基于Agent建模仿真的航天发射末段海上测控布站优化研究

2015-11-02年福纯薛国虎李红艳王兆魁

指挥与控制学报 2015年3期

年福纯薛国虎李红艳王兆魁

1.中国卫星海上测控部江苏江阴214431 2.清华大学航天航空学院北京100084

海上测控布站研究就是在海上测控任务已经明确、船载测控通信设备研制改造完成、中心机任务软件开发完成、航天器的发射窗口、飞行轨道、飞行程序这些输入条件确定之后,确定测量工况,即航天测量船实施测控任务时的船位、航向、航速等工况状态,一般还要给出备用测量工况以便根据需要选用[1].

Agent是一类能感知环境,并能自治地运行,反馈给环境,实现一系列目标的计算实体或程序[2].

其在人工智能领域发展迅速,特别适用于为复杂适应系统提供有效的概念模型和解决途径.

而海上测控布站会涉及到设备性能、雷达视角、海域、气象条件等各种复杂因素的影响,一般理论方法无法满足精确设计要求的情况,因此,本文围绕基于Agent技术的建模仿真来实现海上测控布站的优化研究,主要开展工作有:Agent开发平台选择、海上测控布站约束因素分析、基于Agent技术测控布站建模以及优化系统仿真实现.

1 Agent开发平台选择

目前,多Agent建模方法和计算机仿真技术相结合已成为研究复杂系统最为有效的手段之一.同传统的建模方法相比,多Agent建模方法在复杂系统研究方面具有独特的优势,已经在社会、经济、军事等领域,得到了广泛的应用[3].但随着多Agent建模方法的应用越来越广泛,研究系统越来越庞大,从零开始开展多Agent仿真实验变得越来越困难,因此,涌现出了一些多Agent仿真平台,比较著名的有NetLogo、Swarm、TNGLab、Repast等,相比于其他仿真平台,Repast能较好地满足研究者需要.它以Java为主要编程语言,在多种操作系统上容易安装和使用,具有强大的支持类库,且有丰富的编程资源可供参考,本身作为开源免费软件,能够得到较多的支持.最新版本Repast Simphony结合了Eclipse这一主流Java、Logo等语言编写仿真程序代码,也可采用Point-and-Click可视化开发环境,自动生成大量的基础代码,在很大程度上降低了仿真实现的难度,使开发人员能把更多的注意力放在Agent模型的构建上[4−7].

2 海上测控布站约束条件[1]

在进行海上测控布站优化之前,都要对影响稳定捕获跟踪的测控、通信等众多约束条件进行全面分析,选取既能满足总体任务弧段测控覆盖要求,又能尽量满足各种约束条件的交集,作为测量船能否完成海上测控任务的能力分析和测量船工况设计与优化的重要依据,具体分析如下.

2.1 最大测控距离约束

无论是哪类航天器,一般都是采用航天器上信标机或应答机发送信号而地面测控设备接收,以及测控设备发射信号而航天器上接收的方式.如果已知应答机输出功率和输入功率,根据雷达距离方程很容易计算出最大可跟踪距离Rmax.选择船位时只要按照已知弹道计算出在该船位下的最大斜距R,使R

2.2 飞行器测控天线波束覆盖约束

无线电测控设备跟踪、控制飞行器,从测量几何角度必须满足飞行器的天线波束能覆盖测量船.

1)飞行器天线波束宽度与覆盖范围

为了便于测控网跟踪飞行器,包括火箭和卫星,需要分析飞行器测控天线对地波束宽度与地面覆盖范围的关系,在飞行器的地面覆盖带内设置测量船是测控节点布局的约束条件.

图1 >5◦仰角下飞行器天线覆盖范围图

火箭测控天线一般采用全向天线,对地表能够全向覆盖;三轴稳定卫星的测控天线安装在卫星+Z轴方向,天线波束主轴与卫星+Z轴一致.+Z轴(或-Z轴)的指向决定了天线波束主轴的指向.通常三轴稳定卫星的+Z轴指向地心.所以飞行器天线波束覆盖测控站(船)的范围取决于火箭或卫星的飞行高度h和天线半波束宽度θs.图1表示了在保证地面5◦以上的仰角情况下飞行器天线覆盖范围图.由图1可知,在某时刻,βs角绕OS旋转360◦构成的球冠就是卫星天线波束覆盖范围.具体求解过程步骤如下.

1)首先,将天线半波束角θs与假设天线为全向天线,考虑地面测控站(船)5◦以上仰角保精度测控的前提下,求得的天线半波束角之间比较大小,得出天线实际有效的对地半波束覆盖角

而在5◦仰角的临界情况下,对应的天线半波束角可在斜三角形AOS中利用斜三角形定理求得.即已知两边及其一边的对角求其他边和角的公式,已知边OA=Re、边OS=Re+h、角∠OAS=95◦,求得为:

2)其次,根据实际对地半波束角θ0s求得地面覆盖区域对应的半地心角βs.

在斜三角形AOS中,已知边OA=Re、边OS=R+h、角e根据斜三角形定理,已知两边及其一边的对角求其他边和角的公式,首先可求得∠OAS为:

可得角∠AOS即βs为:

该式即为天线实际有效对地覆盖范围对应的地心角βs计算公式.

另外,当卫星+Z轴不指向地心时,卫星天线波束也能覆盖到地球,天线波束宽度一定的条件下,覆盖带的宽度不仅取决于卫星飞行高度,还取决于卫星的滚动、俯仰姿态,即+Z轴的指向.三轴稳定地球同步卫星的转移轨道段处于巡航姿态时,就属于这种情况.

2.3 满足设备跟踪性能要求

测控设备在总体规定的测控弧段内稳定跟踪目标,还需要满足设备跟踪性能要求.这里所说的设备跟踪性能是指设备能够稳定跟踪目标并可靠获取精度较高的测量信息的战术技术指标.

首先需要分析测控设备相对航天器的跟踪仰角问题.测量船布站时对跟踪仰角的考虑与陆站不同之处在于,还要考虑恶劣海况造成的船摇晃动影响.由于船摇影响一般将测控设备的遥测正常工作仰角范围设为地平系3◦,外测保精度跟踪仰角范围最低设为地平系5◦.

其次,要受到船载测控设备的最大方位角速度、最大俯仰角速度和最大径向速度等指标约束,因此,分析测控设备跟踪过程的各项参数在任务弧段内是否满足测控设备本身的指标要求.

另外,还需考虑分析测控设备的高仰角跟踪性能.高仰角跟踪时主要产生以下影响:1)动态滞后加大;2)天线方位运转平稳性变差;3)跟踪的随机误差增大.从以往任务高仰角跟踪时的天线运转情况看,天线仰角小于75◦时运转比较平稳,仰角大于75◦后,方位角将开始出现明显抖动.因此,在设计任务工况时,在仰角过高时,尽量调整船位降低航捷仰角,避免因天线航捷仰角过高引起天线方位振荡问题.

2.4 视角约束

航天测量船船体上甲板狭窄,测控设备的天线口径大,其与其他桅杆、烟囱等船舶设备在呈“一”字型排列在甲板上,且相对距离较近,相对位置固定,基本上密集分布在船艘船艉线上,在天线之间及天线与船体之间的遮挡较为严重.因此,航向设计的目的就是使测量船到达起始测量点及其后整个跟踪弧段内,各测量设备天线对目标的指向不落在遮挡角范围内,只要在方位上避开方位遮挡角,俯仰遮挡角可以不予考虑.航向设计主要受方位遮挡角的约束.

2.5 气象条件约束

与陆上测控站不同,航天测量船经常需要在气象条件复杂、恶劣海况多发的广袤海洋中边航行边测控,因此,在海上测控任务设计时,需要考虑测控海域的气象条件可能对测控任务的影响.

从历年来各海区的气象资料统计分析和航海经验可知,一般来说,纬度越高,遇到恶劣海况的概率越大,海域气象条件越复杂;纬度越低,海况条件越好.因此,在船位确定时,在满足测控任务情况下,应尽量考虑选择靠近低纬度海区的测控海域,提高航天测量船的安全性,确保测控任务完成.

3 基于Agent航天发射末段测控布站建模

3.1 测控布站Agent划分

航天发射任务末段测控布站优化主要指任务前根据已知的火箭与卫星理论弹道和姿态数据,在满足各种约束条件下,进行测量船位和航向优化设计.以某卫星发射任务末段测控为例,测控布站优化主要是由运载火箭、卫星、海上测量船、船载测控雷达、气象与地理信息等环境构成.

将所有Agent对象视为反应型Agent,测量船Agent在后期逐步完善修正为混合型Agent.由于卫星和火箭的属性、行为和交互方法比较类似,可作为一种类型Agent,定义为飞行器Agent,根据测控布站优化系统构成,建立飞行器Agent、测量船Agent、测控雷达Agent和环境Agent.对象之间的交互方式是从环境中获得自己所需的信息,反应后,再将信息反馈到环境中,再将其提供给其他需要的Agent对象[8−10].

3.2 Agent系统结构设计

如图2所示,该优化系统首先以承担任务测控时间段为输入,将飞行器飞行弹道和姿态数据、设备跟踪性能参数、气象和地理信息数据为已知条件,每个Agent都从环境Agent中获取自己需要的信息,根据信息各自能够自行做出行动.先在飞行器Agent中计算承担任务起止点对地覆盖区域,并在此基础上分析起止覆盖区域的交集区域,为测量船船位选取提供基本区域;之后测量船Agent结合测控雷达Agent的跟踪性能及视角约束,计算出测量船Agent的初始位置和航向;在船位和航向确定之后,结合已知的弹道数据再进行测量船跟踪性能计算,得出测控起止时间,最低和最高仰角,然后判断是否满足测控要求,如果满足则结束优化,如果不满足将根据具体跟踪性能与测控要求比较,按照约束规则,重新优化计算出船位和航向,继续迭代优化运算[11−14].

图2 Agent系统结构流程图

3.3 Agent对象属性和行为建模

3.3.1 飞行器Agent

结构:火箭一子级、二子级、三子级、测控天线等,卫星有效载荷、平台、测控天线等.

属性:名称、时间、位置(Lon、Lat、Alt)、速度(LonRate、LatRate、AltRate)、地面覆盖范围和飞行器是否可见状态.

行为:飞行器按照已知轨(弹)道和姿态飞行行为、计算飞行过程中对地面覆盖区域、计算起止点覆盖交集区.

交互行为分析:飞行器在飞行过程中,会根据交集的覆盖范围,向环境Agent获取是否有测量船Agent进入覆盖交集区,如果进入覆盖交集区,则获取船位信息,分析对测量船的覆盖时间,并根据时间不断更新自身的位置和速度信息,并将其发送给环境Agent.测量船,测控雷达依次从环境Agent获得飞行器Agent的状态信息,采取相应的行为实现对其的跟踪行为.

3.3.2 测量船Agent

结构:中心计算机系统、卫星通信系统、船舶动力系统和航海驾驶导航系统等.

属性:名称、船位 (Lon、Lat)、航向 (Heading)、航速 (Speed)、要求承担的任务起止时间(TaskStartTime、TaskEndTime).

行为:依据设备跟踪性能和视角约束在覆盖交集区内按照指定间隔经纬度步长遍历更新船位、按照指定转速遍历航向.

交互行为分析:测量船根据测控雷达Agent反馈是否满足跟踪性能,如果不满足,则测量船结合覆盖交集区、设备性能和视角约束等情况,优选遍历更新船位和航向,然后将更新后的船位、航向、航速信息反馈给环境,环境再将信息发送给测控雷达重新计算跟踪性能,若不满足跟踪性能会反馈给测量船Agent,然后测量船会重新更新船位、航向、航速等信息,反复迭代计算.

3.3.3 测控雷达Agent

结构:船载USB测控雷达系统、C+C测控雷达系统,包含雷达天线、馈源、驱动装置等.

属性:位置、频率、发射功率、天线增益、接收机系数、接收机等效噪声带宽、最小信噪比、探测半径和探测夹角 (探测区域边界和探测轴线之间的夹角)、跟踪起始时刻及其对应仰角 (StartT、StartEl)、最大仰角及对应时刻(MaxEl、MaxElT)、跟踪终止时刻及其对应仰角(EndT、EndEl)、总计连续跟踪时间(Duration).

行为:感知探测区域内飞行器、接收回波、信号处理、按照目标移动方向调整探测轴线指向、将跟踪性能参数转发给环境Agent.

交互行为分析:通过测量船Agent接收测控雷达位置和方向信息,接收飞行器Agent轨道姿态数据,计算对飞行器的跟踪性能,分析出关键跟踪参数包括跟踪起止时刻和对应仰角,以及最大仰角(即航捷角)及对应时刻,结合气象和地理信息情况约束规则,判断当前船位和航向是否满足测控任务需求.如果不满足,将向测量船Agent发送不满足测控需求信息,如果满足,则结束布站优化.

由于测控雷达在船上一字型安装,存在相互遮挡情况,具有360◦视角遮挡参数文件可供视角约束规则使用.

3.3.4 环境Agent

结构:环境主要是指对象所处物理环境和信息环境.

属性:Agent的类型、数目、关系、感知半径.行为:接收Agent信息请求,提供信息,并保存Agent的更新信息.

交互行为分析:Agent请求,响应,Agent动作后,更新其信息.

4 发射末段测控布站仿真优化实现

4.1 仿真平台及初始参数配置

4.1.1 仿真平台及系统组成

优化系统基于Repast仿真平台构建,主要由Agent类、Model类、数据源、环境、时间表和事件类组成.

1)Agent类

Agent类主要用来描述实际系统中的个体属性和行为规则.构建Agent类是仿真优化最主要的工作,在实际个体数学模型的基础上,根据Agent的基本框架来构建.本系统设计的Agent类有:

OrbitAgent类:代表飞行器Agent,具有轨道和姿态信息属性;

ZoneAgent类:表示飞行器对地面5˚以上仰角覆盖的区域类;

IntersectZoneAgent类:代表任务起点和终点时刻飞行器对地面覆盖区域的交集区域类;

ShipAgent类:代表测量船和测控雷达Agent,将两个Agent合并为一个Agent类进行设计,包含测量船Agent和测控雷达Agent对应的属性和行为总和.

2)环境

环境是对应Agent类的运行环境,即环境Agent.其包括一个Context接口和各种空间类.Repast提供多种空间类,不仅有基本的2D、3D空间,还支持GIS、Network等复杂环境.本系统基于GIS 3D空间类建立起系统模型,所有Agent个体都基于GIS 3D空间环境基础上创建,提供各种指定空间范围内几何Agent对象搜索、遍历功能,本系统首先创建了一个Context类:ContextCreator类,然后在ContextCreator中创建了GIS 3D空间.

另外,Model类使用Repast提供的默认模型类SimpleModel作为仿真模型的Model类.

数据源直接使用默认数据源接口,直接通过其向分析和显示模块传输数据.

时间表和事件类Repast也已经提供好相关配置,无需额外设计编写,直接使用即可.

4.1.2 初始化参数配置

本系统初始化参数配置包含3项参数:

MoveDeltLat和MoveDeltLon值:为测量船在覆盖交集区内进行遍历时,每个Tick步长间的纬度和经度间隔,为double类型,该值一般根据覆盖交集区大小适当选择,值越小,船位遍历的就越密,值越大,船位遍历的就越稀,初始输入值分别设为1◦.

TaskDurationTime值:为测量船所承担任务的时间段,即下达的任务弧段,值得注意的是,此处可以连续设置多艘测量船承担的任务时间段,中间用分号(;)分开设置,每一段又都包含起始时和终止时,为此,使用测量船的数量及其各自承担的弧段都可以表示出.

另外,针对具体的某一次任务,其飞行器的飞行轨(弹)道和姿态数据、测量船雷达视角遮挡数据均以文件的形式预先读入系统中,不需系统界面输入.

4.2 仿真软件实现

系统主界面采用Repast传统界面,如图3所示,在界面的上侧,主要有菜单栏和工具栏;在界面左侧区域中的场景树、参数、运行选项等界面;在右侧主活动区主要包含GIS 3D空间和自定义配置用于分析的曲线图界面等.

1)场景树窗口

该窗口是布站优化系统的集中配置区,在该窗口中首先要在Data Loaders中将环境类ContextCreator导入,接着在Data Sets中导入要分析的Agent属性参数;然后就可以在Charts中选择要分析的数据参数进行图表显示分析;在Displays中选择GIS 3D空间环境,载入要显示的Agent对象,用三维立体方式演示仿真过程;在Text Sinks中将仿真数据输出为文本,便于后续分析之用.

2)运行选项窗口

该窗口主要负责控制仿真过程,可以设置Tick的起止值和Tick的间隔时间等.例如,如果需要在显示窗口中仔细分析在前后两个Tick之间的Agent变化情况,即可将Tick间隔时间调大些,以便于分析.

3)GIS 3D显示窗口

该窗口用三维立体的形式将整个演化过程表现出来,基于WorldWind虚拟地球三维平台,可以在左侧选择要显示的图层和Agent对象,在软件连接互联网的情况下,可以很清晰地载入各种类型的GIS图层数据,包括影像、地形、国界线、大气、地名、街道地图等,展示精确可信,效果出色.

4.3 仿真实例分析

图3 优化系统主界面图

图4 一个遍历周期内船位信息仿真结果图

图5 一个遍历周期内跟踪时间仿真结果

新建一个飞行器Agent,给定飞行轨道、姿态数据,新建测量船Agent,给定承担测控弧段为起飞后第600s到750s,基于此即可通过循环仿真,对测量船船位和航向进行遍历优选.图4将船位数据在Tick循环中进行了遍历仿真,得出船位值和Tick值之间的对应关系,便于后续分析仰角和测控时间时取用.图5分析出每个Tick值对应的跟踪起止时刻和最大仰角对应的时刻(此处时刻为相对起飞绝对时的相对时刻).可看出,跟踪起点均小于600s,跟踪终点时间均大于750s,满足任务测控时间弧段要求.图6分析出每个Tick值对应的跟踪起止仰角值和整个跟踪过程中最大仰角值,可看出,最低仰角均能满足5◦以上,最大仰角部分船位均会超过75◦以上,因此,可在最大仰角在75◦以下区域对应的船位中优选.通过结合3张图分别与Tick一一对应的关系,可以分析出所需的船位与跟踪时间和跟踪仰角情况之间的关系.

图7和图8分别为利用仿真结果文本输出数据,利用Matlab制图.图7为船位与最大仰角对应关系三维图,通过该图可直观分析最大仰角来优选船位对应地理区域.图8为船位与跟踪总时长对应关系三维图,可看出,跟踪总时长绝大部分船位均能满足150s以上连续测控,再结合图5的起止测控时间,可分析出,均能覆盖测控任务要求的600s到750s时间段,通过该图可分析跟踪总时长来优选船位对应地理区域.