传播延时结果。信道质量衡量指标ber在发送qpsk信号前提下，通过berawgn函数根据误差矢量幅度evm计算获取理论误码率结果，误差矢量幅度evm计算公式4获得。
[0021][0022]
其中，n表示接收到的符号数量，m表示调制阶数，s
recev
(n)表示符号数量为n时接收信号幅值，s
ideal
(n)表示符号数量为n时理想信号幅值，sm表示理想符号的功率。
[0023]
所述数据测试单元包括第三方测试数据与第三方测试结果的输入，通过驱动本平台上面的星座生成单元、星间信道单元以及性能评估单元获得本系统链路上的结果，将仿真结果与同等环境第三方测试结果对比，分析原输出结果与仿真输出结果之间的差异。数据测试单元中测试数据注入到综合仿真平台中，对上述自由空间衰减、日凌等过程产生的损耗进行功率补偿。功率补偿后的光信号再透明转发至指定路径上的光接收器，逐次计算并存储测试数据下接收性能结果，保证大规模星座下能够进行正常的通信双方的数据传输。
[0024]
传统的卫星仿真平台针对每一个静态的固定拓扑分析性能指标，无法满足动态拓扑的性能仿真，在星座构建上出现漏洞，不适合在大规模动态低轨卫星网络中应用。同时，关于仿真系统平台的分析只是对于某一单一的情形，各个研究之间的交互性相对比较薄弱，未能全面读取通信链路上综合性能变化情况。由于不同的环境因素会对通信链路产生不确定的影响，因此会影响仿真系统的评估结果。而本发明提供了一种面向大规模卫星星座，且具有动态分析性能指标的综合仿真系统平台。既实现了通信链路上网络性能分析与接收信号质量监测，也保证了在星间通信过程中的动态性分析。
[0025]
本发明通过联合仿真自定义创建低轨卫星星座，研制具备支持高动态拓扑特性的leo激光卫星网络仿真系统，其虚拟激光卫星节点数量高达数千颗；通过搭建星间链路与建立星间信道模型，针对以激光作为载波的通信形式开展研究，为星间点对点通信、路由牵引下的多点逐跳通信等新式开展信号质量分析，以通信质量预算方式优化星间信道传输性能；除此之外，通过修正影响性能变化的理论公式，本发明搭建的leo激光卫星网络仿真系统可适用于时变拓扑，动态分析不同时刻下巨型星座的覆盖率、点对点通信延迟、星间通信质量等指标参数。本发明采用不同的仿真技术模拟并评估通信链路上网络性能和信号质量的变化。通过这种仿真系统，得到关于网络性能和信号质量的详细数据和信息，从而更好地了解星间激光通信系统的工作原理，并针对干扰因素采取相应的措施。该平台实现了低轨卫星星座系统性能分析的同时，提供了卫星动态性分析，为未来模拟大规模动态低轨卫星
的部署提供了可行的解决方案。
附图说明
[0026]
图1是本发明的一种大规模低轨卫星综合仿真平台示意图。
[0027]
图2是本发明用于实现一种低轨卫星互联网通信场景示意图。
[0028]
图3是本发明关于卫星节点间通信性能结果示意图。
[0029]
图4是本发明关于外部测试数据与仿真数据对比示意图。
具体实施方式
[0030]
图1为本发明的leo星座系统路由与传输性能联合仿真结构示意图。本综合仿真平台主要由星座搭建、信道建模、性能评估以及平台验证四大部分构成。首先通过设置卫星参数进行大规模低轨卫星星座结构的构建，使得星座上的卫星能够均匀的覆盖地球表面并通过渲染可视化星座结构。然后在搭建好的低轨卫星星座上提取轨道信息以及卫星间的位置关系，通过计算分析任意地面节点间基于卫星互联网所获得的网络性能指标与信道质量指标，通过选路的方式对每一次中继结果进行评估完成源节点与目的节点间的通信。卫星星座结构主要由用户输入的开普勒轨道参数与卫星规模决定的，轨道参数不同所形成的星座结构类型与功能对应发生改变。卫星数量是卫星星座构建的基础，它决定了卫星星座的覆盖范围和信号传输能力。星座轨道参数可分为三类，第一类是确定卫星轨道大小和形状，第二类是确定卫星轨道位置，第三类是确定卫星在某个时刻下的具体位置。当轨道参数确定下来之后，可以通过卫星仿真软件构建的动态卫星拓扑结构，动态卫星拓扑信息不仅可以表征每颗卫星不同时刻下空间中位置信息，还可以用于评估星座网络的覆盖性、连通性、通信时延等网络特性。并且，在卫星网络系统中卫星与卫星之间通过激光链路连接，数据通过激光链路在自由空间信道中进行实时通信，实现多颗卫星间数据快速交互，有效地为地面用户提供服务。通过自定义卫星星座参数生成巨型星座的拓扑结构，获取星座的位置信息与延时信息。位置信息实现拓扑结构可视化，将延时信息设置为网络拓扑图上的边权值。其次，将处理好的数据信息导入分析软件python中测试节点间通信的网络延时性能。根据不同的路由方法得到的路径信息进行信道仿真，观察自由空间信道对qpsk信号的接收质量。由于星座规模的急剧扩张提升了系统容量的同时也增加了系统复杂度，且对通信过程中的网络性能优势存在一定的限度，对此，这里选定1000颗卫星容量讨论，选定50轨道且每轨道上20颗卫星的walker星座类型，分析在该星座下时变拓扑的变化规律与性能影响因素。
[0031]
在动态卫星网络拓扑结构的基础上，通过路由算法为源端口选择其中一条路径到目的端口。当确定好其中一条选路后，由于空间信道的不确定因素干扰，我们对当前接收信号质量进行分析与信号质量补偿，恢复到初始状态后对数据及逆行透明转发到下一跳，得到每一条选路完之后信号质量随之发生变化的通信过程。除了以上这些由于信道不确定性引入的噪声之外，在星间激光通信过程中为了使卫星中继传输距离增大，则需要对光信号进行放大，但是放大过程不是百分百可控的，放大过程中将会产生非信号频段的放大，即ase噪声。功率补偿过程中使用的放大器会引入相应的噪声，他对于透明转发的通信模式情况下的信号质量产生影响。
[0032]
对于选路策略上，我们主要考虑了最短传输延时路径(ldp)和最少跳数路径(lhp)
这两种不同衡量方式进行测试。ldp通过最短路径算法dijkstra算法获取源节点到目的节点的通过的最短通信路径，将星座上延时数据作为该算法的边权值即可获得链路上的最短传输时延。lhp通过优化链路上最少中继跳数从而获得端到端通信过程中的最少跳数，从最大程度上减少了跳数开销来获得较佳的性能。通过不同路由算法确定选取某一个选路，分析该路径下信号质量在通信前后的变化情况，读取每一段中继链路的信道结果并透明转发传送到下一跳，完成端到端卫星星座的综合性能评估与分析。在星间激光通信系统中，卫星间网络性能和信道干扰因素会对接收信号质量产生影响，考虑卫星间网络性能和不同信道干扰因素劣化情况下接收信号质量变化尤为重要。其中重点分析了自由空间损耗、多普勒频移以及日凌等星间干扰因素，这些干扰因素覆盖了星间通信的核心问题，会对激光信号的传播产生影响，从而降低接收信号质量。对于多普勒效应，星间激光通信中信道多普勒频移是由于通信双方之间的相对运动速度与相对角速度引起的。这种频移会对通信信号的相位和频率产生影响，导致信号在接收端出现误差。对于日凌引起的信号劣化问题，主要讨论不同时刻下日凌角度变化情况。当日凌角度减小至0的情况时，通信双方的连线与太阳处于同一水平线，太阳电磁波直接叠加在通信信号上造成干扰，相反，当日凌角度上升至90度时，日凌对接收信号的影响几乎为零。对于自由空间衰减问题，通过使用自由空间损耗模型弗里斯传输公式来近似估计星间激光通信中的自由空间衰减，衰减大小主要受载波频率与星间传输距离影响。在激光链路的前提下，衰减值随通信距离的增加而逐渐加大。
[0033]
对于网络性能的分析，星间激光通信系统中主要衡量指标有传播延时，由于leo星座中路径传播延时远高于转发处理与排队延时，因此leo星座路由以传播延时作为主要优化目标。对于信道接收信号性能的分析，主要衡量指标有误差矢量幅度(evm)与误码率(ber)决定。evm具体表示发射机对信号进行解调时产生的iq分量与理想信号分量的接近程度，是考量调制信号质量的分析指标，主要对原始星座图与接收信号的星座图进行比较，分析受到干扰后接收信号的与原始信号的偏离程度，从而说明信号质量的优劣情况。任一时刻下不同选路方法网络延时性能与信道质量评估，将dijkstra路由策略ldp算法与lhp算法下对应的路径情况作为对照，模拟北京至纽约间的通信情况。根据仿真结果可以得出，在t1时刻最短路径下节点间通信达到最小延时49.3866ms，优于lhp路径算法下通信延时，且对应的中继卫星为15跳。将不同路由算法下所取得的路径跳数作为中继卫星个数，在光卫星仿真平台上测试卫星节点数对信号质量的影响情况。通过仿真结果可以得出，随着中继卫星的数目逐渐增加，空间信道的影响越明显，接收端信号质量随着卫星节点数的增加逐渐劣化，当卫星节点数增加至15颗时，信号质量的劣化情况超出了本平台上卫星补偿效益，此时信号质量极差，无法很好地进行端到端通信。仿真中模拟了星间太阳辐射对不同选路下劣化情况，当日凌角0
°
时，即通信卫星双方与太阳处于同一直线上，传输信号大幅度混入杂波干扰，信号质量最差甚至直接中断通信。反之当通信卫星与太阳垂直时，此时日凌几乎不对通信产生影响。除此之外，由于低轨卫星高速运转，产生较大的多普勒频移，对信号接收呈周期性变化。由不同信道影响因素分析结果可以看出，最短路径dijkstra算法下ldp选路通信延时在49ms波动，但信道质量evm在45％范围，当出现外界干扰时，接收信道质量略有劣化，最少条数lhp算法下通信延时在55ms波动，但信道质量evm在41％范围，较大的通信延时尽可能的较少中继条数，从而降低中继卫星在信号放大过程中放大器噪声系数与信道干扰因素的劣化。
[0034]
星间激光通信系统是一种高速、高效、可靠的通信方式，但由于其受到多种干扰因素的影响，其网络性能和信号质量可能会受到劣化。因此，提供一个综合仿真系统平台来分析网络性能和信号质量的变化是必要的。通过这种仿真系统，我们可以评估网络性能和信号质量在不同条件下的变化，以及在出现干扰时需要采取的措施，提高网络性能和信号质量的可靠性和稳定性，为提高星间激光通信系统的性能和可靠性提供了一定的理论依据和参考。
[0035]
表1是本发明关于卫星节点间链路上通信性能报告表。
[0036]

技术特征：
1.一种大规模低轨卫星综合仿真平台，其特征在于，该仿真平台包括：星座生成单元、星间信道单元、性能评估单元和数据测试单元；所述星座生成单元通过输入卫星参数自定义星座规模，根据轨道数量与轨道上卫星数目创建动态低轨卫星星座，计算并存储每一颗卫星在星座结构上面的三维坐标数据；对于创建好的卫星星座建立星间信道模型，卫星两两之间搭载激光通信链路用于数据交互；所述星间信道单元计算激光填通信过程中的自由空间衰减、日凌因素以及多普勒频移，当长距离通信业务根据中继卫星透明转发到下一跳卫星，期间通过光放大器级联补偿损耗的功率，恢复至最初输入的功率的大小；自由空间衰减l(db)的计算方法为：其中，c表示光波在真空或介质中的传播速度，f表示传播的无线信号波的频率，d表示星间传输距离；日凌因素e
out
计算方法为；其中，e
in
表示太阳辐射功率，a表示接收天线的口径面积，θ
s
(t)表示不同时刻下日凌角的变化情况，t表示周期运转过程中的某一时刻；多普勒频移e
out
(t)计算方法为：其中，e
in
(t)表示t时刻状态下输入信号的幅度，f
d
表示卫星之间产生的多普勒频移值，v(t)表示t时刻下卫星之间的相对运动速度，θ
d
(t)表示t时刻下卫星之间的相对运动角速度；所述性能评估单元计算：星座覆盖率、点对点传播延迟、星间通信质量；所述点对点传播延迟由三部分组成，包括转发处理延时、排队延时以及传播延时；在自由空间中没有遮挡和传输介质影响的情况下，通过星间距离与光速的比值得到每一段上通信传播延时，并根据路由算法逐段累加获得源节点与目的节点之间总传播延时结果；星间通信质量采用误差矢量幅度evm表示，其计算方法为：其中，n表示接收到的符号数量，m表示调制阶数，s
recev
(n)表示符号数量为n时接收信号幅值，s
ideal
(n)表示符号数量为n时理想信号幅值，s
m
表示理想符号的功率；所述数据测试单元包括第三方测试数据与第三方测试结果的输入，通过驱动本平台上面的星座生成单元、星间信道单元以及性能评估单元获得本系统链路上的结果，将仿真结果与同等环境第三方测试结果对比，分析原输出结果与仿真输出结果之间的差异；数据测
试单元中测试数据注入到综合仿真平台中，对上述自由空间衰减、日凌过程产生的损耗进行功率补偿；功率补偿后的光信号再透明转发至指定路径上的光接收器，逐次计算并存储测试数据下接收性能结果，保证大规模星座下能够进行正常的通信双方的数据传输。

技术总结
本发明公开了一种大规模低轨卫星综合仿真平台，涉及卫星仿真领域。本发明包括星座生成单元、星间信道单元、性能评估单元和数据测试单元四个部分。星座生成单元主要由参数配置、星座创建及数据存取三个模块组成；星间信道单元由自由空间衰减、日凌、多普勒频移、放大补偿携带的噪声系数等信道干扰因素组成；性能评估单元是基于星座生成单元与星间信道单元的基础上，根据路由算法选择路径并对每一次选路上定量分析通信过程的网络性能结果与接收信号质量结果；数据测试单元对星间激光通信系统的网络性能和信号质量进行测试。本发明提高星间激光通信系统的可靠性和可行性，可以为星间激光通信系统的优化设计和性能评估提供参考。考。考。


技术研发人员：胡智伟 文峰
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/9/16