基于STK/X的衛(wèi)星系統(tǒng)信息傳輸時效性仿真

孫艷紅,劉 冰,陳 暉,韓曉娛

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

編隊飛行衛(wèi)星系統(tǒng)是空間技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢之一,是提高空間系統(tǒng)性能的一個重要措施。評價衛(wèi)星編隊系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)就是信息傳輸時效性,信息傳輸時效性是位于全球不同地點的2個信息終端通過衛(wèi)星編隊系統(tǒng)進(jìn)行信息傳輸?shù)臅r延性能,具有時間和地理2個方面的屬性。編隊衛(wèi)星系統(tǒng)信息傳輸時效性能提高是以增加衛(wèi)星的數(shù)目為代價的,編隊衛(wèi)星系統(tǒng)中衛(wèi)星的數(shù)目越多,就會增加系統(tǒng)對地面覆蓋范圍或縮短重訪周期。為了獲得信息傳輸時效性和成本的最佳平衡點,需權(quán)衡信息傳輸時效性與衛(wèi)星個數(shù)的相互作用和影響。信息傳輸時效性通常是選擇衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的重要的驅(qū)動因素,在設(shè)計時要綜合考慮性能和成本來滿足系統(tǒng)的信息傳輸時效性,因此研究衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的時效性具有非常重要的意義。

1 仿真平臺分析

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)周期的全過程 ,包括概念 、需求 、設(shè)計 、制造 、測試 、發(fā)射 、運行和應(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、雷達(dá)、電子對抗和導(dǎo)彈防御等方面。但隨著軟件的不斷升級,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)的專業(yè)仿真平臺。但STK是空間軌道設(shè)計軟件,不具備信息傳輸時延等信息系統(tǒng)性能的分析能力,需要進(jìn)行二次開發(fā)以擴(kuò)展STK的功能。

在編隊衛(wèi)星系統(tǒng)時效性仿真中,衛(wèi)星編隊系統(tǒng)對地面的覆蓋特性由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編隊系統(tǒng)時效性的綜合分析由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時交互數(shù)據(jù),要實現(xiàn)VC與STK數(shù)據(jù)交互,同樣需利用接口模塊對STK進(jìn)行二次開發(fā)。利用VC開發(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/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,而無需在運行STK界面的同時打開STK軟件。STK/X模塊實質(zhì)上是一組ActiveX控件,它能夠被嵌入到任何支持對象連接和嵌入的應(yīng)用程序或開發(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(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)星在軌運行的實時信息,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

2.1 設(shè)計思路

衛(wèi)星編隊系統(tǒng)在應(yīng)用上體現(xiàn)為一個空間整體,可在分析1顆衛(wèi)星信息傳輸時效性的基礎(chǔ)上,通過逐一增加衛(wèi)星顆數(shù)的方法討論衛(wèi)星數(shù)目對系統(tǒng)信息傳輸時效性的影響。衛(wèi)星編隊系統(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/轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行信息傳輸,數(shù)據(jù)傳輸延遲由2個部分組成:地面信息終端產(chǎn)生數(shù)據(jù)等待衛(wèi)星過頂?shù)臅r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間。仿真中可計算不同系統(tǒng)下1個衛(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,并通過比較衛(wèi)星數(shù)目增加與信息傳輸時延減少的比例,獲得信息傳輸時效性和成本的最佳平衡點。

2.2 仿真方案設(shè)計

用VC++6.0(簡稱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)星編隊系統(tǒng)對地面的覆蓋特性由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編隊系統(tǒng)時效性的綜合分析由VC完成,最后將仿真計算結(jié)果傳給Matlab,由Matlab繪制信息傳輸時延曲線。整個過程的流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)信息傳輸時效性仿真流程

整個仿真過程分為鏈接準(zhǔn)備與場景建立階段和數(shù)據(jù)處理與評估階段2個階段。

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

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

數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)處理的操作是由VC程序讀取STK的返回數(shù)據(jù)后統(tǒng)計處理完成的。這樣數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和計算對比的過程都在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)星編隊系統(tǒng),全球其他地區(qū)到目標(biāo)終端的信息傳輸平均時延。仿真中衛(wèi)星編隊系統(tǒng)配置參數(shù)如表1所示。

表1 衛(wèi)星編隊系統(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,仿真步長為60 s,仿真時間取8天,取631個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)星編隊系統(tǒng)信息傳輸時延,將均勻分布在全球的631個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)計信息傳輸平均時延,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延曲線

圖4 不同經(jīng)度帶信息傳輸時延曲線

由仿真繪制的信息傳輸時延曲線可以看出,由2顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星編隊系統(tǒng),信息傳輸時延比1顆衛(wèi)星縮短1.5×104s左右,由3顆星組成的衛(wèi)星編隊系統(tǒng)比2顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的信息傳輸時延減少0.5×104s左右,由4顆星組成的衛(wèi)星編隊系統(tǒng)比3顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的信息傳輸時延減少0.25×104s左右,再增加衛(wèi)星的個數(shù),信息傳輸時延會減少,但減少的幅度并不是很大。因此權(quán)衡信息傳輸時效性與衛(wèi)星個數(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)星編隊系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

上述編隊衛(wèi)星系統(tǒng)信息傳輸?shù)臅r效性分析取得明顯效果,且分析方法不僅適用于編隊飛行的衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計,對星座系統(tǒng)設(shè)計也具有參考價值。同時,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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