一種基于HLA的交會對接動力學仿真系統設計與實現

安宜貴+董正宏

摘 要：采用HLA作為交會對接動力學仿真的體系結構，首先設計了交會對接動力學仿真系統的仿真流程和FOM/SOM設計方法，提出了實時與延時相結合的自適應時間管理技術，并測試了其數據交互性能。

關鍵詞：交會對接；仿真系統；體系結構

在航天技術應用中，空間交會對接技術的控制最復雜、變量參數最多，控制難度也最大[1]，在任務執行前需要進行大量的驗證。構造航天器交會對接動力學仿真系統，驗證測控軟件的性能和可用性非常必要。HLA（High Level Architecture，高層體系結構）[2]是一個開放的、支持面向對象的仿真體系結構，代表了當今分布式交互仿真技術的主流方向。采用HLA體系結構，仿真分析交會對接動力學問題，已成為當前交會對接研究中最常用的研究手段。

1 交會對接動力學仿真系統結構設計

1.1 系統仿真流程

按照HLA聯邦成員仿真流程的三個步驟：成員初始化、進入仿真循環、退出聯邦[3]，設計交會對接仿真系統的仿真流程如圖1所示。

1.2 聯邦的FOM/SOM設計

HLA定義了兩類對象模型，一類是聯邦對象模型（Federal Object Model，FOM），一類是成員對象模型（Simulation Object Model，SOM），分別用來描述聯邦和聯邦成員的特性[4]。根據動力學仿真、GNC仿真、推進系統仿真等重要聯邦成員的特性，確定各聯邦成員的對象類和交互類以及其公布/訂購關系。根據各對象類的屬性以及交互類的參數，生成SOM表；綜合SOM表，生成FOM；在OMDT（Object Model Development）工具中填寫對象表、交互表、屬性表、參數表等，即可生成FED文件，完成聯邦的FOM/SOM設計。

2 實時與延時相結合的自適應時間管理技術

HLA時間管理服務是在聯邦執行時控制時間的推進，使時間推進機制與負責傳遞消息的機制相配合[5]。交會動力學仿真采用邏輯時間步進與物理時間推進相結合的方式，在實時運行下，邏輯時間步長和物理時間步長均為1s。當進入軌控模式下，GNC采樣間隔提高到160ms，邏輯時間步長和物理時間步長提高到160ms，這樣就出現了兩種變步長的要求。針對這種變步長的要求，提出自適應實時和延時變步長的時間管理技術。

以單航天器動力學仿真三個仿真聯邦成員為例（多航天器情況類似）。三個仿真聯邦成員分別是GNC仿真、推進系統仿真和動力學模型仿真，變步長的觸發點來自GNC仿真，由GNC自主計算或對注入數據反解的發動機工作信息觸發自身聯邦成員的變步長，GNC將發動機工作信息發送給推進系統仿真；推進系統計算出推力力矩信息給動力學模型仿真，不需要改變步長；動力學模型仿真為GNC仿真提供變步長后相應頻率的軌道姿態信息，需要改變步長。

確定開關機數目和每次的開機時間與開機時長為輸入參數，自適應變步長算法引入線程管理變步長更動，其偽碼如下：

首先根據開關機數目和每次的開機時間與開機時長計算變步長性質；

if（延遲變步長）{

把多次的開機時間與開機時長按開機時間排序；

把多次工作時間段中有重合的時間段合并；

把非開機時間段和開機時間段依次計算保存phaseLengthTime數組中；

}

else if（實時變步長）{

continusIn = TRUE；

}

創建變步長線程管理多次的更動步長；

變步長線程算法偽碼如下：

if（延遲變步長）{

for（i=0；i<開關機數目；i++）{

sleep（phaseLengthTime[i]）；

if（i%2==0）

邏輯步長和物理步長改變為160ms；

else

邏輯步長和物理步長改變為1s；

}

}

else if（實時變步長 && continusIn）{

邏輯步長和物理步長改變為160ms；

while（continusIn）{

continusIn = FALSE；

sleep（160）；

}

sleep（1000）；

}

3 數據交互性能測試

3.1 測試工具

RTI是HLA仿真系統運行的核心支撐軟件，其性能直接關系仿真系統成敗，目前尚沒有能全面測試RTI性能的專用軟件[6]。我們結合課題研究開發了性能測試工具，包含兩個通用的測試成員，分別負責發送和接收，具有以下功能：提供6個性能指標測試模塊；每個測試模塊都具有統計次數、運行參數和結果統計輸出等功能。

3.2 測試結果

測試實驗主要對對象類、交互類的數據傳輸速度、數據丟包率進行測試。測試環境為：服務器配置為SUN V890，SUN Solaris系統，標準C++。微機配置為CPU P4 3.0G，內存1G，網絡100M，WinXP系統，VC++。RTI采用某研究所的SSS-RTI。

3.2.1 測試方法

對象類成員傳輸屬性更新和交互類實例傳遞的最大速率受到發送成員或接收成員的限制。對象類成員傳輸屬性更新中對發送成員，更新屬性吞吐量由每秒發送updateAttributeValue（）（UAV）的次數來測量；對接收成員，反射屬性吞吐量由每秒接收reflectAttributeValues（）（RAV）的次數來測量。兩個平均速率的最小值表示為屬性吞吐量。交互類實例發送中對發送成員，實例發送吞吐量由每秒發送sendInteraction（）（SI）的次數來測量；對接收成員，實例接收吞吐量由每秒接收recieveInteraction（）（RI）的次數來測量。兩個平均速率的最小值表示為交互參數吞吐量。

3.2.2 測試結果

測試中傳輸方式分為可靠模式和快速模式。屬性的長度分為8B、80B、800B、2K四種，實驗中進行大批量突發性測試（5000次）。可靠模式測試結果如表1所示，試驗中未發現丟包現象，實驗數據表明通信效率和屬性長度有關系，屬性長度越小通信效率越差，屬性長度越長通信效率越高。

快速模式測試結果如表2所示，快速模式傳輸數據的速度比可靠模式稍高，通信效率和屬性長度的關系和可靠模式一致。其中快速模式的丟包現象主要和rti.inf文件udpsockmanager設置相關，需要根據每秒發送或接收的數據量調整udpsockmanager中發送緩沖池或接收緩沖池的大小，以免淹沒數據。

4 結束語

設計了交會對接動力學仿真的仿真流程和FOM/SOM，提供了基于HLA交會對接動力學仿真體系結構的基礎，針對交會對接動力學動真變步長的特點，提出一種自適應實時和延時變步長處理方法。設計了RTI性能測試工具，大大降低了直接使用RTI軟件的風險。

參考文獻

[1]鄭永煌.空間交會對接技術[J].自然雜志，2011，33（6）：311-315.

[2]IEEE Standard for Modeling and Simulation（M&S）High Level Architecture（HLA）-Framework and Rules（IEEE Std 1516-2000）[M].USA：The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，2000.

[3]胡杰，黃長強，劉安，等.基于HLA的脈沖修正火箭彈仿真平臺設計[J].系統仿真學報，2009，21（5）：1324-1328.

[4]周彥，戴劍偉.HLA仿真程序設計[M].北京：電子工業出版社，2002.

[5]劉步權.分布式仿真運行支撐平臺中時間管理服務的研究[D].長沙：國防科技大學，2004.

[6]孫世霞，黃柯棣.RTI性能測試分析[J].系統仿真學報，2005，17（4）：909-913.