孫艷紅,劉 冰,陳 暉,韓曉?shī)?/p>

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

編隊(duì)飛行衛(wèi)星系統(tǒng)是空間技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)之一,是提高空間系統(tǒng)性能的一個(gè)重要措施。評(píng)價(jià)衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)就是信息傳輸時(shí)效性,信息傳輸時(shí)效性是位于全球不同地點(diǎn)的2個(gè)信息終端通過(guò)衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)進(jìn)行信息傳輸?shù)臅r(shí)延性能,具有時(shí)間和地理2個(gè)方面的屬性。編隊(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)信息傳輸時(shí)效性能提高是以增加衛(wèi)星的數(shù)目為代價(jià)的,編隊(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)中衛(wèi)星的數(shù)目越多,就會(huì)增加系統(tǒng)對(duì)地面覆蓋范圍或縮短重訪周期。為了獲得信息傳輸時(shí)效性和成本的最佳平衡點(diǎn),需權(quán)衡信息傳輸時(shí)效性與衛(wèi)星個(gè)數(shù)的相互作用和影響。信息傳輸時(shí)效性通常是選擇衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的重要的驅(qū)動(dòng)因素,在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮性能和成本來(lái)滿足系統(tǒng)的信息傳輸時(shí)效性,因此研究衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的時(shí)效性具有非常重要的意義。

1 仿真平臺(tái)分析

STK是一款在航天工業(yè)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的商品化分析軟件。該軟件支持航天任務(wù)周期的全過(guò)程 ,包括概念 、需求 、設(shè)計(jì) 、制造 、測(cè)試 、發(fā)射 、運(yùn)行和應(yīng)用。STK軟件起初多用于衛(wèi)星軌道分析,最初應(yīng)用在航天、情報(bào)、雷達(dá)、電子對(duì)抗和導(dǎo)彈防御等方面。但隨著軟件的不斷升級(jí),其應(yīng)用也得到了進(jìn)一步深入,STK現(xiàn)已逐漸擴(kuò)展成為分析和執(zhí)行陸、海、空、天、電(磁)任務(wù)的專(zhuān)業(yè)仿真平臺(tái)。但STK是空間軌道設(shè)計(jì)軟件,不具備信息傳輸時(shí)延等信息系統(tǒng)性能的分析能力,需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)以擴(kuò)展STK的功能。

在編隊(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)效性仿真中,衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)對(duì)地面的覆蓋特性由STK完成,并由STK產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù),仿真數(shù)據(jù)的分析處理及最終對(duì)編隊(duì)系統(tǒng)時(shí)效性的綜合分析由VC軟件完成,這就涉及到VC與STK之間的數(shù)據(jù)和信息交換。但是STK軟件自成體系,不能直接與其他軟件實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù),要實(shí)現(xiàn)VC與STK數(shù)據(jù)交互,同樣需利用接口模塊對(duì)STK進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。利用VC開(kāi)發(fā)STK連接應(yīng)用程序的直接途徑是利用STK軟件的連接模塊STK/X,STK/X模塊可提供用戶在客戶機(jī)/服務(wù)器環(huán)境下與STK連接功能,它是使用4DX嵌入技術(shù)生成的STK整合模塊,此模塊可以將STK的功能嵌入到第三方軟件中,而無(wú)需在運(yùn)行STK界面的同時(shí)打開(kāi)STK軟件。STK/X模塊實(shí)質(zhì)上是一組ActiveX控件,它能夠被嵌入到任何支持對(duì)象連接和嵌入的應(yīng)用程序或開(kāi)發(fā)環(huán)境中。VC與STK的信息傳輸模型如圖1所示。

圖1 VC與STK的通信模型

STK/X與VC的接口如下:

①C++向STK/X傳送數(shù)據(jù)接口。由C++向STK/X發(fā)送數(shù)據(jù),主要里利用STK/X提供的類(lèi)(agstkxapplication)函數(shù) Eexcute-Command(),根據(jù)需要,將相關(guān)命令和數(shù)據(jù)按照STK的命令組成字符串,作為Execute-Command的參數(shù)執(zhí)行;

②STK/X向C++傳遞數(shù)據(jù)接口。為獲取衛(wèi)星在軌運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息,需要加入STK/X控件的消息函數(shù) OnAnimUdate(double TimeEpSec),其中參數(shù)TimeEpSec為當(dāng)前歷元。例如:建立新的工程并加入STK/X控件后,向類(lèi)中添加函數(shù)void OnAnimUpdate(double TimeEpSec),然后添加函數(shù)相關(guān)代碼。

2 基于VC與STK/X的仿真設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)在應(yīng)用上體現(xiàn)為一個(gè)空間整體,可在分析1顆衛(wèi)星信息傳輸時(shí)效性的基礎(chǔ)上,通過(guò)逐一增加衛(wèi)星顆數(shù)的方法討論衛(wèi)星數(shù)目對(duì)系統(tǒng)信息傳輸時(shí)效性的影響。衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)是區(qū)域性覆蓋系統(tǒng),全球范圍內(nèi)不同地面信息終端以存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行信息傳輸,數(shù)據(jù)傳輸延遲由2個(gè)部分組成:地面信息終端產(chǎn)生數(shù)據(jù)等待衛(wèi)星過(guò)頂?shù)臅r(shí)間和已上星的數(shù)據(jù)在星上等待下傳地面信息終端的時(shí)間。仿真中可計(jì)算不同系統(tǒng)下1個(gè)衛(wèi)星回歸周期內(nèi),全球不同地理位置的地面信息終端到某一固定位置的地面信息終端的信息傳輸延遲,并通過(guò)比較衛(wèi)星數(shù)目增加與信息傳輸時(shí)延減少的比例,獲得信息傳輸時(shí)效性和成本的最佳平衡點(diǎn)。

2.2 仿真方案設(shè)計(jì)

用VC++6.0(簡(jiǎn)稱(chēng)VC)編程統(tǒng)一程序界面,在界面中進(jìn)行各種仿真參數(shù)的設(shè)置,衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)對(duì)地面的覆蓋特性由STK完成,并由STK產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù),仿真數(shù)據(jù)的分析處理及最終對(duì)編隊(duì)系統(tǒng)時(shí)效性的綜合分析由VC完成,最后將仿真計(jì)算結(jié)果傳給Matlab,由Matlab繪制信息傳輸時(shí)延曲線。整個(gè)過(guò)程的流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)信息傳輸時(shí)效性仿真流程

整個(gè)仿真過(guò)程分為鏈接準(zhǔn)備與場(chǎng)景建立階段和數(shù)據(jù)處理與評(píng)估階段2個(gè)階段。

①鏈接準(zhǔn)備和場(chǎng)景建立階段。鏈接準(zhǔn)備和場(chǎng)景建立階段是仿真開(kāi)始的準(zhǔn)備階段,在這個(gè)階段中配置STK/X模塊的相關(guān)參數(shù)以便程序鏈接;

②數(shù)據(jù)處理和計(jì)算評(píng)估階段。數(shù)據(jù)處理和計(jì)算評(píng)估階段與場(chǎng)景建立階段交替執(zhí)行。用VC驅(qū)動(dòng)STK執(zhí)行的過(guò)程中,每完成一組方案的計(jì)算都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的文本形式或圖表形式的報(bào)告,需要對(duì)這些報(bào)告進(jìn)一步處理比較之后才能執(zhí)行下一組方案的計(jì)算和評(píng)估。

數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)處理的操作是由VC程序讀取STK的返回?cái)?shù)據(jù)后統(tǒng)計(jì)處理完成的。這樣數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算對(duì)比的過(guò)程都在VC程序中執(zhí)行。VC與STK二者的集成有效地利用了STK準(zhǔn)確的仿真能力與VC高效的數(shù)據(jù)分析能力,提高了仿真分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的靈活性。

3 仿真分析

選取位置為(116°E,39°N)為目標(biāo)信息終端 ,分析由不同數(shù)目的衛(wèi)星構(gòu)成的衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng),全球其他地區(qū)到目標(biāo)終端的信息傳輸平均時(shí)延。仿真中衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)配置參數(shù)如表1所示。

表1 衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)配置參數(shù)

取地球半徑為Re=6 378.137 km,引力參數(shù)取L=3.986×105 km3/s2,仿真步長(zhǎng)為60 s,仿真時(shí)間取8天,取631個(gè)地面終端均勻分布在地球表面。

為了更好地分析比較不同衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)信息傳輸時(shí)延,將均勻分布在全球的631個(gè)地面信息終端按不同經(jīng)度帶地區(qū)和不同緯度帶地區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)信息傳輸平均時(shí)延,其曲線如圖3和圖4所示,圖中m代表衛(wèi)星的數(shù)目。

圖3 不同緯度帶信息傳輸時(shí)延曲線

圖4 不同經(jīng)度帶信息傳輸時(shí)延曲線

由仿真繪制的信息傳輸時(shí)延曲線可以看出,由2顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng),信息傳輸時(shí)延比1顆衛(wèi)星縮短1.5×104s左右,由3顆星組成的衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)比2顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的信息傳輸時(shí)延減少0.5×104s左右,由4顆星組成的衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)比3顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)的信息傳輸時(shí)延減少0.25×104s左右,再增加衛(wèi)星的個(gè)數(shù),信息傳輸時(shí)延會(huì)減少,但減少的幅度并不是很大。因此權(quán)衡信息傳輸時(shí)效性與衛(wèi)星個(gè)數(shù),在本系統(tǒng)中可選取5顆星組成的全球區(qū)域性覆蓋的衛(wèi)星編隊(duì)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

上述編隊(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)信息傳輸?shù)臅r(shí)效性分析取得明顯效果,且分析方法不僅適用于編隊(duì)飛行的衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì),對(duì)星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)也具有參考價(jià)值。同時(shí),仿真中VC和STK的集成,有效地利用了STK準(zhǔn)確的仿真能力與VC高效的數(shù)據(jù)分析能力,拓展了STK的應(yīng)用范圍,提高了仿真分析系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。

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