张玉珠，孟 新，潘忠石

（1.中国科学院空间科学与应用研究中心 空间信息与仿真技术研究室，北京100190；2.中国科学院研究生院，北京100190）

0 引 言

空间任务论证仿真系统支持不同学科的专家在该设施上应用并行的方法来设计空间任务［1］，对新的空间任务技术和成本进行可行性论证、立项论证的分析和评估。对于不同空间任务，此系统所需的联邦成员由不同项目小组完成，开发平台存在差异，那么经过多个空间任务的论证后，在已建立起来的联邦成员中，部分联邦成员是基于不同RTI开发的。此外，空间任务论证仿真系统属于复杂系统，每次论证都要重新构建联邦成员是费时费力的。因此需要提高此论证系统的可重用性和扩展性，从而缩短空间任务的论证周期。针对上述问题，本文基于桥接盟员和异类RTI的概念，提出在此论证系统中进行异类RTI的桥接，即将基于不同RTI的联邦成员之间互联互通起来，使已开发完成的联邦成员能够在新的空间任务论证中有机会得以重复利用。目前，瑞典的Pitch公司已经开发出1516 Adapter，使遵循 HLA 1.3标准的联帮成员能够在pRTI 1516上运行。北京航空航天大学开发的RTIBridge软件能在一定程度上实现遵循HLA1.3和IEEE 1516应用系统的互操作。上述软件关注的均是遵循不同标准 （HLA 1.3和IEEE 1516）的RTI互联问题，但没有解决如空间任务论证仿真系统所面临的接口服务不一样的RTI的互联问题。因此本文设计实现了MAK－pRTI桥接软件，并进行了相关的仿真实验，验证其可行性。

1 基于HLA的空间任务论证仿真系统

1.1 HLA简介

HLA最初是由美国国防部提出的一个开放的、支持面向对象的分布式交互仿真软件体系结构，开发者可以据此进行分布式的建模和仿真。它最显著的特点就是通过提供通用的、相对独立的支撑服务环境，将应用层同底层支撑环境分开，即将具体的仿真功能实现、仿真运行管理和底层通信三者分离，隐蔽各自的实现细节［2］，其体系结构如图1所示。其中，RTI就是遵循HLA1.3或者IEEE 1516标准开发的分布式仿真的支撑软件。由于基于HLA开发的仿真系统具有可扩展性、重用性、支持交互等特性，使其广泛应用于作战指挥、航空航天和航天等大型任务的仿真验证中。

图1 HLA仿真的逻辑结构

1.2 空间任务论证仿真系统体系结构及联邦成员基本构成

空间任务论证仿真系统使用HLA以实现灵活管理和运行控制，主要功能包括：支持新的空间任务的任务分析和系统分析；对有效载荷的确定和主要参数的选择；支持空间系统方案的权衡和选择评估；支持系统级或任务级的新技术确认等［3］。它的建成满足空间任务的需要，而且大大提升了论证的质量。其体系结构和联邦成员划分分别如图2和图3所示。此仿真系统基于HLA/RTI平台实现，联邦成员主要包括任务分析成员、仿真管理成员、飞行器成员组、通信成员、空间环境成员、地面系统成员组、数据采集成员、可视化成员和评估成员等。其中，任务分析成员是根据仿真想定分析目标为仿真系统中的各个单元制定运行方案的；可视化成员是根据仿真输出结果进行可视化显示；飞行器成员可以有卫星、运载等各类飞行器；还有地面系统成员组，可以是遥测、遥控、测控和通信等各类地面站和地面数据处理系统成员。

1.3 空间任务论证仿真系统中存在异类RTI互联问题

由上述内容可知，基于HLA/RTI的联邦成员大都随具体任务而变化。在完成几个空间任务论证后，会建立起多种联邦成员，那么在进行新空间任务论证时，为了提高系统的可复用性和可扩展性，应尽量使用已建立的联邦成员组成空间任务论证仿真系统。但是，已有的各类联邦成员可能是基于不同的RTI建立的，那么就需要将这些联邦成员连接起来进行仿真。在空间任务论证仿真系统中，地面系统成员组是基于MAK RTI建立的，其他成员是基于pRTI建立的，如图3所示。但是这两个RTI提供的服务接口不同，需要通过某种途径将二者连接起来才能进行数据交换和互操作。下面将介绍桥接和异类RTI的概念，它们是连接基于不同RTI的各类联邦成员的基础。

图2 空间任务论证仿真系统体系结构

图3 空间任务论证仿真系统联邦成员划分

2 桥接盟员及异类RTI互联

2.1 桥接盟员技术

最初，桥接盟员的概念是为了解决多联邦多级性问题而提出的。随着仿真系统需求的变化发展，此概念目前用于实现多联邦的互联。桥接盟员由两部分组成［4］：代理部件 （Surrogate）和转换部件 （Transformation Manager），其中，代理作为成员加入到某一联邦中，获取该联邦中的控制信息，其行为与其他成员一样。代理通过转换部件交换两个联邦的信息，从而实现两个联邦间的信息和数据的交互。这里转换部件起着连接两个代理部件的作用且包含不同联邦中实例属性或参数值的对应关系。

2.2 异类RTI互联技术

能直接共享相同的私有代码和状态信息的RTI称为同类 RTI （homogeneous RTI）［5］。遵循的标准 （HLA 1.3或IEEE 1516）、支持的操作系统及提供的接口等的不同，导致不同的RTI不能够直接进行数据交换和互操作，这些RTI称为异 类 RTI （heterogeneous RTI）［5］。当 前，主 流RTI系统针对不同的联邦成员开发环境大多采用独立的版本，但是版本众多不仅增加了仿真应用开发的复杂度，而且基于不同版本RTI的联邦成员之间往往不能直接互联而需要转换，因此异类RTI多联邦的互操作是目前HLA分布式仿真技术中急需解决的问题之一［6－7］。空间任务论证仿真系统使用的MAK RTI和pRTI分别是由美国M K公司和瑞典的Pitch公司开发的RTI软件。这两个RTI软件较新的版本都遵循IEEE 1516标准，不同之处在于二者提供的接口服务不一样，因此它们之间的连接属于异类RTI互联。下节将研究二者之间的互联问题。

3 MAK RTI与pRTI互联互通技术研究

3.1 MAK RTI与pRTI互联模型构建

由于只是将两个RTI互联，并且它们运行于同一局域网上，所以MAK RTI－pRTI互联模型是集中式的，即转换部件和两个代理是一个整体。构建的MAK RTI－pRTI的互联模型如图4所示，它由协调模块，MAK RTI代理、pRTI代理及连接于两个RTI的联邦成员组成。从图中可以看到，两个联邦的互联方式是线性的［8］，而且它们的地位是对等的，也就是说在逻辑上没有隶属关系。协调模块负责协调两个联邦的联邦对象模型 （federation object model，FOM）表映射、联邦管理、声明管理、对象管理和时间管理，不涉及所有权管理和数据分发管理。MAK RTI代理、pRTI代理则通过协调模块交换两个联邦的信息，从而实现两个联邦间的信息和数据的交互。

图4 MAK RTI－pRTI互联模型

3.2 时间管理技术

为使桥接成员能够在它所加入的联邦中接收和发送时戳顺序 （time stamp order，TSO）消息，所有的桥接成员必须同时为时间控制和时间受限的，这是桥接多联邦仿真系统实现时间管理的首要条件［9］。时间推进有两种方式［10－11］，一种是根据需要设定推进时间的主动方；另一种是由转换部件发起的，使两个联邦同时进行时间的推进。由于两个联邦需要保持时间上的绝对同步，无论以哪种方式推进时间，这两个的时间前瞻量与时间推进步长必须是一样的。这里采用第一种时间推进方式。协调模块的时间管理伪代码如下：

异类RTI联邦中的成员已完成上次时间推进后的信息交互

｛

pRTI联邦可以向前推进时间；

MAK RTI联邦不可以向前推进时间；

pRTI联邦当前逻辑时间增加一个时间步长；

pRTI联邦可以向前推进时间 ＆＆pRTI联邦当前时间不等于推进目标时间）

｛

pRTI代理成员推进逻辑时间；

……

｝

pRTI联邦当前时间等于推进目标时间

｛

pRTI联邦不可以向前推进时间；

MAK RTI联邦可以向前推进时间；

MAK RTI联邦当前逻辑时间增加一个时间步长；

｝

当MAK RTI联邦可以向前推进时间 ＆＆MAK RTI联邦当前时间不等于推进目标时间）

｛

MAK RTI代理成员推进逻辑时间；

……

｝

…//异类RTI联邦中的成员进行信息交互

// （1）

异类RTI联邦中的成员已完成此时间推进后的信息交互；

｝

设时间推进由pRTI代理带动，且当前时间为t0。若pRTI代理已申请将时间推进到t1（t0＜t1），那么pRTI代理可以继续推进其逻辑时间至t2（t1＜t2）有两个条件：MAK RTI代理已获得将时间推进至t1的许可和连接于pRTI的联邦中的每个成员的逻辑时间都推进到t1。类似的，在MAK RTI代理获得时间推进许可将时间推进到t1后，只有当pRTI代理已将其逻辑时间推进至t2并且MAK RTI联邦中的每个成员的逻辑时间都推进到t1时，MAK RTI代理才可以将时间推进至t2。这样就保证了互联的这两个联邦逻辑时间的一致。这种一致性是空间任务仿真必须达到的要求。

3.3 对象管理

异类RTI联邦成员对象类属性更新/反射过程示意图如图5所示。

图5 异类RTI联邦成员某对象实例更新/反射过程

图5 描述的是联邦M订购的联邦P对象类的对象实例的更新过程，联邦P订购的联邦M对象类的对象实例的更新过程亦如此。在联邦P内，联邦成员n成员更新一个对象实例，pRTI代理反射该对象实例并将这些属性暂存于协调模块的全局变量中。协调模块在时间管理过程中，逻辑时间每推进一个步长，MAK RTI代理的更新属性值函数便会被调用，其调用代码位于协调模块中时间管理伪代码中标号为 （1）处。此后，在联邦 M中，该对象实例的对象类的有效订购者将收到反射属性值回调函数。联邦M订购的联邦P对象类的对象实例得到更新。交互类实例发送/接收过程与对象实例的更新过程类似。

3.4 FOM映射技术

此部分为协调模块维护着多联邦间FOM信息的以及对象实例ID和回退句柄的对应关系［12］，在需要的时候进行转换。由于不同仿真系统的仿真内容不同，因此FOM表是不一样的，为了将一联邦中的实例属性或参数的值映射为另一联邦的实例属性或参数的值有两种方法。一是使用FOM映射文件FMF（FOM mapping File），含于协调模块中，FMF中含有互联起来的每一个联邦的对象、属性、交互和参数的对应关系；另一种方法就是直接在协调模块中编写转换关系。空间任务论证仿真系统中的异类RTI接口采用后者。由3.3节可知，将需要进行交互的对象类和交互类的结构体作为变量存在协调模块中。基于异类RTI的联邦成员通过这些变量进行交互。由此可见，协调模块实际上是一个具有时间管理功能的存储转发器，在每一次时间推进时，暂时存储来自主动推进联邦的信息，然后将其转发给被动推进联邦。

4 MAK RTI与pRTI互联模型性能测试分析

时间推进请求的响应速度是判断多RTI能否满足实时仿真要求的一个重要参考依据，其定义为在联邦成员数量一定的前提下，单位时间内整个联邦时间推进次数［13－15］，单位为：次/s。那么通过查询计算机的CPU频率和当前计数状态，获取精确的机器时间，则可以计算时间推进请求的响应速度。性能测试主机配置见表1。

表1 互联模型性能测试主机配置

本次测试在一台计算机上进行，通过改变联邦中成员的数目得出时间推进请求的响应速度变化趋势，测试统计次数为10 000，并取3次测量的平均值。参数设置：evoke－MultipleCallBacks（0.001，0.1），此函数允许 RTI在获得时间推进允许前处理其他事情，时间推进步长为1s。

测试结果如图6所示，图中实线是基于pRTI的联邦中无MAK成员，即没有启用桥接程序时，时间推进请求的响应速度随成员总数的变化情况。另外两条虚线分别是有一个MAK成员和有两个MAK成员时，时间推进请求的响应速度的变化情况。可以看出，在上述3种情况下，随着成员总数目的增长，时间推进请求的响应速度都会逐渐减小，而且走势几乎相同。可见，MAK RTI与pRTI连接后，桥接部件并没有拖慢联邦时间推进的速度，可以说，本文研究的异类RTI桥接实现技术是高效可行的。

图6 时间推进请求的响应速度测试结果

5 结束语

本文分析了HLA在空间任务论证仿真系统中的应用关键技术；基于桥接盟员和异类RTI的概念，设计出MAK RTI与pRTI的互联模型并实现了这两个异类RTI的连接。经仿真测试，此桥接软件高效可行，没有降低时间推进的响应速度。本文研究成果使基于不同RTI开发的成员复用成为可能，从而缩短空间任务论证周期。下一步将研究多个异类RTI线性和非线性 （如树型）的互联模型，并对其进行属性延迟、交互延迟等全面的性能测试。

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