[發明專利]基于節點-支路耦合矩陣的衛星互聯網仿真系統的頂層建模

在審

• 申請號: 202011575576.2
• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN112580220A
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 周治國
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京盛凡智榮知識產權代理有限公司 11616
• 代理人: 孫莉莉

本發明提供了一種基于節點?支路耦合矩陣的衛星互聯網仿真系統的頂層建模方法，本發明針對衛星互聯網因包含海量數據元件與復雜通信規約而導致的建模復雜且計算維度爆炸的問題，通過借鑒系統分析中“外網等值”的思想，站在物理系統的視角上，建立一個復雜信息網絡在物理系統側的“等值模型”，即與物理實體相對應的數字孿生系統，從而降低模型的復雜度。結果表明，本發明適用于衛星互聯網的統一分析與融合仿真，真正意義上實現衛星網絡?客戶終端的無縫雙向接入，滿足未來全域覆蓋和全時通信的要求。

技術領域

本發明涉及衛星互聯網系統的仿真建模技術領域，具體涉及一種與衛星互聯網實體相對應的數字孿生系統頂層建模方法，實現對海量數據元件與復雜通信規約的實時仿真和快速推演。

背景技術

衛星互聯網系統發展至今，世界各國均在加快開展衛星互聯網戰略布局。對于此類龐大的星鏈網系統的建設，先期仿真建模的建設對項目整體的框架設計、成本預估、效果預測以及方案的可行性有著巨大的參考價值。在世界范圍內，許多國家也對衛星互聯網的仿真建模進行了深入的探索。目前，國內外對于衛星互聯網系統的研究都是將星間信息傳輸與星地信息傳輸分為兩個獨立的系統進行研究，然而兩個系統的信息流并不是相互獨立的，而是緊密的耦合在一起。

采用統一建模的思想對衛星系統與終端系統以及星地通信系統進行整體建?？梢詫⒉煌臻g的數據模型交互得到統一耦合。在對衛星互聯網復雜系統進行研究建模的過程中，通常采用分區、分塊、分層的建模方法，但是需要明確的是各區、各塊之間是有緊密的耦合關系的，各層之間還是形成了閉環的級聯耦合系統。如終端群的物理-信息-社會網絡建模中，其內部數據信息、物理實體、社會聯系三者之間是相互耦合、相互影響的。此外終端群的各種狀態和數據，將會對衛星群中的衛星集群的在軌密度、通信負載、星網軌跡等物理實體和數據信息產生巨大的影響。

故對整個衛星互聯網系統進行分析仿真評估時，單獨考慮一個維度的系統是不合理的、單獨考慮一個區塊的系統是不全面的，必須同時顧及物理-信息-社會三者之間的耦合關系，和各區塊系統之間的能量和信息之間的影響和交互。即從整個復雜系統的整體上將信息系統、物理系統、社會系統各自的數學和物理模型相互聯立，構成完整的衛星互聯網復雜模型。

本發明的研究內容具體包括：研究物理-信息系統的耦合網絡建模方法，通過引入節點-支路矩陣等數學工具將離散空間與連續空間統一與模型方程組聯立，實現信息-物理數據模型的緊密融合。通過設計虛實交互感知計算方法，實現對整個復雜系統的能量流、信息流和物理實體等狀態的平行閉合運行。對多種異構數據的整合、分析和挖掘，提取知識和智能，用于衛星互聯網復雜系統模型構建。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種基于節點-支路耦合矩陣的衛星互聯網仿真系統的頂層建模方法，本發明針對衛星互聯網因包含海量數據元件與復雜通信規約而導致的建模復雜且計算維度爆炸的問題，通過借鑒系統分析中“外網等值”的思想，站在物理系統的視角上，建立一個復雜信息網絡在物理系統側的“等值模型”，即與物理實體相對應的數字孿生系統，從而降低模型的復雜度。

本發明的技術方案為：

所述的一種基于節點-支路耦合矩陣的衛星互聯網仿真系統的頂層建模方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：將物理實體衛星和虛擬仿真衛星中的狀態量統一抽象為“數據節點”(DataNode)，將信息處理、信息傳輸等信息環節抽象為“信息支路”(Cyber Branch)，其首末端節點分別為輸入與輸出數據，其支路特性方程為輸入與輸出之間的映射算子；

步驟2：為統一建模，研究中可將數據模塊宏觀地分為兩個大類：數據傳輸模塊與數據處理模塊。這兩類模塊并不是相互獨立，而是通過相互交換的信息緊密耦合。在控制環節，模塊的數據輸出將匯集為一個總的信息池，它將作為另一些模塊的數據源。這類模塊定義為“數據母線”模塊。將以上三類模塊(數據傳輸、數據處理、數據母線)建模為從數據信息到輸出數據的映射，具體做如下處理：