CN104865844B - 一种基于分布式平台的空间信息网络综合评估演示方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分布式平台的空间信息网络综合评估演示方法，属于空间信息网络技术和计算机技术两大领域。具体涉及支持空间信息网络分布式仿真评估演示环境架构。所述设计首先进行空间信息网络场景的创建；然后对空间信息网络拓扑和网络性能进行仿真，对空间信息网络性能参数提取和输出；最后得到空间信息网络性能的评估结果，对空间信息网络的运行进行模拟演示。本发明提供的设计方法具有综合性特点，支持空间信息网络仿真、评估和演示一体化环境建设，并同时支持离线和实时在线的仿真评估演示。

Description

一种基于分布式平台的空间信息网络综合评估演示方法

技术领域

本发明属于空间信息网络技术和计算机技术两大领域，具体涉及一种基于分布式平台的空间信息网络综合评估演示方法。

背景技术

空间信息网络是以空间平台(如同步卫星或中、低轨道卫星、平流层气球和有人或无人驾驶飞机等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。空间信息网络以相对地面静止的同步轨道地球卫星(GEO)和平流层飞艇(或气球)为骨干网络，中低轨卫星(MEO\LEO)、有人无人飞机、地面站作为接入层节点或终端接入骨干网络，实现多个卫星、多个地面站，以及空间站的互联互通，向上向下为各种空间任务提供更好的通信保障

为了对空间信息网络的建设进行评价支持，最大化空间资源的效能，兼容在轨和在研的飞行器系统，必须具有良好的仿真评估演示环境，为空间信息网络的建设提供模拟平台和验证依据。由于空间信息网络的建设将持续发展，因此其仿真评估演示环境必须支持大规模仿真、具有良好可扩展性和互操作性。高层体系结构(High Level Architecture,HLA)是分布式交互仿真领域的标准，可以提高系统的互操作性、可扩展性、可重用性，在国内外军事仿真领域得到广泛应用。国内外相关的空间应用仿真也采用HLA作为分布式交互的技术基础。

分布式交互仿真技术的发展主要经历了三个阶段：DIS(DistributedInteractive Simulations)分布式交互仿真阶段、ALSP(Aggregate Level SimulationProtocol)聚合级仿真协议阶段和目前的HLA阶段。1978年，美国首次系统地阐述了联网仿真技术的功能要求，希望实现受训人员在分布虚拟战场环境中分辨不出训练系统和真实系统。在美国陆军、国防建模与仿真办公室DMSO(Defense Modeling and SimulationOffice)和DARPA(Defense Advanced Research Ptojects Agency)的共同倡导和支持下，1989年正式提出了分布交互式仿真的概念，并制定了一套面向分布式仿真的标准文件，以使这一技术向规范化、标准化、开放化的方向发展。美国陆军的CATT(Combined ArmsTactical Trainer)计划、WARSIM2000计划(The Warfighter's Simulation 2000)、NPSNET计划、STOW(Synthetic Theater of War)计划等都采用了DIS标准。聚合级仿真协议ALSP(Aggregate Level Simulation Protocol)用于分布的聚合级以离散事件为主的作战仿真系统，它实质上是“构造仿真”。构造仿真的时间管理不同于DIS系统，它不一定与实际时钟直接联系，而是采用时间步长、事件驱动等方法，只要保证聚合级的分布构造仿真系统的体系结构、标准和相应的关键技术，并将基于ALSP标准的分布交互仿真系统应用于1992年、1994年和1996年的军事演习，使ALSP标准得到了改进和完善。美国自2001年起只支持基于HLA的仿真系统开发。我国的航空、航天、船舶、兵器及核工业有关部门也在大力开展HLA的研究、开发和应用推广，使其成为目前分布式交互仿真领域的主要解决方案。

分布式仿真可以应用于军事通信，卫星通信，空间通信等方面。对于分布式军事通信网仿真，国外军方多年来一直投入大力研究，如美国国防部建立的NETWARS仿真系统，基于OPNET核心建立了大量军用通信设备仿真模型，并包含HLA接口，提供了完善的分布式军事通信网仿真平台。国内近年对网络仿真与分布式仿真的研究都处于快速发展阶段。文献提出了军事通信网分布式仿真的体系结构。实现了将大规模的网络仿真负荷分担到多个仿真平台上，仿真过程的动态控制与仿真数据的实时显示，为大规模军事通信网仿真提供了参考。对于分布式空间通信仿真，国外多年来一直投入大资源开展研究,如近年美国国防部重点发展的JC-SS仿真系统，该系统基于OPNET仿真平台，提供了大量通信设备模型，并包含HLA接口，给出了一个完善的分布式航空通信网仿真平台。2000年，普林斯顿卫星系统公司PSS(Princeton Satellite Systems)为TechSat-21项目开发了基于多Agent的软件体系结构OA(ObjectAgent)以及多卫星仿真软件MultiSatSim，并基于二者搭建了仿真平台，演示验证了多Agent控制下卫星编队的智能性和自治能力。2002年，MIT出于DSS仿真需要开发了通用飞行操作处理仿真器GFLOPS(Generalized Flight Operations ProcessingSimulator)。2004年，JPL(Jet Propulsion Laboratory)为在实时高逼真度条件下研究编队飞行控制算法开发了编队算法与仿真测试床FAST(FormationAlgorithms andSimulation Tested)。FAST正被用于类地行星探寻计划(Ter-restrial Planet Finder)。国内近年对空间网络仿真与分布式仿真的研究也处于快速发展的阶段。

哈尔滨工业大学深圳研究生院发明了一种面向深空通信的分布式仿真系统，包括功能仿真组件、仿真环境产生及更新组件、仿真性能分析与记录组件。功能仿真组件包括探测星联邦成员、中继星联邦成员、速率控制联邦成员、地面站联邦成员。仿真环境产生及更新组件包括深空环境联邦成员，仿真性能分析与记录组件包括数据采集联邦成员。该发明未采用HLA作为分布式交互的基础，但仍然具有可重用性和互操作性的特点。

目前的分布式仿真主要思想在于每个单元模拟不同的网络实体，通过各单元的联合仿真模拟整个网络的工作流程。空间信息网络正处于发展阶段，瓶颈科学问题在于没有规范和典型的数学模型对其进行建模，因此，对于空间信息网络仿真评估演示显得尤为重要。目前还未有支持空间信息网络仿真、评估和演示一体化环境建设的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种生成一个支持大规模仿真、具有良好可扩展性和互操作性的仿真评估演示综合系统，为空间信息网络的建设提供评价参考的基于分布式平台的空间信息网络综合评估演示方法。

一种基于分布式平台的空间信息网络综合评估演示方法，其特征在于包括以下步骤：

第(1)步：用户控制台定义各卫星的轨道、姿态以及用户的数量、位置和业务配置参数，并将这些参数以及创建网络拓扑场景的指令发送给仿真单元，由仿真单元建立空间信息网络拓扑场景；

第(2)步：仿真单元创建空间信息网络拓扑场景后进行仿真，并将网络拓扑仿真结果发送给评估单元，将仿真生成的卫星轨道信息文件存储路径发送给控制台；网络拓扑仿真结果包括卫星星座对地覆盖情况、固定站部署区域的覆盖时效特性、飞行器与各类移动用户的可见性分析；

第(3)步：控制台根据收到的卫星轨道信息文件存储路径读取卫星轨道信息文件并生成场景配置脚本，将生成的场景配置脚本发送到仿真单元，由仿真单元建立网络性能仿真场景并进行空间信息网络性能仿真；将空间信息网络性能仿真的统计信息输出到评估单元进行评估计算，将空间信息网络性能仿真的网络拓扑、节点轨迹、网络性能信息送到演示单元；

第(4)步：控制台将用户指定的评估指标体系、评估算法参数传输到评估单元，评估单元进行空间信息网络性能的综合评估；综合评估内容包括网络的组网能力、信息传输能力、互联互通能力、安全能力和路由交换能力；

第(5)步：控制台将演示场景参数配置传输到演示单元，评估单元将第(4)步得到的综合评估结果传输到演示单元，演示单元对空间信息网络的拓扑、轨迹、姿态和覆盖进行视景仿真以及针对通信态势进行动态演示，并对综合评估的各层次结果以图形化方式显示。

其中，第(3)步中的空间信息网络性能仿真具体包括空间信息网络的各类专用协议仿真、管理控制性能仿真、组网性能仿真和抗毁性能仿真。

本发明与背景技术相比具有如下优点：

1.本发明针对现有研究难以支持空间信息网络仿真、评估和演示一体化环境建设的弊端，提供了一种基于分布式平台的空间信息网络综合评估演示方法。

2.本发明提供的方法可以为空间信息网络的建设提供模拟平台和验证依据，同时支持离线和实时在线的仿真评估演示，对空间信息网络的建设进行评价支持，最大化空间资源的效能，支持了空间信息网络建设的持续发展。

附图说明

图1是本发明实施例各单元联合工作流程示意图；

图2是本发明实施例各单元交互示意图；

图3是本发明实施例创建对象脚本文件；

图4是本发明实施例网络脚本文件配置流程图；

图5是本发明实施例性能评估功能模块。

具体实施方式

以下结合图1-图5和实施例详细说明本发明技术方案。

一种基于分布式平台的空间信息网络综合评估演示方法，确定了仿真评估演示综合环境架构，利用高层体系结构(High Level Architecture,HLA)对空间信息网络的建设进行评价支持，生成一个支持大规模仿真、具有良好可扩展性和互操作性的仿真评估演示综合系统，为空间信息网络的建设提供评价参考，其特征在于包括以下步骤：

第(1)步：用户控制台定义各卫星的轨道、姿态以及用户的数量、位置和业务配置参数，并将这些参数以及创建网络拓扑场景的指令发送给仿真单元，由仿真单元建立空间信息网络拓扑场景，如图1所示；

(1)采用通用的运行支撑环境RTI(RTI，Run-Time Infrastructure)接口作为分布式交互的接口，如图2所示，用户控制台和仿真单元中的网络拓扑仿真软件STK作为HLA体系中的联邦成员，通过标准RTI接口互联；

(2)用户控制台接收用户输入的信息，定义各卫星的轨道、姿态以及用户的数量、位置和业务配置参数；

(3)用户控制台通过RTI将定义的参数信息发送给仿真单元中的STK，并能够启动网络拓扑场景开始创建的指令。

第(2)步：仿真单元创建空间信息网络拓扑场景后进行仿真，并将网络拓扑仿真结果发送给评估单元，将仿真生成的卫星轨道信息文件存储路径发送给控制台，如图1所示；网络拓扑仿真结果包括卫星星座对地覆盖情况、固定站部署区域的覆盖时效特性、飞行器与各类移动用户的可见性分析；

(1)仿真单元中的STK工具进行网络拓扑仿真，仿真结果主要包括卫星星座对地覆盖情况、固定站部署区域的覆盖时效特性、飞行器与各类移动用户的可见性分析。

(a)卫星星座对地覆盖情况、固定站部署区域的覆盖时效特性的仿真步骤如下：

步骤1：定义覆盖资源，即定义星座拓扑；

步骤2：定义覆盖对象，即定义用户所关心的区域；

步骤3：定义覆盖品质因数，对覆盖对象的覆盖性能进行仿真；

步骤4：输出覆盖品质参数以及对应的覆盖分析参数作为覆盖仿真结果。

(b)飞行器与各类移动用户的可见性分析，是采用STK的Access工具对任意两个对象或者多个对象组成的通信链路进行可见性方针得到。

(2)STK将仿真结果通过RTI接口发送给评估单元，将仿真生成的卫星轨道信息文件存储路径发送给控制台，如图2所示，其中卫星轨道信息文件包括生成的卫星轨道信息.sc和.cvs两种文件。

第(3)步：控制台根据收到的卫星轨道信息文件存储路径读取卫星轨道信息文件并生成场景配置脚本，将生成的场景配置脚本发送到仿真单元，由仿真单元建立网络性能仿真场景并进行空间信息网络性能仿真；将空间信息网络性能仿真的统计信息输出到评估单元进行评估计算，将空间信息网络性能仿真的网络拓扑、节点轨迹、网络性能信息送到演示单元，如图1所示；

其中，第(3)步中的空间信息网络性能仿真具体包括空间信息网络的各类专用协议仿真、管理控制性能仿真、组网性能仿真和抗毁性能仿真。

(1)控制台根据收到的卫星轨道信息文件存储路径，读取.sc和.cvs两种卫星轨道信息文件，并生成EMA配置脚本。EMA配置脚本生成过程包括：

(a)控制台创建对象脚本，即控制台根据对象的类型创建脚本文件，每一个文本文件保存一类网络对象的属性信息。按照<ACV>(“属性，成分，取值”三元组)结构指定或者获取属性的数据。多个<ACV>结构组成的<ACV列表>完整地表达属性的全貌，如图3所示；

(b)EMA配置脚本的设置。通过EMA创建网络性能仿真场景，需要将网络解析为子网、节点、链路三类，并分别进行对象的设置。其中子网和链路的设置只需要直接调用相应的对象文件即可完成，而对节点的设置需要对节点的某些属性进行详细配置，如图4所示；

(c)仿真单元中的网络性能仿真工具OPNET通过RTI接口接收到EMA配置脚本后，建立网络性能仿真场景并进行空间信息网络性能仿真，仿真内容具体包括空间信息网络的各类专用协议仿真、管理控制性能仿真、组网性能仿真和抗毁性能仿真。仿真实施步骤具体包括：

步骤1：在OPNET的工作目录中添加HLA_Interface节点模型，该节点模型包含HLA协同仿真进程模型HLA-PM。HLA-PM能够将OPNET节点与HLA的对象实例进行映射来实现两者数据的同步更新。

步骤2：增加节点模型的statics进程，并对statics进程的代码进行修改，发送所需要的统计量。另外，在节点中导出统计线，编辑统计线的统计源、统计目标和统计量三种属性。

步骤3：通过HLA模板制作联邦执行数据文件(FED)，并在其中定义OPNET通过RTI接口与其他模块交互的统计量。FED文件包含在联邦运行过程中，完成OPNET与其他单元的交互。

(d)OPNET通过RTI接口将空间信息网络性能仿真的统计信息输出到评估单元进行评估计算，包括网络通信容量、路由能力、传输能力，另外，将空间信息网络性能仿真的网络拓扑、节点轨迹、网络性能信息送到演示单元；

第(4)步：控制台将用户指定的评估指标体系、评估算法参数传输到评估单元，评估单元进行空间信息网络性能的综合评估，如图1所示；综合评估内容包括网络的组网能力、信息传输能力、互联互通能力、安全能力和路由交换能力；

(1)控制台通过RTI接口将用户指定的评估指标体系、评估算法参数传输到评估单元；

(2)评估单元功能模块如图5所示，在收到控制台发送来的信息后，具体评估步骤如下：

步骤1：根据控制台发来的指标体系构建各类性能指标体系，以作为各评估算法分析的输入参数；

步骤2：根据仿真单元中STK发送来的网络拓扑仿真结果以及OPNET发送来的网络性能仿真结果，进行数据预处理。一方面按照1秒、10秒、1分钟、10分钟、60分钟、整个仿真时间6种时间粒度进行指标统计，另一方面将指标归为极大型、极小型、居中型、区间型4类进行统计记录；

步骤3：将归类后的指标进行转化，即把收集到的所有指标按照相关规则全部转化为极大型，以便给定评价结果；

步骤4：采用乐观型、最可能型、悲观型三值评价函数方法，将统一的极大型指标值转化为指标评估值，避免由于指标的量纲不同，而使某个指标所起作用过大或过小；

步骤5：根据控制台制定的评估算法参数选择采用专家分析法、层次分析法或者模糊综合评估法，对评估指标体系、指标参数进行网络性能评估，得到网络评估结果。

第(5)步：控制台将演示场景参数配置传输到演示单元，评估单元将第(4)步得到的综合评估结果传输到演示单元，演示单元对空间信息网络的拓扑、轨迹、姿态和覆盖进行视景仿真以及针对通信态势进行动态演示，并对综合评估的各层次结果以图形化方式显示，如图1所示。

(1)控制台将演示场景参数配置传输到演示单元，评估单元将第(4)步得到的综合评估结果传输到演示单元；

(2)演示单元中的STK工具进行空间信息网络模拟演示。具体步骤如下：

步骤1：根据控制台发送来的演示场景参数配置以及仿真单元中OPNET发送的仿真结果进行演示场景初始化配置；

步骤2：解析OPNET发送来的仿真结果，访问实体三维模型库，为场景分配任务，实时显示节点动态变化

步骤3：根据评估单元发送来的综合评估结果，进行层次化、图形化的展示。

Claims (2)

1.一种基于分布式平台的空间信息网络综合评估演示方法，其特征在于：基于仿真单元、评估单元、演示单元以及控制台实现，具体包括以下步骤：

第(1)步：控制台定义各卫星的轨道、姿态以及用户的数量、位置和业务配置参数，并将这些参数以及创建网络拓扑场景的指令发送给仿真单元，由仿真单元建立空间信息网络拓扑场景；

第(2)步：仿真单元创建空间信息网络拓扑场景后进行仿真，并将网络拓扑仿真结果发送给评估单元，将仿真生成的卫星轨道信息文件存储路径发送给控制台；网络拓扑仿真结果包括卫星星座对地覆盖情况、固定站部署区域的覆盖时效特性、飞行器与各类移动用户的可见性分析；

第(3)步：控制台根据收到的卫星轨道信息文件存储路径读取卫星轨道信息文件，并生成场景配置脚本，具体包括以下步骤：

(301)控制台根据子网、节点、链路三种分类为场景对象创建脚本文件，每一个文本文件按照“属性，成分，取值”三元组结构，保存一类对象的属性信息；

(302)控制台为场景调取相关对象并进行参数配置，生成该场景的场景配置脚本；

(303)控制台将生成的场景配置脚本发送到仿真单元，由仿真单元建立网络性能仿真场景并进行空间信息网络性能仿真；将空间信息网络性能仿真的统计信息输出到评估单元进行评估计算，将空间信息网络性能仿真的网络拓扑、节点轨迹、网络性能信息送到演示单元；

第(4)步：控制台将用户指定的评估指标体系、评估算法参数传输到评估单元，评估单元进行空间信息网络性能的综合评估；综合评估内容包括网络的组网能力、信息传输能力、互联互通能力、安全能力和路由交换能力；评估步骤具体包括以下步骤：

(401)：评估单元为场景构建性能指标体系，作为各评估算法分析的参数；

(402)：评估单元根据仿真单元发送来的网络拓扑仿真结果和空间信息网络性能仿真结果，进行数据预处理；一方面按照1秒、10秒、1分钟、10分钟、60分钟和整个仿真时间6种时间粒度进行指标统计，另一方面将指标归为极大型、极小型、居中型和区间型4类进行统计记录；

(403)：评估单元将归类后的指标进行转化，即把收集到的所有指标按照相关规则全部转化为极大型，以便给定评价结果；

(404)：评估单元采用乐观型、最可能型、悲观型三值评价函数方法，将统一的极大型指标值转化为指标评估值；

(405)：评估单元选择评估算法，进行网络性能评估，得到网络评估结果；

第(5)步：控制台将演示场景参数配置传输到演示单元，评估单元将第(4)步得到的综合评估结果传输到演示单元，演示单元对空间信息网络的拓扑、轨迹、姿态和覆盖进行视景仿真以及针对通信态势进行动态演示，并对综合评估的各层次结果以图形化方式显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式平台的空间信息网络综合评估演示方法，其特征在于：第(3)步中的空间信息网络性能仿真具体包括空间信息网络的各类专用协议仿真、管理控制性能仿真、组网性能仿真和抗毁性能仿真。