低轨卫星航空信道的数字孪生数据产生方法_赵文浩.pdf

小 型 微 型 计 算 机 系 统 ：年 月 第 期 收稿日期：收修改稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）资助；空军工程大学研究生创新实践基金项目（）资助 作者简介：赵文浩（通讯作者），男，年生，硕士研究生，研究方向为数字孪生、低轨卫星航空通信；刘剑，男，年生，博士，副教授，研究方向为卫星通信、现代无线通信；王 杰，男，年生，硕士，研究方向为雷达通信一体化；习延鹏，男，年生，硕士研究生，研究方向为低轨卫星航空通信；肖 楠，男，年生，博士，副教授，研究方向为卫星通信网络切片低轨卫星航空信道的数字孪生数据产生方法赵文浩，刘 剑，王 杰，习延鹏，肖 楠（空军工程大学 信息与导航学院，西安）（中国人民解放军 部队，湖北 孝感）：摘 要：数字孪生信道作为数字孪生通信系统的重要模块，对通信系统的设计、测试及优化具有先天优势 根据数字孪生五维概念模型构建低轨卫星航空信道的数字孪生模型，所构建模型包括低轨卫星航空信道的物理信道、虚拟信道、孪生数据以及各组成部分间的连接五部分 从系统设计的角度出发低轨卫星航空信道的孪生数据应包括多径数、多径时延、多普勒频移、多径功率、到达角及极化方式等信道参数 低轨卫星航空信道的孪生数据是低轨卫星航空信道数字孪生模型的核心驱动力，针对孪生数据的产生问题，本文通过分析多径时延与多普勒频移等孪生数据的计算原理，提出一种利用卫星星历和飞机飞行数据计算低轨卫星航空信道孪生数据的方法 以真实卫星星历和飞机飞行数据为例进行计算，利用实时交互界面展示低轨卫星航空信道的孪生数据 所提方法是产生低轨卫星航空信道孪生数据的一种尝试，为构建数字孪生低轨卫星航空信道提供了技术支撑关 键 词：数字孪生；卫星通信；低轨卫星航空信道；多径时延；多普勒频移中图分类号：文献标识码：文 章 编 号：（），（，）（，）：，：，：；引 言数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真度特性，能够实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段 数字孪生作为解决智能制造信息物理融合难题和践行智能制造理念与目标的关键使能技术，在当前学术界和工业界引起了广泛的关注与研究数字孪生的概念最早是 教授在美国密歇根大学的产品全生命周期管理（，）课程上提出的，当时被称作“镜像空间模型”后来美国国家航空航天局（）在太空技术路线图中首次引入数字孪生的概念，意欲采用数字孪生实现飞行系统的全面诊断和预测功能，以保障在整个系统使用寿命期间实现持续安全地操作 目前在数字孪生理论和实际落地应用方面已经取得许多有价值的研究成果 在理论研究方面，文献，创新性地提出了数字孪生五维概念模型、数字孪生驱动的 条应用准则、数字孪生模型“四化四可八用”构建准则、数字孪生标准体系；文献，分析了大数据与人工智能在不同领域构建和实现数字孪生模型中所扮演的角色与作用，从数字孪生的角度梳理了大数据与人工智能的参考知识架构 在数字孪生落地应用方面，众多国际公司纷纷展开探索，西门子公司发布了数字孪生体应用模型，详细刻画了西门子孪生模型的内涵和重要价值；达索公司搭建了基于数字孪生的 数字化体验平台，实现了产品从概念设计、生产执行到最终交付的全生命周期管理；公司基于 平台提供了设备虚实同步交付的新理念，通过采集现场实时数据，在虚拟孪生体上进行多方面分析，实现了数字孪生在设备产品故障检测、寿命预测等方面的应用数字孪生的先进理念在通信领域具有广泛应用前景，构建并使用数字孪生网络进行物理网络测试、运维和优化具有得天独厚的优势 在数字孪生网络上进行虚实对接、持续规划和故障自愈，实现物理网络全生命周期的高水平自治和闭环自治，可以大幅降低人力消耗、提升物理网络的运行效率 数字孪生信道是数字孪生网络中的重要模块，其主要作用是将“形态无法直观看见”、“特征无法直接触摸”、“效应无法直接辨识”的物理信道进行数字化、可视化和智能化，便于数字孪生网络对物理网络进行自我迭代优化和仿真验证 目前关于数字孪生信道的研究已经取得许多有价值的研究成果 譬如，文献面向 和 通信场景，建立了数字孪生信道的应用体系、功能体系、技术体系和标准体系，从全生命周期视角对数字孪生信道在 和 通信系统论证设计、研制生产、测试试验及运维管理等方面进行了探讨，为实现 和 通信信道数字化、智能化、服务化、绿色可持续化提供技术支撑 文献针对数字孪生信道的孪生数据产生问题，提出一种数据驱动的连续轨迹建模方法，使用有限次信道测量参数模拟任意用户运动轨迹所对应的连续信道参数，该方法生成的连续信道参数与真实物理信道具有良好的匹配性 文献提出一种基于数字孪生的城市高动态车辆信道估计的城市模型感知深度学习算法，利用数字孪生技术精确模拟城市高动态车辆环境中无线电波的传播与衰减，与传统方法相比城市模型感知深度学习算法获得了更好的信道估计性能 文献研究了动态无人机通信场景下的数字孪生信道，基于射线跟踪法构建了具有时变信道参数的通用非平稳信道模型，为解决射线生成的巨大资源消耗问题提出了一种基于迭代的信道系数生成方法，在软件无线电硬件平台上实现了所提方法 和未来 中，为满足大带宽、高可靠、广覆盖的航空多样化通信业务需求，设计高速率、高容量低轨卫星航空通信系统成为大势所趋 低轨卫星航空信道的数字孪生对设计、测试及优化低轨卫星航空通信系统具有先天优势 参考数字孪生五维概念模型，本文构建了低轨卫星航空信道的数字孪生模型 所构建模型包括低轨卫星航空信道的物理信道、虚拟信道、孪生数据、服务系统和各组成部分间的连接五部分低轨卫星航空信道的孪生数据是整个模型的核心驱动力，它为服务系统及物理信道与虚拟信道融合提供准确、全面的数据源 从系统设计的角度出发低轨卫星航空信道的孪生数据应包括多径数、多径时延、多普勒频移、多径功率、到达角及极化方式等信道参数 针对低轨卫星航空信道的孪生数据产生问题，本文先分析了多径时延与多普勒频移等孪生数据的计算原理，然后在前人利用卫星星历计算多普勒频移的基础上提出一种低轨卫星航空信道孪生数据的计算方法 低轨卫星航空信道的数字孪生模型数字孪生五维概念模型如公式（）所示：（，）（）式中：表示物理实体，表示虚拟实体，表示服务系统，表示孪生数据，表示各组成部分间的连接 参考数字孪生五维概念模型构建低轨卫星航空信道的数字孪生模型如图 所示图 低轨卫星航空信道的数字孪生模型 图 中物理信道指实际低轨卫星、飞机和地球三者之间存在的信道，它包括直射路径和非直射路径 物理信道与地形、地物、海浪、风、云、雾、雨、雪、电离层、磁层、太阳等所有物理实体相关 并且因为低轨卫星和飞机都是高速运动，所以物理信道是快时变信道 图 中虚拟信道指低轨卫星模型、飞机模型和地球模型三者之间存在的信道，它是物理信道的数字化镜像映射 实际低轨卫星可以根据轨道参数建模，飞机可以根据实时飞行数据建模，地球可以根据地心地固坐标系建模图 中低轨卫星航空信道的孪生数据指低轨卫星航空信道的多径数、多径时延、多普勒频移、多径功率、到达角和极化方式等信道参数，它是整个模型的核心驱动力 图 中服务系统指低轨卫星航空通信系统设计、测试及优化的各个方面，它是数字孪生低轨卫星航空信道的目的与意义低轨卫星航空信道数字孪生模型的工作原理是：首先对低轨卫星、飞机、地球以及与物理信道相关的所有物理实体进行高精度建模，得到与物理信道保持时空一致的数字化虚拟信道；然后利用数字化虚拟信道孪生低轨卫星航空信道的多径数、多径时延、多普勒频移、多径功率、到达角和极化方式等信道参数；最后将低轨卫星航空信道的孪生数据传送给服务系统，服务系统将孪生数据应用到系统设计、测试及优化的具体环节中 物理信道、虚拟信道、孪生数据和服务系统彼此之间相互连接，孪生数据驱动服务系统，服务系统反过来适应或调整物理信道与虚拟信道，形成一种良性循环 低轨卫星航空信道的孪生数据作为这种良性循环的核心驱动力是整个模型的重中之重，所以接下来重点研究孪生数据的产生方法 期 赵文浩 等：低轨卫星航空信道的数字孪生数据产生方法 低轨卫星航空信道孪生数据的计算原理 计算所用坐标系计算低轨卫星航空信道的孪生数据时用到近焦点坐标系、地心地固坐标系和测站测量坐标系，种坐标系如图 所示图 近焦点坐标系、地心地固坐标系和测站测量坐标系 ，图 中 表示地球参考椭球的长半轴、表示短半轴、表示经度、表示纬度近焦点坐标系以卫星轨道平面为基准平面，坐标原点位于地心，轴指向卫星轨道的近地点，轴在轨道面内顺着卫星运动方向旋转 得到 轴，轴与 轴和 轴构成右手坐标系地心地固坐标系以赤道为基准平面，坐标原点位于地心，轴指向基准子午线与赤道的交点，轴指向北极，轴与 轴和 轴构成右手坐标系 空间中一点在地心地固坐标系中的直角坐标（，）转换成经纬度坐标（，）的公式为：（）|（）公式中 表示卯酉圆曲率半径 （）经纬度坐标转换成直角坐标的公式为：（）（）（）|（）测站测量坐标系以测量设备的天线中心为坐标原点，过坐标原点作经线和纬线的切线，从坐标原点沿经线的切线指向北极为 轴方向，从坐标原点沿纬线的切线指向东方为 轴方向，轴与 轴和 轴构成右手坐标系 多径时延与多普勒频移的计算图 中低轨卫星航空信道数字孪生模型的物理信道和虚拟信道可以用几何模型表示，几何模型包括直射路径、反射路径和散射路径，如图 所示图 中 表示卫星速度矢量，表示卫星与飞机连线的方向矢量，表示矢量 与 的夹角，表示飞机速度矢量，表示矢量 与 的夹角，点 表示反射点，为法向量，表示入射角，表示反射角，表示反射路径的仰角 图 图 物理信道和虚拟信道的几何模型 中 坐标系是以飞机速度矢量 为 轴的右手坐标系，表示第 条散射路径与速度矢量 的夹角 直射路径多普勒频移根据图 直射路径上低轨卫星运动产生的多普勒频移为：（）飞机运动产生的多普勒频移为：（）因此直射路径上的总多普勒频移为 （）（）反射路径多径时延与多普勒频移根据图 反射路径的多径时延为：（）反射路径上低轨卫星运动产生的多普勒频移为：（，）（）公式中（，）表示向量 与的夹角 因为反射点 处的接收信号频率 ，所以反射路径上飞机运动产生的多普勒频移为：（，）（）公式中（，）表示向量 与的夹角 反射路径上的总多普勒频移 低轨卫星航空信道的孪生数据包含反射路径功率和极化方式 直射路径绝对功率通过链路计算可以获得，当不考虑电离层闪烁和大气吸收损耗时，计算出反射路径相对于直射路径的传播损耗，便可获得反射路径的绝对功率 反射路径相对于直射路径的传播损耗 ，表示反射路径相对于直射路径的自由空间传播损耗，根据图 可得：()（）表示反射损耗，表示反射系数 水平极化波、垂直极化波和圆极化波的菲涅尔反射系数分别为：（）小 型 微 型 计 算 机 系 统 年（）（）（）（）公式中 （）（），是虚数单位，表示波长，表示相对介电常数，表示电导率 散射路径多径时延与多普勒频移根据图，低轨卫星与地面散射区相距很远，假设散射区内各个散射点处由低轨卫星运动产生的多普勒频移与反射点 处由低轨卫星运动产生的多普勒频移相等，则散射点处的接收信号频率为 因此第 条散射路径的多普勒频移为：（）由于飞机与散射点的距离较近，角 主要分布在一定角度范围内，所以散射路径的多普勒功率谱一般为高斯谱根据图，假设反射路径多径时延是散射路径多径时延的最小值，散射路径多径时延相对于反射路径多径时延存在时延扩展 用单边递减的指数分布描述散射路径的相对时延扩展，得到散射路径的时延功率谱如图 所示图 散射路径的时延功率谱 图 中 表示反射路径多径时延，表示散射路径的相对时延扩展，表示散射路径多径时延，常用指数时延功率谱为：（）（）公式中 表示多径时延，表示均方根时延扩展 根据指数时延功率谱生成第 条散射路径的相对时延扩展 （），（）公式中函数（）表示按升序排列，表示（，）区间上的均匀分布随机数散射路径的绝对功率可以根据散射路径相对于直射路径的相对功率计算，相对时延扩展 对应的第 条散射路径的相对功率为：（）假设接收信号总功率为单位，莱斯因子为，单位为，则直射路径功率为 （），以接收信号总功率进行归一化的第 条散射路径的功率为：（）公式中 表示线性莱斯因