第２９卷第６期 文章编号：１００６—９３４８（２０１２）０６—００５９—０４ 计算机仿真 ２０１２年６月 卫星编队飞行仿真中ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件的研究 范增，冯永新，赵璇，黄迎春 （沈阳理工大学通信与网络工程中心，辽宁沈阳１１０１５９） 摘要：卫星在编队飞行任务分析与可视化动态场景仿真，能使多颗卫星保持相对协同工作，但与外界交互集成能力较差。为 了能够成为ＨＬＡ（高层体系结构）的联邦成员，设计并实现了连接ＳＴＫ与ＲＴＩ的中间件。通过相关分析设计了ＳＴＫ—ＲＴＩ中 间件的功能结构，采用服务转换机制建立了ＳＴＫ／Ｃｏｎｎｅｃｔ模块功能函数和ＲＴＩ标准服务之间的映射关系，实现了ＳＴＫ和其 它联邦成员之间的交互，并在编队飞行仿真中对中间件的可行性进行了验证，拓展了ＳＴｋ的使用范围。 关键词：编队飞行；卫星工具包；公布／订购；中间件 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ｂ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＳＴＫ—ＲＴＩ Ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ ｉｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｆｌｙｉｎｇ ＦＡＮ Ｚｅｎｇ，ＦＥＮＧ Ｙｏｎｇ—ｘｉｎ，ＺＨＡＯ Ｘｕａｎ，ＨＵＡＮＧ Ｙｉｎｇ—ｃｈｕｎ （Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｈｅｎｙａｎｇ ＬｉＧｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０１５９，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌ￣ｉｏｎ ｏｆ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｌｆｙｉｎｇ，Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｔｏｏｌ Ｋｉｔ（ＳＴＫ）ｉｓ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｉｎ ｓｐａｃｅ—ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｃｅｎｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｗｅａｋｎｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒｓ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｒｅａｌｉ— ｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｊｏｉｎｉｎｇ ＳＴＫ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｆｅｄｅｒａｔｅ，ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ ｌｉｎｋｉｎｇ ＳＴＫ ａｎｄ ＲＴＩ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐａｒｔｓ ｗａｓ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｅｍｐｈａｓｉｓ ｗａｓ ｐｌａｃｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅ ｍａｐｐｉｔｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ＡＰＩ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ＳＴＫ／Ｃｏｎｎｅｃｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｓｅｒｖｉｃｅ．Ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｌｙｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＳＴＫ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｘｐａｎｄｅｄ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｌｙｉｎｇ；Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｔｏｏｌ ｋｉｔ；Ｐｕｂｌｉｓｈ／Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅ；Ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ 分析结果 Ｊ。分布式仿真的高层体系结构ＨＬＡ能够尽量涵 １ 引言 近年来，随着卫星应用需求的日益发展，小卫星编队飞 行成为人们关注的重点…。编队飞行的多颗小卫星之间能 盖建模与仿真领域涉及的各种不同类型的仿真系统，并利用 它们之间的互操作和重用，来满足复杂大系统仿真的需 要 Ｊ。ＨＬＡ采取面向对象的开放的体系结构，允许多个专 业的技术人员协同完成仿真系统开发，并与其它部门或应用 领域的仿真应用互连，实现大规模复杂系统仿真。 够保持某种相对运动状态进行协同工作，通过编队获得的巨 大等效口径或测量基线使其在电子侦察、立体成像等方面与 单颗卫星相比有了很大的优势。另外，低成本、低风险、高性 在小卫星编队飞行仿真方面，以美国空军研究实验室建 立的仿真环境最具代表性，它以Ｔｅｃｈｓａｔ一２１为背景，能够对 能、高机动性等优点也进一步促使其在空问任务中越来越受 到人们的重视。 为了降低研发的代价和新技术应用的风险，人们在航空 八颗以下卫星编队飞行进行仿真 Ｊ。在国内，有些学者利用 ＳＴＫ等仿真工具进行过编队飞行方面的视景仿真研究 ¨ ， 但他们只是在单机环境下对编队飞行进行了视景仿真；也有 的基于ＨＬＡ分布式仿真技术构建了仿真系统 Ｊ，但可视化 方面却存在明显不足。本文以基于ＨＬＡ的分布式仿真技术 为基础，通过对ＳＴＫ／Ｃｏｎｎｅｃｔ模块的深入研究，设计和实现 航天等大规模复杂系统的开发过程中普遍采用仿真技术来 进行先期的研究。ＳＴＫ是一款及其先进的系统分析软件，它 可用于分析复杂的航天、航空、陆地及海洋任务，可提供逼真 的二维、三维可视化动态场景以及精确的图表、报告等多种 基金项耳：国家自然科学基金（６０８０２０３） 收稿日期：２０１１—０６—１３修回日期：２０１１一Ｏ８一Ｏ１ 了连接ＳＴＫ和ＨＬＡ运行支撑框架ＲＴＩ的中间件，将专业的 航天视景仿真软件ＳＴＫ引入到分布式仿真系统中，拓展了 一５９— ＳＴＫ的使用范围，也丰富了基于ＨＬＡ的分布式仿真系统的 仿真成员。 的分布式仿真中，实现与其他成员的交互。 ２．２ ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件 从本质上讲ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件是一个ＨＬＡ仿真成员，因 ２分布式编队飞行视景仿真 ２．１卫星编队飞行视景 编队队形一～ 此它将具有一般成员宏观上的一切特征。但由于中问件还 负责与ＳＴＫ进行交互，这就决定了它必须要有自己独特的结 构与特性，以更好的建立起ＳＴＫ与联邦成员之间的互操作 卫星编队飞行是指一组卫星在各自轨道上运行的同时， 相互间保持一定的相位和距离，编成一定的编队模型 ，它 一般应用于微小卫星。编队小卫星在功能上相当于一颗大 卫星。 卫星编队一般都有一颗参考星，这颗参考星可以实际存 在，也可以是不存在的虚拟星。依据Ｈｉｌｌ方程可由一定的初 始条件求出各个编队卫星的轨道六要素 ，求编队卫星轨 道六要素的一般过程如图１所示。 参考星轨道 参考星地心惯 六要素 性坐标系位 置、速度 编队 卫星 地心 编队 初 惯性 卫星 始 编队 化 坐标 轨道 星相 系位 六要 Ｚ 目 对位 置和 素 置和 速度 编队规模和 方 程 速度 初始相位 图１编队卫星轨道六要素求解过程 使用ＳＴＫ对卫星编队飞行进行视景仿真时，可以直接利 用ＳＴＫ中已有的重力场模型，大气阻力模型等，以及其计算 功能，二、三维显示功能，和全面的数据报告功能等对编队飞 行的任务进行分析验证。 通过初始的编队队形选择和参考主星轨道六要素的给 定，按图１所示过程，依据相关动力学方程得到编队飞行中 编队卫星的相对位置速度状态，并转化为地心惯性坐标系中 的轨道六要素。将其作为目标值，代人ＳＴＫ中相关模型 叫 中即可实现基于ＳＴＫ的卫星编队飞行仿真。 ． 虽然单独基于ＳＴＫ的卫星编队飞行仿真在可视化、结果 分析方面优势明显，但要实现分布交互式仿真，则需要在其 基础上按照ＨＬＡ规则进行二次开发，使其符合ＨＩＡ／ＲＴＩ提 供的服务标准。 联邦运行支撑环境ＲＴＩ是按照ＨＬＡ的接口规范开发的 服务程序，是ＨＬＡ接口规范的具体实现 ，主要由全局执 行进程ＲｔｉＥｘｅｃ、联邦执行进程ＦｅｄＥｘｅｃ、ＬｉｂＲＴＩ库组成。它 提供了仿真运行管理功能，提供了底层通信传输服务，屏蔽 了网络通信程序实现的复杂性，是仿真功能与仿真运行管 理、底层通信传输三者分离的基础，它使仿真系统具有较好 的扩充性，使仿真系统中各个组成部分实现“即插即用”成为 可能㈦～ｌ１４＿。 为此，本文设计了一个连接ＳＴＫ和ＲＴＩ的中间件，通过 本中间件，该视景将会作为一个仿真成员加入到基于ＨＬＡ 一６０一 机制。 图２ ＳＴＫ—ＴＲＩ中间件功能结构 ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件在实现上采用代理成员模式，它利用 ＳＴＫ／Ｃｏｎｎｅｃｔ函数使ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件与ＳＴＫ建立连接与通 信，采用ＨＬＡ／ＲＴＩ提供的标准服务实现ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件与 ＨＬＡ其它联邦成员的交互，完成联邦运行的控制及与其它联 邦成员的数据交互。采用服务转换机制建立ＳＴＫ／Ｃｏｎｎｅｃｔ 模块功能函数和ＲＴＩ标准服务之间的映射关系。将ＳＴＫ数 据结构转换为符合ＨＩＡ数据标准的对象类／属性和交互类／ 参数以及复合数据类型，并进行必要的登记。 ３ ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件的设计与实现 ３．１ ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件内部单元 ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件核心部分由连接获取单元、配置单元、 仿真交互单元、数据显示单元、对外接口命令封单元块五个 部分组成，如图３所示。这五个单元保证了ＳＴＫ—ＲＴＩ中间 件基本功能的实现，能够将ＳＴＫ与ＨＬＡ／ＲＴＩ连接，实现将 ＳＴＫ改造成为联邦成员加入联邦运行的功能。 上述各单元中具体描述如下： １）连接获取单元使得ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件与ＳＴＫ连接并 且获取ＳＴＫ中的当前编队飞行场景相关信息，这些信息在其 余的模块中是数据基础。 ２）配置单元起到一个初始化的作用，此处可以设置端 口信息，仿真时间信息，以及编队队形信息等。 ３）仿真交互单元建立ＳＴＫ／Ｃｏｎｎｅｃｔ模块功能函数和 ＲＴＩ标准服务之间的映射关系，创建本次仿真中ＳＴＫ改造成 的联邦成员的仿真进程，在仿真进程中，依据仿真时问的推 图３ ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件单元结构 进实时公布ＳＴＫ场景中对象以及对象实例的属性，实时订购 其他成员公布的场景对象类ＳＴＫ实现与其它ＨＬＡ联邦成员 的仿真交互。 ４）ＳＴＫ接口命令封装单元将ＳＴＫ／Ｃｏｎｎｅｃ、ｔ库函数中的 ＡＰＩ封装成为动态连接库的形式，以便其它模块与ＳＴＫ进行 交互，这是所有单元得以运行的基础。 ５）信息显示单元在代理成员界面上显示仿真前、仿真 中以及仿真后所有的数据各种形式的显示，在ＳＴＫ完全后台 运行的情况下，用户通过代理成员能够直观的观察编队飞行 仿真运行状况。 ３．２ ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件的实现 使用该中间件进行卫星编队飞行仿真，需首先在中间件 中配置编队场景的端口、仿真起止时间、编队队形、卫星要素 等信息并通过配置单元将这些配置信息发送给编队信息显 示单元和ＳＴＫ，ＳＴＫ返回当前的场景信息给编队场景信息获 取单元。配置就绪后等待仿真开始。 开始仿真后，中间件中主要有两条信息流，一条是命令 交互的信息流程，另一条是对象实例及其属性的公布／订购 信息流程。 ３．２．１命令交互信息流 仿真交互单元创建本次仿真进程，在仿真进程中，仿真 交互单元负责将ＲＴＩ的联邦管理服务、时间管理服务转换为 ＳＴＩＣ／Ｃｏｎｎｅｃｔ模块的场景、动画控制服务；将ＲＴＩ的对象管 理、数据分发管理服务转换为ＳＴＫ／Ｃｏｎｎｅｃｔ模块的卫星的添 加、删除以及场景参数的设置与查询等；编队场景信息获取 单元负责将ＳＴＫ数据结构转换为符合ＨＬＡ数据标准的对象 类／属性和交互类／参数以及复合数据类型。仿真交互单元 首先对接收到的交互命令进行相关处理后转发给ＳＴＫ／Ｃｏｎ— ｎｅｃｔ，ＳＴＫ接收成功后会返回一个命令返回值给编队场景信 息获取单元，在编队场景信息获取单元将应答结果解析、转 换后发送给仿真交互单元，最后通过ＲＴＩ的对象管理、数据 分发管理服务发送给联邦的其它相关成员，以此实现ＳＴＫ与 其它ＨＬＡ联邦成员的仿真交互。 ３．２．２公布／订购信息流 对于编队场景中可公布／订购的对象类，在仿真运行中， 图４ ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件内部信息流 ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件将公布／订购这些对象类的对象实例及相 关属性。在每一个仿真步长中，仿真交互单元都需向ＳＴＫ发 出命令获取当前时刻该对象实例的属性值。这时要用到 ＳＴＫ／Ｃｏｎｎｅｃｔ模块一个重要函数ＧｅｔＲｅｐｏｒｔ（），它可获取ＳＴＫ 生成的各种报告，并返回其中的数据。 编队场景信息获取单元在对返回的数据进行必要地分 析、筛选、转换等操作后将其转发给编队信息显示单元和仿 真交互单元，仿真交互单元将其对外公布，然后向联邦提出 时间推进请求，该请求被联邦批准后与其它成员一起进入下 一个仿真步长。仿真交互单元在中间件内部建立了这样一 种机制：它能够根据ＳＴＫ中编队飞行仿真需要在其内部处理 交互，屏蔽了与ＲＴＩ的交互过程以及与ＳＴＫ的命令交互。 ４仿真实例 为了验证该中间件在卫星编队飞行仿真中的可行性，本 文以三星空间圆编队为实例基于该中间件进行仿真。给定 参考星的初始参数为：轨道长半轴７１５２ ｋｍ，偏心率 ０．０００６３４４，轨道倾角８６．４。，升交点赤经０。，近地点幅角 ３２．７。，真近点角为０。。轨道初始历元时刻为世界标准时间： １ Ｄｅｃ ２０１０ １２：Ｏ０：Ｏ０．Ｏ０，仿真时间长度为１天。 编队队形选取圆编队，编队绕飞半径取ｌｋｍ，初始相位 分别为０。、１２０。、２４０。。可得到如表１所示编队卫星的初始 轨道要素。 在ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件连接获取单元建立与ＳＴＫ的连接 后，可通过配置单元按上述轨道参数配置仿真初始状态，配 置完成后加入联邦中，等待仿真开始。 在仿真结果中，图５为ＳＴＫ中圆编队飞行三维视景，图 ６为ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件信息显示单元显示结果。在每个仿真 一６１— 步长中，ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件都通过向ＳＴＫ发出命令获取当前 时刻场景中相关的属性值，并对外公布。同时，编队信息显 示单元将当前的仿真时间、编队卫星当前轨道六要素、当前 位置、速度信息直观的显示出来，并以二维图形方式显示当 前编队的队形。 表１ 圆编队卫星轨道参数 图５ ＳＴＫ中圆编队飞行视景截图 图６中间件相关信息显示 通过和ＳＴＫ生成的报告对比，本中间件取得的数据准确 的反映了视景中编队卫星的运行状况，而将它们按照ＨＬＡ 规则时外公布以及与其他成员的交互，则使该中间件以代理 成员的身份加人到了分布式仿真系统中，降低了仿真成员问 的耦合性，扩展了ＳＴＫ的使用范围。 ５结论 作为航天领域专业的分析工具软件，ＳＴＫ强大的计算功 一６２一 能、逼真的图形显示和可靠的数据报告给卫星编队飞行仿真 带来极大的便利，ＨＬＡ仿真体系结构是当今分布式仿真技术 发展的潮流，它的高效率、低功耗特性很好的符合了大规模 复杂系统仿真的要求。本文通过设计ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件将二 者结合到了一起，拓宽了二者的使用范围，取得了很好的 效果。 参考文献： ［１］ 刘明．小卫星编队色行相对运动与队形保持控制研究［Ｄ］．上 海：上海交通大学，２００７． ［２］ 吴霞，郧建华．基于ＳＴＫ的编队飞行队形保持控制及仿真 ［Ｊ］．计算机仿真，２００７，２４（３）：６６～６８． ［３］ 章德宾，马才学，胡斌．基于ＨＬＡ／ＲＴＩ的分布式组织活动建模 研究［Ｊ］．系统仿真学报，２００８，２０（２）：５４２—５４５． ｆ４ １ Ｐ Ｚｅｔｏｃｈａ．Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｌｕｓｔｅｒ Ｃｏｍｍａｎｄ Ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆ Ｃ］． ２０００ ＩＥＥＥ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｂｉｇ Ｓｋｙ，ＭＴ，ＵＳＡ，１ ８ —２．２０００—７：４９—５４． ［５］冯永新，武金花．基于ＳＴＫ的小卫星编队飞行仿真［Ｊ］．火力 与指挥控制，２０１１，３６（３）：６７—７Ｏ． ［６］ 刘琛．基于ＨＬＡ的小卫星编队分布式仿真研究［Ｄ］．中科院 研究生院，２００９． ［７］ 苏晏，黎康．卫星编队飞行相对轨道动力学模型的比较及选用 ［Ｊ］．空间控制技术与应用，２０１０，３６（４）：５４—５８． ［８］ 宋琛，张俊宝，张莲蓬．编队飞行卫星自主相对定轨研究［Ｊ］． 计算机仿真，２０１１，２８（２）：４６—５４． ［９］林来兴，车汝才．航天器编队飞行轨道构型研究［Ｊ］．航天器 工程，２Ｏｏ９，１８（１）：２１—２９． ［１０］ 杨颖，王琦．ＳＴＫ在计算机仿真中的应用［Ｍ］．北京：国防 业出版社，２００５． ［１１］王达，邱小刚．基于ＳＴＫ—ＲＴＩ中间件的天地一体化作战建模 仿真研究［Ｊ］．系统仿真学报，２００５，１７（２）：５０１—５０３． ［１２］Ｌｅｅ，Ｊｏｎｇ Ｓｉｋ，Ｋｏｎａｎ￣，Ｋ ａｙ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｌｕｓｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ『Ｊ］．Ｓｉｍｕｌ￣ｉｏｎ，２００５，８ｌ（１）：５７—６６． ［１３］邓玲丽．基于ＨＬＡ的分布式仿真优化方法及应用研究［Ｄ］． 大连理工大学，２０１０． ［１４］ 史扬，肖明彦，陆铭华，吴金平．基于ＨＬＡ的潜艇作战仿真平 台设计与实现［Ｊ］．系统仿真学报，２０１０，２２（９）：２１０６ ～２１０９． ［作者简介］ 范增（１９８５一），男（汉族），河南省安阳市人，硕 士研究生，主要研究领域为计算机应用技术，信息 对抗。 冯永新（１９７４一），女（汉族），辽宁省沈阳市人，博 士，教授，硕士研究生导师，主要研究领域为扩频通 信技术及应用，信息对抗。 赵璇（１９８５一），男（满族），内蒙古自治区包头市人，硕士研究生， 主要研究领域为计算机应用技术，信息对抗。 黄迎春（１９７６一），男（汉族），辽宁省瓦房店人，硕士，副教授，主要 研究领域为电子对抗技术，系统仿真技术。
