年福純 薛國(guó)虎 李紅艷 王兆魁

1.中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 江蘇 江陰214431 2.清華大學(xué)航天航空學(xué)院北京100084

海上測(cè)控布站研究就是在海上測(cè)控任務(wù)已經(jīng)明確、船載測(cè)控通信設(shè)備研制改造完成、中心機(jī)任務(wù)軟件開(kāi)發(fā)完成、航天器的發(fā)射窗口、飛行軌道、飛行程序這些輸入條件確定之后,確定測(cè)量工況,即航天測(cè)量船實(shí)施測(cè)控任務(wù)時(shí)的船位、航向、航速等工況狀態(tài),一般還要給出備用測(cè)量工況以便根據(jù)需要選用[1].

Agent是一類(lèi)能感知環(huán)境,并能自治地運(yùn)行,反饋給環(huán)境,實(shí)現(xiàn)一系列目標(biāo)的計(jì)算實(shí)體或程序[2].

其在人工智能領(lǐng)域發(fā)展迅速,特別適用于為復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)提供有效的概念模型和解決途徑.

而海上測(cè)控布站會(huì)涉及到設(shè)備性能、雷達(dá)視角、海域、氣象條件等各種復(fù)雜因素的影響,一般理論方法無(wú)法滿足精確設(shè)計(jì)要求的情況,因此,本文圍繞基于Agent技術(shù)的建模仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)海上測(cè)控布站的優(yōu)化研究,主要開(kāi)展工作有:Agent開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇、海上測(cè)控布站約束因素分析、基于Agent技術(shù)測(cè)控布站建模以及優(yōu)化系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn).

1 Agent開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇

目前,多Agent建模方法和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合已成為研究復(fù)雜系統(tǒng)最為有效的手段之一.同傳統(tǒng)的建模方法相比,多Agent建模方法在復(fù)雜系統(tǒng)研究方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域,得到了廣泛的應(yīng)用[3].但隨著多Agent建模方法的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,研究系統(tǒng)越來(lái)越龐大,從零開(kāi)始開(kāi)展多Agent仿真實(shí)驗(yàn)變得越來(lái)越困難,因此,涌現(xiàn)出了一些多Agent仿真平臺(tái),比較著名的有NetLogo、Swarm、TNGLab、Repast等,相比于其他仿真平臺(tái),Repast能較好地滿足研究者需要.它以Java為主要編程語(yǔ)言,在多種操作系統(tǒng)上容易安裝和使用,具有強(qiáng)大的支持類(lèi)庫(kù),且有豐富的編程資源可供參考,本身作為開(kāi)源免費(fèi)軟件,能夠得到較多的支持.最新版本Repast Simphony結(jié)合了Eclipse這一主流Java、Logo等語(yǔ)言編寫(xiě)仿真程序代碼,也可采用Point-and-Click可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境,自動(dòng)生成大量的基礎(chǔ)代碼,在很大程度上降低了仿真實(shí)現(xiàn)的難度,使開(kāi)發(fā)人員能把更多的注意力放在Agent模型的構(gòu)建上[4?7].

2 海上測(cè)控布站約束條件[1]

在進(jìn)行海上測(cè)控布站優(yōu)化之前,都要對(duì)影響穩(wěn)定捕獲跟蹤的測(cè)控、通信等眾多約束條件進(jìn)行全面分析,選取既能滿足總體任務(wù)弧段測(cè)控覆蓋要求,又能盡量滿足各種約束條件的交集,作為測(cè)量船能否完成海上測(cè)控任務(wù)的能力分析和測(cè)量船工況設(shè)計(jì)與優(yōu)化的重要依據(jù),具體分析如下.

2.1 最大測(cè)控距離約束

無(wú)論是哪類(lèi)航天器,一般都是采用航天器上信標(biāo)機(jī)或應(yīng)答機(jī)發(fā)送信號(hào)而地面測(cè)控設(shè)備接收,以及測(cè)控設(shè)備發(fā)射信號(hào)而航天器上接收的方式.如果已知應(yīng)答機(jī)輸出功率和輸入功率,根據(jù)雷達(dá)距離方程很容易計(jì)算出最大可跟蹤距離Rmax.選擇船位時(shí)只要按照已知彈道計(jì)算出在該船位下的最大斜距R,使R

2.2 飛行器測(cè)控天線波束覆蓋約束

無(wú)線電測(cè)控設(shè)備跟蹤、控制飛行器,從測(cè)量幾何角度必須滿足飛行器的天線波束能覆蓋測(cè)量船.

1)飛行器天線波束寬度與覆蓋范圍

為了便于測(cè)控網(wǎng)跟蹤飛行器,包括火箭和衛(wèi)星,需要分析飛行器測(cè)控天線對(duì)地波束寬度與地面覆蓋范圍的關(guān)系,在飛行器的地面覆蓋帶內(nèi)設(shè)置測(cè)量船是測(cè)控節(jié)點(diǎn)布局的約束條件.

圖1 >5?仰角下飛行器天線覆蓋范圍圖

火箭測(cè)控天線一般采用全向天線,對(duì)地表能夠全向覆蓋;三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的測(cè)控天線安裝在衛(wèi)星+Z軸方向,天線波束主軸與衛(wèi)星+Z軸一致.+Z軸(或-Z軸)的指向決定了天線波束主軸的指向.通常三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的+Z軸指向地心.所以飛行器天線波束覆蓋測(cè)控站(船)的范圍取決于火箭或衛(wèi)星的飛行高度h和天線半波束寬度θs.圖1表示了在保證地面5?以上的仰角情況下飛行器天線覆蓋范圍圖.由圖1可知,在某時(shí)刻,βs角繞OS旋轉(zhuǎn)360?構(gòu)成的球冠就是衛(wèi)星天線波束覆蓋范圍.具體求解過(guò)程步驟如下.

1)首先,將天線半波束角θs與假設(shè)天線為全向天線,考慮地面測(cè)控站(船)5?以上仰角保精度測(cè)控的前提下,求得的天線半波束角之間比較大小,得出天線實(shí)際有效的對(duì)地半波束覆蓋角

而在5?仰角的臨界情況下,對(duì)應(yīng)的天線半波束角可在斜三角形AOS中利用斜三角形定理求得.即已知兩邊及其一邊的對(duì)角求其他邊和角的公式,已知邊OA=Re、邊OS=Re+h、角∠OAS=95?,求得為:

2)其次,根據(jù)實(shí)際對(duì)地半波束角θ0s求得地面覆蓋區(qū)域?qū)?yīng)的半地心角βs.

在斜三角形AOS中,已知邊OA=Re、邊OS=R+h、角e根據(jù)斜三角形定理,已知兩邊及其一邊的對(duì)角求其他邊和角的公式,首先可求得∠OAS為:

可得角∠AOS即βs為:

該式即為天線實(shí)際有效對(duì)地覆蓋范圍對(duì)應(yīng)的地心角βs計(jì)算公式.

另外,當(dāng)衛(wèi)星+Z軸不指向地心時(shí),衛(wèi)星天線波束也能覆蓋到地球,天線波束寬度一定的條件下,覆蓋帶的寬度不僅取決于衛(wèi)星飛行高度,還取決于衛(wèi)星的滾動(dòng)、俯仰姿態(tài),即+Z軸的指向.三軸穩(wěn)定地球同步衛(wèi)星的轉(zhuǎn)移軌道段處于巡航姿態(tài)時(shí),就屬于這種情況.

2.3 滿足設(shè)備跟蹤性能要求

測(cè)控設(shè)備在總體規(guī)定的測(cè)控弧段內(nèi)穩(wěn)定跟蹤目標(biāo),還需要滿足設(shè)備跟蹤性能要求.這里所說(shuō)的設(shè)備跟蹤性能是指設(shè)備能夠穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)并可靠獲取精度較高的測(cè)量信息的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo).

首先需要分析測(cè)控設(shè)備相對(duì)航天器的跟蹤仰角問(wèn)題.測(cè)量船布站時(shí)對(duì)跟蹤仰角的考慮與陸站不同之處在于,還要考慮惡劣海況造成的船搖晃動(dòng)影響.由于船搖影響一般將測(cè)控設(shè)備的遙測(cè)正常工作仰角范圍設(shè)為地平系3?,外測(cè)保精度跟蹤仰角范圍最低設(shè)為地平系5?.

其次,要受到船載測(cè)控設(shè)備的最大方位角速度、最大俯仰角速度和最大徑向速度等指標(biāo)約束,因此,分析測(cè)控設(shè)備跟蹤過(guò)程的各項(xiàng)參數(shù)在任務(wù)弧段內(nèi)是否滿足測(cè)控設(shè)備本身的指標(biāo)要求.

另外,還需考慮分析測(cè)控設(shè)備的高仰角跟蹤性能.高仰角跟蹤時(shí)主要產(chǎn)生以下影響:1)動(dòng)態(tài)滯后加大;2)天線方位運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性變差;3)跟蹤的隨機(jī)誤差增大.從以往任務(wù)高仰角跟蹤時(shí)的天線運(yùn)轉(zhuǎn)情況看,天線仰角小于75?時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn),仰角大于75?后,方位角將開(kāi)始出現(xiàn)明顯抖動(dòng).因此,在設(shè)計(jì)任務(wù)工況時(shí),在仰角過(guò)高時(shí),盡量調(diào)整船位降低航捷仰角,避免因天線航捷仰角過(guò)高引起天線方位振蕩問(wèn)題.

2.4 視角約束

航天測(cè)量船船體上甲板狹窄,測(cè)控設(shè)備的天線口徑大,其與其他桅桿、煙囪等船舶設(shè)備在呈“一”字型排列在甲板上,且相對(duì)距離較近,相對(duì)位置固定,基本上密集分布在船艘船艉線上,在天線之間及天線與船體之間的遮擋較為嚴(yán)重.因此,航向設(shè)計(jì)的目的就是使測(cè)量船到達(dá)起始測(cè)量點(diǎn)及其后整個(gè)跟蹤弧段內(nèi),各測(cè)量設(shè)備天線對(duì)目標(biāo)的指向不落在遮擋角范圍內(nèi),只要在方位上避開(kāi)方位遮擋角,俯仰遮擋角可以不予考慮.航向設(shè)計(jì)主要受方位遮擋角的約束.

2.5 氣象條件約束

與陸上測(cè)控站不同,航天測(cè)量船經(jīng)常需要在氣象條件復(fù)雜、惡劣海況多發(fā)的廣袤海洋中邊航行邊測(cè)控,因此,在海上測(cè)控任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮測(cè)控海域的氣象條件可能對(duì)測(cè)控任務(wù)的影響.

從歷年來(lái)各海區(qū)的氣象資料統(tǒng)計(jì)分析和航海經(jīng)驗(yàn)可知,一般來(lái)說(shuō),緯度越高,遇到惡劣海況的概率越大,海域氣象條件越復(fù)雜;緯度越低,海況條件越好.因此,在船位確定時(shí),在滿足測(cè)控任務(wù)情況下,應(yīng)盡量考慮選擇靠近低緯度海區(qū)的測(cè)控海域,提高航天測(cè)量船的安全性,確保測(cè)控任務(wù)完成.

3 基于Agent航天發(fā)射末段測(cè)控布站建模

3.1 測(cè)控布站Agent劃分

航天發(fā)射任務(wù)末段測(cè)控布站優(yōu)化主要指任務(wù)前根據(jù)已知的火箭與衛(wèi)星理論彈道和姿態(tài)數(shù)據(jù),在滿足各種約束條件下,進(jìn)行測(cè)量船位和航向優(yōu)化設(shè)計(jì).以某衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)末段測(cè)控為例,測(cè)控布站優(yōu)化主要是由運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、海上測(cè)量船、船載測(cè)控雷達(dá)、氣象與地理信息等環(huán)境構(gòu)成.

將所有Agent對(duì)象視為反應(yīng)型Agent,測(cè)量船Agent在后期逐步完善修正為混合型Agent.由于衛(wèi)星和火箭的屬性、行為和交互方法比較類(lèi)似,可作為一種類(lèi)型Agent,定義為飛行器Agent,根據(jù)測(cè)控布站優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)成,建立飛行器Agent、測(cè)量船Agent、測(cè)控雷達(dá)Agent和環(huán)境Agent.對(duì)象之間的交互方式是從環(huán)境中獲得自己所需的信息,反應(yīng)后,再將信息反饋到環(huán)境中,再將其提供給其他需要的Agent對(duì)象[8?10].

3.2 Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示,該優(yōu)化系統(tǒng)首先以承擔(dān)任務(wù)測(cè)控時(shí)間段為輸入,將飛行器飛行彈道和姿態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備跟蹤性能參數(shù)、氣象和地理信息數(shù)據(jù)為已知條件,每個(gè)Agent都從環(huán)境Agent中獲取自己需要的信息,根據(jù)信息各自能夠自行做出行動(dòng).先在飛行器Agent中計(jì)算承擔(dān)任務(wù)起止點(diǎn)對(duì)地覆蓋區(qū)域,并在此基礎(chǔ)上分析起止覆蓋區(qū)域的交集區(qū)域,為測(cè)量船船位選取提供基本區(qū)域;之后測(cè)量船Agent結(jié)合測(cè)控雷達(dá)Agent的跟蹤性能及視角約束,計(jì)算出測(cè)量船Agent的初始位置和航向;在船位和航向確定之后,結(jié)合已知的彈道數(shù)據(jù)再進(jìn)行測(cè)量船跟蹤性能計(jì)算,得出測(cè)控起止時(shí)間,最低和最高仰角,然后判斷是否滿足測(cè)控要求,如果滿足則結(jié)束優(yōu)化,如果不滿足將根據(jù)具體跟蹤性能與測(cè)控要求比較,按照約束規(guī)則,重新優(yōu)化計(jì)算出船位和航向,繼續(xù)迭代優(yōu)化運(yùn)算[11?14].

圖2 Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

3.3 Agent對(duì)象屬性和行為建模

3.3.1 飛行器Agent

結(jié)構(gòu):火箭一子級(jí)、二子級(jí)、三子級(jí)、測(cè)控天線等,衛(wèi)星有效載荷、平臺(tái)、測(cè)控天線等.

屬性:名稱(chēng)、時(shí)間、位置(Lon、Lat、Alt)、速度(LonRate、LatRate、AltRate)、地面覆蓋范圍和飛行器是否可見(jiàn)狀態(tài).

行為:飛行器按照已知軌(彈)道和姿態(tài)飛行行為、計(jì)算飛行過(guò)程中對(duì)地面覆蓋區(qū)域、計(jì)算起止點(diǎn)覆蓋交集區(qū).

交互行為分析:飛行器在飛行過(guò)程中,會(huì)根據(jù)交集的覆蓋范圍,向環(huán)境Agent獲取是否有測(cè)量船Agent進(jìn)入覆蓋交集區(qū),如果進(jìn)入覆蓋交集區(qū),則獲取船位信息,分析對(duì)測(cè)量船的覆蓋時(shí)間,并根據(jù)時(shí)間不斷更新自身的位置和速度信息,并將其發(fā)送給環(huán)境Agent.測(cè)量船,測(cè)控雷達(dá)依次從環(huán)境Agent獲得飛行器Agent的狀態(tài)信息,采取相應(yīng)的行為實(shí)現(xiàn)對(duì)其的跟蹤行為.

3.3.2 測(cè)量船Agent

結(jié)構(gòu):中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、船舶動(dòng)力系統(tǒng)和航海駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)等.

屬性:名稱(chēng)、船位 (Lon、Lat)、航向 (Heading)、航速 (Speed)、要求承擔(dān)的任務(wù)起止時(shí)間(TaskStartTime、TaskEndTime).

行為:依據(jù)設(shè)備跟蹤性能和視角約束在覆蓋交集區(qū)內(nèi)按照指定間隔經(jīng)緯度步長(zhǎng)遍歷更新船位、按照指定轉(zhuǎn)速遍歷航向.

交互行為分析:測(cè)量船根據(jù)測(cè)控雷達(dá)Agent反饋是否滿足跟蹤性能,如果不滿足,則測(cè)量船結(jié)合覆蓋交集區(qū)、設(shè)備性能和視角約束等情況,優(yōu)選遍歷更新船位和航向,然后將更新后的船位、航向、航速信息反饋給環(huán)境,環(huán)境再將信息發(fā)送給測(cè)控雷達(dá)重新計(jì)算跟蹤性能,若不滿足跟蹤性能會(huì)反饋給測(cè)量船Agent,然后測(cè)量船會(huì)重新更新船位、航向、航速等信息,反復(fù)迭代計(jì)算.

3.3.3 測(cè)控雷達(dá)Agent

結(jié)構(gòu):船載USB測(cè)控雷達(dá)系統(tǒng)、C+C測(cè)控雷達(dá)系統(tǒng),包含雷達(dá)天線、饋源、驅(qū)動(dòng)裝置等.

屬性:位置、頻率、發(fā)射功率、天線增益、接收機(jī)系數(shù)、接收機(jī)等效噪聲帶寬、最小信噪比、探測(cè)半徑和探測(cè)夾角 (探測(cè)區(qū)域邊界和探測(cè)軸線之間的夾角)、跟蹤起始時(shí)刻及其對(duì)應(yīng)仰角 (StartT、StartEl)、最大仰角及對(duì)應(yīng)時(shí)刻(MaxEl、MaxElT)、跟蹤終止時(shí)刻及其對(duì)應(yīng)仰角(EndT、EndEl)、總計(jì)連續(xù)跟蹤時(shí)間(Duration).

行為:感知探測(cè)區(qū)域內(nèi)飛行器、接收回波、信號(hào)處理、按照目標(biāo)移動(dòng)方向調(diào)整探測(cè)軸線指向、將跟蹤性能參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給環(huán)境Agent.

交互行為分析:通過(guò)測(cè)量船Agent接收測(cè)控雷達(dá)位置和方向信息,接收飛行器Agent軌道姿態(tài)數(shù)據(jù),計(jì)算對(duì)飛行器的跟蹤性能,分析出關(guān)鍵跟蹤參數(shù)包括跟蹤起止時(shí)刻和對(duì)應(yīng)仰角,以及最大仰角(即航捷角)及對(duì)應(yīng)時(shí)刻,結(jié)合氣象和地理信息情況約束規(guī)則,判斷當(dāng)前船位和航向是否滿足測(cè)控任務(wù)需求.如果不滿足,將向測(cè)量船Agent發(fā)送不滿足測(cè)控需求信息,如果滿足,則結(jié)束布站優(yōu)化.

由于測(cè)控雷達(dá)在船上一字型安裝,存在相互遮擋情況,具有360?視角遮擋參數(shù)文件可供視角約束規(guī)則使用.

3.3.4 環(huán)境Agent

結(jié)構(gòu):環(huán)境主要是指對(duì)象所處物理環(huán)境和信息環(huán)境.

屬性:Agent的類(lèi)型、數(shù)目、關(guān)系、感知半徑.行為:接收Agent信息請(qǐng)求,提供信息,并保存Agent的更新信息.

交互行為分析:Agent請(qǐng)求,響應(yīng),Agent動(dòng)作后,更新其信息.

4 發(fā)射末段測(cè)控布站仿真優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

4.1 仿真平臺(tái)及初始參數(shù)配置

4.1.1 仿真平臺(tái)及系統(tǒng)組成

優(yōu)化系統(tǒng)基于Repast仿真平臺(tái)構(gòu)建,主要由Agent類(lèi)、Model類(lèi)、數(shù)據(jù)源、環(huán)境、時(shí)間表和事件類(lèi)組成.

1)Agent類(lèi)

Agent類(lèi)主要用來(lái)描述實(shí)際系統(tǒng)中的個(gè)體屬性和行為規(guī)則.構(gòu)建Agent類(lèi)是仿真優(yōu)化最主要的工作,在實(shí)際個(gè)體數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)Agent的基本框架來(lái)構(gòu)建.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的Agent類(lèi)有:

OrbitAgent類(lèi):代表飛行器Agent,具有軌道和姿態(tài)信息屬性;

ZoneAgent類(lèi):表示飛行器對(duì)地面5?以上仰角覆蓋的區(qū)域類(lèi);

IntersectZoneAgent類(lèi):代表任務(wù)起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)刻飛行器對(duì)地面覆蓋區(qū)域的交集區(qū)域類(lèi);

ShipAgent類(lèi):代表測(cè)量船和測(cè)控雷達(dá)Agent,將兩個(gè)Agent合并為一個(gè)Agent類(lèi)進(jìn)行設(shè)計(jì),包含測(cè)量船Agent和測(cè)控雷達(dá)Agent對(duì)應(yīng)的屬性和行為總和.

2)環(huán)境

環(huán)境是對(duì)應(yīng)Agent類(lèi)的運(yùn)行環(huán)境,即環(huán)境Agent.其包括一個(gè)Context接口和各種空間類(lèi).Repast提供多種空間類(lèi),不僅有基本的2D、3D空間,還支持GIS、Network等復(fù)雜環(huán)境.本系統(tǒng)基于GIS 3D空間類(lèi)建立起系統(tǒng)模型,所有Agent個(gè)體都基于GIS 3D空間環(huán)境基礎(chǔ)上創(chuàng)建,提供各種指定空間范圍內(nèi)幾何Agent對(duì)象搜索、遍歷功能,本系統(tǒng)首先創(chuàng)建了一個(gè)Context類(lèi):ContextCreator類(lèi),然后在ContextCreator中創(chuàng)建了GIS 3D空間.

另外,Model類(lèi)使用Repast提供的默認(rèn)模型類(lèi)SimpleModel作為仿真模型的Model類(lèi).

數(shù)據(jù)源直接使用默認(rèn)數(shù)據(jù)源接口,直接通過(guò)其向分析和顯示模塊傳輸數(shù)據(jù).

時(shí)間表和事件類(lèi)Repast也已經(jīng)提供好相關(guān)配置,無(wú)需額外設(shè)計(jì)編寫(xiě),直接使用即可.

4.1.2 初始化參數(shù)配置

本系統(tǒng)初始化參數(shù)配置包含3項(xiàng)參數(shù):

MoveDeltLat和MoveDeltLon值:為測(cè)量船在覆蓋交集區(qū)內(nèi)進(jìn)行遍歷時(shí),每個(gè)Tick步長(zhǎng)間的緯度和經(jīng)度間隔,為double類(lèi)型,該值一般根據(jù)覆蓋交集區(qū)大小適當(dāng)選擇,值越小,船位遍歷的就越密,值越大,船位遍歷的就越稀,初始輸入值分別設(shè)為1?.

TaskDurationTime值:為測(cè)量船所承擔(dān)任務(wù)的時(shí)間段,即下達(dá)的任務(wù)弧段,值得注意的是,此處可以連續(xù)設(shè)置多艘測(cè)量船承擔(dān)的任務(wù)時(shí)間段,中間用分號(hào)(;)分開(kāi)設(shè)置,每一段又都包含起始時(shí)和終止時(shí),為此,使用測(cè)量船的數(shù)量及其各自承擔(dān)的弧段都可以表示出.

另外,針對(duì)具體的某一次任務(wù),其飛行器的飛行軌(彈)道和姿態(tài)數(shù)據(jù)、測(cè)量船雷達(dá)視角遮擋數(shù)據(jù)均以文件的形式預(yù)先讀入系統(tǒng)中,不需系統(tǒng)界面輸入.

4.2 仿真軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主界面采用Repast傳統(tǒng)界面,如圖3所示,在界面的上側(cè),主要有菜單欄和工具欄;在界面左側(cè)區(qū)域中的場(chǎng)景樹(shù)、參數(shù)、運(yùn)行選項(xiàng)等界面;在右側(cè)主活動(dòng)區(qū)主要包含GIS 3D空間和自定義配置用于分析的曲線圖界面等.

1)場(chǎng)景樹(shù)窗口

該窗口是布站優(yōu)化系統(tǒng)的集中配置區(qū),在該窗口中首先要在Data Loaders中將環(huán)境類(lèi)ContextCreator導(dǎo)入,接著在Data Sets中導(dǎo)入要分析的Agent屬性參數(shù);然后就可以在Charts中選擇要分析的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行圖表顯示分析;在Displays中選擇GIS 3D空間環(huán)境,載入要顯示的Agent對(duì)象,用三維立體方式演示仿真過(guò)程;在Text Sinks中將仿真數(shù)據(jù)輸出為文本,便于后續(xù)分析之用.

2)運(yùn)行選項(xiàng)窗口

該窗口主要負(fù)責(zé)控制仿真過(guò)程,可以設(shè)置Tick的起止值和Tick的間隔時(shí)間等.例如,如果需要在顯示窗口中仔細(xì)分析在前后兩個(gè)Tick之間的Agent變化情況,即可將Tick間隔時(shí)間調(diào)大些,以便于分析.

3)GIS 3D顯示窗口

該窗口用三維立體的形式將整個(gè)演化過(guò)程表現(xiàn)出來(lái),基于WorldWind虛擬地球三維平臺(tái),可以在左側(cè)選擇要顯示的圖層和Agent對(duì)象,在軟件連接互聯(lián)網(wǎng)的情況下,可以很清晰地載入各種類(lèi)型的GIS圖層數(shù)據(jù),包括影像、地形、國(guó)界線、大氣、地名、街道地圖等,展示精確可信,效果出色.

4.3 仿真實(shí)例分析

圖3 優(yōu)化系統(tǒng)主界面圖

圖4 一個(gè)遍歷周期內(nèi)船位信息仿真結(jié)果圖

圖5 一個(gè)遍歷周期內(nèi)跟蹤時(shí)間仿真結(jié)果

新建一個(gè)飛行器Agent,給定飛行軌道、姿態(tài)數(shù)據(jù),新建測(cè)量船Agent,給定承擔(dān)測(cè)控弧段為起飛后第600s到750s,基于此即可通過(guò)循環(huán)仿真,對(duì)測(cè)量船船位和航向進(jìn)行遍歷優(yōu)選.圖4將船位數(shù)據(jù)在Tick循環(huán)中進(jìn)行了遍歷仿真,得出船位值和Tick值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,便于后續(xù)分析仰角和測(cè)控時(shí)間時(shí)取用.圖5分析出每個(gè)Tick值對(duì)應(yīng)的跟蹤起止時(shí)刻和最大仰角對(duì)應(yīng)的時(shí)刻(此處時(shí)刻為相對(duì)起飛絕對(duì)時(shí)的相對(duì)時(shí)刻).可看出,跟蹤起點(diǎn)均小于600s,跟蹤終點(diǎn)時(shí)間均大于750s,滿足任務(wù)測(cè)控時(shí)間弧段要求.圖6分析出每個(gè)Tick值對(duì)應(yīng)的跟蹤起止仰角值和整個(gè)跟蹤過(guò)程中最大仰角值,可看出,最低仰角均能滿足5?以上,最大仰角部分船位均會(huì)超過(guò)75?以上,因此,可在最大仰角在75?以下區(qū)域?qū)?yīng)的船位中優(yōu)選.通過(guò)結(jié)合3張圖分別與Tick一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,可以分析出所需的船位與跟蹤時(shí)間和跟蹤仰角情況之間的關(guān)系.

圖7和圖8分別為利用仿真結(jié)果文本輸出數(shù)據(jù),利用Matlab制圖.圖7為船位與最大仰角對(duì)應(yīng)關(guān)系三維圖,通過(guò)該圖可直觀分析最大仰角來(lái)優(yōu)選船位對(duì)應(yīng)地理區(qū)域.圖8為船位與跟蹤總時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系三維圖,可看出,跟蹤總時(shí)長(zhǎng)絕大部分船位均能滿足150s以上連續(xù)測(cè)控,再結(jié)合圖5的起止測(cè)控時(shí)間,可分析出,均能覆蓋測(cè)控任務(wù)要求的600s到750s時(shí)間段,通過(guò)該圖可分析跟蹤總時(shí)長(zhǎng)來(lái)優(yōu)選船位對(duì)應(yīng)地理區(qū)域.

圖6 一個(gè)遍歷周期內(nèi)跟蹤仰角仿真結(jié)果

圖7 測(cè)量船位對(duì)應(yīng)的最大仰角圖

圖8 測(cè)量船位對(duì)應(yīng)的跟蹤總時(shí)長(zhǎng)圖

5 結(jié)論

仿真結(jié)果表明,該測(cè)控布站優(yōu)化系統(tǒng)能夠分析出滿足測(cè)控任務(wù)要求的船位優(yōu)選區(qū)域,并且可從中進(jìn)一步分析得出:在滿足跟蹤弧段要求的前提下,測(cè)量船海上布站在飛行器軌跡兩側(cè)條帶狀區(qū)域,仰角和總測(cè)控時(shí)長(zhǎng)較為適宜布站,結(jié)合實(shí)際的地理海域,如避開(kāi)專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)和當(dāng)時(shí)氣象條件等情況,可進(jìn)一步分析出具體布站船位與航向.

限于研究時(shí)間有限,目前,該布站優(yōu)化系統(tǒng)還仍有很大改進(jìn)完善之處,約束因素沒(méi)有全部實(shí)現(xiàn),后續(xù)工作之中,將根據(jù)實(shí)際情況,繼續(xù)開(kāi)展相關(guān)研究.