復(fù)雜電磁環(huán)境衛(wèi)星偵察仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與探討

王玉娟，趙 衛(wèi)，王志印，胡 進，朱梅梅

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

·試驗與評估·

復(fù)雜電磁環(huán)境衛(wèi)星偵察仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與探討

王玉娟，趙 衛(wèi)，王志印，胡 進，朱梅梅

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

復(fù)雜電磁環(huán)境衛(wèi)星偵察仿真系統(tǒng)具有功能復(fù)雜、仿真數(shù)據(jù)量大等特點，系統(tǒng)涉及到雷達、通信等輻射源建模仿真、偵察載荷工作模式建模仿真、衛(wèi)星平臺建模仿真、數(shù)據(jù)傳輸建模仿真等方面。探討了如何設(shè)計出仿真效率高、系統(tǒng)擴展性好、易于維護的系統(tǒng)架構(gòu)。

衛(wèi)星偵察；仿真；架構(gòu)設(shè)計；組件；分布式

0 引言

電子偵察衛(wèi)星覆蓋范圍廣、飛行速度快，可以在全球范圍內(nèi)對有關(guān)國家和地區(qū)的各種電子信號進行偵察，因此它已成為軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)情報獲取的重要手段，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭尤其是未來信息化戰(zhàn)爭中具有至關(guān)重要的作用[1]。但由于偵察衛(wèi)星造價高、研制周期長，在衛(wèi)星發(fā)射前需產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù)以驗證衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)的處理能力，在衛(wèi)星發(fā)射后其作戰(zhàn)效能也可通過仿真軟件進行模擬仿真驗證，因此研究和開發(fā)復(fù)雜電磁環(huán)境衛(wèi)星偵察仿真系統(tǒng)具有比較重要的現(xiàn)實意義。

復(fù)雜電磁環(huán)境衛(wèi)星偵察仿真系統(tǒng)具有功能復(fù)雜、仿真數(shù)據(jù)量大等特點，系統(tǒng)涉及到雷達、通信等輻射源建模仿真、偵察載荷工作模式建模仿真、衛(wèi)星平臺建模仿真、數(shù)據(jù)傳輸建模仿真等方面。復(fù)雜電磁環(huán)境衛(wèi)星偵察仿真系統(tǒng)的開發(fā)首先要進行體系架構(gòu)設(shè)計，架構(gòu)設(shè)計在軟件系統(tǒng)中的地位十分關(guān)鍵，它可以說是軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也可以說是軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵元素，其存在影響著軟件系統(tǒng)的大致主體布局、宏觀特性以及功能特點，它開始于軟件開發(fā)中的初期階段。如何設(shè)計出仿真效率高、系統(tǒng)擴展性好、易于維護的系統(tǒng)架構(gòu)是本文探討的方向。

1 復(fù)雜電磁環(huán)境衛(wèi)星偵察仿真系統(tǒng)需求簡介

復(fù)雜電磁環(huán)境衛(wèi)星偵察仿真系統(tǒng)通過建立一個計算機仿真系統(tǒng)和相應(yīng)的仿真模型，根據(jù)衛(wèi)星偵察載荷的工作模式對輻射源信號進行偵收，形成偵察數(shù)據(jù)并傳輸至應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)對雷達、通信等偵察信號的仿真。

仿真系統(tǒng)可發(fā)揮以下幾個方面的作用：

1) 為復(fù)雜體制雷達信號分析、衛(wèi)星偵察數(shù)據(jù)處理提供數(shù)據(jù)支撐；

2) 通過仿真系統(tǒng)的仿真推演，得到優(yōu)化的工作模式，充分發(fā)揮衛(wèi)星作戰(zhàn)效能；

3) 作為一個訓(xùn)練系統(tǒng)，通過典型的場景訓(xùn)練，培訓(xùn)各類系統(tǒng)操作人員；

4) 在實裝系統(tǒng)出現(xiàn)不明原因故障時，通過仿真系統(tǒng)有針對性的仿真推演，復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象，為故障定位、故障排除提供技術(shù)支撐。

仿真系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 復(fù)雜電磁環(huán)境衛(wèi)星偵察仿真系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

2 架構(gòu)設(shè)計

對仿真系統(tǒng)進行需求分析，仿真系統(tǒng)應(yīng)包含復(fù)雜電磁環(huán)境建立與管理、復(fù)雜電磁環(huán)境仿真、衛(wèi)星平臺想定、偵察載荷想定、偵察過程仿真以及數(shù)據(jù)傳輸仿真等模塊以及數(shù)據(jù)庫等。

2.1基于一體化思想的架構(gòu)設(shè)計

一體化的架構(gòu)設(shè)計思想是：復(fù)雜電磁環(huán)境建立與管理、復(fù)雜電磁環(huán)境仿真、衛(wèi)星平臺想定、偵察載荷想定、偵察過程仿真以及數(shù)據(jù)傳輸仿真等所有功能模塊，由一個軟件即復(fù)雜電磁環(huán)境衛(wèi)星偵察仿真軟件完成。用戶打開軟件界面，在界面中設(shè)置偵察場景，包括電磁信號環(huán)境、衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道、以及偵察載荷的工作模式、數(shù)據(jù)傳輸計劃等。完成偵察場景設(shè)置后，軟件按偵察時間進行偵察過程仿真、偵察數(shù)據(jù)產(chǎn)生及數(shù)據(jù)傳輸分發(fā)。一體化架構(gòu)設(shè)計圖如圖2所示。

一體化設(shè)計的優(yōu)點是：系統(tǒng)實現(xiàn)相對較容易，流程簡單，對硬件資源要求不多，軟件部署方便。缺點是：系統(tǒng)維護困難、擴展性不好，對輻射源模型的修改、偵察載荷模型的修改都會影響到整個仿真系統(tǒng)，仿真效率低。

圖2 一體化架構(gòu)設(shè)計圖

2.2基于組件化思想的架構(gòu)設(shè)計

在一體化設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用組件化技術(shù)構(gòu)造仿真系統(tǒng)模型的做法是對系統(tǒng)模型進行分解，將每個具有個性特征的仿真模型分解成若干個共性的子模型，即組件模型。這樣在后期構(gòu)造其他系統(tǒng)時就無需重新建立一套完整的系統(tǒng)模型，將一系列可重用的組件模型組裝起來即可。為實現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境衛(wèi)星偵察仿真系統(tǒng)模型的重用性、可擴展性，采用面向?qū)ο蟮姆椒ǚ治龇抡嫦到y(tǒng)，將各仿真對象的屬性和行為進行抽象，分解為目標(biāo)平臺、輻射源、背景噪聲、信號發(fā)射、傳感器、偵察平臺、接收站、行為模型等8類組件模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計形成3層模型組件架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 模型組件架構(gòu)圖

1) 組件模型庫，是最基本的模型組件的集合，如圖3所示，根據(jù)抽象分析的結(jié)果劃分為8個基本類型，其中每類模型組件都完成一些特定的功能，從不同角度描述仿真對象。將這些組件進行組裝后可以提供一個偵察數(shù)據(jù)仿真的全部功能。

2) 組件對象庫，是組件模型庫中每個組件模型實例化的結(jié)果集。對每個組件模型的參數(shù)賦值后即可生成一個組件對象。

3) 仿真單元庫，是將8類組件對象組裝后形成的有獨立偵察數(shù)據(jù)仿真能力的仿真單元集合。在單元組裝時以目標(biāo)平臺組件和偵察平臺組件為基礎(chǔ)，將各平臺所搭載的各種輻射源、各類傳感器集成在一起，形成一個仿真實體，進行偵察數(shù)據(jù)的仿真。

基于組件化思想的架構(gòu)設(shè)計，可以極大地實現(xiàn)重用性，提高開發(fā)效率，快速靈活地應(yīng)對業(yè)務(wù)需求，通過降低耦合度提升系統(tǒng)的可管理性，從而降低維護成本。

不過，以上設(shè)計還是在一體化設(shè)計的框架下進行的，仿真效率沒有得到提高。

2.3基于分層分布式仿真的架構(gòu)設(shè)計

在組件化分層設(shè)計的基礎(chǔ)上，將業(yè)務(wù)流程、基礎(chǔ)資源松耦合設(shè)計，將業(yè)務(wù)功能中的核心算法、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流、控制流與用戶應(yīng)用界面、基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫和文件存儲服務(wù)分層設(shè)計實現(xiàn)松耦合。仿真系統(tǒng)的分層設(shè)計體系如圖4所示。

圖4 分層設(shè)計體系圖

仿真系統(tǒng)一個重要的指標(biāo)就是仿真效率。仿真效率將直接影響系統(tǒng)的性能，從而也影響到任務(wù)的完成情況，因此從提高仿真效率的角度考慮，在分層設(shè)計的基礎(chǔ)上提出一種分布式仿真架構(gòu)，對位于服務(wù)層的仿真計算模塊通過調(diào)度控制進行并行調(diào)度。調(diào)度分2種，一種為處理服務(wù)器之間的調(diào)度，另一種為處理服務(wù)器內(nèi)部調(diào)度。據(jù)此，復(fù)雜電磁環(huán)境衛(wèi)星偵察仿真系統(tǒng)可劃分為人工交互軟件和自動處理構(gòu)件。人工交互軟件運行在Windows操作系統(tǒng)上，自動處理構(gòu)件運行在Linux操作系統(tǒng)上，各軟件之間的交互通過數(shù)據(jù)庫進行，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件組成圖

復(fù)雜電磁環(huán)境想定軟件完成雷達信號、通信信號等輻射源場景的想定；接收站想定軟件完成地面接收站物理、數(shù)傳跟蹤接收計劃、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)隊列的想定；衛(wèi)星偵察載荷想定軟件完成衛(wèi)星平臺軌道和姿態(tài)、偵察載荷工作模式、偵察載荷數(shù)字接收機參數(shù)、偵察載荷測向誤差、偵察計劃、存儲策略、回放策略的想定；仿真時間段分配構(gòu)件將一次仿真任務(wù)分成若干段，每一段分別由一個偵察數(shù)據(jù)仿真構(gòu)件執(zhí)行數(shù)據(jù)仿真；偵察數(shù)據(jù)仿真構(gòu)件根據(jù)星上偵察載荷工作模式完成相應(yīng)時間段內(nèi)偵察數(shù)據(jù)的仿真；數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)件根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)隊列，對接收站接收的數(shù)據(jù)進行組幀后傳輸至應(yīng)用系統(tǒng)；處理服務(wù)器之間的并行調(diào)度按時間段進行，作業(yè)調(diào)度構(gòu)件對仿真時間段分配構(gòu)件劃分的時間段再進行細分，每個細分后的仿真時間段啟動一個偵察數(shù)據(jù)仿真構(gòu)件進程進行處理。

系統(tǒng)運行環(huán)境部署圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)部署運行環(huán)境圖

基于分層思想的分布式仿真體系架構(gòu)設(shè)計具有仿真效率高、系統(tǒng)擴展性好、易維護等特征。在整個軟件生命周期內(nèi)，通過增加新的偵察載荷，可實現(xiàn)多星組網(wǎng)仿真、星機聯(lián)合仿真等擴展功能，能夠不斷促進仿真能力的提升。

3 結(jié)束語

復(fù)雜電磁環(huán)境衛(wèi)星偵察仿真系統(tǒng)功能復(fù)雜、涉及到的仿真模型較多，系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計關(guān)系到軟件的質(zhì)量、仿真的效率等方面。本文從基于一體化思想、組件化思想以及分層分布式仿真設(shè)計思想三個方面對仿真系統(tǒng)架構(gòu)進行了設(shè)計，比較了三種架構(gòu)的優(yōu)缺點?；诜謱铀枷氲姆植际椒抡骟w系架構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，但具有仿真效率高、系統(tǒng)擴展性好、易維護等特征，是復(fù)雜電磁環(huán)境衛(wèi)星偵察仿真系統(tǒng)體系架構(gòu)的設(shè)計方向?！?/p>

[1] 羅景青.雷達對抗原理[M].北京：解放軍出版社,2003.

[2] 蒙潔,汪連棟,王國良,等.雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)電磁環(huán)境仿真[J].計算機仿真，2004(12):21-24.

[3] 魏麗.組件化建模技術(shù)在作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子科技,2012(7):48-52.

[4] 趙曉睿,高曉光.大規(guī)模分布仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計技術(shù)參考模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2006(3):613-617.

[5] 杜國紅,韋偉,李路遙.作戰(zhàn)仿真實體組件化建模研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2015(2):234-239.

Design and discussion of architecture for satellite reconnaissance simulation system in complex electromagnetic environment

Wang Yujuan， Zhao Wei， Wang Zhiyin， Hu Jin， Zhu Meimei

(No.8511 Research Institute of CASIC，Nanjing 210007，Jiangsu，China)

Satellite reconnaissance simulation system in the complex electromagnetic environment possesses complex functions along with big data to be simulated. The system involves the modeling and simulation of radiation such as radar and communication, electronic reconnaissance system, satellite platform, data transmission system, etc.The architecture design of system which is effective and easy to be expanded and maintained is discussed.

satellite reconnaissance；simulation；architecture design；component；distributed

2017-06-16;2017-07-20修回。

王玉娟(1977-)，女，高工，主要研究方向為電子對抗數(shù)據(jù)處理。

TP391.92；V474.2+7

： A