当前全球大规模低轨星座呈现出加速发展态势。美国SpaceX公司计划构建由4万颗卫星组成的低轨“星链”系统，构建覆盖全球的大带宽、低延时的数据传输及通信网络，截止到2026年4月，SpaceX公司已将11774卫星发射入轨，此外值得关注的是，在2024年2月，“星链”系统已经更名为“星盾”系统，后继发射的最新版本的卫星，将扩展光学侦察跟踪功能。我国也正在加快推进低轨大规模星座的建设，其中“国网”和“千帆”两个星座分别计划发射12992和12000颗卫星。此外，全球范围内还有多个军用和民用大规模星座构建计划，预计未来五年内全球低轨卫星的数量将突破5万颗。

       低轨星座具备三大核心功能，一是星座借助于星间和天地通信链路，能够构建形成低轨通信数传网络，支持全球任意节点间的大容量高速数据交互。例如当前“星链”卫星通过自身携带的相控阵天线和星间激光通信链路，已经形成了覆盖全球的无线通信网络，数传速率优于500Mb/s，延迟小于20ms；二是星座依托星上光学载荷、微波载荷等设备，能够构建覆盖全球的多谱段侦察探测网络并及时连续获取全球的高价值信息；最后，现在计算机数据处理能力的日新月异，未来星上安装具备大规模数据处理功能的星载计算机，每一颗卫星可成为运行在轨道上的大规模信息高速处理节点。显然，低轨星座本质上是集通信、感知、计算功能为一体的天基网络，未来海陆空天任一无人系统，均可通过卫星链路成为天基网络上的节点，而低轨星座可发挥通信指挥、侦察感知、导引跟踪、信息融合等多种功能，从而推动无人系统向体系化、协同化和智能化方向发展。在以大规模星座构建形成的天基网络的支持下，未来各无人系统的应用场景和工作模式将发生显著变化。例如在低轨星座的信息支持下，防空反导系统可借助星座的探测跟踪导引功能，可实现早发现、早预警、早预报、早拦截，其作战效率相对于传统的工作模式将得到极大的提升；在遥感侦察领域，通过卫星间的接力协同，可以实现对全球热点区域和高价值目标的连续侦察和接力跟踪。大规模星座必将在军民领域产生全局颠覆性影响。然而，大规模星座在工作过程当中，整个网络中各节点间的信息交互和信息融合异常复杂，采用传统的仿真分析软件，难以满足相关任务的设计、分析和评估需求，因此迫切需要开发以他能够满足大规模低轨星座仿真分析系统。

星联远见（北京）科技有限责任公司科研团队经过长期技术积累，开发了一套航天科学计算与仿真软件PAsim（Parametric Aerospace Simulation）系统，该仿真基座全部模型采用并行解算模式，大大提高了大规模星座的论证设计、分析评估、指控运营的效率；此外，该系统全部代码均为自主开发，拥有独立的自主知识产权，具备国产化替代应用前景。

2、PAsim的主要功能详解

2.1基础仿真计算功能

  大规模星座仿真分析涉及的场景、任务均有较大的差别，为了增强仿真系统的灵活性和通用性，团队首先梳理分析了不同场景仿真任务涉及的常用的分析计算功能需求，经梳理分类后，研制开发了以基础模型库并具备以下基本的仿真分析功能：

2.1.1大规模航天器动力学并行计算

     建立了高精度的时间参照系和坐标参照系，支持各类高精度时空转换运算；构建了高精度的轨道动力学模型和姿态动力学模型，结合大气摄动、地球形状摄动等摄动模型，支持高精度的航天器轨道和姿态的动力学及运动学解算；为支持大规模星座的快速部署和仿真，进一步建立了大规模星座参数化配置模型，支持参数化配置及TLE文件导入等不同形式的星座设置；考虑星座规模导致的动力学更新计算规模大，为了保证仿真的实时性，基于CPU+GPU混合硬件架构，建立了大规模星座动力学及运动学的并行计算模型，极大的提高了仿真计算的效率。此外还构建了各类空基、海基、路基无人系统（如导弹、飞机、舰船、装甲车辆等）的运动学模型，支持空、天、陆、海一体化仿真分析。

图1：PAsim系统

2.1.2大规模星间几何并行分析计算

      为了支持探测跟踪、遥感侦察、通信建链等复杂场景的量化仿真评估，构建了大规模星间几何分析模型，支撑光学、微波、通信等各类载荷的对指定热点区域的能见性和覆盖性几何分析计算；支持对动态、静态目标（各类海陆空天动态目标、地面测控站等静态目标）的探测跟踪、通信指控相关的几何分析计算；支持复杂场景内各类对象节点间的相对几何分析计算；支持天阳、月亮等自然天体光照几何的解析计算；基于CPU+GPU混合硬件架构，建立了大规模星间几何并行解算模型，极大的提高闭环仿真的实时性。

相机探测几何分析 低轨通信覆盖几何分析

图2：大规模几何分析计算

2.1.3 大规模场景并行调度指控计算

      星座协同条件下的防空反导、遥感侦察、目标跟踪等任务要求卫星之间协同工作，特别是在多任务的条件下，星座需要多个类型不同的任务进行自主协同调度，从而实现特定的任务目标（如连续侦察、接力跟踪、协同导引等）。为此开发了复杂场景的多任务并行调度指控架构，该并行架构采用多线程并行计算模式，同时各线程支持信息的并行处理，从而大大提高了仿真计算效率，可支持复杂场景下遥感侦察、防空反导、空间博弈等多类任务的同步仿真；

图3：大规模星座多目标协同探测跟踪导引分析

2.1.4 大规模感知信息并行融合计算

      信息融合是通过对输入信息进行逻辑运算并产生控制或者决策的过程，在大规模星座复杂仿真场景内，需要开展全局或局部不同维度的信息融合（如控制策略、图像处理、特征检测、跟踪滤波、航迹预报等），为了响应不同节点、不同层级的信息融合需求，构建了常用的信息融合通用模型库，覆盖了常见的制导控制、跟踪滤波、航迹关联、弹道预报等功能，支持模型函数复用和多线程随机突发调度。结合系统的动力学模型库，上述模型库可支持用户对场景当中的对象快速、便捷的实现动力学级的仿真，极大的提高了仿真结果的真实性和可信度。

图4：大规模星座目标协同匹配关联及航迹预报

2.1.5 多谱段探测图像并行模拟生成

     光学、微波、激光的设备是卫星及各类无人装备常用的载荷，这些设备能够生成不同谱段的感知数据（如图像、回波、点云），一些仿真任务要求对上述感知数据进行处理，构建大系统的仿真闭环。针对这一需求，建立了空间场景照度模型、目标红外辐照功率模型、目标回波特性模型等，同时针对不同的载荷设备构建了成像探测模型，能够模拟生成高分辨率（分辨率可调）红外、可见光等图像模型，支持后继环节的目标特征识别和目标方位解算等需求；上述模型均可并行调用，可同步支持大规模载荷阵列的图像并行模拟生成；

红外遥感图像模拟生成                         全色感知图像模拟生成

图5：光学探测模拟与图像生成

2.1.6场景态势展示与仿真数据管理

       面向任务场景态势展示需求，开发了三维数字地球系统，支持空间光照、大气云测、雨雾天气的三维、二维展示；采用几何特征虚拟技术提高场景的更新频率，大规模复杂场景下三维态势展示更新周期小于100ms;定制化开发了标准大规模数据传输总线，编制了标准化的数据总线接口协议，便于仿真节点和仿真功能的扩展；面向仿真数据结构化存储需求开发了数据库子系统，可实现各类数据的分类存储，最大存储容量10TB(单次仿真数据10GB),有效支撑事后评估及智能训练需求；可定制化开发数据界面组件，支持各类数据的图形化展示。

三维态势

二维态势

图6：复杂任务场景的态势展示

2.2PAsim的主要特点

2.2.1支持模块化设计开发

       PAsim采用模块化设计思想，通过梳理场景要素及任务的特点，通过清晰定义各类模型库，最大限度实现模型库间的功能解耦和相对独立，从而支持复杂仿真场景的快速集成构建，提高系统联调联试效率；模型库内部清晰定义各功能函数的输入输出，便于模块间的函数调用，支撑模块功能的裁剪、拓展等。

2.2.2支持多场景多任务推演评估

      PAsim通过不同模块功能的组合，支持快速构建任务场景并开展仿真推演，可包括星座全球遥感侦察、高动态目标接力跟踪、协同导引指控、通信链路分析等；能够根据仿真任务需求，定制化开展任务流程、事件序列的设计建模，完成仿真数据分析及任务效能评估。

2.2.3 支持外部接入及数据交互

      PAsim系统采用标准化总线协议，具备外部模型节点及半物理仿真设备节点的接入，支撑外部模型数据、任务指令、时序数据的接入，支撑动力学数据、探测数据等过程数据的同步输出，基于用户单位开展各类全数字及数字-半物理。

3、PAsim的主要性能指标

   1）航天器轨道/姿态动力学并行计算模型更新周期小于10ms；

   2）星座（高中低轨）规模支持50000颗，摄动阶次100×100阶；

   3）支持场景内十万个对象节点间几何能见性并行仿真与分析；

   4） 并行模拟1000颗星可见光和红外探测图像，帧率优于10fps；

   5）具备任务序列的编辑和自主调度功能，调度周期小于20ms；

   6）具备三维及二维态势展示功能，场景态势更新频率优于20hz;

   7）标准CORBA总线接口支撑外部全数字及半物理节点的接入；