基于HLA的空天地一体化通信仿真系统

１９０基于HLA的空天地一体化通信仿真系统
潘堤，费海涛，张成，敬明旻
（中国石化石油工程技术研究院信息所，北京100101）
摘要：基于HLA/RTI架构设计了一个空天地一体化的分布式通信仿真系统。

该系统可根据实际问题的需要灵活搭建仿真网络，便捷地接入实物、半实物设备参与仿真，动态实时展示仿真过程。

分析了该系统实现中采用的关键技术。

关键词：一体化；通信仿真；HLA；VRNET
中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1673-1131（2013）03-0190-02
0引言
已有的通信仿真系统应用往往针对特定的问题开展研究，如地面通信仿真应用、航空通信网络仿真，缺乏一体化、可扩展性的设计考虑，导致面临新的通信仿真问题时需要开发新的仿真系统，浪费了大量人力物力。

此外，各种系统在进行仿真过程展示、仿真结果分析时缺乏统一而生动的展示手段，严重影响了通信仿真系统的应用效果。

为了解决上述问题，基于HLA设计了一个空天地一体化的分布式通信仿真系统，可根据实际问题的需要灵活搭建仿真网络，便捷地接入实物、半实物设备参与仿真，动态实时展示仿真过程。

1系统设计
1.1总体设计
系统总体结构如图1所示，由参考模型库、通信网络仿真开发子系统、通信网络仿真应用子系统、三维态势演示子系统、卫星轨迹规划子系统、实物装备子系统在分布式仿真运行环境中组成。

各子系统之间依托分布式仿真运行环境相互实时地交互信息达到协同仿真的目的，并且为了便于管理，系统引入分布式仿真主控平台，利用分布式仿真主控平台统一地管理系统内的各个子系统。

引入三维态势演示工具，提供动态实时的仿真过程展示。

图1空天地一体化通信仿真系统总体结构系统采用基于HLA/RTI的分布式仿真架构[1][2]，提供不同层次业务需求的软硬件数据接口和协议，保证系统在完成现有需求的基础上具备一定的扩展能力：
能够在现有基础上有针对性地修改设计细化各类模型，完善系统功能；
能够增加新的联邦成员从而能够增加新的系统功能；
能够和其他的信息系统互联互通，可作为后台支撑也可作为前台显示和输入。

1.2分系统设计
1.2.1参考模型库和通信网络仿真开发子系统
参考模型库采用VRNET NetLib[3]提供的模型库，包括高级通信网络参考模型库、电台参考模型库、卫星通信参考模型库、精确无线传播模型库和计算引擎等，各级模型库具有良好的开放性，能支撑在有线和无线网络领域的各种仿真需求。

仿真通信网络开发子系统依托VRNET Developer[3]平台完成，在此平台下根据需求，可以在参考模型库的基础上，进行针对性的开发，完成网络模型、平台模型、设备模型、路由协议等，供仿真应用系统使用。

依托VRNET Developer可以将所有模型和场景导入通信网络仿真应用子系统，既可以直接使用这些模型库，也可以在提供的模型上进行修改或者重新开发相应的模型后再进行导入。

1.2.2空天地通信网络仿真应用子系统
空天地通信网络仿真子系统是整个应用方案的核心，依托VRNET NetEmula[3]提供大规模或超大规模实物、半实物实时仿真网络性能的模拟试验平台，支持构建空天地一体化的通信仿真网络，具有良好的人机交互界面和丰富的接口，并能提供仿真参数分析，根据指标体系的划分，对仿真系统进行评估。

1.2.3卫星轨迹规划子系统
卫星轨迹规划子系统[4]由STK工具完成，STK的核心能力是产生卫星位置和姿态数据、获取时间、遥感器覆盖分析。

通过其卫星轨道预报算法、姿态定义、坐标类型和坐标系统等功能可以完成卫星轨道的规划设计，并将其计算结果提供给网络仿真应用子系统，完成对整个通信网络的规划。

1.2.4三维态势演示子系统
三维态势演示子系统主要依托战场三维视景仿真器（VBS）结合仿真应用子系统进行二次开发完成。

三维态势演示子系统基于OpenGL API实现三维视景开发，通过采用专业的视景技术和多数据库集成技术，构建一个三维的数字化地球，提供从航天航空、陆地海洋、到水底世界的全球所有地域的视景仿真开发平台。

三维态势演示子系统以HLA联邦成员的方式加入通信仿真过程可立体、逼真反映当前仿真场景对应的具体地形实景和仿真网络的状态。

1.2.5分布式仿真运行环境和分布式主控平台
分布式主控平台是整个分布式仿真系统的控制平台，依托VRNET提供的分布式主控平台DPC实现。

分布式主控平台是人机交互的主要界面，负责整个分布式仿真系统从仿真
2013年第3期（总第125期）
2013
（Sum.No125）信息通信
INFORMATION&COMMUNICATIONS
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前的想定配置，到仿真初始化过程，到仿真运行阶段的管理控制，直至仿真结束后的结果收集分析和仿真过程回放。

为处于不同物理位置的分布式仿真成员提供集中式的管理，实现仿真管理的集中一致和有效便捷。

1.3应用流程
基于空天地一体化通信仿真系统开展通信仿真问题研究时，可采用如图2
所示的流程开展仿真实验。

图2空天地一体化通信仿真系统应用流程首先，对通信仿真问题进行分析得到对通信仿真网络的需求。

而后通过对需求的分解得到必须重新开发的各类模型（包括模型的接口、协议、报文格式等需求），基于VRNET De-veloper 对模型进行设计开发；在此基础上，从VRNET Netlib 中选择已有的设备模型和协议，利用VRNET NetEmula 搭建通信仿真网络。

通过仿真输入并接受主控平台控制开始仿真运行，最终得到通信网络仿真的结果。

表1对空天地一体化通信仿真系统使用的软件工具及其发挥作用进行了总结，除了后两个软件外，其它均采用VRNET 产品系列。

表1
空天地一体化通信仿真系统使用的软件工具
2关键技术
基于HLA 的空天地一体化通信仿真系统在设计实现中采用了多种关键技术，确保系统高效、稳定地达成仿真目的。

2.1四层仿真建模机制
系统为实现对通信仿真网络的建模，采用四层建模机制：协议模型、设备模型、平台模型、网络模型。

协议模型：最小建模单元，定义一个具体的协议（或一个具体的功能）的实现流程、与其它协议模型的连接关系、需要配置的参数、提供的对外接口等；设备模型：最小的具有独立通信功能的仿真模型，由协议模型和辅助模型（位置管理、故障模拟等），如电台、路由器、交换机、终端设备等；平台模型：由通信设备构成，包括车载平台、机载平台、升空平台等；网络模型：对应一个具体的
仿真场景，由一组子网模型和平台模型，即其连接关系构成，网络模型自身包含一定的属性，如地址位置、覆盖范围、采用何种坐标系等。

2.2半实物仿真技术
系统支持接入实物设备参与仿真，其核心是采用半实物
仿真技术实现实物系统和仿真系统提供转接功能。

半实物仿真技术在系统实现中体现为提供一系列半实物接口，一方面处理实物数据，转换为HLA 数据包，发往对应的仿真节点；另一方面解析HLA 数据，构建相应的接口数据格式，发送给实物设备。

目前，系统提供两种半实物仿真模式：控制模式和数据交互模式。

数据交互模式主要用于外部设备、终端与仿真模型的协议级交互。

包括透传模式和交互模式：透传模式中，实物设备需要在仿真中设置映射点，通过半实物接口模块接入仿真，找到映射源节点，在整个过程中，仿真并不解析实际的数据内容；交互模式中每个实物设备也都需要指定一个映射节点，但仿真会解析接收到的实物数据，并根据数据构建对应的仿真报
文或根据仿真报文构建出真实的数据流。

2.3并行仿真技术
系统支持空天地一体化通信网络仿真，需考虑参与仿真的模型规模和复杂度，为实现高效的仿真需提供并行仿真技术支持。

并行仿真可用于解决大规模仿真时单台主机的性能瓶颈问题。

在并行仿真中，仿真模型会被划分为多个逻辑进程，每个逻辑进程维护自身的仿真时间推进和未来事件列表。

系统通过通信仿真应用子系统的仿真内核提供的并行仿真系统，可以对仿真模型进行并行仿真，仿真模型并不需要直接与并行仿真系统进行交互。

是否采用并行仿真，由仿真内核通过参数配置来决定，对仿真模型的开发是透明的。

在底层的并行通信确保机制上，支持MPI 、HLA 、SOCKET 等多种方式。

3结语
空天地一体化通信仿真系统基于HLA/RTI 架构，具有较好的扩展性，通过半实物接口可接入多种实物设备参与分布式仿真，通过三维态势演示子系统可直观、逼真反映当前仿真场景对应的具体地形实景和仿真网络的状态。

下一步将结合不同背景下的通信网络仿真需求，基于空天地一体化通信仿真系统开展通信网络保障能力和通信网络使用研究。

参考文献：[1]
余晓刚,张玉冰,姚富强.基于HLA 的通信电子战平台设计[J ].电子对抗技术,2002,16(1):32-34
[2]李军,张亮,张文明.基于HLA/Simulink 的通信对抗链路仿
真系统开发[J ].系统仿真学报,2006,18(8):2166-2169[3]
邓晶,张明智,李志强等.基于STK 的信息作战态势三维可视化表现方法研究[J ].系统仿真学报,2010,22(11):2654-2659
作者简介：潘堤（1982-），男，江西上饶人，研究方向为石油工程信息化技术。

信息通信
潘堤等：基于HLA 的空天地一体化通信仿真系统。