专利名称：基于Petri网的编队小卫星星间通信系统设计方法
技术领域：
本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种基于Petri网的编队小卫星星间通信系 统设计方法。
背景技术：
随着现代计算机技术的不断发展，单一学科的建模仿真技术已经基本满足本领域 的仿真需求，但模型中其它学科数据需要假设，降低了模型的可靠性和置信度，这与高可靠 的航天要求相违背，如模拟星间通信信道时的空间环境参数通常为假设值，影响仿真精度。 多领域协同建模仿真的提出可以解决航天器这类复杂系统的高置信度建模仿真问题。通过 建立编队小卫星星间通信系统仿真平台，能够将通信过程中需要的各领域模型接入仿真系 统，从而提供更精确的仿真参数，获得更高置信度的仿真结果。目前，复杂产品多领域建模方法主要有两种，一种是基于单学科仿真模型集成的 方法，另一种则是基于统一语言的方法。前者利用某学科领域商用仿真软件完成该领域仿 真模型的构建，然后利用各个不同领域商用仿真软件之间的接口，实现多领域建模。简单集 成方法可扩展性差，而统一建模语言需要大量的开发工作。随着仿真技术的不断发展，基于 高等体系结构(High LevelArchitecture, HLA)的仿真技术能够为多学科模型集成提供统 一标准，提高仿真系统可扩展性，HLA在仿真过程中起到软总线的作用。基于HLA仿真能够为系统参与人员提供一个开放的、易于操作、协作和扩展的仿 真协同环境。数据库管理员、总体设计人员、分系统设计人员、测试人员和评估分析人员可 以在仿真的各阶段参与到仿真中，这些人员可以使用本领域成熟的商业软件，通过中间件 连入仿真环境，并且参与人员能够很容易的获得自己感兴趣的数据。基于HLA仿真环境的 灵活性便于高精度、高置信度仿真模型的开发和仿真系统的建立。在模型开发过程中，开发 人员可以随时将修改后的模型连入仿真环境，进行仿真验证，根据验证结果对模型进行修 改，如此反复之后得到具有较高置信度的仿真模型。HLA能够解决仿真系统的灵活性和可扩 充性问题，减少了网络冗余数据，并且可以将真实仿真、虚拟仿真和构造仿真集成到一个综 合的仿真环境中，满足复杂大系统的仿真需要。综上，基于单学科仿真模型集成的方法不利于系统的扩展，集成后系统仿真结果 置信度低；基于统一建模语言方法需要对已有模型重新用数学方程描述，无法充分利用已 有研究成果，并且有些模型无法用方程描述；基于异构仿真环境可以实现仿真系统灵活构 建，有效提高仿真效率，集成现有研究成果(现有模型)；基于HLA数据交互的多学科集成 建模与仿真方案具有一定的灵活性、可扩展性，减少网络数据冗余，最大限度保证数据一致 性，并可将真实仿真、虚拟仿真等集成到统一的仿真环境中。编队小卫星通信系统涉及多种算法和模型，这些模型均有各自优缺点和适应领 域。针对某个特定飞行任务，为每个通信模型或算法建立一套仿真平台，验证其在该任务参 数下的性能，需要较研发高成本，因此本发明提出基于Petri网的编队小卫星星间通信系 统设计方法。该方法借鉴基于仿真的设计思想，利用HLA开放、灵活接入的特点，提出星间通信系统设计流程。支持从飞行任务提出，到仿真验证结果输出，全任务周期、多学科的设 计、开发、仿真及验证过程。该方法利用高等体系结构仿真环境，能够将任务需要的分系统 模型及仿真软件加入设计和仿真中，参与设计和仿真运行，从而有效提高设计效率和仿真
结果的置信度。
发明内容
本发明的目的在于针对单一学科的建模仿真技术，模型中其它学科数据需要假 设，降低了模型的可靠性和置信度的问题，本发明提供一种基于Petri网的编队小卫星星 间通信系统设计方法，该方法支持从飞行任务提出，到仿真验证结果输出，全任务周期、多 学科的设计、开发、仿真及验证过程。该方法利用高等体系结构仿真环境，能够将任务需要 的分系统模型及仿真软件加入设计和仿真中，参与设计和仿真运行，从而有效提高设计效 率和仿真结果的置信度。本发明的技术方案是采用Petri网对编队小卫星星间通信系统进行建模，建立 该模型与仿真平台间的映射关系，根据该映射关系设计编队小卫星星间通信仿真平台的逻 辑结构和数据流，并搭建编队小卫星星间通信系统仿真平台，该平台包含姿轨控模块、空间 环境模块、小卫星模块、数据库以及数据分析模块，并在以上基础上给出基于该仿真平台的 星间通信系统设计方法。基于Petri网的编队小卫星星间通信系统设计方法将系统设计分 为五个阶段，分别为任务提出和分析阶段、任务分解和设计阶段、模型或分系统设计阶段、 集成仿真验证阶段、结果评估阶段。该方法支持从飞行任务提出，到仿真验证结果输出，全 任务周期、多学科的设计、开发、仿真及验证过程。利用高等体系结构仿真环境，能够将任务 需要的分系统模型及仿真软件加入设计和仿真中，参与设计和仿真运行，从而有效提高设 计效率和仿真结果的置信度。本发明的效果和益处是可以解决航天器这类复杂系统的高置信度建模仿真问 题。通过建立编队小卫星星间通信系统仿真平台，能够将通信过程中需要的各领域模型接 入仿真系统，从而提供更精确的仿真参数，获得更高置信度的仿真结果。基于Petri网的编 队小卫星星间通信系统设计方法将系统设计分为五个阶段，分别为任务提出和分析阶段、 任务分解和设计阶段、模型或分系统设计阶段、集成仿真验证阶段、结果评估阶段。该方法 支持从飞行任务提出，到仿真验证结果输出，全任务周期、多学科的设计、开发、仿真及验证 过程。利用高等体系结构仿真环境，能够将任务需要的分系统模型及仿真软件加入设计和 仿真中，参与设计和仿真运行，从而有效提高设计效率和仿真结果的置信度。
附图1是基于软总线星间通信系统TTDPN模型图。图中P0数据调制，Pl扩频算法，P2信道编码算法，P3发送数据，P4信道译码，P5 解扩算法，P6数据解调，P7通信完毕，P8总线空闲。附图2是总线TTDPN模型可达标识图。附图3是TTDPN模型与仿真平台映射关系图。附图4是系统硬件组成图。图中包括姿轨控计算机、空间环境计算机、曲线显示计算机、数据库与仿真管理计算机、小卫星A、B仿真计算机以及网络平台硬件。附图5是系统逻辑框图。附图6是系统数据流程图。附图7是基于Petri网的编队小卫星星间通信系统设计流程图。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。1、基于软总线的星间通信系统TTDPN模型基于软总线的星间通信系统模型基本约束条件(1)设备间数据通信都通过总线；(2)某个单元只有在总线空闲时才能向总线发送数据，即先获得总线使用权；(3)数据从发送端开始发送到接收端完成接收需在一定时间内完成；根据以上约束条件，给出由一个发送端、总线、接收端组成的最小星间通信系统的 TTDPN模型(如图1)。令(d0，dl，d2，d3，d4，d5，d6)= (10，10，20，90，20，10，10)，贝该模型的可达标识 图如图6-2，整个系统运行周期为170个单位时间，系统以最大速度运行，即一旦变迁Tj是 使能的，则L激发所需的标记立即被预订(即、ε 0)。从图2可以看出，从MO开始的状态可达集为R(MO) = {M0，Ml，M2，M3，M4，M5，M6， M7}，状态集为MS = {MO, Ml，M2，M3，M4，M5，M6，M7}，即任意状态都是MO可达的。2、星间通信系统TTDPN模型与仿真平台映射关系以编队小卫星TTDPN模型为基础，建立编队小卫星系统仿真平台，具有一定的模 型基础。编队小卫星TTDPN模型与仿真平台间的映射关系如下图所示，其中P8为软总线模 块，而HLA/RTI能够很好地提供数据交互平台，逻辑上为软总线形式，P0-P6的具体映射关 系如图3所示。3、编队小卫星星间通信仿真平台体系结构(1)硬件体系结构描述编队小卫星星间通信仿真平台包括姿轨控计算机、空间环境计算机、曲线显示计 算机、数据库与仿真管理计算机、小卫星A仿真计算机、小卫星B仿真计算机以及网络平台 硬件，如图4，其中a)姿轨控计算机，负责编队中小卫星姿态控制与轨道生成、预报及仿真过程中轨 道参数的维护；b)空间环境计算机，完成小卫星编队飞行过程中的各种空间环境计算，维护仿真 过程中的干扰参数；c)曲线显示计算机，收集、分析仿真中间数据，并将分析结果以曲线形式实时显 示；d)数据库与仿真管理计算机，负责控制仿真运行，监视仿真过程中各分系统的运 行状态，将仿真中间数据保存入数据库；e)小卫星A、B计算机，运行扩频、调制、解调等通信相关模型。(2)系统逻辑结构
仿真系统包括星间通信系统、姿态确定系统、姿态控制系统、轨道递推系统、数据 库系统、空间环境系统，共6个分系统，如图5所示。a)星间通信系统，利用本文通信相关算法，建立小卫星通信系统，包括信道编码模 型、信道译码模型、扩频模型、解扩模型、调制模型和解调模型等；b)姿态确定系统，利用刚体动力学模型(或其它模型)确定卫星姿态；c)姿态控制系统，利用PID控制算法控制卫星姿态；d)轨道递推系统，预测卫星下一时刻轨道位置；e)数据库系统，存储仿真中间数据，为仿真回放提供数据支持；f)空间环境系统，计算干扰力矩和空间电磁环境参数，为通信信道模型提供输入， 使信道模型具有更高精度；(3)系统数据流系统数据流如图6所示，图中蓝色实线表示用户输入数据，绿色虚线表示仿真中 间数据存入数据库，黑色实线表示系统闭环仿真数据流向，图中数据线具体含义如下实线1表示用户通过仿真管理程序向仿真平台内发送指令，如选择通信模型等； 实线2、3表示在用户输入命令后，仿真管理程序解释并将用户数据命令转化成相应参数， 分发到各分系统，如图中蓝色线所标记内容；实线4表示仿真的起点为系统中小卫星轨道 模型完成轨道递推计算并向环境模型发送轨道参数；实线5表示环境模型收到参数后，根 据相应模型计算空间环境干扰，并将其发送给通信信道模型；实线6表示小卫星向外界发 送通信数据，用来跟后期得出的通信结果进行对比分析；实线7表示将通信数据送入信道 模型，对数据加入空间扰动；实线8表示信道模型将通信数据和环境参数综合，形成加扰的 通信数据，并将其发送给编队中其它小卫星；实线9、10表示小卫星收到加扰通信数据后， 依次进行信道译码、解扩和解调操作，将解释出的数据及原始通信数据送数据分析模型，形 成分析曲线，为用户进一步判断提供依据。至此完成一个仿真循环，仿真中数据库系统收集 仿真中产生的轨道参数、原始通信数据、加扰通信数据和仿真结果等信息。实线11、12表示 将本轮仿真结果送入仿真分析模型进行分析，并通过曲线显示终端显示。3、基于多学科仿真平台的星间通信系统设计方法基于Petri网的编队小卫星星间通信系统设计方法支持从飞行任务提出，到仿真 验证结果输出，全任务周期、多学科的设计、开发、仿真及验证过程。该方法利用高等体系结 构仿真环境，能够将任务需要的分系统模型及仿真软件加入设计和仿真中，参与设计和仿 真运行，从而有效提高设计效率和仿真结果的置信度。基于星间通信多学科仿真平台的星间通信系统设计流程如图7所示，将系统设计 分为五个阶段，分别为任务提出和分析阶段、任务分解和设计阶段、模型或分系统设计阶 段、集成仿真验证阶段、结果评估阶段。各阶段间关系如图7中右半部分所示，其中模型设计和仿真评估、验证是不断修 正，不断验证的过程，直到得出满足任务需求结果时才结束设计过程。
权利要求
1.一种基于Petri网的编队小卫星星间通信系统设计方法，采用Petri网对编队小卫 星星间通信系统进行建模，并建立该模型与仿真平台间的映射关系，根据该映射关系设计 编队小卫星星间通信仿真平台的逻辑结构和数据流，搭建编队小卫星星间通信系统仿真平 台，并在以上基础上给出基于该仿真平台的星间通信系统设计方法；其特征在于利用T时 延离散Petri网方法对编队小卫星星间通信系统进行建模，设计出编队小卫星星间通信仿 真平台的逻辑结构和数据流，并搭建编队小卫星星间通信仿真平台，该平台包含姿轨控模 块、空间环境模块、小卫星模块、数据库以及数据分析模块，并在该平台的基础上给出一种 新的编队小卫星星间通信系统设计方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于Petri网的编队小卫星星间通信系统设计方法，其 特征是基于Petri网的编队小卫星星间通信系统设计方法支持从飞行任务提出，到仿真 验证结果输出，全任务周期、多学科的设计、开发、仿真及验证过程；该方法利用高等体系结 构仿真环境，能够将任务需要的分系统模型及仿真软件加入设计和仿真中，参与设计和仿 真运行。
3.根据权利要求1所述的一种基于Petri网的编队小卫星星间通信系统设计方法，其 特征是基于Petri网的编队小卫星星间通信系统设计方法将系统设计分为五个阶段，分 别为任务提出和分析阶段、任务分解和设计阶段、模型或分系统设计阶段、集成仿真验证阶 段、结果评估阶段；其中，模型设计和仿真评估、验证是不断修正，不断验证的过程，直到得 出满足任务需求结果时才结束设计过程。
全文摘要
一种基于Petri网的编队小卫星星间通信系统设计方法，属于卫星通信技术领域。其特征是采用Petri网对编队小卫星星间通信系统进行建模，搭建编队小卫星星间通信系统仿真平台，并在以上基础上给出基于该仿真平台的星间通信系统设计方法。基于Petri网的编队小卫星星间通信系统设计方法将系统设计分为五个阶段，分别为任务提出和分析阶段、任务分解和设计阶段、模型或分系统设计阶段、集成仿真验证阶段、结果评估阶段。本发明的效果和益处是利用高等体系结构仿真环境，能够将任务需要的分系统模型及仿真软件加入设计和仿真中，参与设计和仿真运行，从而有效提高设计效率和仿真结果的置信度。
文档编号G06F17/50GK102004827SQ20101054469
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月8日 优先权日2010年11月8日
发明者吴国强, 吴志刚, 孙兆伟, 张大力 申请人:大连理工大学