基于STK/X的卫星系统信息传输时效性仿真

2011-06-13孙艳红韩晓娱

无线电工程 2011年3期

孙艳红,刘冰,陈晖,韩晓娱

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

编队飞行卫星系统是空间技术领域的发展趋势之一,是提高空间系统性能的一个重要措施。评价卫星编队系统性能的一个重要指标就是信息传输时效性,信息传输时效性是位于全球不同地点的2个信息终端通过卫星编队系统进行信息传输的时延性能,具有时间和地理2个方面的属性。编队卫星系统信息传输时效性能提高是以增加卫星的数目为代价的,编队卫星系统中卫星的数目越多,就会增加系统对地面覆盖范围或缩短重访周期。为了获得信息传输时效性和成本的最佳平衡点,需权衡信息传输时效性与卫星个数的相互作用和影响。信息传输时效性通常是选择卫星编队系统的重要的驱动因素,在设计时要综合考虑性能和成本来满足系统的信息传输时效性,因此研究卫星编队系统的时效性具有非常重要的意义。

1 仿真平台分析

STK是一款在航天工业领域处于领先地位的商品化分析软件。该软件支持航天任务周期的全过程 ,包括概念、需求、设计、制造、测试、发射、运行和应用。STK软件起初多用于卫星轨道分析,最初应用在航天、情报、雷达、电子对抗和导弹防御等方面。但随着软件的不断升级,其应用也得到了进一步深入,STK现已逐渐扩展成为分析和执行陆、海、空、天、电(磁)任务的专业仿真平台。但STK是空间轨道设计软件,不具备信息传输时延等信息系统性能的分析能力,需要进行二次开发以扩展STK的功能。

在编队卫星系统时效性仿真中,卫星编队系统对地面的覆盖特性由STK完成,并由STK产生仿真数据,仿真数据的分析处理及最终对编队系统时效性的综合分析由VC软件完成,这就涉及到VC与STK之间的数据和信息交换。但是STK软件自成体系,不能直接与其他软件实时交互数据,要实现VC与STK数据交互,同样需利用接口模块对STK进行二次开发。利用VC开发STK连接应用程序的直接途径是利用STK软件的连接模块STK/X,STK/X模块可提供用户在客户机/服务器环境下与STK连接功能,它是使用4DX嵌入技术生成的STK整合模块,此模块可以将STK的功能嵌入到第三方软件中,而无需在运行STK界面的同时打开STK软件。STK/X模块实质上是一组ActiveX控件,它能够被嵌入到任何支持对象连接和嵌入的应用程序或开发环境中。VC与STK的信息传输模型如图1所示。

图1 VC与STK的通信模型

STK/X与VC的接口如下:

①C++向STK/X传送数据接口。由C++向STK/X发送数据,主要里利用STK/X提供的类(agstkxapplication)函数 Eexcute-Command(),根据需要,将相关命令和数据按照STK的命令组成字符串,作为Execute-Command的参数执行;

②STK/X向C++传递数据接口。为获取卫星在轨运行的实时信息,需要加入STK/X控件的消息函数 OnAnimUdate(double TimeEpSec),其中参数TimeEpSec为当前历元。例如:建立新的工程并加入STK/X控件后,向类中添加函数void OnAnimUpdate(double TimeEpSec),然后添加函数相关代码。

2 基于VC与STK/X的仿真设计

2.1 设计思路

卫星编队系统在应用上体现为一个空间整体,可在分析1颗卫星信息传输时效性的基础上,通过逐一增加卫星颗数的方法讨论卫星数目对系统信息传输时效性的影响。卫星编队系统是区域性覆盖系统,全球范围内不同地面信息终端以存储/转发方式进行信息传输,数据传输延迟由2个部分组成:地面信息终端产生数据等待卫星过顶的时间和已上星的数据在星上等待下传地面信息终端的时间。仿真中可计算不同系统下1个卫星回归周期内,全球不同地理位置的地面信息终端到某一固定位置的地面信息终端的信息传输延迟,并通过比较卫星数目增加与信息传输时延减少的比例,获得信息传输时效性和成本的最佳平衡点。

2.2 仿真方案设计

用VC++6.0(简称VC)编程统一程序界面,在界面中进行各种仿真参数的设置,卫星编队系统对地面的覆盖特性由STK完成,并由STK产生仿真数据,仿真数据的分析处理及最终对编队系统时效性的综合分析由VC完成,最后将仿真计算结果传给Matlab,由Matlab绘制信息传输时延曲线。整个过程的流程图如图2所示。

图2 系统信息传输时效性仿真流程

整个仿真过程分为链接准备与场景建立阶段和数据处理与评估阶段2个阶段。

①链接准备和场景建立阶段。链接准备和场景建立阶段是仿真开始的准备阶段,在这个阶段中配置STK/X模块的相关参数以便程序链接;

②数据处理和计算评估阶段。数据处理和计算评估阶段与场景建立阶段交替执行。用VC驱动STK执行的过程中,每完成一组方案的计算都会产生相应的文本形式或图表形式的报告,需要对这些报告进一步处理比较之后才能执行下一组方案的计算和评估。

数据交互和数据处理的操作是由VC程序读取STK的返回数据后统计处理完成的。这样数据获取、数据处理和计算对比的过程都在VC程序中执行。VC与STK二者的集成有效地利用了STK准确的仿真能力与VC高效的数据分析能力,提高了仿真分析系统开发的灵活性。

3 仿真分析

选取位置为(116°E,39°N)为目标信息终端 ,分析由不同数目的卫星构成的卫星编队系统,全球其他地区到目标终端的信息传输平均时延。仿真中卫星编队系统配置参数如表1所示。

表1 卫星编队系统配置参数

取地球半径为Re=6 378.137 km,引力参数取L=3.986×105 km3/s2,仿真步长为60 s,仿真时间取8天,取631个地面终端均匀分布在地球表面。

为了更好地分析比较不同卫星编队系统信息传输时延,将均匀分布在全球的631个地面信息终端按不同经度带地区和不同纬度带地区进行统计信息传输平均时延,其曲线如图3和图4所示,图中m代表卫星的数目。

图3 不同纬度带信息传输时延曲线

图4 不同经度带信息传输时延曲线

由仿真绘制的信息传输时延曲线可以看出,由2颗卫星组成的卫星编队系统,信息传输时延比1颗卫星缩短1.5×104s左右,由3颗星组成的卫星编队系统比2颗卫星组成的卫星编队系统的信息传输时延减少0.5×104s左右,由4颗星组成的卫星编队系统比3颗卫星组成的卫星编队系统的信息传输时延减少0.25×104s左右,再增加卫星的个数,信息传输时延会减少,但减少的幅度并不是很大。因此权衡信息传输时效性与卫星个数,在本系统中可选取5颗星组成的全球区域性覆盖的卫星编队系统。