偵察衛(wèi)星星座覆蓋性能仿真分析軟件設(shè)計

俞杭華，劉 磊

(上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201210)

0 引言

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，天基偵察逐步發(fā)展成為除地基偵察和空基偵察外的又一個主要偵察方式，并且發(fā)揮越來越重要的作用。1991年海灣戰(zhàn)爭期間，美國使用“白云”海洋監(jiān)視衛(wèi)星、“大酒瓶”、“漩渦”等通信偵察衛(wèi)星，截收和竊聽伊拉克軍方的雷達和通信情報，與光學(xué)和合成孔徑雷達偵察、及地基和空基偵察手段共同形成對伊方全方位、多層次的偵察網(wǎng)[1]。

天基偵察逐步由單星向多星組網(wǎng)方式發(fā)展，以提供更短偵察時間間隔、更長連續(xù)偵察弧段、更大偵察范圍的偵察覆蓋性能。在載荷視場一定的條件下，多星星座的偵察覆蓋性能主要受星座構(gòu)型設(shè)計影響，因此，開展不同構(gòu)型衛(wèi)星星座的對地覆蓋性能對比分析，是天基偵察系統(tǒng)設(shè)計論證的一項重要內(nèi)容。

衛(wèi)星仿真工具包(STK)是一款專業(yè)衛(wèi)星分析工具，提供了強大的分析和二維/三維可視化功能，并且提供了二次開發(fā)接口，用戶可以采用直接操作STK軟件建模，或者開發(fā)用戶程序集成STK分析模塊的方式開展仿真工作。前一種方式適用于仿真對象數(shù)目不多、非實時的任務(wù)分析，后一種方式是使用STK軟件最有效的方式[2]。文獻[3]使用STK/X插件和Matlab GUI界面開發(fā)了電子偵察系統(tǒng)仿真分析軟件，進行了單顆衛(wèi)星對單點和區(qū)域的覆蓋性能分析。文獻[4]利用STK和Matlab進行聯(lián)合仿真，實現(xiàn)對衛(wèi)星軌道和姿態(tài)的控制。文獻[5]設(shè)計實現(xiàn)了連接STK和高層體系結(jié)構(gòu)HLA運行支撐框架RTI的中間件，將STK集成到統(tǒng)一的作戰(zhàn)仿真環(huán)境。

本文針對偵察衛(wèi)星星座覆蓋性能的仿真分析需求，以VS2010為開發(fā)平臺，利用STK的仿真模型和可視化功能開發(fā)了仿真分析系統(tǒng)，提供用戶想定場景編輯、仿真結(jié)果存儲、覆蓋性能對比和可視化顯示等功能，同時可通過Redis數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)與其它仿真程序的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)交互。

1 仿真系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 STK和Redis特性分析

STK軟件支持Windows操作系統(tǒng)，軟件由內(nèi)核和一系列功能模塊組成，提供仿真模型、可視化、數(shù)據(jù)庫和軟件接口等4大類功能。仿真模型包括軌道計算、對象相關(guān)性分析和設(shè)備模型等；可視化功能提供二維、三維動畫顯示；數(shù)據(jù)庫功能提供了衛(wèi)星庫、恒星/行星庫、地形和地圖等；軟件接口包括軟件交互接口和軟件編程接口，外部程序可通過軟件交互接口集成可視化功能，調(diào)用仿真模型，實現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的交互。

Redis是一個開源的高性能鍵-值(Key-Value)型數(shù)據(jù)庫，支持字符串(string)、鏈表(list)、集合(set)和哈希類型(hash)等多種值類型，支持數(shù)據(jù)的添加和移除、取交集并集等操作，提供多種語言應(yīng)用程序接口。Redis支持主從同步，采用發(fā)布和訂閱機制，從服務(wù)器可通過訂閱一個頻道，接收主服務(wù)器發(fā)布的實時消息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)交互。

1.2 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)在Microsoft Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境下，基于.NET Framework4開發(fā)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)以仿真管理控制平臺為中心，提供系統(tǒng)與用戶的交互接口?？刂破脚_使用STKX插件實現(xiàn)仿真場景二維和三維顯示，通過STK/Connect命令，調(diào)用STK軌道計算、對象相關(guān)性等仿真模型?？刂破脚_通過TCP/IP接口與Redis數(shù)據(jù)庫通信，使用數(shù)據(jù)讀和寫方法實現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)的讀寫，使用信息發(fā)布和訂閱方法實現(xiàn)與外部仿真程序的動態(tài)數(shù)據(jù)交互?？刂破脚_通過調(diào)用.NET封裝的Matlab庫函數(shù)，實現(xiàn)仿真結(jié)果的可視化顯示。

1.3 仿真工作流程

仿真程序提供獨立仿真和與外部程序協(xié)同仿真兩種運行方式。選擇獨立仿真方式時，首先需設(shè)置場景參數(shù)，包括仿真起止時間、星座衛(wèi)星數(shù)量、星座衛(wèi)星星歷、目標位置、載荷視場等，可以選擇直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫中已存儲的場景參數(shù)，也可以新建場景。選擇協(xié)同仿真時，程序進入監(jiān)聽等待狀態(tài)，在收到外部程序的啟動仿真指令后，從數(shù)據(jù)庫讀取外部程序?qū)懭氲姆抡鎴鼍皡?shù)，啟動仿真主程序，仿真完成后對外發(fā)布完成標志并再次進入監(jiān)聽狀態(tài)。

讀取參數(shù)完成后，程序調(diào)用STK建立仿真場景，計算數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫，通過二維和三維插件顯示建立的仿真場景，并提供用戶控制按鈕，調(diào)整動畫顯示方式。用戶可選擇需要輸出的覆蓋性能指標，程序生成并輸出圖表。

仿真系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

圖2 仿真工作流程

圖3 用戶交互主界面

1.4 仿真功能模塊設(shè)計實現(xiàn)

1.4.1 用戶交互界面

用戶交互界面提供對程序運行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、結(jié)果可視化等方面的配置，基于Windows窗體開發(fā)。主界面允許用戶選擇程序的運行方式，包括獨立仿真和協(xié)同仿真，獨立仿真狀態(tài)下允許用戶打開子界面，選擇已有仿真場景或建立新仿真場景。主界面配置AGI Map Control 9和AGI Globe Control 9插件，顯示建立的仿真場景，并控制其運行。同時，主界面通過ListBox控件顯示運行狀態(tài)信息，通過PictureBox控件顯示仿真結(jié)果。通過主界面按鈕可生成相應(yīng)的子界面，提供更詳細的配置參數(shù)編輯功能。圖3為主界面。

1.4.2 Redis數(shù)據(jù)庫讀寫和發(fā)布模塊

仿真系統(tǒng)使用Redis數(shù)據(jù)庫存儲初始參數(shù)、中間數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果，同時通過數(shù)據(jù)庫與外部程序進行實時交互?；赟erviceStack庫，設(shè)計了Redis管理、Hash和String類型操作和消息發(fā)布訂閱等多個類，實現(xiàn)鏈接池管理對象的創(chuàng)建、Hash和String兩種類型數(shù)據(jù)的讀寫、信息監(jiān)聽通道訂閱和對外部程序的信息發(fā)布。主程序通過調(diào)用相關(guān)類的方法，在流程各個階段讀寫數(shù)據(jù)，在協(xié)同仿真模式下，通過監(jiān)聽線程訂閱Start_Flag監(jiān)聽通道，實時監(jiān)聽外部程序發(fā)布的命令，仿真分析結(jié)束后通過發(fā)布通道Finish_Flag對外發(fā)布完成信息。

1.4.3 STK調(diào)用模塊

STK調(diào)用模塊封裝了程序?qū)TK的所有調(diào)用操作，根據(jù)輸入場景參數(shù)，建立運行場景，包括衛(wèi)星、載荷、星座、地面站、通信環(huán)境等，完成覆蓋性能分析，回傳仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。該模塊基于STK/Connect提供的STK命令編程接口和Connect標準C命令，通過客戶/服務(wù)器方式實現(xiàn)對STK的控制。

1.4.4 Matlab調(diào)用模塊

仿真結(jié)果的可視化通過調(diào)用Matlab編譯生成的庫函數(shù)實現(xiàn)。在Matlab中編寫并測試數(shù)據(jù)處理和圖形繪制的m文件，使用deploytool命令生成dll組件。主程序通過MWArray類的MWNumeric-Array和MWCharArray數(shù)據(jù)類型將C#中的Double、int和string等類型數(shù)據(jù)映射到Matlab對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，引用dll組件，定義類實例，調(diào)用數(shù)據(jù)處理和繪圖函數(shù)，繪制圖形并顯示在程序主界面。

2 仿真系統(tǒng)應(yīng)用測試

2.1 協(xié)同仿真測試

采用Redis Desktop Manager工具和Redis客戶端程序?qū)Ψ抡嫦到y(tǒng)進行協(xié)同仿真應(yīng)用測試。通過Redis Desktop Manager在數(shù)據(jù)庫中寫入仿真場景參數(shù)、指定當前仿真場景。使用兩個Redis客戶端，一個在Start_Flag通道循環(huán)發(fā)送start信息，啟動仿真主程序，一個在Finish_Flag通道接收仿真系統(tǒng)完成仿真任務(wù)后發(fā)布的finish信息。

圖4和圖5為協(xié)同仿真應(yīng)用測試方案和測試結(jié)果。

圖4 協(xié)同仿真應(yīng)用測試方案

圖5 協(xié)同仿真應(yīng)用測試結(jié)果-主程序

測試過程設(shè)置了12星衛(wèi)星星座場景，循環(huán)發(fā)送了4次啟動仿真信息。測試結(jié)果表明，仿真系統(tǒng)能夠根據(jù)接收到的外部啟動信息，完成仿真分析，輸出仿真結(jié)果到數(shù)據(jù)庫，并對外發(fā)布結(jié)束信息。

2.2 單星座覆蓋性能分析

在獨立仿真模式下，新建一個仿真時間為2天的場景，建立了一個軌道高度1000 km、傾角45°、3個軌道面、每個軌道面4顆衛(wèi)星的Walker星座1，設(shè)定載荷為視場角±45°的電子偵察載荷，設(shè)定地面點目標(Fac1，30°N/120°E)和地面區(qū)域目標(Area1，4個頂點分別是30°N/120°E、30°N/125°E、20°N/120°E、20°N/125°E)。

仿真分析得到星座最大可覆蓋緯度為南北緯55°，2天的仿真時間內(nèi)共70次重訪間隔，最大間隔277.9 min，最小間隔5.6 min，除5個最大間隔點外，其余間隔均小于25 min。對區(qū)域目標共98個可見弧段，最長時間9 min，最短時間0.8 min。圖6為對點目標的重訪周期，圖7為對區(qū)域目標的連續(xù)覆蓋時間。

圖6 點目標重訪周期

圖7 區(qū)域目標連續(xù)覆蓋時間

2.3 多星座覆蓋性能對比

在前述仿真場景基礎(chǔ)上，更改衛(wèi)星星座構(gòu)型為4個軌道面、每個軌道面3顆衛(wèi)星的Walker星座2，運行程序完成仿真計算。

由于軌道傾角和載荷視場角相同，星座1和星座2最大可覆蓋緯度相同。在程序主界面選擇星座對比功能，輸出上述兩個衛(wèi)星星座對點目標和區(qū)域目標覆蓋性能的對比結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 點目標重訪周期對比

圖9 區(qū)域目標連續(xù)覆蓋時間對比

由圖可知，由于星座2軌道面數(shù)量大于星座1 ，對點目標重訪間隔最大192.2 min，小于星座1的最大間隔，但是由于星座2每軌衛(wèi)星數(shù)量小于星座1，星座2重訪間隔的多數(shù)集中在30 min左右，而星座1多數(shù)間隔在20 min左右。兩個星座對區(qū)域目標的覆蓋性能相近，最大連續(xù)觀察時間相差1 min。

3 結(jié)束語

對地覆蓋性能分析是偵察衛(wèi)星星座系統(tǒng)設(shè)計的一項重要內(nèi)容。本文基于STK軟件設(shè)計開發(fā)的仿真分析系統(tǒng)，以簡潔的用戶交互界面，實現(xiàn)了快速、有效的星座覆蓋性能分析功能，可以簡化星座構(gòu)型論證工作，為星座系統(tǒng)設(shè)計提供支撐。通過仿真應(yīng)用測試，表明該系統(tǒng)可以獨立運行完成單星座的覆蓋性能分析和多星座的性能對比，也可以作為一個模塊與外部仿真系統(tǒng)開展協(xié)同仿真。■