【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及邊緣計算，特別是涉及一種面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真系統(tǒng)及方法。
技術(shù)介紹
1、近年來，邊緣計算技術(shù)已經(jīng)成為地面5g/6g移動通信網(wǎng)絡(luò)研究的熱點，開放的邊緣計算架構(gòu)和軟硬件開發(fā)平臺發(fā)展較為成熟，“邊緣計算+云服務(wù)中心”的云邊協(xié)同模式已被應(yīng)用到智能駕駛、智慧工廠、智慧城市等智能化數(shù)字化信息系統(tǒng)中。為了提高天基系統(tǒng)的計算和通信能力，越來越多的研究人員考慮將邊緣計算直接應(yīng)用于低軌衛(wèi)星上，通過多星組網(wǎng)實現(xiàn)分布式衛(wèi)星集群算力聚合，構(gòu)建天基算力網(wǎng)絡(luò)即天基邊緣微云，與地面云計算中心協(xié)同完成天基信息在軌實時處理與高效分發(fā)，為陸海空各類用戶終端提供更快速和更高質(zhì)量的服務(wù)。
2、不同于地面邊緣微云，基于低軌衛(wèi)星的天基邊緣微云具有大時空尺度、高動態(tài)性以及資源受限等特點。高速移動的低軌衛(wèi)星不僅會導(dǎo)致邊緣微云內(nèi)部節(jié)點連接關(guān)系時變，還會導(dǎo)致邊緣微云與地面云計算中心、用戶終端節(jié)點的連接都處于動態(tài)變化中，邊緣微云內(nèi)部節(jié)點需要進行頻繁動態(tài)更新，服務(wù)連續(xù)性保障是天基邊緣微云構(gòu)建必須考慮的問題。此外，衛(wèi)星邊節(jié)點體積較小，計算、存儲、能耗等資源受限，邊節(jié)點之間、云邊之間必須進行協(xié)作才能提高任務(wù)完成效率與資源利用效率。
3、針對上述問題，一些研究工作重點關(guān)注天基邊緣微云體系架構(gòu)設(shè)計、服務(wù)高效遷移與協(xié)同智能計算方案研究，并利用數(shù)字仿真軟件驗證天基邊緣微云系統(tǒng)性能。然而，數(shù)字仿真軟件所采用的虛擬數(shù)字模型并不能完全模擬真實物理模型，只能提供近似結(jié)果，其可信度難以驗證。另一方面，少數(shù)研究工作通過研制衛(wèi)星邊緣計算原理樣機，并搭建地面試驗系
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本專利技術(shù)的目的在于提供一種面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真系統(tǒng)及方法，能夠提高大規(guī)模低軌衛(wèi)星星群邊緣微云系統(tǒng)性能仿真驗證的準(zhǔn)確性，節(jié)約仿真成本。
2、為實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供一種面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括衛(wèi)星邊緣計算原理樣機、衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機和衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺；其中，
3、所述衛(wèi)星邊緣計算原理樣機硬件包括計算模塊、存儲模塊、互聯(lián)模塊和電源模塊。其中，計算模塊采用“計算核心板”+“計算加速板”的主從式可擴展方案。“計算核心板”負(fù)責(zé)運行星群邊緣微云核心功能和“計算加速板”的資源調(diào)度，選用支持容器化微服務(wù)生態(tài)的國產(chǎn)化arm+gpu架構(gòu)芯片，算力可達10tops，確保原理樣機運行安全可靠、自主可控；“計算加速板”選用國產(chǎn)同型號工業(yè)級arm+gpu架構(gòu)芯片，板級算力可達10tops，可以根據(jù)星上ai處理算力需求，以即插即用板插式按需擴展至50tops及以上，以滿足后續(xù)系統(tǒng)擴展及升級需求。原理樣機軟件采用云原生技術(shù)架構(gòu)，包括邊緣微云基礎(chǔ)設(shè)施層、邊緣微云平臺服務(wù)層和邊緣微云軟件服務(wù)層，適配輕量化機器學(xué)習(xí)框架，具備應(yīng)用程序、算法模型等容器級、微服務(wù)級在軌實時部署能力。原理樣機為天基邊緣微云提供硬件平臺和軟件驅(qū)動支撐；
4、所述衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機是原理樣機的數(shù)字孿生系統(tǒng)，包括基礎(chǔ)設(shè)施資源層、控制管理仿真層和軟件運行層。其中，基礎(chǔ)設(shè)施資源層通過使用kvm虛擬機技術(shù)實現(xiàn)cpu、gpu、內(nèi)存等基礎(chǔ)資源配置功能；控制管理仿真層使用quagga工具配置數(shù)字樣機的路由協(xié)議，使用traffic?control工具配置模擬數(shù)字樣機網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時延和丟包率；軟件運行層通過使用docker容器技術(shù)部署并運行衛(wèi)星邊緣計算應(yīng)用軟件。數(shù)字樣機本質(zhì)上是所述衛(wèi)星邊緣計算原理樣機的數(shù)字化虛擬模型，為天基邊緣微云應(yīng)用軟件提供運行環(huán)境支撐；
5、所述衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺包括硬件部分和軟件部分，硬件部分包括仿真服務(wù)器、顯控組件和虛實互聯(lián)接口組件；軟件部分由衛(wèi)星星群運行環(huán)境仿真單元、衛(wèi)星組網(wǎng)仿真單元、邊緣微云仿真支撐單元以及應(yīng)用場景仿真控制單元；其中，邊緣微云仿真支撐單元采用docker容器技術(shù)和kubernetes容器管理工具，實現(xiàn)低軌星群邊緣微云建立、邊緣微云服務(wù)遷移、邊緣微云協(xié)同計算等功能。所述衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺采用分布式仿真方式，將整體仿真任務(wù)按照組成功能特征分為多個模塊，單個模塊獨立進行局部功能仿真，通過底層支撐模塊來進行跨模塊的信息交互，由此完成整體仿真任務(wù)。
6、進一步，衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機運行在衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺的仿真服務(wù)器中，衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺為衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機的運行提供物理資源和基礎(chǔ)運行環(huán)境，為衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機提供邏輯軟總線接口。
7、進一步，所述衛(wèi)星邊緣計算原理樣機與衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺通過虛實互聯(lián)接口組件聯(lián)接，實現(xiàn)衛(wèi)星邊緣計算原理樣機與衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機的信息交互。
8、另一方面，本專利技術(shù)提供一種面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真方法，所述仿真方法包括以下步驟：
9、s1、任務(wù)場景建模：通過任務(wù)需求分析，開展星群構(gòu)型設(shè)計和星群模型構(gòu)建，對照任務(wù)場景創(chuàng)建實時或離線驅(qū)動的三維仿真場景模型；
10、s2、仿真環(huán)境配置：根據(jù)任務(wù)場景配置參數(shù)，創(chuàng)建衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機，開展數(shù)字樣機基礎(chǔ)資源配置，仿真模擬衛(wèi)星星地與星間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；
11、s3、邊緣微云構(gòu)建：根據(jù)任務(wù)需求信息，主衛(wèi)星節(jié)點（依據(jù)其5跳范圍內(nèi)鄰近衛(wèi)星節(jié)點可利用的計算資源和存儲資源，選取可以完成任務(wù)需求的最小數(shù)量衛(wèi)星節(jié)點集合構(gòu)建天基邊緣微云，實現(xiàn)邊緣微云內(nèi)計算、存儲、通信等資源共享與靈活調(diào)度，并為各類任務(wù)應(yīng)用軟件提供運行與維護支撐；
12、s4、系統(tǒng)能力驗證：根據(jù)任務(wù)需求信息，將任務(wù)鏡像部署在天基邊緣微云各節(jié)點中，調(diào)度邊緣微云資源并運行任務(wù)應(yīng)用軟件，待任務(wù)執(zhí)行完后展開任務(wù)效能評估。
13、進一步，步驟s1由衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺完成，包括：
14、s1.1星群構(gòu)型設(shè)計：星群構(gòu)型參數(shù)包括衛(wèi)星軌道高度、軌道傾角、衛(wèi)星總數(shù)、軌道面數(shù)和相位因子；
15、s1.2星群模型構(gòu)建：衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺基于星群構(gòu)型參數(shù)，開展衛(wèi)星軌道動力學(xué)模擬與可視化仿真，分析獲得所有衛(wèi)星節(jié)點的位置和姿態(tài)信息；
16、s1.3仿真場景構(gòu)建：指仿真平臺對任務(wù)場景中的其他要素進行建模，對其運動學(xué)參數(shù)或自身特性參數(shù)進行配置。
17、進一步，步驟s2由衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機和半實物仿真平臺完成；包括：
18、s2.1數(shù)字樣機創(chuàng)建：衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺針對每一個衛(wèi)星節(jié)點，都使用一個虛擬機來實現(xiàn)衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機構(gòu)建，每一個數(shù)字樣機都會分配獨立的ip地址；
19、s2.2基礎(chǔ)資源配置：每一個數(shù)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括衛(wèi)星邊緣計算原理樣機、衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機和衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺；其中，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真系統(tǒng)，其特征在于，衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機運行在衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺的仿真服務(wù)器中，衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺為衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機的運行提供物理資源和基礎(chǔ)運行環(huán)境，為衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機提供邏輯軟總線接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述衛(wèi)星邊緣計算原理樣機與衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺通過虛實互聯(lián)接口組件聯(lián)接，實現(xiàn)衛(wèi)星邊緣計算原理樣機與衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機的信息交互。
4.一種面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真方法，其特征在于，所述方法基于權(quán)利要求1-3任一項所述的面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真系統(tǒng)實現(xiàn)，所述仿真方法包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真方法，其特征在于，步驟S1由衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺完成，包括：
6.根據(jù)權(quán)利要
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真方法，其特征在于，步驟S3由衛(wèi)星邊緣計算原理樣機和半實物仿真平臺完成；包括：
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真方法，其特征在于，步驟S4由衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺、數(shù)字樣機和原理樣機共同完成，包括：
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真方法，其特征在于，步驟S3.2中，所述云原生應(yīng)用部署和管理工具包括Docker容器與Kubernetes。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真方法，其特征在于，步驟S4.3中，評估指標(biāo)為任務(wù)執(zhí)行結(jié)果、任務(wù)執(zhí)行時間和任務(wù)執(zhí)行消耗資源。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括衛(wèi)星邊緣計算原理樣機、衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機和衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺；其中，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真系統(tǒng)，其特征在于，衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機運行在衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺的仿真服務(wù)器中，衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺為衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機的運行提供物理資源和基礎(chǔ)運行環(huán)境，為衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機提供邏輯軟總線接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述衛(wèi)星邊緣計算原理樣機與衛(wèi)星邊緣計算半實物仿真平臺通過虛實互聯(lián)接口組件聯(lián)接，實現(xiàn)衛(wèi)星邊緣計算原理樣機與衛(wèi)星邊緣計算數(shù)字樣機的信息交互。
4.一種面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真方法，其特征在于，所述方法基于權(quán)利要求1-3任一項所述的面向低軌星群邊緣微云的半實物仿真系統(tǒng)實現(xiàn)，所述仿真方法包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的面向低軌星...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳鵬，曹璐，郭鵬宇，冉德超，王凱，王鑫慧，
申請(專利權(quán))人：中國人民解放軍軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：
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