一种卫星通信仿真场景的层次化构建方法及系统与流程

一种卫星通信仿真场景的层次化构建方法及系统
发明领域
1.本发明涉及卫星通信系统仿真技术，具体涉及一种卫星通信系统仿真场景的层次化构建方法及系统。


背景技术：

2.卫星通信技术因其覆盖范围大、通信距离远、机动灵活等优点而受到广泛关注及应用。卫星通信系统构成复杂，涉及技术众多，需要通过仿真的手段对新技术、新体制、设备及系统性能等进行验证。在完成卫星通信系统仿真时，首先需要构建仿真场景，它是卫星通信系统的物理环境在仿真系统中的呈现。仿真场景是仿真系统运行的基础，其正确与否直接决定了仿真结果的置信度。为了确保仿真场景能清晰、准确地反映实际卫星通信系统的状态，对其进行合理有效的描述是至关重要的。卫星通信系统的仿真场景涉及要素众多，分析方法复杂，不同场景关注的仿真重点也不同，这都对场景的描述和构建提出了很高的要求。
3.为了解决当前的场景构建方法中将装备实体、环境与动态场景强关联，难以实现复用、可扩展性不强等问题，本发明提出了一种卫星通信仿真场景的层次化构建方法及系统，按照流程可完成仿真场景实体层、环境层、场景交互层的分层次描述，将装备实体、环境与动态场景解耦，实现仿真场景的复用性和扩展性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于将实体、环境与场景交互这三部分在场景构建时拆分开来，层次间相对独立，提高了场景设计时的可复用性。卫星通信仿真场景的设计就是根据卫星通信任务的需求进行分析，包括分析任务流程，明确构成场景的要素及特征，准确地描述场景，为仿真系统的运行提供初始配置参数，支撑后续评估等其他更深入的需求。
5.本方法对场景的层次化构建，就是依托卫星通信仿真场景层次化构建系统，在分析的基础上，提炼出场景包含的全部要素及特征，利用各层的定义对卫星通信仿真场景进行分层描述，将这些要素分散到实体层、环境层和场景交互层中，明确各层的具体构成，从而形成最终的仿真场景架构。
6.本发明提供了一种卫星通信系统仿真场景的层次化构建方法，包括以下步骤：
7.1)卫星通信任务需求分析，根据卫星通信仿真任务，明确任务需求；
8.2)卫星通信任务流程分析，依据任务需求，分析并考虑整个流程中涉及到的所有环节，设计任务流程；
9.3)场景分层设计，依据任务运行流程，明确构成场景的元素及特征参数，并将所述元素按实体层、环境层和场景交互层的层次分解；
10.4)场景快速构建，对照现有的基础场景，找寻新构建场景与现有场景中的共性元素及新构建场景的个性元素，在现有的基础场景中选择合适的场景作为本次构建新场景的基础，添加基础场景所不具备的个性元素，添加时仍然按照实体层、环境层和场景交互层分
层的原则进行，最终可完成一个新的卫星通信仿真场景的快速构建。
11.优选地，在仿真场景中，实体是最基础的单元，在分层构建场景时，实体属于整个场景架构中最底层的部分，包括构成场景的各类实体要素。
12.优选地，环境层位于场景架构的中间层，涵盖了影响卫星通信系统的各类自然及人为环境，包括地理、天气、电磁干扰等。
13.优选地，场景交互层位于场景架构的顶层，包括静态和动态部分，涵盖了场景间要素的结构关系、实体运动特性、实体间的动态交互信息等。
14.对于卫星通信系统来说，实体包括空间段的卫星、地面段的地球站和应用段的各类终端。由于本方法针对的是卫星通信的体系仿真，并重点关注的是仿真场景的构建，因此将实体定义到装备这个层面即可，不用再针对其进行更进一步的分解，将其延伸到具体的单机。
15.对实体的描述专注于实体本身，是实体在静态环境下的固有属性，表现的是实体自身性能属性，不受场景中的动态环境影响。
16.环境层位于卫星通信分层场景架构的中间层，位于实体层之上，包括了影响卫星通信系统通信质量的各类环境，有气象环境、地理环境、空间传播环境及干扰环境。气象环境涵盖了大气、雨雪、云雾等天气类型；地理环境涵盖了山区、开阔地带、城市、海洋、丛林等；空间传播环境涵盖了空衰、多普勒效应以及传播噪声；干扰环境包括了单音、多音、梳状谱、脉冲、噪声调制等多种干扰样式。
17.场景交互层分为静态部分和动态部分。静态部分包含了仿真场景的结构关系，结构关系描述了场景组成要素之间的关系，这是根据卫星通信系统的架构来确定的；动态部分关注的是实体的运行特性、实体在动态场景中的交互关系等。
18.本发明还提供了一种卫星通信系统仿真场景的层次化构建方法，包括以下步骤：
19.1)卫星通信任务需求分析，通过任务需求分析模块，得到所述仿真场景主要完成多个终端之间的卫星通信任务；
20.2)卫星通信任务流程分析，通过任务流程分析模块，得到所述卫星通信仿真场景需涵盖从终端发起业务申请、资源分配、建链、路由交换、施加干扰以及整个的抗干扰通信完整过程；
21.3)场景分层设计，通过场景分层设计模块，明确场景的构成元素，所述元素包括空间段的3颗卫星，地面段的1个信关站以及30个需要完成通信任务的用户终端，终端类型比较复杂，涵盖了手持移动终端、车载终端、船载终端等，将所述元素按实体层、环境层和场景交互层的层次分解；
22.4)场景快速构建，对照现有的基础场景，找寻新构建场景与现有场景中的共性元素及新构建场景的个性元素，在现有的基础场景中选择合适的场景作为本次构建新场景的基础，添加基础场景所不具备的个性元素，添加时仍然按照实体层、环境层和场景交互层分层的原则进行，最终可完成一个新的卫星通信仿真场景的快速构建。
23.优选地，所述卫星通信任务需求分析还包括卫星间的信息传输。
24.本发明还提供了一种卫星通信系统仿真场景的层次化构建系统，包括：
25.任务需求分析模块，其根据卫星通信仿真任务，明确任务需求；
26.任务流程分析模块，其依据任务需求，分析并考虑整个流程中涉及到的所有环节，
设计任务流程；
27.场景分层设计模块，其依据任务运行流程，明确构成场景的元素及特征参数，并将所述元素按实体层、环境层和场景交互层的层次分解；和
28.场景快速构建模块，其对照现有的基础场景，找寻新构建场景与现有场景中的共性元素及新构建场景的个性元素，在现有的基础场景中选择合适的场景作为本次构建新场景的基础，添加基础场景所不具备的个性元素，添加时仍然按照实体层、环境层和场景交互层分层的原则进行，最终可完成一个新的卫星通信仿真场景的快速构建。
29.使用本方法及系统完成场景描述时，将对所有元素统一描述的单一层面扩展为立体的描述结构，实现更加清晰、简洁、可复用的场景架构。在构建新场景时，在对其特征要素进行分解的基础上，分析筛选已搭建好的其他场景，找寻其共性元素，实现已有场景的复用。
30.场景的复用性与可扩展性体现在不同场景中的共性要素可以复用，个性要素可以添加。如果在一开始将场景中的动态元素与实体进行强绑定，那么其动态属性就会固化，在新的场景中就不能复用，需要完全重新开发。本方法使用的这种分层结构就可实现场景设计的灵活性与沿用性。
31.本发明的有益之处在于：
32.1、设计了一种卫星通信场景层次化构建系统，通过对卫星通信任务需求及流程进行分析，明确了构成场景的要素及特征，将场景分为三层描述，分析筛选现有基础场景，进行继承和二次设计，完成新场景构建；
33.2、明确了卫星通信分层场景架构中的分层结构以及实体层、环境层和场景交互层的内涵与元素，为场景的分层架构实现提供依据；
34.3、将实体、环境与场景交互这三部分在场景构建时拆分开来，层次间相对独立，提高了场景设计时的可复用性；
35.4、分层元素中特征属性可配置，场景设计灵活性高，因此本方法不局限于构建某一类卫星通信场景，可应用于多种场景下，适用范围广，可扩展性强。
附图说明
36.图1为卫星通信仿真场景层次化构建系统。
37.图2为场景分层结构元素图。
38.图3为场景1分层架构图。
39.图4为本发明的模型快速布局设计示意图。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
41.实施例1
42.使用本系统的卫星通信场景层次化构建步骤如下：
43.1)卫星通信任务需求分析：根据卫星通信仿真任务，明确任务需求及目的；
44.2)卫星通信任务流程分析：依据任务需求，设计任务流程，分析并考虑整个流程中涉及到的所有环节；
45.3)场景分层设计：依据任务运行流程，明确构成场景的要素及特征参数，并按照本方法中的分层方式进行表示；
46.4)场景快速构建：对照现有的基础场景，找寻新构建场景与现有场景中的共性元素及新构建场景的个性元素，在现有的基础场景中选择合适的场景作为本次构建新场景的基础，添加基础场景所不具备的个性元素，添加时仍然按照分层的原则进行，最终可完成一个新的卫星通信仿真场景的快速构建。
47.实施例2
48.在对场景元素进行分层设计时，可参考图2的场景分层结构元素图。
49.接下来选取两种典型的卫星通信仿真场景，详述如何从场景1的基础场景来实现场景2的描述与重构：场景1是最简单的卫星通信场景，可视为基础场景，包括空间段的1颗卫星，地面段的1个信关站以及2个需要完成通信任务的用户终端。场景1的环境也是最简单的，城市开阔地带，无人为恶意干扰。使用本方法中的分层结构对场景1元素进行分解，其分层架构如图3所示。
50.接着就要从场景1这一基础场景来完成新建的场景2的构建。场景2是一个相对复杂的卫星通信场景，具体构建流程如下：
51.1)卫星通信任务需求分析
52.通过任务需求分析模块，得到该仿真场景主要完成多个终端之间的卫星通信任务，而且在整个任务过程中还包括星间的信息传输。
53.2)卫星通信任务流程分析
54.通过任务流程分析模块，得到该卫星通信仿真场景需涵盖从终端发起业务申请、资源分配、建链、路由交换、施加干扰以及整个的抗干扰通信完整过程。
55.3)场景分层设计
56.通过场景分层设计模块，明确了场景2的构成要素包括了空间段的3颗卫星，地面段的1个信关站以及30个需要完成通信任务的用户终端，终端类型比较复杂，涵盖了手持移动终端、车载终端、船载终端等。使用本文中的分层方法对场景2元素进行分解，其分层架构如图4所示。
57.4)场景快速构建
58.场景2相对于场景1整体繁复许多，实体数量众多，环境更加多变，场景动态信息及交互关系也更加复杂。细致分析后发现，场景2虽然内容相较场景1增加了很多，但整体场景架构是统一的，可以将场景1作为场景2的子场景。抽取两个场景中的共性元素，在构建场景2时，可以实现场景1的复用。
59.场景2中的实体层元素相对于场景1来说，只是数量变多了，但同一类实体的静态特征参数是一样的，可自由配置。如卫星，只是数量从1个变成了3个，终端只是类型和数量变多了，但其抽取出的静态特征参数是一样的。因此场景2在构建时完全可以继承场景1中的实体层模型，减少重复性工作。场景2中环境层的元素相对于场景1更为复杂，地理环境涉及山区及海洋，气象环境涉及下雨天气，传播过程中衰减极大，还存在恶意干扰，影响通信质量，这些都可以判断为场景2相对于场景1的个性元素，需要在继承的场景上进一步开发。场景2中场景交互层的元素种类相对于场景1变化不大，共性元素较多，只需要对特征参数进行配置。个性元素主要是涉及任务流程更加复杂，且涉及跨星通信且终端数量变多，因此
信关站需添加跨星资源分配这一功能，在用户管理和业务管理部分也需在继承的基础上深度开发，在实体交互时也要考虑路由传输等流程。
60.因此在构建场景2时，场景1可以作为子场景，将其完全继承，并在此基础上根据新需求开发迭代。那么可以得到，在构建复杂场景时，如果有多个基础场景，且这些场景侧重各不相同，个性部分很多，其并集完全满足复杂场景的需求，并且参数灵活可配置，那么这些基础的子场景就可以完全得到复用，免去了重复的开发工作。分层架构这一场景描述结构可以轻松将复杂场景简化，清晰地描述出场景中涵盖的各类要素及其关系，最大程度上实现场景的快速重构。