天基频谱的数字孪生架构及虚实双向协同仿真技术

陈 昊，杨 欢，齐艳辉

(北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

0 引言

随着工业及数字技术的进步与国家发展战略的提出，数字孪生作为解决信息空间与物理空间交互和融合难题的关键赋能技术，是实现“数字+智能+服务”一体化先进理念的重要因素，受到了广泛关注，并深入到越来越多的工业领域落地应用[1-4]。

数字孪生的概念最初于2002年由美国密歇根大学Grieves教授提出，主要用于描述通过物理设备的数据在虚拟(信息)空间构建表征物理设备的虚拟实体及子系统，指出联系不是单向和静态的，而是与整个产品的生命周期联系在一起[5]。早期主要应用于军工及航空航天领域，目前已经被应用于管理、制造和故障预警等产品生命周期的各个阶段[6-9]。将数字孪生技术与卫星工程关键环节等结合提出的数字孪生卫星概念可以促进卫星工程产业的发展[10]，与B5G和6G通信信道关键要素的结合应用提出的数字孪生信道，推动了数字孪生在B5G和6G通信领域和行业的应用[11]。天基频谱随着应用场景不断变化而动态变化，时刻影响着服务质量，作为卫星工程中重要的组成部分，数字孪生技术在天基频谱中的应用可以促进卫星工程的数字孪生深度协同，拓展数字孪生技术在卫星工程中的应用。

本文结合数字孪生技术可以构建孪生的天基高精度三维电磁频谱空间，与地理信息系统共同形成天基频谱大数据和态势一体化，支持天基电磁频谱空间的各种关联关系和演化机理规律分析，提供天基频谱态势可视化与分发、电磁干扰预测与规避等应用，最大限度地提升天基频谱的管控能力。

1 天基频谱管控问题

电磁频谱管控技术可以提高频谱使用效率，在频率资源紧张的情况下扩展可用频谱，提升系统通信容量，同时增强电磁频谱系统实时识别、预测及消除干扰等能力，为争夺战场电磁频谱优势提供有力保障[12-14]。

天基频谱作为支撑天基信息网络的基础设施资源，其频谱的高效管控直接影响了天基网络的通信容量、服务质量和用户体验。在传统的用频流程中，用户一般通过查询运营商的卫星覆盖图获取静态的频谱覆盖和EIRP、G/T范围信息，没有考虑卫星转发器实时状态和链路传输损耗等实时影响，难以在用户侧获取精确的电磁强度等信息。当终端处于移动状态时电磁信息更加难以获取，何时移动至边界外也无从判断，导致用户不知何时能通、何原因而断以及何故质量下降，严重影响了天基通信的性能和用户使用体验。尤其在新型天基网络中，随着移动波束和跳波束等新型载荷的应用，上述问题将变得更为突出。同时，天基网络管理中心掌握着天基频谱资源的分配和使用，随着技术发展，逐步采用了人工静态分配和程序自动化分配等技术，然而分配方式缺乏对实时频谱的感知，导致部分分配后的频谱处于闲置状态，而且缺乏对频谱干扰情况的感知、分析、预测和规避等功能，从而导致天基频谱使用效率偏低，出现用频难的问题。

2 天基频谱的数字孪生架构设计

数字孪生模型可以辅助天基频谱数字孪生架构的设计，重点在于孪生频谱空间的系统组成、接口和典型数据交互流程等。数字孪生模型从不同维度、不同时空和不同物理量的角度对天基网络实体建立虚拟空间的动态虚拟模型，是数字孪生落地应用的引擎，促进天基频谱数字孪生空间的落地应用，并通过实时交互数据再现天基网络物理实体在真实电磁环境中的属性、行为和规则等。天基网络物理天基频谱空间的物理实体涉及高低轨卫星星座及多种类型波束和地面站等多种物理实体，当前物理实体的数字化建模主要集中在智能制造领域，而在天基频谱方面缺少几何、行为、规则及约束等同时描述的多维数字动态模型。在其他维度方面则缺少“多空间尺度模型”，它可以描述物理实体在不同空间尺度不同粒度的行为、属性和特征等，缺少“多时间尺度模型”，用于描述物理实体在不同时间尺度下实时动态过程、外部状态与干扰的影响过程及随时间的演化过程等，缺乏系统层上的集成与融合，用于描述不同维度/时空尺度模型。相关模型在描述物理实体的数字孪生中存在充分性与完整性不足的问题，导致现有物理实体的数字孪生模型对物理实体的描述不够客观、刻画不够细致，在仿真结果、预测结果、评估与优化结果等方面与物理实体的物理现实结果存在显著差异，因此数字孪生技术在工程应用中面临的主要挑战是如何客观、真实地构建动态多维、多时空尺度模型，这也是本文天基频谱数字孪生技术研究的关键。

数字孪生五维模型由物理实体、虚拟实体、连接、孪生数据和服务5部分组成，从内涵上丰富了数字孪生空间[15]。模型在物理数据、虚拟数据、服务数据和知识等组成的孪生数据方面，强调了对物理实体、虚拟实体和服务等的驱动作用，得到了广泛的认可[10-17]。

为实现对空间电磁环境完整、真实、客观地描述和刻画，提升系统孪生的精准度，结合五维模型可以构建天基数字孪生频谱态势，建立动态多维多时空尺度的天基频谱数字孪生架构。数字孪生多维多时空尺度模型如下：

M_DT=(PE，VE，Ss，DD，CN)，

式中各参数含义如表1所示。

表1 数字孪生模型中各参数含义

数字孪生五维模型结构如图1所示。

图1 数字孪生频谱多维多时空尺度模型Fig.1 Model of multi-dimensional and multi-temporal scales of digital twin spectrum

基于五维模型构建的天基数字孪生频谱空间如图2所示。

图2 基于五维模型构建的天基数字孪生频谱空间Fig.2 Space-based digital twin spectrum space built based on 5-dimentional model

天基数字孪生频谱空间的组成及功能如下：

(1) 天基网络物理空间

作为数字孪生五维模型的基础构成，物理实体占据重要的地位。精确理解、分析与合理维护物理实体是建立数字孪生天基频谱空间多维、多时空尺度模型的前提。

天基数字孪生频谱空间涉及的物理实体为与天基电磁发射相关的空间网络实体：

① 卫星星座：包括高中低轨卫星星座的拓扑结构、卫星波束和载荷配置信息等。根据天基频谱空间特点，卫星星座可按功能及结构分解为复杂系统级(System of Systems)PE、系统级(System)PE和单元级(Unit)PE。

复杂系统级：构建天基频谱空间的天基星座，由2种及以上类型卫星星座系统组成。

系统级：可根据卫星星座特点划分为高轨移动、宽带、防护通信、低轨移动和宽带互联网等星座。根据不同系统特点构建卫星星座拓扑结构，建立物理轨道动力学模型等。

单元级：针对高低轨某一种特定卫星构建波束和载荷配置等电磁辐射模型，波束包括固定波束、移动波束和相控阵波束等多种波束建模，载荷配置则对波束控制信息和频谱转发控制信息等进行建模。

② 星地信道：包括天基电磁波传输过程中经历的自由空间、云、雪和雨雾等各种环境。

卫星通信中电波传播要经过对流层(含云层和雨层)和平流层直至外层空间，而且还会受到高山、植被、建筑物和周围运动物体(如汽车)等的遮挡、反射和折射等，因此，卫星通信电磁空间评估需考虑星地信道中的电波传输损耗，总影响是自由空间传播损耗和电波传播经过的具体环境引起的损耗之和。

③ 地面站：包括信关站和各种尺寸的用户终端站等。地面站建模需要考虑用户/馈电波束的电磁发射特性、业务需求、频谱分配和发射情况、星地运行控制信息等。由于卫星信号传输过程中会受到自由空间衰落和地形地貌遮挡等影响，为了支撑星地电磁信道传输影响，还需对地面站的时空位置进行建模仿真。

(2)天基频谱虚拟空间

天基孪生频谱虚拟空间与物理空间实体对应，建立的虚拟实体(VE)包括卫星星座、星地信道和地面站等。

VE如下所示：

VE= (Gv,Pv,Bv,Rv)。

VE由不同模型组成，在多时间或空间尺度上对物理实体PE进行描述与刻画，各子模型的描述如表2所示。

以上参数所描述的知识或规则随着时间的积累完成自主学习、自主增长和自主演化，反过来给VE提供实时判断、评估、优化及预测的能力，不仅能够控制或指导PE的运转，还可以校正VE的行为或者状态，并能够进行一致性分析。

表2 虚拟实体模型中各参数含义

(3) 应用服务

应用服务包括“功能性服务(FService)”与“业务性服务(BService)”。FService以工具模块、中间模块和引擎模块等方式模块化实现数字孪生内部功能运行，BService以应用软件和移动端App等形式满足不同领域、不同用户和不同业务需求，其中FService支撑BService的实现和运行。FService与BService的主要内容如表3所示。

表3 应用服务的内容

(4) 孪生数据中心

孪生数据是孪生空间的驱动力，由孪生管理中心管理，如下：

DD= (Dp，Dv，Ds，Dk，Df)。

DD由不同数据组成，各子模型的描述如表4所示。

表4 孪生数据中心各参数含义

(5) 连接

连接实现各组分的互联互通，如下式所示：

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

CN由不同连接组成，各子模型的描述如表5所示。

表5 组成连接的各参数含义

在上述5部分中，天基频谱虚拟空间卫星星座、传输信道和地面站虚拟实体的建模可在传统的仿真模型上进行升级得到。

以卫星电磁辐射建模为例，可从频域、指向、时空和业务等多维度进行建模，用以实现对天基网络中电磁发射源及发射情况的量化表征，卫星电磁辐射建模如图3所示。

发射谱建模、方向图建模、轨道动力学建模和载荷波束配置建模等实现方法如下：

① 发射谱建模

综合带外域、杂散域与带内信号形成全频段发射模型。基于ITU-R SM.1541-4和ITU-R SM.329-12分别对带外域及杂散域的建模分析。

② 方向图建模

基于ITU-R S.1528，结合各星座提交网络申报资料中卫星的天线及波束方向图设计，构建圆波束和椭圆波束模型，实现对卫星辐射源天线方向图建模；而对于地面站方向图可基于ITU-R S.465-6，结合各星座提交网络申报资料中地面站的天线及波束方向图设计，构建圆波束和椭圆波束模型，实现对地面站辐射源天线方向图建模。

③ 轨道动力学建模

基于星历+轨道动力学预测获得辐射源实时位置，基于卫星星历数据和轨道预报算法构建卫星轨道动力学模型，能够对卫星轨位进行计算和预报，实现了对卫星辐射源运行轨位的实时监视与预报。

④ 载荷波束配置建模

面向的是业务通信的应用场景需求，能够根据用户终端位置、信关站分布、通信时段和通信频率等需求，实现构建相应的载荷波束配置模型。

地面站电磁辐射建模与卫星电磁辐射建模方法类似，在时空维度需要对地面站时空位置进行建模。

星地信道建模：卫星辐射源时刻处于运动状态，造成星间/星地电波传播路径长短和路径环境实时变化，电波传播路径损耗建模对从辐射源发出，经过传播路径上各种损耗影响，到达目标观测点/区域的信号强度进行评估计算。

3 基于关键特征的虚实双向协同仿真技术

为了实现天基频谱孪生空间的高逼真度实时仿真，虚拟频谱空间需与物理实体空间进行双向协同交互，传统的仿真系统一般基于确定性规律和完整机理的模型来模拟物理世界，缺少与物理世界的实时交互。基于关键特征的虚实双向协同仿真，一方面是将运控系统和地面信关站的部分关键特征信息，如星历数据、载荷、波束、功率、频率等控制和使用情况实时传送至天基孪生频谱空间，保证天基孪生频谱空间能够接受到最新物理环境变化；另一方面，天基孪生频谱空间根据接收到的最新的物理环境变化进行电磁干扰态势评估和预测，并将评估和预测结果实时反馈至天基网络运控系统，以实现干扰分析与规避、频谱优化控制等应用。天基物理空间和虚拟孪生空间的关键特征信息及交互过程如图4所示。

为支撑基于关键特征的虚实双向协同仿真，需要研究基于物联网的关键特征实时采集与传输技术，将天基网络物理空间中运行控制类信息(卫星星历数据、载荷开关闭和波束开关闭等信息)、业务类信息(用户分布及接入和频率资源实时分配信息等)和环境类信息(气象数据等)等关键特征数据通过传感器进行采集，并传送至虚拟孪生空间。另一方面，通过对采集的各种即时数据及历史数据的分析，将虚拟孪生频谱空间产生的需求预测、干扰分析和干扰预警等信息实时传输至天基频谱物理空间，支撑二者的交互仿真。

图4 基于关键特征信息的虚实双向协同仿真交互过程Fig.4 Interactive processes of the virtual-physical bidirectional collaborative simulation based on the key feature information

4 多源异构大数据融合及可视化技术

天基频谱孪生空间数据包括了物理空间、虚拟空间和服务产生的频谱数据以及知识数据、融合数据等，其中核心的频谱数据包括了卫星、地面站的电磁辐射数据和星地信道的电磁传播衰落数据等，形成多源异构天基频谱大数据。天基频谱孪生空间数据具有海量、高维性、类型复杂多样、数据格式不一和结构化的特点，还具有半结构化数据并存以及数据库随时增加和删除等特点，使得数据挖掘和搜索空间异常巨大，通信数据双向同步和沟通频繁但格式复杂多样，可能导致数据交互过程中频繁进行协议转换。数字主线技术应用于数字孪生技术中，统一全数字化模型贯穿始终，对多源异构的数据形成一种状态统一、数据一致的技术模型，可以动态、实时分析并评估系统当前和未来的功能和性能，能够从海量数据中获取价值信息，所有环节信息完整丰富、开发标准统一、数字化模型规范且具有语义化。

通过多源异构大数据融合技术对数据格式定义、分布式存储、数据计算、数据关联、数据挖掘、数据演化以及数据融合等数据操作与管理，实现了对物理系统和孪生系统全生命周期数据的安全管理、便捷使用和充分利用，支撑各数字孪生全要素的实时感知和全流程、全业务的完全记录，同时为物理系统和孪生系统之间的沟通和更新提供了更加便捷的数据交互模式。

可视化技术是对观测域内天基辐射源电磁态势进行动态、可视化展示，实现天基频谱一张图，支撑电磁环境评估。可以对电磁发射态势采用2D/3D可视化显示，同时显示辐射源信息，对时域、频域、空域和能量域等多维电磁态势数据进行分解降维，提供多层次分析工具(如干扰门限设置、干扰时间和强度统计等干扰分析工具)，对电磁辐射态势和电磁干扰评估结果可视化显示。

5 结论

本文讨论了基于天基频谱的数字孪生架构设计及物理空间与虚拟空间之间虚实协同仿真的关键技术，为解决天基频谱管控知频难、用频难的问题提供关键技术方案，推动天基频谱的高效利用及频谱可视化。为了进一步提升服务质量与用户体验，可以加强传感网络数据采集能力及信息交互的实时性。