CN102982209A

CN102982209A - 基于hla的空间网络可视化仿真系统及仿真方法

Info

Publication number: CN102982209A
Application number: CN2012105081364A
Authority: CN
Inventors: 张钦宇; 杨志华; 焦健; 高嵩巍; 李红兵
Original assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Current assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2032-12-03
Also published as: CN102982209B

Abstract

本发明提供一种基于HLA的空间网络可视化仿真方法及仿真系统。本发明的特点在于根据空间任务的网络模型建立空间网络联邦，提出了新的基于空间网络的可视化仿真方案，各网络节点的信息交互采用HLA/RTI分布式体系结构和仿真流程，并引入MATLAB数值仿真和数据分析作为数值计算联邦成员，以及引入数据库连接数据采集联邦成员，利用STK/VO技术作STK联邦成员的整体场景模拟，利用STKX组件技术将STK的二维/三维显示控件无缝隙的集成在仿真应用程序，与仿真任务相结合完成空间网络的可视化仿真，不仅可以对仿真的场景和过程有直观、准确的了解，而且对仿真的任务和数据有更直接的表现方式。

Description

基于HLA的空间网络可视化仿真系统及仿真方法

技术领域

本发明涉及一种基于HLA的空间网络可视化仿真系统及仿真方法。

背景技术

随着空间网络的发展，利用仿真软件模拟空间网络完成空间探测任务，以及验证空间通信协议及编码技术等已经受到了国内外的高度重视。但是目前还没有一个全能型的仿真软件可以同时实现空间网络可视化的模拟，如在仿真空间网络传输层协议的同时，可以进行可视化的空间传输任务。

首先，空间网络仿真是一个数据量巨大的融合性非常强的仿真过程。由于空间网络是由各种轨道卫星、遥感器组成的具有通信、导航等功能的集合体，不同的数据信息需要进行区分和融合，因此空间网络仿真需要对数据具有相当大的融合能力和处理功能。在模拟空间通信传输，进行混合环境测试和评估时，需要对空间网络仿真进行细节捕捉，特点分析，由于空间网络环境、通信链路等多方面因素，使得空间网络仿真的动态效果极其困难，使得可视化的技术无法直接集成。

其次，由于空间网络动态拓扑结构变化不定，现有的仿真软件无法模拟事实拓扑结构以及拓扑结构变化等相关信息，很难看出空间网络协议的仿真结果以及空间网络通信探测任务的传输情况，对于复杂的、随机的、和动态的真实系统的仿真很难进行建模和动态分析。由此可以看出，空间网络空间进行仿真的难点不仅在于建立轨道和行星的运动学模型，还包括对链路工程模型，网络拥塞模型以及空间通信协议模型的仿真。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于HLA的空间网络可视化仿真方法，包括以下步骤，

A、根据实际需要仿真的场景设计空间网络传输模型以进行信息传输；

B、根据空间网络传输模型，设计各个联邦成员以及各联邦成员对象；

C、采用多台计算机进行同步仿真，各台计算机分别执行各个联邦成员的应用程序，并根据协议及路由算法采用多跳式的信息传输；

D、对空间网络的各个应用程序进行可视化的分析与设计。

进一步改进为，所述步骤A中，空间网络结构拓扑为动态，通过动态的路由方案进行信息传输。

进一步改进为，所述步骤A中，把空间网络可以接收或者发送的空间设备和地面设备都当作空间网络的仿真的各个网络节点。

进一步改进为，所述步骤B中，把空间子网与联邦成员相对应；把空间网络节点与一个联邦成员的对象实例相对应，根据不同性质的空间网络节点抽象成不同的对象类，不同性质的空间网络节点之间的信息交换抽象成不同的交互类。

进一步改进为，所述步骤C中，信息传输是网络节点间的信息交互，每一个应用程序代表的联邦成员由不同网络节点组成，各网络节点可同时进行信息的发送和接收。

进一步改进为，所述步骤D包括数据处理单元可视化、仿真场景可视化、操作管理可视化。

进一步改进为，空间网络联邦包括各空间子网联邦成员、数值仿真联邦成员、场景仿真联邦成员、数据采集联邦成员和操作管理联邦成员，各联邦成员之间的数据通信采用HLA高层体系结构总线，数值仿真联邦成员采用Matlab/Simulink建立仿真和计算模型，场景仿真联邦成员采用STK/VO技术在STK软件上直接输出空间网络场景，数据采集联邦成员设有数据处理单元并建立仿真数据库，操作管理联邦成员采用 MFC 构建以实现用户操作和系统管理。

进一步改进为，所述数据处理单元可视化分为动画数据处理可视化和统计数据处理可视化，所述动画数据处理主要由数值仿真联邦成员实现，所述统计数据处理可视化由各空间子网联邦成员的进行数据统计以图形或字符串在应用程序上呈现，所述仿真场景可视化分为STK/VO 的场景可视化和利用STKX 组件技术的仿真对象可视化，所述STK/VO可视化由场景仿真联邦成员利用STK软件直接进行场景输出，所述仿真对象可视化为各空间子网联邦成员利用STKX组件技术实时动态的进行各对象显示，所述操作管理可视化分为用户操作可视化和系统管理可视化。

进一步改进为，所述数值仿真联邦成员和场景仿真联邦成员均可利用STK/Connect命令通过HLA总线发送给各空间子网联邦成员，各空间子网联邦成员处理命令利用STKX组件实现仿真对象的可视化。

进一步改进为，所述场景仿真联邦成员发送的场景相关数据给其他空间子网联邦成员以及数值仿真联邦成员。

相较于现有技术，本发明的特点在于根据空间任务的网络模型建立空间网络联邦，提出了新的基于空间网络的可视化仿真方案，各网络节点的信息交互采用HLA/RTI分布式仿真的架构和仿真流程，并引入MATLAB数值仿真和数据分析作为数值计算联邦成员，以及引入数据库作连接数据采集联邦成员，利用STK/VO技术作STK联邦成员的整体场景模拟，利用STKX组件技术将STK的二维/三维显示控件无缝隙的集成在仿真应用程序，与仿真任务相结合完成空间网络可视化仿真，不仅可以对仿真的场景和过程有直观、准确的了解，而且对仿真的任务和数据有更直接的表现方式。

附图说明

图1是本发明的带中继的空间网络拓展模型示意图。

图2是本发明的空间网络联邦对象模型设计示意图。

图3是本发明的基于HLA空间网络应用程序架构示意图。

图4是本发明的空间网络可视化结构示意图。

图5是本发明的空间网络仿真方案技术架构示意图。

图6是本发明的STKX可视化仿真流程示意图。

图7是本发明的MATLAB与RTI的交互关系示意图。

图8是本发明的VC应用程序与数据库交互关系示意图。

图9是本发明的STK与RTI的交互关系示意图。

图10是本发明的STKX组件与RTI交互关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

请参阅图1至图10，本发明提供了一种适合任何空间网络场景的基于HLA的空间网络可视化仿真系统及仿真方法。

一种基于HLA的空间网络可视化仿真方法，包括以下步骤：

1、根据实际需要仿真的场景设计空间网络传输模型。如图1所示，把空间网络可以接收或者发送的空间设备和地面设备都当作空间网络的仿真的各个网络节点，进行空间网络通信时，一般信息数据是由一个源节点（S1或S2）经过多个网络节点发往一个目的节点（C）或多个目的节点。信息传输是通过动态的路由方案，本发明中不对路由算法进行设计，只是对现有的路由算法或者传输方案进行可视化的仿真。例如，在对月球进行空间任务和探索时，S1、S2为月球登陆器（一个着陆器和一个月球车）可以在链路通的时候把照片、光谱信息和系统状态等数据传送给月球中继卫星R1或R2；三个地面站D1、D2、D3可以接收任意中继卫星发送的信息，最后三个地面站再整合信息传送到地面控制中心。

2、根据空间网络传输模型，设计联邦成员以及对象实例。基于HLA空间网络仿真的对象模型设计是，把空间子网与联邦成员相对应；把空间网络节点与一个联邦成员的对象实例相对应。根据不同性质的空间节点抽象成不同的对象类，不同性质的空间节点之间的信息交换抽象成不同的交互类。

如图2所示，将空间网络看成由多个子网络组成，整个空间网络看成是一个联邦，每一个子网络构成空间网络仿真的联邦成员。一个空间子网可以由一个或多个空间网络节点组成，即一个联邦成员可以由一个或多个对象类组成。把每一个网络节点抽象为一个对象类的实例，空间网络的信息传输是由节点组成的多跳式传输，各个节点都有可能参与到信息传输的过程中，因此不同的对象类之间设计不同的交互类进行各个网络节点的信息传输。

3、基于HLA的分布式空间网络仿真的应用程序如图3所示，采用多台计算机进行同步仿真，各台计算机分别执行各个联邦成员的应用程序。文件传输根据协议及路由算法采用多跳式的传输。即信息传输可以不一定经过所有的应用程序，可以跳过一个或者多个应用程序，这就要根据路由的算法和协议，将参与文件传输的网络节点所在的应用程序上进行的仿真。每一个应用程序代表的各网络节点可同时进行信息的发送的和接收，且一个时刻可有多个网络节点同时进行信息交互，各网络节点协同完成数据通信的可视化仿真，这样就为路由的计算提供了直观的有效的仿真平台。

4、对空间网络的各个应用程序设计可视化的分析与设计。为了使得空间网络仿真的过程数据和统计数据更加清晰直观，以及空间网络的仿真的场景过程更加逼真详细；仿真过程的控制以及系统和界面的管理更加明了，设计了空间网络可视化的各个组成，如图4所示，可视化的构建主要分为三个部分，分别是数据处理单元的可视化，仿真场景的可视化、操作管理可视化。

其中，空间网络仿真场景的可视化主要分为STK/VO 的可视化和STKX 组件技术的可视化。STK/VO可视化由场景仿真联邦成员利用STK软件直接进行场景输出，仿真对象可视化为利用STKX组件技术实时动态的进行空间子网联邦成员的各对象显示。

数据处理可视化分为动画数据可视化和统计数据处理可视化。动画数据处理可视化主要由MATLAB对仿真场景数据和仿真过程数据进行统计分析以图形或者文本的方式进行可视化的显示。统计数据处理可视化是直接对仿真过程数据和仿真对象或任务数据以字符串或图形的方式输出在应用程序界面上，以及对数据库列表中的数据进行存放调用显示。

操作管理可视化包括联邦成员的管理可视化和仿真过程控制可视化。根据权利要求8所述基于HLA的空间网络可视化仿真系统，其特征在于：操作管理可视化分为用户操作可视化和系统管理可视化。用户操作可视化由各个联邦成员的加入、退出、注销等应用程序的可视化，系统管理可视化由操作管理联邦成员实现的对空间网络仿真过程的开始、暂停、快进、慢进等操作管理的可视化。。

基于HLA的空间网络可视化仿真系统主要包括5个部分：各空间子网联邦成员，数值仿真联邦成员、场景仿真联邦成员、数据采集联邦成员和操作管理联邦成员，各联邦成员之间的数据通信采用HLA高层体系结构总线，各联邦成员的开发环境为VC++6.0，使用MFC创建应用程序。各空间子网联邦成员采用STKX技术将二维/三维控件显示在应用程序的界面上；数值仿真联邦成员采用Matlab/Simulink建立仿真和计算模型；场景仿真联邦成员采用STK/VO技术在STK软件上直接输出空间网络场景；数据采集联邦成员设有数据处理单元并建立仿真数据库；操作管理联邦成员采用 MFC 构建，实现用户操作和系统管理。

空间子网联邦成员通过 STKX 技术实现仿真对象场景的可视化，以及各联邦成员应用程序实现仿真对象的数据可视化，各空间子网联邦成员之间的信息交互通过HLA仿真总线进行分布式的可视化的空间网络任务模拟。各联邦成员应用程序通过调用STKX组件的应用程序编程接口(Application Programming Interface, API)函数进行通信，将仿真结果直接通过本地调用回传至应用程序，再根据逻辑处理单元对返回的结果进行处理。从而各个联邦成员可以通过调用 API 函数、编写事件响应代码来响应和控制用户对 STKX 组件界面的操作，以增强应用程序的交互能力。同时，还可利用应用分析引擎接口组件对 STKX 组件内部事件如创建场景、添加卫星等进行监听，从而更加精细地控制仿真过程。此外，各联邦成员的应用程序界面还应包括对仿真对象以及任务数据的输出，此数据直接以图形或者字符串等方式体现。

应用程序对二维/三维控件的操作是通过调用STK命令完成的。STK命令集提供实现STK几乎所有功能的命令，如新建场景、新建卫星、设置时间不长、时间转换、仿真推进等。如图6所示，创建并加入联邦成功后，通过声明的公布订购关系，得到其他邦员的STK/Connect控制命令，调用STKX API函数作为响应，利用AGI Globe Control 三维控件和AGI Map Control 二维显示控件将所需要的可视化场景显示出来，这样就可以做到分布式的可视化的仿真系统。

数值仿真联邦成员，利用MATLAB 强大科学计算能力和图形输出能力，完成空间网络动画数据处理可视化。通过Simulink仿真模型，进行链路分析和路由计算，以图像或文本的方式输出解析结果，并通过 MATLAB 与 RTI的交互实时传递给 HLA 仿真总线。Matlab/Simulink作为数据处理分析服务器，是打开一个线程实例，通过读取接收Simulink仿真结果输出给HLA总线，运用Windows消息处理机制，采用Windows多线程技术实现数据接收，处理和传输。仿真模型输出数据不仅包括仿真时间、卫星轨道和卫星姿态等信息，同时利用STK/Connect模块的命令发送给各个联邦成员实时可视化显示命令。

数据采集联邦成员利用分布式和集中式相结合的方式进行数据采集。各个联邦成员都具有记录数据的功能，都有数据处理单元用来实时动画数据处理和统计数据处理，各联邦成员通过HLA/RTI将数据采集联邦成员所需数据传给数据采集联邦成员进行数据统计，从而完成数据统计的可视化。数据采集联邦成员，还可以根据需要采集对仿真前数据，仿真过程中数据，或者仿真结果数据利用数据库进行存储，调用和分析。即建立VC与Oracle数据库的链接，利用SQL语言实现实时在线的数据采集，以及对数据库列表数据的可视化提取与存储，以图形或者字符串等方式在数据采集联邦成员的界面上进行显示。仿真结束后，根据仿真目的，还可使用MATLAB或其它应用程序对数据库的数据进行统计分析，进行离线仿真，以达到空间网络仿真的验证目的和仿真用途。

场景仿真联邦成员通过STK/Conncet命令直接完成STK/VO可视化。场景仿真联邦成员的应用程序需完成STK的启动，以及STK初始化的链接，然后利用STK 命令集实现空间网络场景的搭建。此外场景的搭建可以直接通过STK软件进行手动搭建，或者通过MATLAB进行同步的场景搭建。STK命令集提供了实现 STK 几乎所有功能的命令，如新建场景、新建卫星、设置时间步长、视角转换、仿真推进等，利用STK/Connect模块的调用实现空间网络的控制管理可视化。

操作管理联邦成员完成系统管理的可视化。操作管理联邦成员利用STK/Conncet命令实现的对空间网络仿真过程的开始、暂停、快进、慢进等操作，并可同时向其他联邦成员适时发送运行控制命令，监控各联邦成员运行状态。应用程序采用采用多线程结构设计，一个是窗口的界面线程，它主要用于管理用户和窗口的交互；另一个是仿真线程，主要用于完成仿真模型的执行和其他联邦成员交互。仿真线程是各联邦成员仿真的核心部分。为了各个联邦成员可以随即的参与空间网络仿真，每个联邦成员的界面应该包括加入联邦、创建联邦成员，退出联邦等可视化的MFC界面构件。

各组件间交互技术细节：

1．MATLAB与RTI的交互关系

如图7所示，利用MATLAB引擎提供的一组函数库，通过MFC构建的应用程序与MATLAB进行通信，函数库提供了C、FORTRAN语言程序打开和关闭引擎、与MATLAB工作空间交互数据、调用MATLAB命令等函数，适合VC程序的开发和使用。空间网络的MATLAB联邦成员应用程序使用MATLAB引擎方式进行MATLAB与应用程序的交互，在基于HLA架构的基础上进行开发，把利用函数库返回的数值转换后作为可用的交互参数进行空间通信的仿真。

2. SQL Server的应用程序编程

如图8所示，数据采集成员的应用程序除了包括对统计分析的数据进行可视化的输出以外，还包括利用应用程序对仿真数据的存储、调用、以及分析。利用MFC构建的应用程序实现对数据库的操作，首先需要建立ODBC数据源的连接、通过提交SQL语句并接受SQL的执行结构，完成驱动程序链接库，初始化调用，提供入口指针，最后完成对SQL Sever数据库的操作。

3. STK与RTI的交互关系

在空间网络仿真系统当中，可以直接应用STK/VO实现仿真场景的可视化，这样可以方便看出对仿真过程的总体控制和管理，因此需要利用STK软件实现与其他成员的交互，则STK通过RTI实现与其他联邦成员交互过程程如下：

（1）、STK联邦成员的应用程序上初始化STK，并进行与STK的链接；

（2）、通过STK/Connect模块与STK进行交互，获取空间网络各子网络的位置，生存时间，仿真时间，链路状态等信息；

（3）、利用返回的信息，对信息进行提取和分析，通过交互类利用RTI，传送给数值分析联邦成员和其他子网络联邦成员。

4 STKX组件与RTI交互关系

分布式的空间网络仿真技术，关键是解决STKX 组件与RTI 的交互关系。应用程序通过调用 STKX 组件接口API 函数、编写事件响应代码来响应和控制二维/三维控件，以此与控件进行交互。此外，应用程序调用 RTI API 函数完成分布式仿真框架的构建，这样应用程序以一种“中间桥梁”方式完成 RTI 与 STKX 组件的交互，交互关系如图 10 所示。

本发明的技术效果是：一是方便用户对空间网络仿真信息的捕捉以及对数据进行的统计分析，二是方便用户进行仿真过程的控制以及观察。因此空间网络可视化设计，需要包括对数据信息的分析与综合利用可视化以及仿真对象及过程的可视化，除此以外，还需要对这些数据信息以及仿真过程进行人为交互的管理界面可视化。而这些可视化的设计可以通过不同的软件以不同的方式实现，使得空间网络仿真平台的可视化仿真更加强大，精美，方便，直接。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于HLA的空间网络可视化仿真方法，其特征在于：包括以下步骤，

D、对空间网络的各个应用程序进行可视化的分析与设计。

2.根据权利要求1所述基于HLA的空间网络可视化仿真方法，其特征在于：所述步骤A中，空间网络结构拓扑为动态，通过动态的路由方案进行信息传输。

3.根据权利要求2所述基于HLA的空间网络可视化仿真方法，其特征在于：所述步骤A中，把空间网络可以接收或者发送的空间设备和地面设备都当作空间网络的仿真的各个网络节点。

4.根据权利要求1所述基于HLA的空间网络可视化仿真方法，其特征在于：所述步骤B中，把空间子网与联邦成员相对应；把空间网络节点与一个联邦成员的对象实例相对应，根据不同性质的空间网络节点抽象成不同的对象类，不同性质的空间网络节点之间的信息交换抽象成不同的交互类。

5.根据权利要求1所述基于HLA的空间网络可视化仿真方法，其特征在于：所述步骤C中，信息传输是网络节点间的信息交互，每一个应用程序代表的联邦成员由不同网络节点组成，各网络节点可同时进行信息的发送和接收。

6. 根据权利要求1所述基于HLA的空间网络可视化仿真方法，其特征在于：所述步骤D包括数据处理单元可视化、仿真场景可视化、操作管理可视化。

7.一种基于HLA的空间网络可视化仿真系统，其特征在于：空间网络联邦包括各空间子网联邦成员、数值仿真联邦成员、场景仿真联邦成员、数据采集联邦成员和操作管理联邦成员，各联邦成员之间的数据通信采用HLA高层体系结构总线，数值仿真联邦成员采用Matlab/Simulink建立仿真和计算模型，场景仿真联邦成员采用STK/VO技术在STK软件上直接输出空间网络场景，数据采集联邦成员设有数据处理单元并建立仿真数据库，操作管理联邦成员采用 MFC 构建以实现用户操作和系统管理。

8.根据权利要求7所述基于HLA的空间网络可视化仿真系统，其特征在于：所述数据处理单元可视化分为动画数据处理可视化和统计数据处理可视化，所述动画数据处理主要由数值仿真联邦成员实现，所述统计数据处理可视化由各空间子网联邦成员的进行数据统计以图形或字符串在应用程序上呈现，所述仿真场景可视化分为STK/VO 的场景可视化和利用STKX 组件技术的仿真对象可视化，所述STK/VO可视化由场景仿真联邦成员利用STK软件直接进行场景输出，所述仿真对象可视化为各空间子网联邦成员利用STKX组件技术实时动态的进行各对象显示，所述操作管理可视化分为用户操作可视化和系统管理可视化。

9.根据权利要求7所述基于HLA的空间网络可视化仿真系统，其特征在于：所述数值仿真联邦成员和场景仿真联邦成员均可利用STK/Connect命令，通过HLA总线发送给各空间子网联邦成员，各空间子网联邦成员处理命令利用STKX组件实现仿真对象的可视化。

10. 根据权利要求7所述基于HLA的空间网络可视化仿真系统，其特征在于：所述场景仿真联邦成员发送的场景相关数据给其他空间子网联邦成员以及数值仿真联邦成员。