基于HLA 的衛(wèi)星通信仿真技術(shù)研究

尚慶華

(中國電子科技集團(tuán)公司第54 研究所 電子戰(zhàn)事業(yè)部，河北 石家莊 050081)

隨著計(jì)算機(jī)仿真規(guī)模和仿真數(shù)據(jù)量的增加，單個(gè)仿真系統(tǒng)已無法滿足仿真需求，必須依賴多個(gè)仿真系統(tǒng)進(jìn)行分布式仿真，因此，分布式仿真體系結(jié)構(gòu)成為系統(tǒng)仿真學(xué)的重要前沿。高層體系結(jié)構(gòu)(High Level Architecture，HLA)提供了通用、開放的數(shù)據(jù)交換協(xié)議和數(shù)據(jù)語義互操作協(xié)議，以及將仿真功能與通用支撐環(huán)境相分離的體系結(jié)構(gòu)［1］，采用該仿真技術(shù)框架可保證各種仿真應(yīng)用之間的互連、互通、互操作性。本文將HLA 作為仿真平臺(tái)，構(gòu)建了衛(wèi)星通信鏈路仿真系統(tǒng)框架，并實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星通信鏈路仿真建模，對衛(wèi)星通信進(jìn)行了動(dòng)態(tài)研究。

1 HLA 的基本概念

HLA 中引入了聯(lián)邦和聯(lián)邦成員的概念。聯(lián)邦是用于達(dá)到某一特定仿真目的的分布仿真系統(tǒng)，它由若干個(gè)相互作用的能實(shí)現(xiàn)特定仿真功能的聯(lián)邦成員組合而成。HLA 規(guī)范主要由聯(lián)邦規(guī)則、接口協(xié)議、對象模型模板、運(yùn)行支撐環(huán)境(Run－time Infrastructure，RTI)等部分構(gòu)成［2］。聯(lián)邦規(guī)則保證聯(lián)邦中仿真應(yīng)用間按正確的方式進(jìn)行交互，描述各聯(lián)邦成員的責(zé)任及它們與RTI 的關(guān)系。RTI 是按照HLA 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的通用分布操作系統(tǒng)軟件，用于集成各種分布的聯(lián)邦成員，所有聯(lián)邦成員間的數(shù)據(jù)交換均要按照HLA 接口規(guī)范定義的方式通過RTI 實(shí)現(xiàn)［3］。聯(lián)邦對象模型(Federation Object Model，F(xiàn)OM)規(guī)定了仿真成員之間要交換的數(shù)據(jù)信息以及這些數(shù)據(jù)進(jìn)行交換的條件［4］。

HLA 把仿真系統(tǒng)分為聯(lián)邦、仿真模型層、仿真平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，相鄰層之間只能通過接口函數(shù)進(jìn)行通信［5］，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 HLA 仿真系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

聯(lián)邦成員可根據(jù)需求對其他成員發(fā)布的消息進(jìn)行公布或訂購，這樣可有效降低網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸量，提高通信效率。

2 衛(wèi)星通信鏈路仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于HLA 的基本框架，本文構(gòu)建了衛(wèi)星通信鏈路仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［6］如圖2 所示。

仿真管控成員是對整個(gè)仿真系統(tǒng)進(jìn)行控制，包括運(yùn)行過程中的仿真開始、暫停、結(jié)束等過程;效能評估成員是對整個(gè)通信仿真系統(tǒng)根據(jù)一系列評估指標(biāo)進(jìn)行效能評估;仿真顯示成員包括二維和三維態(tài)勢顯示成員，能夠?qū)⒎抡孢^程和仿真結(jié)果進(jìn)行顯示;數(shù)據(jù)采集分析成員能夠?qū)Ψ抡孢^程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集存儲(chǔ)并對仿真數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析入庫。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

地面發(fā)射/接收終端成員完成對通信地面站的仿真，并公布地面站位置及參數(shù)信息;衛(wèi)星通信鏈路成員接收地面發(fā)射/接收終端成員公布的狀態(tài)信息，以及仿真管控成員下發(fā)的其他成員信息，完成對通信衛(wèi)星和衛(wèi)星鏈路的仿真，并實(shí)時(shí)公布鏈路狀態(tài)信息。成員運(yùn)行時(shí)與模型和平臺(tái)間的信息交互流程如圖3 所示。

圖3 成員工作信息流程圖

仿真開始后，成員將管控分發(fā)的想定參數(shù)通過想定接口進(jìn)行解析，并通過RTI 平臺(tái)訂購所需的其他成員公布的消息，把以上消息解析后，成員將參數(shù)設(shè)置給模型接口，模型內(nèi)部進(jìn)行初始化，并開始計(jì)算，再將計(jì)算結(jié)果返回給成員，成員將計(jì)算結(jié)果通過RTI 平臺(tái)進(jìn)行公布，同時(shí)將結(jié)果顯示。

3 衛(wèi)星通信鏈路仿真模型設(shè)計(jì)

3.1 仿真模型工作流程

在仿真中，衛(wèi)星通信鏈路仿真成員將設(shè)置的輸入?yún)?shù)設(shè)置給仿真模型，仿真模型根據(jù)參數(shù)計(jì)算衛(wèi)星通信鏈路質(zhì)量，仿真模型內(nèi)部的工作流程如圖4 所示。

(1)仿真開始后，衛(wèi)星通信鏈路模型接收衛(wèi)星通信鏈路成員輸入的想定參數(shù)、訂購的交互類和對象類，對模型進(jìn)行初始化。

圖4 衛(wèi)星通信鏈路仿真模型工作流程

(2)根據(jù)訂購的參數(shù)建立仿真鏈路，根據(jù)衛(wèi)星參數(shù)、地面站參數(shù)來計(jì)算地面站是否在衛(wèi)星的可見范圍內(nèi)。1)不可見，則仿真推進(jìn)，輸出結(jié)果。2)可見，根據(jù)發(fā)射天線功率、天線增益、天線指向、接收天線增益和通信鏈路參數(shù)計(jì)算衛(wèi)星接收發(fā)射站的信號(hào)電平。

(3)計(jì)算帶內(nèi)噪聲功率、信噪比S/N，根據(jù)信噪比和信號(hào)調(diào)制樣式查數(shù)據(jù)庫得到對應(yīng)調(diào)制樣式下的誤碼率和丟幀率。

(4)根據(jù)業(yè)務(wù)類型、誤碼率等參數(shù)計(jì)算傳輸延時(shí)和鏈路通斷狀態(tài)。

(5)最后發(fā)布通信鏈路質(zhì)量結(jié)果，推進(jìn)仿真。

3.2 仿真模型內(nèi)部行為

(1)衛(wèi)星仿真模型。主要由接收/發(fā)送模型、轉(zhuǎn)發(fā)處理模型和天線模型等構(gòu)成，如圖5 所示。

圖5 衛(wèi)星仿真模型

接收模塊完成信號(hào)的接收和增益的處理，發(fā)送模塊完成發(fā)送增益的處理，轉(zhuǎn)發(fā)處理模塊完成星上處理功能，天線模型根據(jù)使用的天線參數(shù)計(jì)算天線增益，衛(wèi)星平臺(tái)模型計(jì)算衛(wèi)星的運(yùn)行軌道。

(2)地面站模型。如圖6 所示，由天線模型、接收機(jī)模型和調(diào)制解調(diào)、編解碼等模型構(gòu)成。

圖6 地面站模型

天線模塊完成信號(hào)的接收發(fā)射，編碼模塊將信息比特流進(jìn)行信道編碼，提高抗干擾性能，再通過調(diào)制模塊調(diào)制成基帶信號(hào)，解調(diào)模塊對收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并通過解碼模塊進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的恢復(fù)。

3.3 仿真模型算法設(shè)計(jì)

在衛(wèi)星通信鏈路建模過程中，為了簡化處理，信道模型使用自由空間模型，其他主要算法模型推理［7］如下:

(1)傳輸距離的計(jì)算［8］。假設(shè)地球模型為正球模型，地面站或衛(wèi)星的經(jīng)度、緯度、高度分別為J、W、H，其中經(jīng)度、緯度均為弧度，高度單位為m，則對應(yīng)的地心直角坐標(biāo)x、y、z 為

式中，Re為地球的半徑;假設(shè)地面站A 的地心直角坐標(biāo)為X1、Y1、Z1;衛(wèi)星的地心直角坐標(biāo)為X2、Y2、Z2，地面站A 到衛(wèi)星的距離d 可以由以下公式導(dǎo)出。

(2)地面站是否在衛(wèi)星的天線波束范圍內(nèi)。判斷地面站能否接收到衛(wèi)星的信號(hào)，首先應(yīng)該排除地面站在衛(wèi)星不可見半球的情況，即從幾何角度計(jì)算地面站首先應(yīng)該在衛(wèi)星可見半球，其次是要在衛(wèi)星天線波束覆蓋范圍內(nèi)，由以下推導(dǎo)可得:

1)計(jì)算衛(wèi)星到地球的切線距離。

式中，maxD 為衛(wèi)星到地球的切線距離;R 為地球半徑;H 為衛(wèi)星距地面的高度。

由式(1)可計(jì)算地面站與衛(wèi)星的距離d，必須滿足d ＜maxD，才能保證地面站在衛(wèi)星可見的半球內(nèi)。

2)計(jì)算地面站到衛(wèi)星的向量和衛(wèi)星發(fā)射天線指向的夾角。假設(shè)地面站到衛(wèi)星的距離為fabs1，衛(wèi)星到天線指向地面坐標(biāo)的距離為fabs2，分別可由式(1)～式(4)計(jì)算可得，兩向量間的夾角θ 由式(6)得出

其中，X1、Y1、Z1、X2、Y2、Z2定義與式(4)相同，X3、Y3、Z3為天線指向投影到地面的地心直角坐標(biāo)。只要滿足θ 小于天線波束寬度的1/2 就能保證地面站在衛(wèi)星天線波束范圍內(nèi)。

(3)計(jì)算鏈路信噪比。首先計(jì)算接收機(jī)接收通信信號(hào)的功率，如下

式中，Pin為接收通信信號(hào)功率;Gs為發(fā)射天線在接收方向上的天線增益;Ps為通信發(fā)射功率;Gr為接收天線在接收信號(hào)方向上的天線增益;L 為傳輸衰減;Lo為其他附加衰減。再計(jì)算接收機(jī)接收到的噪聲功率為

式中，N 為噪聲功率;B 為信號(hào)帶寬。由此可得出信噪比

(4)傳輸衰減。傳輸衰減L 主要考慮自由空間傳播損耗［9］，計(jì)算如下

式中，F(xiàn) 為通信信號(hào)頻率;R 為傳輸距離。

(5)判斷信號(hào)能否被接收到。信號(hào)能否被終端接收取決于兩個(gè)方面的因素:信號(hào)到達(dá)設(shè)備的功率和設(shè)備的靈敏度。當(dāng)信號(hào)的功率大于設(shè)備的靈敏度時(shí)就認(rèn)為信號(hào)能夠被接收。

設(shè)備靈敏度計(jì)算公式為

式中，Pr為接收機(jī)靈敏度;B 為信號(hào)帶寬;SNR 為接收要求的信噪比;Nf為系統(tǒng)噪聲系數(shù)。

(6)通信質(zhì)量分析。根據(jù)計(jì)算的信噪比以及通信鏈路調(diào)制樣式，查數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)調(diào)制樣式下的信噪比誤碼率曲線得到通信質(zhì)量，輸出誤碼率和丟幀率，根據(jù)誤碼率和丟幀率來判斷鏈路通斷狀態(tài)，并發(fā)布通信鏈路狀態(tài)信息。

3.4 仿真效果

圖7 所示為系統(tǒng)仿真效果圖，界面左側(cè)為從想定即文件中解析出的衛(wèi)星鏈路參數(shù)列表，中部為鏈路仿真結(jié)果列表，可實(shí)時(shí)顯示鏈路狀態(tài)信息，底部為軟件運(yùn)行工作狀態(tài)顯示，右側(cè)可顯示各仿真實(shí)體參數(shù)信息。

圖7 仿真效果圖

4 結(jié)束語

本文采用HLA 仿真平臺(tái)構(gòu)建衛(wèi)星通信鏈路分布式仿真系統(tǒng)，描述了仿真成員框架，根據(jù)仿真成員框架實(shí)現(xiàn)仿真聯(lián)邦成員，給出了成員間運(yùn)行的信息流程，并提出了系統(tǒng)建模的過程以及模型內(nèi)部的主要算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星通信鏈路的建模仿真。采用HLA 仿真平臺(tái)較好地解決了各功能模型的同步、并行運(yùn)行問題［10］，能夠增加多個(gè)仿真實(shí)體來構(gòu)建復(fù)雜仿真環(huán)境，更能體現(xiàn)出真實(shí)的系統(tǒng)環(huán)境，通過HLA 的平臺(tái)構(gòu)建，使得衛(wèi)星通信鏈路仿真更逼近實(shí)際真實(shí)狀態(tài)，使得地面站和衛(wèi)星能夠同步、協(xié)同工作，根據(jù)不同時(shí)刻衛(wèi)星的軌道位置，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出衛(wèi)星通信鏈路的質(zhì)量，給出鏈路動(dòng)態(tài)仿真效果。

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