一種基于HLA的交會對接動力學(xué)仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

安宜貴+董正宏

摘 要：采用HLA作為交會對接動力學(xué)仿真的體系結(jié)構(gòu)，首先設(shè)計了交會對接動力學(xué)仿真系統(tǒng)的仿真流程和FOM/SOM設(shè)計方法，提出了實時與延時相結(jié)合的自適應(yīng)時間管理技術(shù)，并測試了其數(shù)據(jù)交互性能。

關(guān)鍵詞：交會對接；仿真系統(tǒng)；體系結(jié)構(gòu)

在航天技術(shù)應(yīng)用中，空間交會對接技術(shù)的控制最復(fù)雜、變量參數(shù)最多，控制難度也最大[1]，在任務(wù)執(zhí)行前需要進行大量的驗證。構(gòu)造航天器交會對接動力學(xué)仿真系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)）[2]是一個開放的、支持面向?qū)ο蟮姆抡骟w系結(jié)構(gòu)，代表了當(dāng)今分布式交互仿真技術(shù)的主流方向。采用HLA體系結(jié)構(gòu)，仿真分析交會對接動力學(xué)問題，已成為當(dāng)前交會對接研究中最常用的研究手段。

1 交會對接動力學(xué)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)仿真流程

按照HLA聯(lián)邦成員仿真流程的三個步驟：成員初始化、進入仿真循環(huán)、退出聯(lián)邦[3]，設(shè)計交會對接仿真系統(tǒng)的仿真流程如圖1所示。

1.2 聯(lián)邦的FOM/SOM設(shè)計

HLA定義了兩類對象模型，一類是聯(lián)邦對象模型（Federal Object Model，F(xiàn)OM），一類是成員對象模型（Simulation Object Model，SOM），分別用來描述聯(lián)邦和聯(lián)邦成員的特性[4]。根據(jù)動力學(xué)仿真、GNC仿真、推進系統(tǒng)仿真等重要聯(lián)邦成員的特性，確定各聯(lián)邦成員的對象類和交互類以及其公布/訂購關(guān)系。根據(jù)各對象類的屬性以及交互類的參數(shù)，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(shù)表等，即可生成FED文件，完成聯(lián)邦的FOM/SOM設(shè)計。

2 實時與延時相結(jié)合的自適應(yīng)時間管理技術(shù)

HLA時間管理服務(wù)是在聯(lián)邦執(zhí)行時控制時間的推進，使時間推進機制與負(fù)責(zé)傳遞消息的機制相配合[5]。交會動力學(xué)仿真采用邏輯時間步進與物理時間推進相結(jié)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(dāng)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(xiàn)了兩種變步長的要求。針對這種變步長的要求，提出自適應(yīng)實時和延時變步長的時間管理技術(shù)。

以單航天器動力學(xué)仿真三個仿真聯(lián)邦成員為例（多航天器情況類似）。三個仿真聯(lián)邦成員分別是GNC仿真、推進系統(tǒng)仿真和動力學(xué)模型仿真，變步長的觸發(fā)點來自GNC仿真，由GNC自主計算或?qū)ψ⑷霐?shù)據(jù)反解的發(fā)動機工作信息觸發(fā)自身聯(lián)邦成員的變步長，GNC將發(fā)動機工作信息發(fā)送給推進系統(tǒng)仿真；推進系統(tǒng)計算出推力力矩信息給動力學(xué)模型仿真，不需要改變步長；動力學(xué)模型仿真為GNC仿真提供變步長后相應(yīng)頻率的軌道姿態(tài)信息，需要改變步長。

確定開關(guān)機數(shù)目和每次的開機時間與開機時長為輸入?yún)?shù)，自適應(yīng)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(jù)開關(guān)機數(shù)目和每次的開機時間與開機時長計算變步長性質(zhì)；

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(shù)組中；

}

else if（實時變步長）{

continusIn = TRUE；

}

創(chuàng)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(guān)機數(shù)目；i++）{

sleep（phaseLengthTime[i]）；

if（i%2==0）

邏輯步長和物理步長改變?yōu)?60ms；

else

邏輯步長和物理步長改變?yōu)?s；

}

}

else if（實時變步長 && continusIn）{

邏輯步長和物理步長改變?yōu)?60ms；

while（continusIn）{

continusIn = FALSE；

sleep（160）；

}

sleep（1000）；

}

3 數(shù)據(jù)交互性能測試

3.1 測試工具

RTI是HLA仿真系統(tǒng)運行的核心支撐軟件，其性能直接關(guān)系仿真系統(tǒng)成敗，目前尚沒有能全面測試RTI性能的專用軟件[6]。我們結(jié)合課題研究開發(fā)了性能測試工具，包含兩個通用的測試成員，分別負(fù)責(zé)發(fā)送和接收，具有以下功能：提供6個性能指標(biāo)測試模塊；每個測試模塊都具有統(tǒng)計次數(shù)、運行參數(shù)和結(jié)果統(tǒng)計輸出等功能。

3.2 測試結(jié)果

測試實驗主要對對象類、交互類的數(shù)據(jù)傳輸速度、數(shù)據(jù)丟包率進行測試。測試環(huán)境為：服務(wù)器配置為SUN V890，SUN Solaris系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)C++。微機配置為CPU P4 3.0G，內(nèi)存1G，網(wǎng)絡(luò)100M，WinXP系統(tǒng)，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(fā)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(fā)送成員，更新屬性吞吐量由每秒發(fā)送updateAttributeValue（）（UAV）的次數(shù)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(shù)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(fā)送中對發(fā)送成員，實例發(fā)送吞吐量由每秒發(fā)送sendInteraction（）（SI）的次數(shù)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(shù)來測量。兩個平均速率的最小值表示為交互參數(shù)吞吐量。

3.2.2 測試結(jié)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(fā)性測試（5000次）。可靠模式測試結(jié)果如表1所示，試驗中未發(fā)現(xiàn)丟包現(xiàn)象，實驗數(shù)據(jù)表明通信效率和屬性長度有關(guān)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(jié)果如表2所示，快速模式傳輸數(shù)據(jù)的速度比可靠模式稍高，通信效率和屬性長度的關(guān)系和可靠模式一致。其中快速模式的丟包現(xiàn)象主要和rti.inf文件udpsockmanager設(shè)置相關(guān)，需要根據(jù)每秒發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)量調(diào)整udpsockmanager中發(fā)送緩沖池或接收緩沖池的大小，以免淹沒數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

設(shè)計了交會對接動力學(xué)仿真的仿真流程和FOM/SOM，提供了基于HLA交會對接動力學(xué)仿真體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，針對交會對接動力學(xué)動真變步長的特點，提出一種自適應(yīng)實時和延時變步長處理方法。設(shè)計了RTI性能測試工具，大大降低了直接使用RTI軟件的風(fēng)險。

參考文獻

[1]鄭永煌.空間交會對接技術(shù)[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(shè)計[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009，21（5）：1324-1328.

[4]周彥，戴劍偉.HLA仿真程序設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

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

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