基于HLA 的卫星通信仿真技术研究

尚庆华

(中国电子科技集团公司第54 研究所 电子战事业部，河北 石家庄 050081)

随着计算机仿真规模和仿真数据量的增加，单个仿真系统已无法满足仿真需求，必须依赖多个仿真系统进行分布式仿真，因此，分布式仿真体系结构成为系统仿真学的重要前沿。高层体系结构(High Level Architecture，HLA)提供了通用、开放的数据交换协议和数据语义互操作协议，以及将仿真功能与通用支撑环境相分离的体系结构［1］，采用该仿真技术框架可保证各种仿真应用之间的互连、互通、互操作性。本文将HLA 作为仿真平台，构建了卫星通信链路仿真系统框架，并实现了卫星通信链路仿真建模，对卫星通信进行了动态研究。

1 HLA 的基本概念

HLA 中引入了联邦和联邦成员的概念。联邦是用于达到某一特定仿真目的的分布仿真系统，它由若干个相互作用的能实现特定仿真功能的联邦成员组合而成。HLA 规范主要由联邦规则、接口协议、对象模型模板、运行支撑环境(Run－time Infrastructure，RTI)等部分构成［2］。联邦规则保证联邦中仿真应用间按正确的方式进行交互，描述各联邦成员的责任及它们与RTI 的关系。RTI 是按照HLA 规范标准实现的通用分布操作系统软件，用于集成各种分布的联邦成员，所有联邦成员间的数据交换均要按照HLA 接口规范定义的方式通过RTI 实现［3］。联邦对象模型(Federation Object Model，FOM)规定了仿真成员之间要交换的数据信息以及这些数据进行交换的条件［4］。

HLA 把仿真系统分为联邦、仿真模型层、仿真平台和网络平台，相邻层之间只能通过接口函数进行通信［5］，其逻辑结构如图1 所示。

图1 HLA 仿真系统的逻辑结构

联邦成员可根据需求对其他成员发布的消息进行公布或订购，这样可有效降低网络中的数据传输量，提高通信效率。

2 卫星通信链路仿真系统结构

基于HLA 的基本框架，本文构建了卫星通信链路仿真系统，系统结构［6］如图2 所示。

仿真管控成员是对整个仿真系统进行控制，包括运行过程中的仿真开始、暂停、结束等过程;效能评估成员是对整个通信仿真系统根据一系列评估指标进行效能评估;仿真显示成员包括二维和三维态势显示成员，能够将仿真过程和仿真结果进行显示;数据采集分析成员能够对仿真过程产生的数据进行采集存储并对仿真数据结果进行分析入库。

图2 系统结构图

地面发射/接收终端成员完成对通信地面站的仿真，并公布地面站位置及参数信息;卫星通信链路成员接收地面发射/接收终端成员公布的状态信息，以及仿真管控成员下发的其他成员信息，完成对通信卫星和卫星链路的仿真，并实时公布链路状态信息。成员运行时与模型和平台间的信息交互流程如图3 所示。

图3 成员工作信息流程图

仿真开始后，成员将管控分发的想定参数通过想定接口进行解析，并通过RTI 平台订购所需的其他成员公布的消息，把以上消息解析后，成员将参数设置给模型接口，模型内部进行初始化，并开始计算，再将计算结果返回给成员，成员将计算结果通过RTI 平台进行公布，同时将结果显示。

3 卫星通信链路仿真模型设计

3.1 仿真模型工作流程

在仿真中，卫星通信链路仿真成员将设置的输入参数设置给仿真模型，仿真模型根据参数计算卫星通信链路质量，仿真模型内部的工作流程如图4 所示。

(1)仿真开始后，卫星通信链路模型接收卫星通信链路成员输入的想定参数、订购的交互类和对象类，对模型进行初始化。

图4 卫星通信链路仿真模型工作流程

(2)根据订购的参数建立仿真链路，根据卫星参数、地面站参数来计算地面站是否在卫星的可见范围内。1)不可见，则仿真推进，输出结果。2)可见，根据发射天线功率、天线增益、天线指向、接收天线增益和通信链路参数计算卫星接收发射站的信号电平。

(3)计算带内噪声功率、信噪比S/N，根据信噪比和信号调制样式查数据库得到对应调制样式下的误码率和丢帧率。

(4)根据业务类型、误码率等参数计算传输延时和链路通断状态。

(5)最后发布通信链路质量结果，推进仿真。

3.2 仿真模型内部行为

(1)卫星仿真模型。主要由接收/发送模型、转发处理模型和天线模型等构成，如图5 所示。

图5 卫星仿真模型

接收模块完成信号的接收和增益的处理，发送模块完成发送增益的处理，转发处理模块完成星上处理功能，天线模型根据使用的天线参数计算天线增益，卫星平台模型计算卫星的运行轨道。

(2)地面站模型。如图6 所示，由天线模型、接收机模型和调制解调、编解码等模型构成。

图6 地面站模型

天线模块完成信号的接收发射，编码模块将信息比特流进行信道编码，提高抗干扰性能，再通过调制模块调制成基带信号，解调模块对收到的信号进行解调，并通过解码模块进行解码，实现对数据信息的恢复。

3.3 仿真模型算法设计

在卫星通信链路建模过程中，为了简化处理，信道模型使用自由空间模型，其他主要算法模型推理［7］如下:

(1)传输距离的计算［8］。假设地球模型为正球模型，地面站或卫星的经度、纬度、高度分别为J、W、H，其中经度、纬度均为弧度，高度单位为m，则对应的地心直角坐标x、y、z 为

式中，Re为地球的半径;假设地面站A 的地心直角坐标为X1、Y1、Z1;卫星的地心直角坐标为X2、Y2、Z2，地面站A 到卫星的距离d 可以由以下公式导出。

(2)地面站是否在卫星的天线波束范围内。判断地面站能否接收到卫星的信号，首先应该排除地面站在卫星不可见半球的情况，即从几何角度计算地面站首先应该在卫星可见半球，其次是要在卫星天线波束覆盖范围内，由以下推导可得:

1)计算卫星到地球的切线距离。

式中，maxD 为卫星到地球的切线距离;R 为地球半径;H 为卫星距地面的高度。

由式(1)可计算地面站与卫星的距离d，必须满足d ＜maxD，才能保证地面站在卫星可见的半球内。

2)计算地面站到卫星的向量和卫星发射天线指向的夹角。假设地面站到卫星的距离为fabs1，卫星到天线指向地面坐标的距离为fabs2，分别可由式(1)～式(4)计算可得，两向量间的夹角θ 由式(6)得出

其中，X1、Y1、Z1、X2、Y2、Z2定义与式(4)相同，X3、Y3、Z3为天线指向投影到地面的地心直角坐标。只要满足θ 小于天线波束宽度的1/2 就能保证地面站在卫星天线波束范围内。

(3)计算链路信噪比。首先计算接收机接收通信信号的功率，如下

式中，Pin为接收通信信号功率;Gs为发射天线在接收方向上的天线增益;Ps为通信发射功率;Gr为接收天线在接收信号方向上的天线增益;L 为传输衰减;Lo为其他附加衰减。再计算接收机接收到的噪声功率为

式中，N 为噪声功率;B 为信号带宽。由此可得出信噪比

(4)传输衰减。传输衰减L 主要考虑自由空间传播损耗［9］，计算如下

式中，F 为通信信号频率;R 为传输距离。

(5)判断信号能否被接收到。信号能否被终端接收取决于两个方面的因素:信号到达设备的功率和设备的灵敏度。当信号的功率大于设备的灵敏度时就认为信号能够被接收。

设备灵敏度计算公式为

式中，Pr为接收机灵敏度;B 为信号带宽;SNR 为接收要求的信噪比;Nf为系统噪声系数。

(6)通信质量分析。根据计算的信噪比以及通信链路调制样式，查数据库中对应调制样式下的信噪比误码率曲线得到通信质量，输出误码率和丢帧率，根据误码率和丢帧率来判断链路通断状态，并发布通信链路状态信息。

3.4 仿真效果

图7 所示为系统仿真效果图，界面左侧为从想定即文件中解析出的卫星链路参数列表，中部为链路仿真结果列表，可实时显示链路状态信息，底部为软件运行工作状态显示，右侧可显示各仿真实体参数信息。

图7 仿真效果图

4 结束语

本文采用HLA 仿真平台构建卫星通信链路分布式仿真系统，描述了仿真成员框架，根据仿真成员框架实现仿真联邦成员，给出了成员间运行的信息流程，并提出了系统建模的过程以及模型内部的主要算法设计，实现了卫星通信链路的建模仿真。采用HLA 仿真平台较好地解决了各功能模型的同步、并行运行问题［10］，能够增加多个仿真实体来构建复杂仿真环境，更能体现出真实的系统环境，通过HLA 的平台构建，使得卫星通信链路仿真更逼近实际真实状态，使得地面站和卫星能够同步、协同工作，根据不同时刻卫星的轨道位置，可以实时计算出卫星通信链路的质量，给出链路动态仿真效果。

［1］ 何建平，周任飞.基于HLA 的通信训练仿真系统研究［J］.科技信息，2009(22):173.

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［10］王志安，赵洪利.基于HLA 的卫星组网通信与对抗仿真系统设计［J］.航天电子对抗，2005，21(5):62－64.