基于HLA的空间探测任务仿真研究.pdf

149基于基于 HLA 的空间探测任务仿真研究的空间探测任务仿真研究 潘忠石1，2，，孟新1，，张丽荣1 （1. 中国科学院空间科学与应用研究中心，北京 100190） 2. 中国科学院研究生院，北京 100190） 摘摘 要：要：本文针对空间探测任务论证的需要，给出了基于 HLA 的空间探测任务仿真系统的设 计思路，重点分析了构建仿真系统的要素和仿真模型并通过对“双星计划” 、 “星载光学相 机” 的仿真验证了方案的可行性 最后结果表明， 仿真系统对于空间探测任务的设计、 分析、 论证具有重要的应用价值 关键词:关键词: 空间探测、HLA、仿真要素、仿真模型 1 引言 1 引言 空间科学任务仿真中心（即空间科学与探测任务论证支持系统） ，是一个由计算机、网 络、 多媒体驱动和软件装备的设计平台， 它支持一组不同学科的专家在该设施上应用并行的 方法来设计空间任务空间任务的论证涉及到多个分系统，融合多个学科，以及大量、繁琐 的数据系统仿真是进行空间任务论证的一个重要手段 高层体系结构（High Level Architecture，HLA）是美国国防部于 1995 年提出的一种分 布式交互仿真的体系结构，其显著特点是支持各类系统仿真；支持基于组件（对象）的仿真 应用的开发；具有通用的、开放的、可根据不同应用领域定制的数据语义互操作协议和将仿 真功能与通用的支撑系统相分离的体系结构等。

因此在解决异构、分布、协同的仿真模型和 仿真系统的互操作、可重用、灵活性和可扩充性方面比以往的其他标准具有明显的优势本 文基于 HLA 的分布式仿真机制，分析空间探测任务各仿真要素、仿真模型，并通过两个仿 真应用实例对仿真系统的功能、性能进行验证 2 系统推进运行机制 2 系统推进运行机制 2.1 HLA 体系结构 HLA 是一个通用的仿真技术框架，它定义了构成仿真各部分的功能及相互间的关系因其良好的可扩充性和重用性，HLA 被国内外广泛接受并采纳为 IEEE1516 的国际仿真标准HLA/RTI 涉及到了几个基本概念如下： （1） 联邦（Federation）：为实现某种特定的仿真目的而组织到一起，并能够彼此进行交互作用的仿真系统、支撑软件和其他相关的部件就构成一个联邦，其执行过程成为联邦执行，也称为邦联； （2） 联邦成员（Federate）：组成联邦的各仿真应用系统称为联邦成员，简称邦元； （3） 对象（Object）：对象在这里某一应用领域内所要进行仿真的物体建立的模型 联邦由三个相互关联的部分组成： （1）HLA 框架和规则，它定义了在联邦设计阶段必须遵循的基本准则， 保证仿真运行时联邦成员间的互操作性， 并描述了仿真和联邦成员的责任以及它们同 RTI 之间的关系；（2）运行支撑结构 RTI，它为多种类型仿真的交互提供通用150服务，是仿真运行的接口规范；（3）对象模型模版 OMT，是对仿真中的 HLA 对象属性及 HLA对象间信息交换的格式和内容进行描述、 定义的规范， 使联邦成员间互操作的 “交互协议” 。

联邦成员 联邦成员 联邦成员 RTI接口 RTI接口RTI接口 RTI（Run-Time Infrastructure） 底层通信机制 …… 图 1 HLA 框架下联邦组成的逻辑示意图 HLA 的关键组成部分是接口规范，它定义了六大类的标准服务，即联邦管理服务、声明管理服务、对象管理服务、时间管理服务、所有权管理服务和数据分发管理服务，这六大类服务实际上反映了为有效解决联邦成员间的互操作所必须实现的功能 2.2 运行控制机制 空间探测任务仿真系统的运行推演以仿真想定为主轴，以各联邦成员的操作控制为驱 动，由仿真运行控制成员控制整个系统的运行过程主要包括建立各个仿真模型的连接，组 成可执行的仿真联邦， 按照想定中的任务实施方案建立仿真推进机制控制各个仿真模型输出 所需的结果数据 仿真想定描述了一个合成环境，主要描述特定任务运行环境（空间环境，大气，海洋， 地理环境等） 、探测资源、任务目标等实体的行为和活动想定系统根据任务执行的基本规 则，对参与仿真实体的类型、数量，实体间的交互等信息进行描述，实施仿真推演管理 空间探测任务的仿真推演与时间密切相关，既要确保各个联邦成员之间时间上的同步， 又要保证仿真时间与真实时间的映射关系。

因此，在仿真运行过程中，需要时间推进机制对 仿真过程进行控制 时间推进控制的主要参数包括当前仿真时刻和仿真步长等 通过 “开始” 、 “暂停” 、 “继续” 、 “加速” 、 “减速” 、 “停止”等事件控制仿真进程 3 仿真要素分析 3 仿真要素分析 3.1 坐标系与时间线 （1） 坐标系 坐标系是航天任务设计、分析、仿真的基础对空间各实体及其所处的环境都在指定的坐标系进行描述， 任务仿真及可视化需要对数据在不同的坐标系之间转换 空间探测任务仿真系统涉及的空间范围广，从地面的地面站、目标，到空间的飞行器、空间环境，甚至到深层空间的天体因此，空间探测任务仿真需要复杂的坐标系系统 空间探测任务仿真系统需要的坐标系主要包括地球惯性坐标系、地球固定坐标系、卫星本体坐标系、卫星惯性坐标系、地平坐标系、日心黄道坐标系等等仿真系统需要构建出上述坐标系， 并能够实现数据在不同坐标系下的快速转换， 以便于将各种类型数据处理为同一坐标系下的数据，进而完成后续计算和分析 （2） 时间线 时间不能完全脱离空间，而必须和空间结合在一起，形成所谓的空间-时间的客体时151间是物质存在和运动的客观形式， 实体的表征和现象随时间变化而变化， 其形体和几何位置都是时变的，有明显的时序特征，具有明确的时间标签。

在空间任务中，常用的时间系统包括：世界时、地方平时、格林尼治的时间、北京时间、星上时等等 对空间探测任务来说，大多数数据都是与时间有严格对应关系的时间决定了恒星、行星、卫星之间的位置关系，决定了各种空间环境、空间现象的即时状态，决定了各种空间任务的执行过程等等因此，空间数据的时间特性可以用来控制系统仿真进程 3.2 实体要素 （1） 探测资源实体 探测资源实体是空间探测任务的主要执行机构，包含空间任务执行的五个系统，分别是 卫星及其有效载荷、运载、发射场、测控及地面应用系统其中卫星及其有效载荷、测控及 地面应用系统是空间探测任务仿真最主要的仿真实体 在仿真系统中，卫星对象包括不同轨道、不同型号的卫星平台，卫星平台通过携带不同 类型的载荷，具备通信、探测、导航、空间科学实验等多种用途测控及地面应用系统对卫 星实施跟踪测量、控制以及进行通信和数据传输，可以进一步划分为测控地面站、数据接收 地面站、运行控制中心、信息应用中心等不同类型的实体 通过对卫星、测控及地面应用系统等实体，可以实现空间探测任务仿真系统的主体，完 成对任务执行过程最为基础的仿真分析功能 （2） 任务目标 任务目标是卫星等探测资源作用的对象，任务目标可能是确定的，也可能是不确定的。

对任务目标的建模，可以根据有效载荷的探测特性，对目标的某些特性进行模拟例如，空 间环境探测任务，就可以根据先验知识，对某些粒子的空间分布进行建模，如范艾伦（Van Allen）辐射带模型等，以分析飞行器是否能探测到关心的区域再比如对地面目标进行光 学探测，就需要对目标的光学特性进行建模，以分析探测效果 （3） 背景环境 环境总是针对某一中心事物而言的对于空间探测任务来说，这里所关心的环境主要是 指能对探测、通信效果产生约束的外部因素一般来说，目标与背景环境相互交织，并没有 明显界限，只是主观的探测对象是任务目标，而背景环境可认为是影响探测的“噪声” 如 影响传感器探测效果的能见度、电磁环境，影响卫星平台及传感器的工作状态的辐射带、地 球磁场等 背景环境可以按分布细分为光照、大气环境、空间天体、空间环境、地表环境等等在 采用光学传感器进行探测时， 光照是影响探测质量的重要因素； 大气环境主要包括指不同仿 真时刻的目标区域的气象条件， 如云量对光学探测影响显著， 而阴雨天气对通信也有不同程 度的影响空间天体指空间的恒星、行星、卫星以及人造飞行器在对空间目标进行探测， 如模拟飞行器交会对接时，空间天体是探测中重要的背景物体。

3.3 交互要素 （1） 覆盖 覆盖计算是分析有效载荷是否探测到目标区域的重要交互计算模型，覆盖性能的评估在 空间探测任务设计中起着重要的作用 覆盖性能指标通常是判断卫星轨道姿态、 有效载荷等 设计优劣的一项重要指标 覆盖计算主要根据卫星覆盖地面或空间点需要满足的条件，求解整个仿真时间内卫星对152目标的覆盖时刻集；如果有多颗卫星构成的探测任务，可以合并所有卫星的覆盖时刻集，根 据合并后得到的覆盖时刻集，计算多星对目标的各重覆盖性能指标 （2） 通信 通信是空间探测任务必需考虑的设计内容 在空间探测任务中， 通信主要包括测控通信、 数据下行传输通信、GPS 测量通信等等遥测遥控通信主要用于测控地面站对卫星的遥测、 遥控 数据下行传输通信是指卫星将探测到的数据通过数传信道下传到地面数据接收站， 一 般来说，数据下行传输通信采用非对称通信，主要是数据下行同时它的带宽要比测控通信 要宽，传输的数据量也要大得多 空间探测任务仿真系统重点支持有效载荷系统的设计， 有效载荷探测的数据需要全部发 送到地面数据接收站，有效载荷的数据采集频率、数据量都是需要重点要设计论证的参数 因此，数据下行传输通信是重点仿真的对象。

4 主要仿真模型研究 4 主要仿真模型研究 4.1 卫星平台模型 （1） 运动学模型 运动学模型提供对卫星轨道和姿态控制的仿真轨道仿真可以采用二体模型、三体模 型或其他更为复杂的模型实现模型输入为轨道根数，输出为当前时刻卫星的空间位置对 于卫星姿态控制方式主要考虑三轴稳定或自旋稳定方式下的姿态控制模型， 输出为当前时刻 卫星的姿态参数 （2） 星务管理模型 星务管理系统用于对星上各种资源进行管理，按卫星飞行任务进行自主飞行管理，并 与地面站建立通路， 完成遥测遥控功能 空间探测任务仿真系统重点关注星务管理系统对有 效载荷的管理，主要是通过各种遥控指令实现对有效载荷的控制功能 对于部分具有有效载荷数据管理系统的卫星，本系统对应的星务管理功能主要指对有 效载荷数据管理系统的仿真， 仿真对象包括总线控制器、 大容量存储器、 复接器、 发射机等 （3） 电源功耗模型 电源功耗模型用于模拟星载电能存储设备剩余电量供电系统的输入是太阳帆板或其 他光电转换设备；电源输出主要是星上各设备，其中平台设备的耗电量比较稳定，因此可以 计算出可能提供给载荷和通信设备的电能，进而对可能的连续探测或通信时间提供约束条 件。

4.2 有效载荷模型 （1） 覆盖模型 覆盖模型主要考虑传感器与地面或目标的几何位置关系，用于模拟传感器对地观测的 范围输入参数包括卫星的轨道、姿态，传感器安装位置，传感器孔径类型、视场角，地球 及目标的空间位置参数等；输出参数包括视场类型、刈幅宽度、覆盖边界、目标是否被覆盖 等 （2） 探测质量模型 探测质量模型是在考虑光照、云层、电磁干扰等因素的情况下，模拟传感器的探测品 质输入参数包括传感器特性、图像分辨率、目标状态、目标周边云层、太阳入射角及其他 环境情况等；输出参数为分辨率、信噪比及其他图像品质参数等 1534.3 地面系统模型 （1） 运行控制模型 运行控制模型用于仿真测控站对卫星平台的运行控制功能运行控制模型主要实现地 面站对卫星遥控的模拟，遥控指令分为两大类，一类是对卫星平台的控制，一类是对星上传 感器状态的控制具体内容包括：卫星上传感器开机、关机与备份切换控制；变轨、轨道调 整、轨道维持；姿态机动等等 （2） 数据接收处理模型 数据接收处理模型的主要功能是仿真地面站对探测数据的接收利用对卫星平台过站 弧段的计算， 计算通信的可行性， 并根据。