基于Agent的導(dǎo)航星座自主運(yùn)行仿真建模方法

冷如松,聞德保,黃文德

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410010；2.國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073;3.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái),上海 200030)

基于Agent的導(dǎo)航星座自主運(yùn)行仿真建模方法

冷如松1,2,聞德保1,黃文德2,3

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410010；2.國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073;3.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái),上海 200030)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)建模方法在滿足自主運(yùn)行中實(shí)體之間龐大的通信與測(cè)量需求方面存在的不足,本文基于Agent仿真建模理論,研究建立滿足導(dǎo)航星座自主運(yùn)行仿真建模要求的方法。首先提出自主運(yùn)行系統(tǒng)仿真建模的Agent體系結(jié)構(gòu),然后利用Agent具有推理和規(guī)劃能力、能快速處理復(fù)雜問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)導(dǎo)航星座中各級(jí)實(shí)體的Agent結(jié)構(gòu)與功能組成,最后以協(xié)議棧Agent建模的方式建立整個(gè)自主運(yùn)行系統(tǒng)的通信與測(cè)量機(jī)制。仿真結(jié)果表明,該體系能處理自主運(yùn)行系統(tǒng)中諸多實(shí)體之間的通信與測(cè)量問(wèn)題,對(duì)導(dǎo)航星座自主運(yùn)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航星座;自主運(yùn)行代理;仿真建模;協(xié)議棧

0引言

在自主運(yùn)行模式下,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段(導(dǎo)航星座)通過(guò)星間雙向測(cè)量與通信,可以進(jìn)行自主星歷更新與時(shí)間同步,在沒(méi)有地面支持的情況下仍可為用戶提供一定精度的導(dǎo)航定位服務(wù)。相對(duì)于傳統(tǒng)由地面控制與管理的運(yùn)行方式,自主運(yùn)行模式可以減少地面站的數(shù)量,降低系統(tǒng)長(zhǎng)期維持費(fèi)用,增強(qiáng)系統(tǒng)生存能力、改善系統(tǒng)性能和提高導(dǎo)航定位精度等[1]。因此,自主運(yùn)行相關(guān)技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的關(guān)注[2-4]。但是導(dǎo)航星座自主運(yùn)行系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),如何驗(yàn)證導(dǎo)航星座自主運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)的可行性、提前識(shí)別和控制系統(tǒng)中的不確定因素,是導(dǎo)航星座自主運(yùn)行急需解決的問(wèn)題之一。本文提出利用仿真建模手段,對(duì)導(dǎo)航星座自主運(yùn)行的運(yùn)行策略、星座規(guī)模等進(jìn)行仿真,其目的是以經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航星座自主運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)的地面試驗(yàn)驗(yàn)證。

面向?qū)ο蟮姆抡娼７椒ㄒ约胺植际綄?shí)現(xiàn)方式是處理仿真建模問(wèn)題的常用手段。面向?qū)ο蟮慕７椒梢詾橄到y(tǒng)與用戶之間提供更直觀的交互方式,提高仿真系統(tǒng)的可維護(hù)性和可拓展性;分布式的實(shí)現(xiàn)方式則提高了建模方法數(shù)值運(yùn)算效率。賀勇軍等基于開(kāi)發(fā)了“多衛(wèi)星系統(tǒng)綜合效能仿真分析軟件”[5],高黎等對(duì)分布式衛(wèi)星系統(tǒng)自主運(yùn)行技術(shù)進(jìn)行了研究[6],胡圣波等研究了基于模型的航天器自主運(yùn)行執(zhí)行體[7],但對(duì)于自主運(yùn)行系統(tǒng)中最體現(xiàn)自主性和智能性的規(guī)劃和調(diào)度功能[8]而言,以上方法已經(jīng)不能滿足自主運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)自主性、智能性的要求,不能很好地解決自主運(yùn)行中的自主規(guī)劃調(diào)度以及系統(tǒng)中衛(wèi)星、地面站、接收機(jī)等數(shù)目眾多的實(shí)體之間的測(cè)量、通信等問(wèn)題?；贏gent的建模與仿真方法(ABMS)是近期涌現(xiàn)出的最有潛力的仿真建模方法之一,它是一種針對(duì)自治、互動(dòng)Agent組成的系統(tǒng)的建模方法[9-11]。ABMS建立的模型融合了面向?qū)ο蠼５膬?yōu)點(diǎn)使Agent具有對(duì)象的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)有Agent的系統(tǒng)還具有更好的容錯(cuò)、低耗費(fèi)、計(jì)算高效等特點(diǎn)。ABMS為自主運(yùn)行系統(tǒng)的建模提供了一條新的思路。

本文基于Agent建模與仿真的理論框架下探討了面向Agent的導(dǎo)航星座自主運(yùn)行的仿真方法,給出了基于Agent思想的簡(jiǎn)易建模過(guò)程和簡(jiǎn)單運(yùn)行流程,最后以24/3/1的Walk星座的仿真為例,說(shuō)明此體系研究自主運(yùn)行的方案是可行的。

1自主運(yùn)行系統(tǒng)仿真建模的Agent體系結(jié)構(gòu)

確定體系結(jié)構(gòu)是建立仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ),由于自主運(yùn)行系統(tǒng)是龐大且復(fù)雜的系統(tǒng),本文將自主運(yùn)行系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為層次關(guān)系、模塊劃分兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行描述,其中自主運(yùn)行系統(tǒng)的層次關(guān)系主要通過(guò)系統(tǒng)中各實(shí)體的所屬職能進(jìn)行劃分,在此基礎(chǔ)上根據(jù)軟件設(shè)計(jì)目的以及仿真實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)進(jìn)行模塊劃分。

1.1自主運(yùn)行層次劃分

按照自主運(yùn)行系統(tǒng)的不同的職能要求,自主運(yùn)行系統(tǒng)框架可以大致分為三個(gè)層次:規(guī)劃層、執(zhí)行層和應(yīng)用層,自主運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)該遵循如圖1所示的基本框架。

圖1　自主運(yùn)行系統(tǒng)層次劃分

1) 規(guī)劃層

規(guī)劃層的主要職能是導(dǎo)航任務(wù)管理和形成星座的整體規(guī)劃。

星座整體規(guī)劃:星座整體規(guī)劃是規(guī)劃層根據(jù)實(shí)驗(yàn)配置、星座狀態(tài)、導(dǎo)航任務(wù)以及本次實(shí)驗(yàn)的約束條件來(lái)構(gòu)建相應(yīng)時(shí)空體系、生成實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)要求的規(guī)劃表、路由表等規(guī)劃的過(guò)程。

導(dǎo)航任務(wù)管理:導(dǎo)航任務(wù)是由實(shí)驗(yàn)任務(wù)轉(zhuǎn)換而來(lái),經(jīng)過(guò)任務(wù)分解、分析任務(wù)執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)生成指令并分配給執(zhí)行層等一系列流程就是系統(tǒng)的任務(wù)管理功能。

2) 執(zhí)行層

執(zhí)行層主要職能是維持星座整體正常運(yùn)轉(zhuǎn),主要包括時(shí)間管理、通信服務(wù)、故障檢測(cè)、任務(wù)執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集和仿真運(yùn)行控制等功能。

時(shí)間管理:負(fù)責(zé)保證自主運(yùn)行系統(tǒng)以適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行時(shí)間推進(jìn)。

通信服務(wù):提供自主運(yùn)行系統(tǒng)中各實(shí)體間消息的收發(fā)、重傳、封裝、解釋等服務(wù)。

衛(wèi)星故障檢測(cè)：提供自主運(yùn)行系統(tǒng)中衛(wèi)星或地面站等設(shè)備的健康狀態(tài)指標(biāo)。

任務(wù)執(zhí)行:負(fù)責(zé)具體執(zhí)行規(guī)劃層分配的任務(wù),①數(shù)據(jù)采集:收集用戶感興趣的仿真數(shù)據(jù),并完成仿真數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。②仿真運(yùn)行控制:發(fā)送各種控制指令如開(kāi)始、暫停等以控制自主運(yùn)行系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)程。

3) 支持層

支持層分為實(shí)驗(yàn)支持和模塊支持兩個(gè)部分,其中實(shí)驗(yàn)支持主要負(fù)責(zé)完成實(shí)驗(yàn)配置、監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程以及評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果;模塊支持負(fù)責(zé)提供組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊以及這些基礎(chǔ)模塊所需要的如知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)、規(guī)則庫(kù)之類的庫(kù)。

1.2自主運(yùn)行模塊劃分

自主運(yùn)行仿真系統(tǒng)需要仿真各種不同星座、環(huán)境等配置來(lái)獲得這些配置下運(yùn)行策略的優(yōu)劣對(duì)比,出于這個(gè)目的,系統(tǒng)除了應(yīng)該遵循基本框架外還需要受到軟件設(shè)計(jì)以及仿真實(shí)驗(yàn)要求提供的建模約束:

1) 系統(tǒng)應(yīng)該通過(guò)簡(jiǎn)潔的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外界交互,因此需要能獲取系統(tǒng)內(nèi)所有實(shí)體信息并與外界交互的模塊。

2) 系統(tǒng)需要配置不同的星座來(lái)試驗(yàn)?zāi)撤N運(yùn)行策略在不同星座的運(yùn)行效率,衛(wèi)星是星座的基本組成單位,因此系統(tǒng)中應(yīng)該具備代表實(shí)際物理環(huán)境中衛(wèi)星的實(shí)體,以便管理任務(wù)進(jìn)程。

3) 衛(wèi)星需要根據(jù)給定的規(guī)劃在適定時(shí)間完成相應(yīng)的任務(wù),因此要求衛(wèi)星內(nèi)部有時(shí)間模塊等功能模塊。

4) 系統(tǒng)與衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與衛(wèi)星之間、衛(wèi)星中的模塊與模塊之間都需要實(shí)現(xiàn)信息交互,因此要求具有相應(yīng)的信息傳遞通道。

基于以上建模約束,以自主運(yùn)行系統(tǒng)的層次關(guān)系為基礎(chǔ)可將自主運(yùn)行系統(tǒng)的模塊劃分，如圖2所示。圖中的模塊按照模塊結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度以及一定的從屬關(guān)系劃分,自上至下模塊的復(fù)雜程度由高到低。星座Agent需要完成規(guī)劃層、執(zhí)行層和支持層的職能,它是整個(gè)系統(tǒng)中最復(fù)雜的模型,它主要負(fù)責(zé)總體協(xié)調(diào)管理星座的衛(wèi)星,能夠隨時(shí)查看衛(wèi)星級(jí)Agent、地面站和導(dǎo)航用戶的運(yùn)行情況,對(duì)自主運(yùn)行任務(wù)進(jìn)行分解發(fā)送給其他衛(wèi)星并與外界進(jìn)行交互。

圖2　自主運(yùn)行系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)劃分

衛(wèi)星Agent是直接受星座級(jí)Agent管理的模塊,主要完成執(zhí)行層和支持層的職能,以衛(wèi)星級(jí)Agent主要包含導(dǎo)航任務(wù)自主處理Agent、協(xié)議棧Agent、故障檢測(cè)、星地導(dǎo)航、星地遙測(cè)、星間互傳、時(shí)頻控制等模塊。導(dǎo)航用戶是具有接受衛(wèi)星下發(fā)的導(dǎo)航電文能力。地面站能夠形成星座建鏈規(guī)劃、對(duì)衛(wèi)星星座發(fā)出遙控指令、接收衛(wèi)星下發(fā)的導(dǎo)航信息和遙測(cè)信息并綜合分析。

節(jié)點(diǎn)、鏈路等模塊主要完成支持層的職能,節(jié)點(diǎn)是自主運(yùn)行體系中除支持層外的模塊最基本的組成單位,節(jié)點(diǎn)由地址分類器和端口分類器兩部分構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)的地址分類器與鏈路連接,當(dāng)數(shù)據(jù)通過(guò)節(jié)點(diǎn)時(shí)由地址分類器將其發(fā)送到相應(yīng)的鏈路上去。端口分類器與其他部件連接,通過(guò)在節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上掛載其他部件的方式形成模塊、衛(wèi)星Agent等實(shí)體。節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)鏈路來(lái)建立信息傳遞通道,鏈路提供傳輸時(shí)延、帶寬、丟包率等接口供用戶配置成不同鏈接方式。

2自主運(yùn)行系統(tǒng)各層級(jí)Agent的建模方法

對(duì)于前文提到不同類型的Agent需要不同的建模方式以支持它實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的,按照功能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同可以將模型分為星座級(jí)Agent模型、衛(wèi)星級(jí)Agent模型、元素級(jí)Agent模型。

2.1星座級(jí)Agent建模方法

星座級(jí)Agent對(duì)應(yīng)星座內(nèi)某顆衛(wèi)星,這顆衛(wèi)星是整個(gè)星座的調(diào)度和信息中心,因此星座級(jí)Agent具有兩個(gè)方面的屬性,一方面作為星座級(jí)Agent,它具有單方面獲取星座內(nèi)其他所有Agent信息并監(jiān)控其他Agent、具有接收并處理衛(wèi)星級(jí)Agent反饋信息的能力,以及產(chǎn)生星座的全局規(guī)劃的能力,它能通過(guò)傳感器感知外界信息包括命令、任務(wù)等,星座運(yùn)行狀態(tài)可能因外界信息而改變,一旦狀態(tài)改變則通過(guò)協(xié)議棧和鏈路通知其他Agent,更新的狀態(tài)存儲(chǔ)在狀態(tài)池,并因之進(jìn)行規(guī)劃,最后做出決定并由效應(yīng)器來(lái)執(zhí)行。另一方面,星座級(jí)Agent本質(zhì)上是星座內(nèi)的一顆衛(wèi)星,具備衛(wèi)星級(jí)Agent的一切屬性。

圖3示出了星座級(jí)Agent的模型結(jié)構(gòu),具有監(jiān)視器模塊、自主規(guī)劃模塊、任務(wù)分解模塊以及指令生成模塊等衛(wèi)星Agent不具備的模塊。星座級(jí)Agent的六大部件包括傳感器、執(zhí)行器、狀態(tài)池、知識(shí)庫(kù)、自主規(guī)劃以及決策器。其中星地遙測(cè)模塊、星地導(dǎo)航模塊、星間互傳模塊都包含接收信息和發(fā)送信息兩個(gè)過(guò)程,因此既屬于傳感器也屬于執(zhí)行器。星座級(jí)Agent中使用協(xié)議棧Agent作為傳輸?shù)暮诵?能夠?qū)π亲w進(jìn)行信息收集、將星座級(jí)Agent生成的任務(wù)發(fā)送給各顆衛(wèi)星。

圖3　星座級(jí)Agent結(jié)構(gòu)圖

2.2衛(wèi)星級(jí)Agent建模方法

衛(wèi)星級(jí)Agent屬于衛(wèi)星星座中的普通個(gè)體,作為這個(gè)級(jí)別的Agent既要與星座級(jí)Agent交互,也要與其他衛(wèi)星級(jí)Agent進(jìn)行通信,衛(wèi)星級(jí)Agent具有維持本星正常運(yùn)作、能對(duì)地播發(fā)導(dǎo)航電文和遙測(cè)電文、進(jìn)行星間測(cè)距并完成星間數(shù)據(jù)互傳、根據(jù)星座級(jí)Agent分派的任務(wù)進(jìn)行本地規(guī)劃等能力。如圖4所示,衛(wèi)星級(jí)Agent由兩個(gè)元素級(jí)Agent和時(shí)頻控制模塊、星間互傳模塊、星地導(dǎo)航模塊、星地遙測(cè)模塊以及故障檢測(cè)模塊等一系列模塊組成。

圖4　衛(wèi)星級(jí)Agent結(jié)構(gòu)圖

導(dǎo)航任務(wù)自主處理模塊是衛(wèi)星級(jí)Agent中負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理以及根據(jù)接收到的任務(wù)完成本地規(guī)劃的模塊。衛(wèi)星中的星間互傳模塊(星地導(dǎo)航模塊、星地遙測(cè)模塊)按照一定時(shí)間間隔向協(xié)議棧模塊發(fā)送請(qǐng)求,協(xié)議棧模塊通過(guò)向時(shí)頻控制模塊請(qǐng)求時(shí)間、向故障檢測(cè)模塊請(qǐng)求衛(wèi)星健康狀態(tài)、向?qū)Ш饺蝿?wù)自主處理Agent請(qǐng)求可見(jiàn)性、建鏈、路由、傳輸時(shí)延等信息,然后通過(guò)這些返回的信息進(jìn)行綜合判斷,將所請(qǐng)求發(fā)送的信息組幀發(fā)送給星間互傳模塊和導(dǎo)航任務(wù)自主處理Agent(用于記錄)并將通信所用的速率、傳輸時(shí)延、誤碼模型、通信協(xié)議設(shè)置到鏈路,最后星間互傳模塊通過(guò)鏈路將信息發(fā)往目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

2.3元素級(jí)Agent建模方法

元素級(jí)Agent負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星級(jí)Agent分配的任務(wù),執(zhí)行并上傳任務(wù)完成狀況,元素級(jí)Agent主要分為導(dǎo)航任務(wù)自主處理Agent和協(xié)議棧Agent。前者主要用于處理跟導(dǎo)航業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ),形成衛(wèi)星本地任務(wù)規(guī)劃;后者主要負(fù)責(zé)自發(fā)處理星地、星間信息組幀、解幀、發(fā)送、接收等一系列保證衛(wèi)星星座正常通信的行為以及衛(wèi)星級(jí)Agent內(nèi)各組件及衛(wèi)星級(jí)Agent之間信息交流。兩者雖然功能各異但內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似,下圖為導(dǎo)航任務(wù)自主處理Agent結(jié)構(gòu)以及信息處理流程。如圖5所示,信息進(jìn)入導(dǎo)航任務(wù)自主處理Agent后的處理流程如下:

圖5　導(dǎo)航任務(wù)自主處理Agent結(jié)構(gòu)

1) 導(dǎo)航任務(wù)自主處理Agent接收信息后發(fā)送到傳感器中,傳感器中通過(guò)任務(wù)類型識(shí)別模塊將任務(wù)劃分優(yōu)先級(jí)并存入任務(wù)調(diào)度器模塊中。

2) 任務(wù)調(diào)度器(先進(jìn)先出)將堆頂?shù)娜蝿?wù)發(fā)送給處理器和知識(shí)庫(kù)。

3) 知識(shí)庫(kù)開(kāi)辟存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)進(jìn)入的消息并將相關(guān)算法發(fā)送給處理器。

4) 處理器根據(jù)知識(shí)庫(kù)提供的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并將處理的結(jié)果發(fā)送給知識(shí)庫(kù)和決策器。

5) 決策器收到處理器發(fā)送的消息后向知識(shí)庫(kù)請(qǐng)求先驗(yàn)信息和可執(zhí)行方案。

6) 知識(shí)庫(kù)向決策器提供多種方案及相關(guān)的先驗(yàn)信息。

7) 決策器通過(guò)處理器處理后的信息和知識(shí)庫(kù)中提交的先驗(yàn)信息作為約束條件進(jìn)行計(jì)算,經(jīng)過(guò)評(píng)估分析之后確定最終將執(zhí)行的方案,并將方案發(fā)送至知識(shí)庫(kù)

8) 決策器將方案發(fā)送給執(zhí)行器,執(zhí)行器對(duì)方案形成指令并進(jìn)行分類,并將其發(fā)送至相應(yīng)目標(biāo)。

3基于協(xié)議棧Agent模型的自主運(yùn)行系統(tǒng)工作流程

協(xié)議棧Agent作為衛(wèi)星級(jí)Agent中的核心組件之一,主要負(fù)責(zé)信息的處理和中轉(zhuǎn)。衛(wèi)星級(jí)Agent的各組件之間的所有信息以及外部信息都通過(guò)協(xié)議棧Agent來(lái)傳遞。圖6是導(dǎo)航星座自主運(yùn)行系統(tǒng)的完成來(lái)自地面站的信息經(jīng)過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)最終抵達(dá)另一地面站的工作流程示意圖。

圖6　以衛(wèi)星協(xié)議棧為核心的工作流程示意圖

1) 自主運(yùn)行系統(tǒng)根據(jù)仿真開(kāi)始前設(shè)置的配置信息完成導(dǎo)航星座的生成以及獲取仿真開(kāi)始時(shí)刻、獲取導(dǎo)航任務(wù)等。

2) 系統(tǒng)將生成的數(shù)據(jù)傳遞給星座級(jí)Agent完成星座級(jí)Agent的激活,星座級(jí)Agent內(nèi)部的自主規(guī)劃模塊進(jìn)行星座整體的規(guī)劃和建鏈。

和我一起發(fā)蒙的一共有十一個(gè)人，有茄子，螃蟹，屎克郎，屁斑蟲，雀尕兒，土豆等等，算是同班同學(xué)了。別看學(xué)校又破又小，可也有校霸班霸，這跟監(jiān)獄里有獄霸一樣，正常。那時(shí)，我們學(xué)校主要有兩霸，一是螃蟹，二是屎克郎。螃蟹他爹是我們村支書，算是高干子弟，派頭無(wú)形中就大，動(dòng)不動(dòng)就說(shuō)要讓他爹把誰(shuí)捆起來(lái)戴高帽子游斗，我們沒(méi)理由不怕他。屎克郎雖然不是高干子弟，也不造事欺負(fù)人，但有個(gè)叔叔在東北當(dāng)著解放軍，一人參軍全家光榮了，我們不得不敬他。有了這兩個(gè)因素，大家一般都圍著他倆轉(zhuǎn)，跟他倆玩。我也想圍著他倆轉(zhuǎn)跟他倆玩，可螃蟹不許，他說(shuō)我是個(gè)野種，不配。

3) 星座級(jí)Agent將星座整體任務(wù)分解為單獨(dú)衛(wèi)星任務(wù)并發(fā)送給各顆衛(wèi)星,同時(shí)星座中的衛(wèi)星級(jí)衛(wèi)星被激活。

4) 地面站向衛(wèi)星發(fā)送信息并得到反饋,信息被星地遙測(cè)或星地導(dǎo)航模塊所接收,轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)議棧Agent,協(xié)議棧Agent獲取衛(wèi)星健康狀態(tài)、當(dāng)前時(shí)間后開(kāi)始對(duì)信息進(jìn)行解析,若信息的目的端是本星,則將信息發(fā)送給導(dǎo)航任務(wù)自主處理Agent處理并存儲(chǔ);若信息的目的端不是本星,則像導(dǎo)航任務(wù)處理Agent請(qǐng)求相關(guān)的建鏈路由策略,計(jì)算出接收信息的下一節(jié)點(diǎn),協(xié)議棧Agent通過(guò)把信息編碼為星間信息格式,等待星間互傳模塊發(fā)送給下一目的地。

5) 衛(wèi)星將非本星的數(shù)據(jù)傳遞給下一衛(wèi)星。衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的通信服務(wù)分為完全可靠、高可靠和低可靠三種服務(wù)。圖6中黑色虛線框內(nèi)是通信采用完全可靠的連接服務(wù)時(shí),需要進(jìn)行三次握手建立連接的流程,第一次握手是源衛(wèi)星發(fā)給目的衛(wèi)星的SYN包,等待目的衛(wèi)星進(jìn)行確認(rèn)。第二次握手是目的衛(wèi)星收到SYN包進(jìn)行確認(rèn)后發(fā)送一個(gè)SYN+ACK包給源衛(wèi)星,第三次握手是源衛(wèi)星收到目的衛(wèi)星發(fā)送回來(lái)的SYN+ACK包后,再向目的衛(wèi)星發(fā)送確認(rèn)包ACK。三次握手后衛(wèi)星間進(jìn)入“連接已建立”狀態(tài),然后可以開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。若傳送數(shù)據(jù)時(shí)源衛(wèi)星未收到目的衛(wèi)星回傳的ACK確認(rèn)包,則在一定時(shí)間后重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

6) 衛(wèi)星將信息發(fā)送給目標(biāo)地面站,并得到反饋。

4仿真及結(jié)果分析

本文基于以上研究仿真了24/3/1的Walk星座(星座包括24顆衛(wèi)星, 均勻分布在3個(gè)軌道平面上,相鄰軌道面間對(duì)應(yīng)衛(wèi)星之間的相位角系數(shù)為1),六個(gè)軌道面上的衛(wèi)星編號(hào)分別為11-18,21-28,31-38.軌道高度為22 000 km,傾角為55°,采用的數(shù)據(jù)發(fā)送終端為北京站(約為北緯39.9°,東經(jīng)116.4°)數(shù)據(jù)從北京站發(fā)送給當(dāng)時(shí)境內(nèi)距站最近的衛(wèi)星,衛(wèi)星判斷數(shù)據(jù)不是發(fā)給本星,經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn),如此再三,直到接收終端紐約站(約為北緯40.9°,西經(jīng)73.9°)接收到數(shù)據(jù)為止,仿真參數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)表

仿真開(kāi)始時(shí)衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡和地面站的分布如圖7所示

圖7　仿真配置

圖8是Walk星座配置采用不同傳輸協(xié)議進(jìn)行600 s仿真時(shí)的平均吞吐量隨時(shí)間變化的示意圖。

圖8　平均吞吐量隨時(shí)間變化示意圖

此時(shí)丟包率采用的是1%,采用的協(xié)議分別為Vegas、Reno、New Reno、Tahoe.除協(xié)議外其他部分均一致,如圖所示，可以發(fā)現(xiàn)Tahoe協(xié)議在丟包率較低的時(shí)候比其他協(xié)議更快達(dá)到平均吞吐量的最大值,采用Vegas協(xié)議時(shí)吞吐量的平均值比其他協(xié)議更大,但是隨著時(shí)間的行進(jìn)使用New Reno協(xié)議時(shí)平均吞吐量更快趨于平穩(wěn)。以多Agent構(gòu)成的自主運(yùn)行體系能對(duì)比不同策略下星座運(yùn)行的效率,作為導(dǎo)航星座自主運(yùn)行的策略選擇的參考資料,根據(jù)不同的需求進(jìn)行選擇,對(duì)自主運(yùn)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)有一定的參考價(jià)值。

5結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)航星座自主運(yùn)行技術(shù)是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究的前沿問(wèn)題之一,本文通過(guò)Agent建模方法對(duì)自主運(yùn)行系統(tǒng)的仿真建模做了一定的探索。基于多Agent的建模理念,本文提出了導(dǎo)航星座自主運(yùn)行的體系架構(gòu)和體系中各層級(jí)Agent的建模方法,給出了以導(dǎo)航星座協(xié)議棧Agent為核心的工作流程。仿真結(jié)果表明,由Agent構(gòu)成的系統(tǒng)能夠?qū)Υ嬖诖罅繉?shí)體之間通信與測(cè)量的自主運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行仿真,還可以根據(jù)需求調(diào)整各種不同的策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本文的研究結(jié)果對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自主運(yùn)行相關(guān)的技術(shù)研究具有一定參考價(jià)值。

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冷如松(1991-),男,碩士,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航仿真系統(tǒng)仿真建模研究。

聞德保(1974-),男,教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域?yàn)镚NSS電離層、空間天氣等。

黃文德(1981-),男,博士,講師,主要從事航天器軌道動(dòng)力學(xué)及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)研究。

Agent-based Autonomy Modeling and Simulation for Navigation Satellite Constellations

LENG Rusong1,2,WEN Debao1,HUANG Wende2,3

(1.CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410010,China;2.CollegeofCommunicationsandTransportationEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410073,China;3.ShanghaiAstronomicalObservatory,ChineseAcademyofScience,Shanghai200030,China)

Abstract: Aimed at deficiencies of traditional modeling and simulation method, which fails to meet the requirements of communication and measurement among a number of entities for autonomy of navigation satellite systems, this paper investigates the approach to satisfy these requirements based on the theory of agent.First, modeling and simulation agent architecture of the autonomy system was proposed. Then structures and functions of entities of each level were designed. Finally, an agent of protocol stack was constructed to create the communication and measurement mechanism. The simulation results showed that the mechanism can deal with the problem of communication and measurement in the autonomy system, and it is valuable for the development autonomy of navigation satellite constellations.

Keywords:Navigation constellation; autonomy agent; modeling and simulation; protocol stack

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.001

收稿日期：2015-11-13

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2016)02-0001-06

作者簡(jiǎn)介

資助項(xiàng)目: 中國(guó)博士后基金項(xiàng)目(編號(hào):2015M580365)

聯(lián)系人： 冷如松 E-mail:2563410101@163.com