基于STK/X的衛星系統信息傳輸時效性仿真

孫艷紅,劉 冰,陳 暉,韓曉娛

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

編隊飛行衛星系統是空間技術領域的發展趨勢之一,是提高空間系統性能的一個重要措施。評價衛星編隊系統性能的一個重要指標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個信息終端通過衛星編隊系統進行信息傳輸的時延性能,具有時間和地理2個方面的屬性。編隊衛星系統信息傳輸時效性能提高是以增加衛星的數目為代價的,編隊衛星系統中衛星的數目越多,就會增加系統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,需權衡信息傳輸時效性與衛星個數的相互作用和影響。信息傳輸時效性通常是選擇衛星編隊系統的重要的驅動因素,在設計時要綜合考慮性能和成本來滿足系統的信息傳輸時效性,因此研究衛星編隊系統的時效性具有非常重要的意義。

1 仿真平臺分析

STK是一款在航天工業領域處于領先地位的商品化分析軟件。該軟件支持航天任務周期的全過程 ,包括概念 、需求 、設計 、制造 、測試 、發射 、運行和應用。STK軟件起初多用于衛星軌道分析,最初應用在航天、情報、雷達、電子對抗和導彈防御等方面。但隨著軟件的不斷升級,其應用也得到了進一步深入,STK現已逐漸擴展成為分析和執行陸、海、空、天、電(磁)任務的專業仿真平臺。但STK是空間軌道設計軟件,不具備信息傳輸時延等信息系統性能的分析能力,需要進行二次開發以擴展STK的功能。

在編隊衛星系統時效性仿真中,衛星編隊系統對地面的覆蓋特性由STK完成,并由STK產生仿真數據,仿真數據的分析處理及最終對編隊系統時效性的綜合分析由VC軟件完成,這就涉及到VC與STK之間的數據和信息交換。但是STK軟件自成體系,不能直接與其他軟件實時交互數據,要實現VC與STK數據交互,同樣需利用接口模塊對STK進行二次開發。利用VC開發STK連接應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/服務器環境下與STK連接功能,它是使用4DX嵌入技術生成的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用程序或開發環境中。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傳送數據接口。由C++向STK/X發送數據,主要里利用STK/X提供的類(agstkxapplication)函數 Eexcute-Command(),根據需要,將相關命令和數據按照STK的命令組成字符串,作為Execute-Command的參數執行;

②STK/X向C++傳遞數據接口。為獲取衛星在軌運行的實時信息,需要加入STK/X控件的消息函數 OnAnimUdate(double TimeEpSec),其中參數TimeEpSec為當前歷元。例如:建立新的工程并加入STK/X控件后,向類中添加函數void OnAnimUpdate(double TimeEpSec),然后添加函數相關代碼。

2 基于VC與STK/X的仿真設計

2.1 設計思路

衛星編隊系統在應用上體現為一個空間整體,可在分析1顆衛星信息傳輸時效性的基礎上,通過逐一增加衛星顆數的方法討論衛星數目對系統信息傳輸時效性的影響。衛星編隊系統是區域性覆蓋系統,全球范圍內不同地面信息終端以存儲/轉發方式進行信息傳輸,數據傳輸延遲由2個部分組成:地面信息終端產生數據等待衛星過頂的時間和已上星的數據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下1個衛星回歸周期內,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,并通過比較衛星數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 仿真方案設計

用VC++6.0(簡稱VC)編程統一程序界面,在界面中進行各種仿真參數的設置,衛星編隊系統對地面的覆蓋特性由STK完成,并由STK產生仿真數據,仿真數據的分析處理及最終對編隊系統時效性的綜合分析由VC完成,最后將仿真計算結果傳給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 系統信息傳輸時效性仿真流程

整個仿真過程分為鏈接準備與場景建立階段和數據處理與評估階段2個階段。

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

②數據處理和計算評估階段。數據處理和計算評估階段與場景建立階段交替執行。用VC驅動STK執行的過程中,每完成一組方案的計算都會產生相應的文本形式或圖表形式的報告,需要對這些報告進一步處理比較之后才能執行下一組方案的計算和評估。

數據交互和數據處理的操作是由VC程序讀取STK的返回數據后統計處理完成的。這樣數據獲取、數據處理和計算對比的過程都在VC程序中執行。VC與STK二者的集成有效地利用了STK準確的仿真能力與VC高效的數據分析能力,提高了仿真分析系統開發的靈活性。

3 仿真分析

選取位置為(116°E,39°N)為目標信息終端 ,分析由不同數目的衛星構成的衛星編隊系統,全球其他地區到目標終端的信息傳輸平均時延。仿真中衛星編隊系統配置參數如表1所示。

表1 衛星編隊系統配置參數

取地球半徑為Re=6 378.137 km,引力參數取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星編隊系統信息傳輸時延,將均勻分布在全球的631個地面信息終端按不同經度帶地區和不同緯度帶地區進行統計信息傳輸平均時延,其曲線如圖3和圖4所示,圖中m代表衛星的數目。

圖3 不同緯度帶信息傳輸時延曲線

圖4 不同經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顆衛星組成的衛星編隊系統,信息傳輸時延比1顆衛星縮短1.5×104s左右,由3顆星組成的衛星編隊系統比2顆衛星組成的衛星編隊系統的信息傳輸時延減少0.5×104s左右,由4顆星組成的衛星編隊系統比3顆衛星組成的衛星編隊系統的信息傳輸時延減少0.25×104s左右,再增加衛星的個數,信息傳輸時延會減少,但減少的幅度并不是很大。因此權衡信息傳輸時效性與衛星個數,在本系統中可選取5顆星組成的全球區域性覆蓋的衛星編隊系統。

4 結束語

上述編隊衛星系統信息傳輸的時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星系統設計,對星座系統設計也具有參考價值。同時,仿真中VC和STK的集成,有效地利用了STK準確的仿真能力與VC高效的數據分析能力,拓展了STK的應用范圍,提高了仿真分析系統應用的靈活性。

[1]彭會湘,陳順昌.STK開發包用法探討[J].無線電工程,2007,11(22):62-64.

[2]楊 穎,王 琦.STK在計算機仿真中的應用[M].北京:國防工業出版社,2005.

[3]李文華,袁建平.衛星星座應用設計[J].宇宙學報,2010,21(增刊):58-61.

[4]張云彬,張永生.模塊分析與應用[J].鄭州測繪學院學報,2001,18(9):29-32.

[5]ZAR ATION B.Microsoft Visual C++6.0程序指南[M].希望圖書創作室,譯.北京:北京希望電腦公司,1998.

[6]李新洪,曾國強,王兆魁.分布式衛星編隊仿真系統[J].計算機仿真,2005,22(12):38-40.