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基于Agent的卫星体系效能评估仿真方法


第24卷第7期
文章编号:1006—9348(2007)07—0047一04

计算机仿真

2007年7月

基于Agent的卫星体系效能评估仿真方法
吴炜琦1,张育林2
(1.国防科技大学航天与材料工程学院,湖南长沙410073;2.酒泉卫星发射中心,甘肃酒泉732750) 摘要:利用仿

真手段进行卫星体系效能评估具有可信度高、针对性强等优点。文中主要讨论卫星体系效能评估指标确定和 效能评估仿真框架的建立问题。文章分析建立了卫星体系系统效能和作战效能两类度量指标,以系统、全面地描述卫星体 系的作战能力。详细设计了由物理层、信息层、认知层构成的Agent仿真模型,抽象出了各种类别的Agent,并在此基础上构 建了集运行仿真、作战仿真两种类型仿真为一体的卫星体系效能评估仿真框架,讨论了仿真框架的具体实现方案。该仿真 框架能够较全面地计算各类效能度量指标,从而有效地对卫星体系进行效能评估。 关键词:卫星体系;仿真;效能评估
中图分类号:E911;TP391.9

文献标识码:A

Agent——‘based Satellite System Effectiveness
Evaluation

Simulation Method

WU Wei—ql一.ZHANG Yu—lin2
(1.College of Aerospace and Material Engineering,National University of Defense Technology,
Changsha Hunan 410073,China;2.Jiuquan Satellite Launch Center of China,Jiuquan Gansu,732750,China) ABSTRACT:Evaluating the effectiveness of satellite system with simulation method has many advantages,such
as

high creditability and pertinency.The paper mainly discusses two problems:constructing effectiveness measurement of satellite system,constructing effectiveness evaluation simulation
types of effectiveness measurements
to

framework.The

paper

analyses and

contrasts two

describe the combat abilities of satellite system.The agent—based simulation
ale

models composed of physical layer,information layer and cognitive layer

designed carefully.Typical agent type is and combat simulation is
to

abstracted.The simulation framework of satellite established.The implementing method

system that integrates running simulation

of the simulation

framework is discussed.The simulation framework is able

calculate the effectiveness measurements all—sided,and effectively evaluate the effectiveness of satellite system.

KEYWORDS:Satellite system;Simulation;Effectiveness evaluation



引言 卫星体系可以理解为不同类型的卫星及其支持、应用系

的主要途径,国内则形成了以钱学森提出的综合集成研讨厅 为代表的评估方法拉J。实际上,这两种方法都离不开系统建 模和仿真,利用仿真手段进行军事信息系统评估具有可信度 高、针对性强等优点。另一方面,全面地分析评估一个军事 信息系统需要把不同类型仿真工具集成为一个“工具箱”,用 户能够根据所关心的问题快速、灵活、创造性地对工具箱进 行裁减应用,使用单一仿真系统来支持效能评估是不够 的日。。美国空军开发的空军标准分析工具箱(Air
Standard Analysis
Force

统按一定关系组成的有机体系。随着信息化战争时代的到 来,卫星体系在战争中的地位越来越重要,通过对陆、海、空 联合作战提供全面的信息支援和力量倍增,卫星体系对战争 进程和结局产生了巨大影响。效能是武器系统执行作战任 务有效程度的反映,也是武器系统作战能力的表现,研究卫 星体系的效能评估方法具有重要的军事意义H1。由于卫星 体系构成单元多、信息交互复杂,传统方法很难有敬地对这 种军事信息系统进行评估。20世纪90年代以来:基于分布 交互网络的仿真方法逐渐成为国外进行军事信息系统评估

Toolkit,AFSAT)就是一个典型的作战系统

评估分析工具箱,该工具箱能够有效地支持作战系统战役 级、任务级、交战级和工程级四个层次的建模仿真。 卫星体系以各种卫星为主体组成。不同于其他武器系

基金项目:“十五”国防预研资助项目(413200102) 收稿13期:2006—03—23修回日期:2006—07—05

统,卫星必须在其轨道上持续运动,对卫星体系的效能评估 必须基于这种动态性质进行。参考国外对军事信息系统评
...——47...——

万方数据 万   方数据

估的思路,本文基于Agent方法构建了两种卫星体系仿真工 具:卫星体系运行仿真工具和卫星体系作战仿真工具,支持 从运行特性和作战特性两方面进行效能评估。两种工具集 成到一个仿真框架中,从而实现了模型和数据的高度重用。 相比较目前国内常见的武器装备体系仿真方法,本文提 出的卫星体系效能仿真方法具有两个独特优点。首先,本文 提出的方案把卫星体系运行仿真和作战仿真有效集成到一 起,从而能够有效实现卫星体系多角度、多层次效能评估。 其次,将Agent方法作为仿真构建的核心,由于Agent方法具 有仿真应用构建简单、长于进行复杂大系统仿真分析的特 点,使得本文提出的效能仿真能够胜任复杂卫星体系的仿真 评估任务。

在效能评估方法方面,卫星体系的动态特性决定了它的 很多系统效能指标无法用解析方法计算,又由于系统效能指 标只和卫星体系的功能相关,因此可以用运行仿真的方法来 计算这些指标值。卫星体系的作战效能评估则需要考虑其 执行作战任务的过程,涉及因素多,用作战仿真的方法来计 算效能指标值最为适宜。由于两种仿真都是针对卫星体系 进行的,故此可以把二者整合到一个仿真框架中,实现模型 的重用和功能的集成。另一方面,运行仿真是对卫星体系运 行过程的模拟,一次仿真就能获取所需的各种指标数据,故 此对仿真速度无特别要求;而作战仿真的复杂程度远高于运 行仿真,作战效能评估又要求仿真卫星体系可能承担的各种 主要作战任务,故此作战仿真应具备对作战任务的快速仿真
能力。

2问题分析
卫星体系的效能评估包括确定效能度量指标、建立效能 评估方法两个研究内容。武器系统的效能度量一般分为单 项效能、系统效能和作战效能三类M J,但能够全面、系统地度 量卫星体系的只有系统效能和作战效能两类,其中作战效能 又是卫星体系的最终效能度量和根本质量特征。系统效能 也称内部效能,是指卫星体系满足一组特定任务要求的可能 程度,是对卫星体系各种能力的整体评价,和具体的作战方 案无关;作战效能也称外部效能,是在规定条件下,运用卫星 体系的作战兵力执行作战任务所能达到预期目标的程度,这 里作战任务应覆盖卫星体系在实际作战中可能承担的各种 主要作战任务,且涉及整个作战过程,因此作战效能和具体 的作战方案关系密切。在实际应用上,一般针对武器系统的 各种功能进行系统效能评估,而针对武器系统要遂行的一组 典型作战任务进行作战效能评估。两类评估的出发点不同, 结合使用后能够较全面地衡量卫星体系。

Agent方法是进行复杂体系仿真的一种有效手段,其基 本思想是通过模拟现实世界,将复杂体系划分为与之相应的 Agent个体(每个Agent具有各自的数据、模型以及接口等), 以自底向上的方式,通过对个体微观行为的仿真来获得系统 宏观行为”1。Agent方法具有仿真构建直接快捷、易于进行 分布式实现等优点M J,本文将利用这种方法进行两种仿真的 设计与集成,以满足卫星体系效能评估的需要。

3卫星体系效能度量指标的建立
本文构建了两类效能度量指标:系统效能指标和作战效 能指标。系统效能指标反映了卫星体系的功能组成和结构 形式所决定的整体能力;而作战效能指标则反映了卫星体系 完成具体作战任务的能力。两类效能指标如表1所示。出 于简化问题的考虑,所给出的指标体系中未包含安全性等指
标。

表1卫星体系效能度量指标的典型构成

4卫星体系仿真框架
本文基于Agent方法来构造卫星体系的仿真框架,包括 Agent个体划分、Agent建模、仿真框架设计与实现三个内容。

4.1

Agent个体划分 从运行仿真的角度出发,根据卫星体系的实际组成情

况,本文考虑建立4类仿真个体Agent模型:卫星、星座、地面 站、信息处理中心。能够单独完成其功能的卫星用一个独立

一48—

万方数据 万   方数据

的Agent来仿真,典型的如光学成像侦察卫星;需要多颗星构 成星座才能完成其功能的,整个星座用一个Agent来仿真,典 型的如基于时差定位原理的海洋监视卫星编队、导航星座 等;地面站、信息处理中心等个体也都分别用一个Agent来仿
真。

处理中心对原始侦察信息处理后生成。指挥控制信息则是 Agent在认知层通过自适应决策生成的。为简化问题,本文 把能否直接生成可用侦察信息作为传感器的一种属性来处 理。在信息传输方面,为Agent携带的通信器材指定通信链 路,拥有相同链路通信器材的Agent之问可以互联互通;指挥 控制信息只能按作战指挥体系,经通信链路从上级Agent传 输给下级Agent;侦察信息则能够在所有连通的Agent之间传 递;根据传输速率和信息量计算传输延迟。信息处理指原始 侦察信息到可用侦察信息的转换,当Agent为信息处理中心 时,传输到该Agent的原始侦察信息将转换为可用侦察信息, 通过信息处理速率来计算处理时延。在信息存储方面,利用 两个信息队列分别存储指挥控制信息和侦察信息。信息队 列中存储了每条信息的信息源、信息发生时间、信息内容、信 息量、信息类型等,并按信息优先级和信息发生时间排序,以 便信息检索和处理。同时,为了防止信息队列随仿真进行变 得过于庞大,指定信息在列表中的生存期限,当信息存储时
间超过该时限时就将其从列表中删除。

从作战仿真的角度出发,除上述4类仿真个体外,还需 要抽象出仿真体系对抗所必需的作战实体。本文把各式各 样的作战实体高度抽象为指挥所、飞机、车辆、舰船4种个体 类型,每一个体都用独立的Agent来仿真。指挥所类型的作 战实体之间存在上下级隶属关系,而其他类型的作战实体则 必须隶属于某个指挥所。这种隶属关系形成了作战指挥体
系。
4.2

Agent仿真模型

参考美国海军提出的“网络中心战”概念,本文从物理 层、信息层、认知层三个层次构建了慎思型Agent仿真模型, 每个层次对应于不同功能的仿真,如图1所示。 物理层包括运动、侦察、火力打击、通讯四类模型,仿真 Agent的物理运行过程及功能。在运动建模方面,卫星和星 座用考虑J2项摄动的二体运动方程来描述,其他Agent的运 动则用路径规划模型描述。在侦察建模方面,考虑一个A. gent可能携带多个侦察器材的情况,根据每种器材的侦察目 标类型、侦察作用范围、发现目标概率和定位精度以及目标 的空间位置及状态计算侦察数据。在火力打击建模方面,同 样考虑一个Agent可能携带多种武器的情况,根据每种武器 打击目标的类型、目标的空间位置及状态、有效攻击范围、圆 概率误差、杀伤半径和杀伤概率计算武器对目标的毁伤数 据。在通讯建模方面,也考虑一个Agent可能携带多种通信 器材的情况,假设Agent之间用点到点通信方式进行通信,根 据每种器材的工作模式(双工/单工)、通信链路连通性来计 算可否进行通信传输;根据传输速率和传输距离计算传输延 迟时间。显然,运行仿真无需考虑武器攻击模型。

认知层仿真Agent的信息理解和决策生成。本文通过定 义Agent行为规则来实现自适应决策,行为规则用一组Agent 基本动作(行为基)和一组基本逻辑关系来描述,其中基本动 作包括物理层和信息层仿真的各种行为,基本逻辑关系则包 括逻辑运算和流程控制两类内容。当Agent对信息列表内容 进行处理(即信息理解)时,如果发现信息内容和自身状态满 足行为规则中定义的逻辑条件,Agent就会依规则自动生成 指挥控制信息,其内容就是若干基本动作的组合。缺省的行 为规则是对侦察到的位于己方武器打击范围内的敌目标进 行火力打击。 在每个仿真步长内,Agent都执行如下流程: ●信息获取:Agent进行目标侦察,并将侦察数据存入 信息列表,同时通过通信设备接收己方Agent传输的侦察信 息和指挥控制信息; ●信息处理与理解:Agent从侦察信息列表中搜索出位 于己方武器有效突击范围之内的敌方目标信息;信息处理中 心类型Agent还要把原始侦察信息处理成可用侦察信息; ●决策生成:Agent根据行为规则生成指挥控制信息并

呷 营 凿
Agent

信息理解、决策生成仿真

信息产生、传输、处理、存储过程仿真

存入信息列表; ●动作执行:Agent执行信息列表中指挥控制信息包含 的动作(如火力打击等),并进行信息传输、Agent空间位置更 新(例如卫星轨道运动计算)等操作。 这样,己方Agent之间通过信息传输形成了协作关系;敌 对双方Agent之问则通过侦察、火力打击交互形成对抗关系; 两类交互关系引发形成了作战过程。显然,这种仿真产生的 作战过程是自发形成的,无法事先进行预测,这也正反映了 作战的复杂性特征。
4,3仿真框架设计与实现

运动、侦察、通信、火力打击物理行为仿真

图1

Agent仿真模型

信息层仿真信息产生、信息传输、信息存储、信息处理 过程。本文把Agent之间传输的信息区分为原始侦察信息、 可用侦察信息和指挥控制信息三类。定义原始侦察信息为 无法被Agent直接用于决策和行动的目标信息,反之则为可 用侦察信息。原始侦察信息都是由传感器直接产生的,而可 用侦察信息即可能由某些传感器直接产生,也可能通过信息

卫星体系仿真框架如图2所示。整个框架共分三层,最 底层是数据库层,其中作战想定库存储作战效能评估所需的
...——49...——

万方数据 万   方数据

性能参数近似卫星编队的性能指标。近似的性能参数可通

过运行仿真计算出来。作战仿真开始前设定好各种Agent的 属性值和行为规则,以及己方Agent之间的通信关系、敌对
Agent之间侦察关系和火力打击关系;仿真开始后,Agent之 间将因空间位置和仿真时间的变化自动产生对抗或协作行 为,从而形成作战过程。

仿真结束后,运用统计方法对仿真数据进行处理,对典
型指标值可以得到平均值和最大值两个统计数据,例如时间 延迟指标对应最大时间延迟和平均时间延迟,即为该卫星体 图2卫星体系仿真框架 系的效能度量。

一组典型作战任务想定,卫星体系数据库存储各种典型卫 星、星座、地面站、信息处理中心的数据,武器装备数据库存 储各种典型飞机、舰船、车辆、指挥所等武器装备的相关数

5结论
本文从系统效能和作战效能两方面构建了卫星体系效

能度量指标,把对卫星体系的定性评价要求转化为了定量指
标需求,指标内容较为完备,能够较全面地度量卫星体系的 效能。综合利用运行仿真和作战仿真方法对卫星体系进行

据。中间是仿真层,包括运行仿真模块和作战仿真模块。最
顶层是效能指标计算层,包括仿真数据处理模块和特定系统

效能指标计算模块,后一个模块是考虑到某些系统效能指标
本身就是卫星体系的性能参数,或者只需简单的解析计算即 可得出,无需利用仿真方法而设置的。该层完成效能指标的 最终计算。

效能评估,并把二者集成到一个框架中,减少了仿真开发工 作量,也使评估过程变得更为有效。基于Agent方法构建仿 真框架,具有仿真结构简单明了、易于进行复杂问题分析等
特点,能够较好地满足效能仿真的需要。本文建立的仿真框

运行仿真模块用于提供某些系统效能指标计算相关的
各种数据,这些指标很难或无法用数学鳃析方法计算,只能 用仿真方法求得。在实现时,运行仿真采用离散时间驱动方 式进行,仿真步长为分钟量级。星座中卫星的空间位置是计 算导航/侦察定位精度的重要依据,故所有卫星(包括星座

架也可以方便地扩展到其他军用信息系统效能评估领域。
参考文献:
[1]

凌云翔,邱涤珊,徐培德.航天装备军事应用[M].长沙:国防 科技大学出版社,2005。

[2]郭齐胜,郅至刚,杨瑞平.装备效能评估概论[M].北京:国防 工业出版社,2005. [3] 张育林,信息时代国防决策与军队效能评估[M].北京:解放
军出版社,2005.

Agent中的卫星)空间位置都按照航天器运动模型逐步计算
给出。通过在给定区域内按用户指定的密度均匀布设目标

点,仿真计算卫星或星座对这些目标点的覆盖情况、定位精
度、连续监视时间、重复观测时间间隔等数据,同时记录目标 发现到信息处理完毕的时间间隔。 作战仿真则把卫星体系融入到作战体系中,通过对作战 想定的仿真提供作战效能计算相关的各种数据。作战仿真 同样采用离散时间驱动方式进行。由于作战仿真涉及因素 远远超过运行仿真,因此在实现时对星座Agent模型做简化 处理,考虑到作战区域(战区)范围有限这一因素,用星座的 总体性能参数来代替实时计算的性能指标,其中对全球覆盖 星座(如GPS星座)使用该星座的在作战区域的平均性能参 数;区域覆盖星座(例如双星导航星座)则使用拟合方程来近 似计算性能参数;编队工作的侦察星座(例如“白云”电子侦 察卫星编队)用一颗虚拟的侦察卫星来代替,用虚拟卫星的 [5]
[6]

[4]

张最良,李长生,赵文志.军事运筹学[M].北京:军事科学出
版社,1992.

胡晓峰.战争模拟引论[M].北京:国防大学出版社,2004. 李宏亮.基于Agent的复杂系统分布仿真[D],长沙:国防科 技大学博士论文,2001

[作者简介] 吴炜琦(1962一),男(汉族),山西代县人,博士研 究生,高工,研究方向为航天器系统技术; 张育林(1958一),男(汉族),陕西于阳人,博士,教
授,博导,研究方向为飞行器系统。

一50一

万方数据 万   方数据

基于Agent的卫星体系效能评估仿真方法
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 吴炜琦, 张育林, WU Wei-qi, ZHANG Yu-lin 吴炜琦,WU Wei-qi(国防科技大学航天与材料工程学院,湖南,长沙,410073), 张育林,ZHANG Yu-lin(酒泉卫星发射中心,甘肃,酒泉,732750) 计算机仿真 COMPUTER SIMULATION 2007,24(7) 3次

参考文献(6条) 1.凌云翔;邱涤珊;徐培德 航天装备军事应用 2005 2.郭齐胜;郅至刚;杨瑞平 装备效能评估概论 2005 3.张育林 信息时代国防决策与军队效能评估 2005 4.张最良;李长生;赵文志 军事运筹学 1992 5.胡晓峰 战争模拟引论 2004 6.李宏亮 基于Agent的复杂系统分布仿真[学位论文] 2001

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引证文献(3条) 1.陈晨.周东华.陈杰 面向任务的网络化天基信息系统连续性效能评估[期刊论文]-系统科学与数学 2010(6) 2.吴钰飞.常显奇.廖育荣 基于Agent的应急空间装备体系效能评估研究[期刊论文]-计算机工程与科学 2010(6) 3.郑重.毕义明 基于自动规划的完备行动方案集生成及其在体系毁伤分析中的应用[期刊论文]-系统工程理论与实 践 2012(2)

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