天基頻譜的數(shù)字孿生架構及虛實雙向協(xié)同仿真技術

陳 昊，楊 歡，齊艷輝

(北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

0 引言

隨著工業(yè)及數(shù)字技術的進步與國家發(fā)展戰(zhàn)略的提出，數(shù)字孿生作為解決信息空間與物理空間交互和融合難題的關鍵賦能技術，是實現(xiàn)“數(shù)字+智能+服務”一體化先進理念的重要因素，受到了廣泛關注，并深入到越來越多的工業(yè)領域落地應用[1-4]。

數(shù)字孿生的概念最初于2002年由美國密歇根大學Grieves教授提出，主要用于描述通過物理設備的數(shù)據(jù)在虛擬(信息)空間構建表征物理設備的虛擬實體及子系統(tǒng)，指出聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是與整個產品的生命周期聯(lián)系在一起[5]。早期主要應用于軍工及航空航天領域，目前已經被應用于管理、制造和故障預警等產品生命周期的各個階段[6-9]。將數(shù)字孿生技術與衛(wèi)星工程關鍵環(huán)節(jié)等結合提出的數(shù)字孿生衛(wèi)星概念可以促進衛(wèi)星工程產業(yè)的發(fā)展[10]，與B5G和6G通信信道關鍵要素的結合應用提出的數(shù)字孿生信道，推動了數(shù)字孿生在B5G和6G通信領域和行業(yè)的應用[11]。天基頻譜隨著應用場景不斷變化而動態(tài)變化，時刻影響著服務質量，作為衛(wèi)星工程中重要的組成部分，數(shù)字孿生技術在天基頻譜中的應用可以促進衛(wèi)星工程的數(shù)字孿生深度協(xié)同，拓展數(shù)字孿生技術在衛(wèi)星工程中的應用。

本文結合數(shù)字孿生技術可以構建孿生的天基高精度三維電磁頻譜空間，與地理信息系統(tǒng)共同形成天基頻譜大數(shù)據(jù)和態(tài)勢一體化，支持天基電磁頻譜空間的各種關聯(lián)關系和演化機理規(guī)律分析，提供天基頻譜態(tài)勢可視化與分發(fā)、電磁干擾預測與規(guī)避等應用，最大限度地提升天基頻譜的管控能力。

1 天基頻譜管控問題

電磁頻譜管控技術可以提高頻譜使用效率，在頻率資源緊張的情況下擴展可用頻譜，提升系統(tǒng)通信容量，同時增強電磁頻譜系統(tǒng)實時識別、預測及消除干擾等能力，為爭奪戰(zhàn)場電磁頻譜優(yōu)勢提供有力保障[12-14]。

天基頻譜作為支撐天基信息網絡的基礎設施資源，其頻譜的高效管控直接影響了天基網絡的通信容量、服務質量和用戶體驗。在傳統(tǒng)的用頻流程中，用戶一般通過查詢運營商的衛(wèi)星覆蓋圖獲取靜態(tài)的頻譜覆蓋和EIRP、G/T范圍信息，沒有考慮衛(wèi)星轉發(fā)器實時狀態(tài)和鏈路傳輸損耗等實時影響，難以在用戶側獲取精確的電磁強度等信息。當終端處于移動狀態(tài)時電磁信息更加難以獲取，何時移動至邊界外也無從判斷，導致用戶不知何時能通、何原因而斷以及何故質量下降，嚴重影響了天基通信的性能和用戶使用體驗。尤其在新型天基網絡中，隨著移動波束和跳波束等新型載荷的應用，上述問題將變得更為突出。同時，天基網絡管理中心掌握著天基頻譜資源的分配和使用，隨著技術發(fā)展，逐步采用了人工靜態(tài)分配和程序自動化分配等技術，然而分配方式缺乏對實時頻譜的感知，導致部分分配后的頻譜處于閑置狀態(tài)，而且缺乏對頻譜干擾情況的感知、分析、預測和規(guī)避等功能，從而導致天基頻譜使用效率偏低，出現(xiàn)用頻難的問題。

2 天基頻譜的數(shù)字孿生架構設計

數(shù)字孿生模型可以輔助天基頻譜數(shù)字孿生架構的設計，重點在于孿生頻譜空間的系統(tǒng)組成、接口和典型數(shù)據(jù)交互流程等。數(shù)字孿生模型從不同維度、不同時空和不同物理量的角度對天基網絡實體建立虛擬空間的動態(tài)虛擬模型，是數(shù)字孿生落地應用的引擎，促進天基頻譜數(shù)字孿生空間的落地應用，并通過實時交互數(shù)據(jù)再現(xiàn)天基網絡物理實體在真實電磁環(huán)境中的屬性、行為和規(guī)則等。天基網絡物理天基頻譜空間的物理實體涉及高低軌衛(wèi)星星座及多種類型波束和地面站等多種物理實體，當前物理實體的數(shù)字化建模主要集中在智能制造領域，而在天基頻譜方面缺少幾何、行為、規(guī)則及約束等同時描述的多維數(shù)字動態(tài)模型。在其他維度方面則缺少“多空間尺度模型”，它可以描述物理實體在不同空間尺度不同粒度的行為、屬性和特征等，缺少“多時間尺度模型”，用于描述物理實體在不同時間尺度下實時動態(tài)過程、外部狀態(tài)與干擾的影響過程及隨時間的演化過程等，缺乏系統(tǒng)層上的集成與融合，用于描述不同維度/時空尺度模型。相關模型在描述物理實體的數(shù)字孿生中存在充分性與完整性不足的問題，導致現(xiàn)有物理實體的數(shù)字孿生模型對物理實體的描述不夠客觀、刻畫不夠細致，在仿真結果、預測結果、評估與優(yōu)化結果等方面與物理實體的物理現(xiàn)實結果存在顯著差異，因此數(shù)字孿生技術在工程應用中面臨的主要挑戰(zhàn)是如何客觀、真實地構建動態(tài)多維、多時空尺度模型，這也是本文天基頻譜數(shù)字孿生技術研究的關鍵。

數(shù)字孿生五維模型由物理實體、虛擬實體、連接、孿生數(shù)據(jù)和服務5部分組成，從內涵上豐富了數(shù)字孿生空間[15]。模型在物理數(shù)據(jù)、虛擬數(shù)據(jù)、服務數(shù)據(jù)和知識等組成的孿生數(shù)據(jù)方面，強調了對物理實體、虛擬實體和服務等的驅動作用，得到了廣泛的認可[10-17]。

為實現(xiàn)對空間電磁環(huán)境完整、真實、客觀地描述和刻畫，提升系統(tǒng)孿生的精準度，結合五維模型可以構建天基數(shù)字孿生頻譜態(tài)勢，建立動態(tài)多維多時空尺度的天基頻譜數(shù)字孿生架構。數(shù)字孿生多維多時空尺度模型如下：

M_DT=(PE，VE，Ss，DD，CN)，

式中各參數(shù)含義如表1所示。

表1 數(shù)字孿生模型中各參數(shù)含義

數(shù)字孿生五維模型結構如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生頻譜多維多時空尺度模型Fig.1 Model of multi-dimensional and multi-temporal scales of digital twin spectrum

基于五維模型構建的天基數(shù)字孿生頻譜空間如圖2所示。

圖2 基于五維模型構建的天基數(shù)字孿生頻譜空間Fig.2 Space-based digital twin spectrum space built based on 5-dimentional model

天基數(shù)字孿生頻譜空間的組成及功能如下：

(1) 天基網絡物理空間

作為數(shù)字孿生五維模型的基礎構成，物理實體占據(jù)重要的地位。精確理解、分析與合理維護物理實體是建立數(shù)字孿生天基頻譜空間多維、多時空尺度模型的前提。

天基數(shù)字孿生頻譜空間涉及的物理實體為與天基電磁發(fā)射相關的空間網絡實體：

① 衛(wèi)星星座：包括高中低軌衛(wèi)星星座的拓撲結構、衛(wèi)星波束和載荷配置信息等。根據(jù)天基頻譜空間特點，衛(wèi)星星座可按功能及結構分解為復雜系統(tǒng)級(System of Systems)PE、系統(tǒng)級(System)PE和單元級(Unit)PE。

復雜系統(tǒng)級：構建天基頻譜空間的天基星座，由2種及以上類型衛(wèi)星星座系統(tǒng)組成。

系統(tǒng)級：可根據(jù)衛(wèi)星星座特點劃分為高軌移動、寬帶、防護通信、低軌移動和寬帶互聯(lián)網等星座。根據(jù)不同系統(tǒng)特點構建衛(wèi)星星座拓撲結構，建立物理軌道動力學模型等。

單元級：針對高低軌某一種特定衛(wèi)星構建波束和載荷配置等電磁輻射模型，波束包括固定波束、移動波束和相控陣波束等多種波束建模，載荷配置則對波束控制信息和頻譜轉發(fā)控制信息等進行建模。

② 星地信道：包括天基電磁波傳輸過程中經歷的自由空間、云、雪和雨霧等各種環(huán)境。

衛(wèi)星通信中電波傳播要經過對流層(含云層和雨層)和平流層直至外層空間，而且還會受到高山、植被、建筑物和周圍運動物體(如汽車)等的遮擋、反射和折射等，因此，衛(wèi)星通信電磁空間評估需考慮星地信道中的電波傳輸損耗，總影響是自由空間傳播損耗和電波傳播經過的具體環(huán)境引起的損耗之和。

③ 地面站：包括信關站和各種尺寸的用戶終端站等。地面站建模需要考慮用戶/饋電波束的電磁發(fā)射特性、業(yè)務需求、頻譜分配和發(fā)射情況、星地運行控制信息等。由于衛(wèi)星信號傳輸過程中會受到自由空間衰落和地形地貌遮擋等影響，為了支撐星地電磁信道傳輸影響，還需對地面站的時空位置進行建模仿真。

(2)天基頻譜虛擬空間

天基孿生頻譜虛擬空間與物理空間實體對應，建立的虛擬實體(VE)包括衛(wèi)星星座、星地信道和地面站等。

VE如下所示：

VE= (Gv,Pv,Bv,Rv)。

VE由不同模型組成，在多時間或空間尺度上對物理實體PE進行描述與刻畫，各子模型的描述如表2所示。

以上參數(shù)所描述的知識或規(guī)則隨著時間的積累完成自主學習、自主增長和自主演化，反過來給VE提供實時判斷、評估、優(yōu)化及預測的能力，不僅能夠控制或指導PE的運轉，還可以校正VE的行為或者狀態(tài)，并能夠進行一致性分析。

表2 虛擬實體模型中各參數(shù)含義

(3) 應用服務

應用服務包括“功能性服務(FService)”與“業(yè)務性服務(BService)”。FService以工具模塊、中間模塊和引擎模塊等方式模塊化實現(xiàn)數(shù)字孿生內部功能運行，BService以應用軟件和移動端App等形式滿足不同領域、不同用戶和不同業(yè)務需求，其中FService支撐BService的實現(xiàn)和運行。FService與BService的主要內容如表3所示。

表3 應用服務的內容

(4) 孿生數(shù)據(jù)中心

孿生數(shù)據(jù)是孿生空間的驅動力，由孿生管理中心管理，如下：

DD= (Dp，Dv，Ds，Dk，Df)。

DD由不同數(shù)據(jù)組成，各子模型的描述如表4所示。

表4 孿生數(shù)據(jù)中心各參數(shù)含義

(5) 連接

連接實現(xiàn)各組分的互聯(lián)互通，如下式所示：

CN=(CN_PD，CN_PV，CN_PS，CN_VD，CN_VS，CN_SD)。

CN由不同連接組成，各子模型的描述如表5所示。

表5 組成連接的各參數(shù)含義

在上述5部分中，天基頻譜虛擬空間衛(wèi)星星座、傳輸信道和地面站虛擬實體的建模可在傳統(tǒng)的仿真模型上進行升級得到。

以衛(wèi)星電磁輻射建模為例，可從頻域、指向、時空和業(yè)務等多維度進行建模，用以實現(xiàn)對天基網絡中電磁發(fā)射源及發(fā)射情況的量化表征，衛(wèi)星電磁輻射建模如圖3所示。

發(fā)射譜建模、方向圖建模、軌道動力學建模和載荷波束配置建模等實現(xiàn)方法如下：

① 發(fā)射譜建模

綜合帶外域、雜散域與帶內信號形成全頻段發(fā)射模型。基于ITU-R SM.1541-4和ITU-R SM.329-12分別對帶外域及雜散域的建模分析。

② 方向圖建模

基于ITU-R S.1528，結合各星座提交網絡申報資料中衛(wèi)星的天線及波束方向圖設計，構建圓波束和橢圓波束模型，實現(xiàn)對衛(wèi)星輻射源天線方向圖建模；而對于地面站方向圖可基于ITU-R S.465-6，結合各星座提交網絡申報資料中地面站的天線及波束方向圖設計，構建圓波束和橢圓波束模型，實現(xiàn)對地面站輻射源天線方向圖建模。

③ 軌道動力學建模

基于星歷+軌道動力學預測獲得輻射源實時位置，基于衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)和軌道預報算法構建衛(wèi)星軌道動力學模型，能夠對衛(wèi)星軌位進行計算和預報，實現(xiàn)了對衛(wèi)星輻射源運行軌位的實時監(jiān)視與預報。

④ 載荷波束配置建模

面向的是業(yè)務通信的應用場景需求，能夠根據(jù)用戶終端位置、信關站分布、通信時段和通信頻率等需求，實現(xiàn)構建相應的載荷波束配置模型。

地面站電磁輻射建模與衛(wèi)星電磁輻射建模方法類似，在時空維度需要對地面站時空位置進行建模。

星地信道建模：衛(wèi)星輻射源時刻處于運動狀態(tài)，造成星間/星地電波傳播路徑長短和路徑環(huán)境實時變化，電波傳播路徑損耗建模對從輻射源發(fā)出，經過傳播路徑上各種損耗影響，到達目標觀測點/區(qū)域的信號強度進行評估計算。

3 基于關鍵特征的虛實雙向協(xié)同仿真技術

為了實現(xiàn)天基頻譜孿生空間的高逼真度實時仿真，虛擬頻譜空間需與物理實體空間進行雙向協(xié)同交互，傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)一般基于確定性規(guī)律和完整機理的模型來模擬物理世界，缺少與物理世界的實時交互。基于關鍵特征的虛實雙向協(xié)同仿真，一方面是將運控系統(tǒng)和地面信關站的部分關鍵特征信息，如星歷數(shù)據(jù)、載荷、波束、功率、頻率等控制和使用情況實時傳送至天基孿生頻譜空間，保證天基孿生頻譜空間能夠接受到最新物理環(huán)境變化；另一方面，天基孿生頻譜空間根據(jù)接收到的最新的物理環(huán)境變化進行電磁干擾態(tài)勢評估和預測，并將評估和預測結果實時反饋至天基網絡運控系統(tǒng)，以實現(xiàn)干擾分析與規(guī)避、頻譜優(yōu)化控制等應用。天基物理空間和虛擬孿生空間的關鍵特征信息及交互過程如圖4所示。

為支撐基于關鍵特征的虛實雙向協(xié)同仿真，需要研究基于物聯(lián)網的關鍵特征實時采集與傳輸技術，將天基網絡物理空間中運行控制類信息(衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)、載荷開關閉和波束開關閉等信息)、業(yè)務類信息(用戶分布及接入和頻率資源實時分配信息等)和環(huán)境類信息(氣象數(shù)據(jù)等)等關鍵特征數(shù)據(jù)通過傳感器進行采集，并傳送至虛擬孿生空間。另一方面，通過對采集的各種即時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)的分析，將虛擬孿生頻譜空間產生的需求預測、干擾分析和干擾預警等信息實時傳輸至天基頻譜物理空間，支撐二者的交互仿真。

圖4 基于關鍵特征信息的虛實雙向協(xié)同仿真交互過程Fig.4 Interactive processes of the virtual-physical bidirectional collaborative simulation based on the key feature information

4 多源異構大數(shù)據(jù)融合及可視化技術

天基頻譜孿生空間數(shù)據(jù)包括了物理空間、虛擬空間和服務產生的頻譜數(shù)據(jù)以及知識數(shù)據(jù)、融合數(shù)據(jù)等，其中核心的頻譜數(shù)據(jù)包括了衛(wèi)星、地面站的電磁輻射數(shù)據(jù)和星地信道的電磁傳播衰落數(shù)據(jù)等，形成多源異構天基頻譜大數(shù)據(jù)。天基頻譜孿生空間數(shù)據(jù)具有海量、高維性、類型復雜多樣、數(shù)據(jù)格式不一和結構化的特點，還具有半結構化數(shù)據(jù)并存以及數(shù)據(jù)庫隨時增加和刪除等特點，使得數(shù)據(jù)挖掘和搜索空間異常巨大，通信數(shù)據(jù)雙向同步和溝通頻繁但格式復雜多樣，可能導致數(shù)據(jù)交互過程中頻繁進行協(xié)議轉換。數(shù)字主線技術應用于數(shù)字孿生技術中，統(tǒng)一全數(shù)字化模型貫穿始終，對多源異構的數(shù)據(jù)形成一種狀態(tài)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)一致的技術模型，可以動態(tài)、實時分析并評估系統(tǒng)當前和未來的功能和性能，能夠從海量數(shù)據(jù)中獲取價值信息，所有環(huán)節(jié)信息完整豐富、開發(fā)標準統(tǒng)一、數(shù)字化模型規(guī)范且具有語義化。

通過多源異構大數(shù)據(jù)融合技術對數(shù)據(jù)格式定義、分布式存儲、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)關聯(lián)、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)演化以及數(shù)據(jù)融合等數(shù)據(jù)操作與管理，實現(xiàn)了對物理系統(tǒng)和孿生系統(tǒng)全生命周期數(shù)據(jù)的安全管理、便捷使用和充分利用，支撐各數(shù)字孿生全要素的實時感知和全流程、全業(yè)務的完全記錄，同時為物理系統(tǒng)和孿生系統(tǒng)之間的溝通和更新提供了更加便捷的數(shù)據(jù)交互模式。

可視化技術是對觀測域內天基輻射源電磁態(tài)勢進行動態(tài)、可視化展示，實現(xiàn)天基頻譜一張圖，支撐電磁環(huán)境評估。可以對電磁發(fā)射態(tài)勢采用2D/3D可視化顯示，同時顯示輻射源信息，對時域、頻域、空域和能量域等多維電磁態(tài)勢數(shù)據(jù)進行分解降維，提供多層次分析工具(如干擾門限設置、干擾時間和強度統(tǒng)計等干擾分析工具)，對電磁輻射態(tài)勢和電磁干擾評估結果可視化顯示。

5 結論

本文討論了基于天基頻譜的數(shù)字孿生架構設計及物理空間與虛擬空間之間虛實協(xié)同仿真的關鍵技術，為解決天基頻譜管控知頻難、用頻難的問題提供關鍵技術方案，推動天基頻譜的高效利用及頻譜可視化。為了進一步提升服務質量與用戶體驗，可以加強傳感網絡數(shù)據(jù)采集能力及信息交互的實時性。