基于HLA的空间探测任务仿真研究

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1、基于HLA的空间探测任务仿真研究1，211潘忠石，孟新，张丽荣（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:空间探测、HLA、仿真要素、仿真模型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，

2、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（HighLevelArchitecture，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

3、。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2.1HLA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

4、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149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

5、接口RTI接口RTI（Run-TimeInfrastructure）底层通信机制图1HLA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

6、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3.1坐标系与时间线（1

7、）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