為半實物仿真搭建戰(zhàn)場環(huán)境研究

黃志軍

摘 要：為了將仿真性能優(yōu)異的異構(gòu)飛行訓練模擬器集成為一個實戰(zhàn)環(huán)境?；贖IA高層體系結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)集成，并通過采用的代理邦員橋技術(shù)，解決基于光纖實時反射內(nèi)存網(wǎng)的半實物仿真系統(tǒng)的實時性和互操作問題，為后續(xù)的仿真系統(tǒng)集成和重用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：飛行訓練模擬器 ?高層體系結(jié)構(gòu) ?異構(gòu)集成

中圖分類號：TM62 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0026-03

Set up the Battlefield Environment for Hardware-in-the-loop Simulation Research

Huang Zhijun

（Troops95934，CangzhouHebei Province， 061000，China）

Abstract：In order to integrate heterogeneous flight training simulator of simulation performance for a practical environment.Based on high-level architecture HIA system integration， and through the agent state member of the bridge technology， based on optical fiber reflective memory real-time network of hardware-in-the-loop simulation system of real-time and interoperability problem， for the subsequent references are provided for the integration and reuse of simulation system.

Key Words：Flight training simulator;High level architecture;Integration of heterogeneous

近幾年來，我國軍用仿真裝備發(fā)展迅猛，為部隊提供了大量性能逼真的優(yōu)良裝備，為新裝備的改裝和訓練單兵駕駛技能發(fā)揮了重要作用。隨著實戰(zhàn)化訓練的深入，為了拓展仿真系統(tǒng)職能，節(jié)約成本，在不改變原有仿真系統(tǒng)的性能并能單獨使用的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的飛行訓練模擬器進行集成，構(gòu)建新的仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)實戰(zhàn)對抗的仿真環(huán)境，成為模擬器集中使用和維護單位共同研究的課題。

對花巨資研制的異構(gòu)模擬訓練裝備進行重用和互操作的研究工作在國內(nèi)外一直探索推進，效果最顯著的是美軍。上世紀80年代后期，冷戰(zhàn)結(jié)束，美軍被要求縮減開支，同時又要對分布在廣闊地域的各種威脅提供國家安全措施。但當時國防領(lǐng)域的許多設(shè)施已不能適應面臨的新威脅，而國會、民眾對軍用系統(tǒng)的花費、漫長的生產(chǎn)開發(fā)周期和在有效投資方式下實現(xiàn)軍隊現(xiàn)代化所面臨的困難失去了耐心。面對這些難題，大部分人主張利用先進的計算機硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，用較少的投入解決較多的問題。仿真作為提供這種技術(shù)的手段被特別看重。在20世紀80年代，采用SIMENT協(xié)議，實現(xiàn)了人在回路的實時仿真系統(tǒng)，創(chuàng)建了訓練的新途徑，在武器系統(tǒng)開發(fā)、建模和仿真方面創(chuàng)造了前所未有成就。于是建立昂貴的武器系統(tǒng)模擬器成為軍用系統(tǒng)開發(fā)的必經(jīng)過程。戰(zhàn)爭形態(tài)在變，戰(zhàn)爭環(huán)境越來越復雜，就意味著要在綜合仿真系統(tǒng)的開發(fā)上投入也越來越多。

在20世紀90年代隨著國家財政進一步緊縮，國防部面臨著巨大的財政壓力，為了國防需要如果繼續(xù)開發(fā)仿真環(huán)境，就必須采用更加有效的投資方式進行開發(fā);不能再為解決一個新問題而開發(fā)一個新的仿真系統(tǒng);更不能允許多個機構(gòu)開發(fā)類似的仿真系統(tǒng);而且還要把已有仿真項目納入到模擬訓練和演習任務中去。美國國防部希望找到支持國防仿真系統(tǒng)（包括不同機構(gòu)研制的單一仿真和綜合仿真系統(tǒng)）重用的途徑，這樣以重用和互操作為目標的高層體系結(jié)構(gòu)（high level Architecture，HLA）技術(shù)應運而生。1995年美國防部首次在建模與仿真大綱中提出，1996年就正式規(guī)定HLA為仿真項目的標準技術(shù)框架，取代了原有的DIS、ALSP等標準;2000年成為國際電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）的國際標準IEEE1516。

采用HLA技術(shù)體制，可以將單個仿真應用連接起來組成一個大型的虛擬世界，在這個虛擬世界中，可以進行大規(guī)模的多對多/部隊對部隊的戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略原則研究和演練仿真;可提供多武器系統(tǒng)的體系攻防對抗仿真和武器性能評估仿真;還可進行不同粒度，不同聚合度的對抗仿真和人員訓練仿真。

國內(nèi)對HLA技術(shù)研究已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，也開展了廣泛的應用研究、取得了不小的成績。但立足半實物仿真系統(tǒng)，基于HLA技術(shù)研究組建更高集成度綜合仿真系統(tǒng)的方法報導很少，特別是針對異構(gòu)系統(tǒng)集成也沒有給出很好的解決方案。

該文以飛行訓練模擬器半實物仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過為其搭建空戰(zhàn)仿真平臺（HLA系統(tǒng)）并進行異構(gòu)系統(tǒng)集成的方式，研究構(gòu)建飛行訓練模擬器空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的方法和關(guān)鍵技術(shù)，重點對系統(tǒng)框架、集成方法、橋接組件設(shè)計等方面展開討論，給出了解決方案，同時還對原半實物仿真系統(tǒng)的適應性改造做了簡單的闡述。

1 綜合仿真系統(tǒng)框架

飛行訓練模擬器集成研究的出發(fā)點是將研制廠家不同、型號不同的飛行訓練模擬器基于HLA技術(shù)進行異構(gòu)集成，在局域網(wǎng)構(gòu)建分布式的實戰(zhàn)化對抗模擬訓練環(huán)境。也就是將集成的飛行訓練模擬器綜合仿真系統(tǒng)作為一個聯(lián)邦，作為載機、目標機的半實物仿真飛行訓練模擬器和相關(guān)仿真模型為聯(lián)邦成員。聯(lián)邦成員通過向運行支撐環(huán)境RTI（Run Time Infrastructure）請求服務加入聯(lián)邦，并生成各自的對象實例，由RTI實現(xiàn)對對整個仿真系統(tǒng)的聯(lián)邦管理、聲明管理、對象管理、所有權(quán)管理、時間管理和數(shù)據(jù)分發(fā)管理，達到綜合仿真的目的。

由于該文重點關(guān)注是集成方法研究，按最簡單的作戰(zhàn)想定和作戰(zhàn)流程，構(gòu)建最基本的仿真系統(tǒng)，所以只對構(gòu)建仿真系統(tǒng)的核心組件進行建模。在這個以飛行訓練模擬器為基礎(chǔ)的實戰(zhàn)化模擬訓練綜合仿真系統(tǒng)中，有四個組件是必需的：一是載機、二是目標、三是導彈、四是導調(diào)和態(tài)勢組件，其它組件如地面雷達、預警機等可以在進行實際系統(tǒng)建設(shè)時再考慮，因為HLA集成的系統(tǒng)是開放的可以進行擴展。飛行訓練模擬器綜合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

載機聯(lián)邦成員和目標機聯(lián)邦成員分別是基于光纖實時反射內(nèi)存網(wǎng)的半實物飛行訓練模擬器，主要完成飛機的運動參數(shù)解算，輸出位置、速度、姿態(tài)、截獲、跟蹤、下達發(fā)射指令等參數(shù)。它們互為目標機，在屬性上沒有差異，都是飛行器，對方的載機就是己方的目標。

導彈聯(lián)邦成員是在vc++6.0環(huán)境下，依據(jù)HLA規(guī)則開發(fā)的導彈模型，主要完成空空導彈的飛行彈道計算，輸出位置、速度、姿態(tài)和爆點等參數(shù)。

導調(diào)/態(tài)勢聯(lián)邦成員是由語音設(shè)備、仿真計算機、投影儀、幕布等組成，生成飛機、導彈等對象實例，并實時接收仿真系統(tǒng)各自實例的運動參數(shù)等信息，以二維或三維的形式將整個作戰(zhàn)過程予以呈現(xiàn);教員或指揮人員下達命令并根據(jù)態(tài)勢進行指揮引導。

仿真管理聯(lián)邦成員是由主控仿真計算機和控制軟件組成，完成對整個分布式半實物仿真系統(tǒng)的任務方案設(shè)定和各模型參數(shù)的初始化，實現(xiàn)模型間的信息交互與數(shù)據(jù)、時間管理，并對仿真系統(tǒng)監(jiān)控，實時掌握系統(tǒng)工作狀態(tài)，進行協(xié)調(diào)控制，同時記錄仿真數(shù)據(jù)，用于系統(tǒng)分析與數(shù)據(jù)再現(xiàn)。

進行集成的飛行訓練模擬器是基于光纖實時反射內(nèi)存網(wǎng)的 DIS的系統(tǒng)。在綜合仿真系統(tǒng)集成過程中，DIS系統(tǒng)和HLA系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換方式是集成的關(guān)鍵技術(shù)，出于時間策略和在互操作的考慮通常采用橋接的方法集成。橋接組件是聯(lián)系HLA系統(tǒng)與DIS系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，它具有適合HLA與DIS雙重標準的接口應用，一般單獨進行設(shè)計。

在這樣的總體設(shè)計下，就只需要設(shè)計兩個組件，分別是以HLA標準設(shè)計的導彈聯(lián)邦成員和具有HLA和DIS雙重標準的橋聯(lián)邦成員。按HLA原則設(shè)計的導彈聯(lián)邦成員，提供導彈的運動學仿真數(shù)據(jù)和與其它聯(lián)邦成員的對象屬性及交互數(shù)據(jù);作為集成關(guān)鍵組件的橋聯(lián)邦成員設(shè)計在后面再加以討論。

2 仿真對象建模

HLA（high Level Architecture）是分布式協(xié)同仿真的高層體系結(jié)構(gòu)，它定義了聯(lián)邦和聯(lián)邦成員構(gòu)建，描述了聯(lián)邦成員交互的基本準則和方法，為各種類型的仿真提供了一種通用的仿真技術(shù)框架，從而便于仿真“組件”（聯(lián)邦成員）的集成，最終實現(xiàn)聯(lián)邦成員之間的互操作和重用。HLA的主要支撐技術(shù)是分布式并行離散事件仿真技術(shù)和面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真技術(shù)。

HIA的協(xié)議規(guī)范主要由HLA規(guī)則、RTl的接口規(guī)范說明和對象模型模板（object Model Template，OMT）三部分組成。其中，對象模型模板是實現(xiàn)仿真聯(lián)邦成員間互操作和聯(lián)邦成員重用的關(guān)鍵，代表了HLA的基本原則，是HLA技術(shù)采用面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真技術(shù)的直接反映。HLA對象模型主要包括聯(lián)邦對象模型FOM和仿真對象模型SOM，其中FOM定義某個具體聯(lián)邦中各個聯(lián)邦成員之間交換信息的內(nèi)容及其格式，SOM描述聯(lián)邦成員與外界進行信息交換的能力。按對象模型模板建立的聯(lián)邦對象模型（FOM）和仿真對象模型（SOM）作為仿真系統(tǒng)的說明文檔，使用戶可以直觀、完整的理解仿真系統(tǒng)和仿真組件的功能與數(shù)據(jù)交互接口，極大的便利了仿真組件的重用和擴展。

OMT規(guī)范下的FOM/SOM文檔共13個表格，描述了交互對象的數(shù)據(jù)、流向等各個方面的定義。作為系統(tǒng)的共同理解基礎(chǔ)，這里給出擬為飛行訓練模擬器綜合仿真系統(tǒng)設(shè)計的對象類結(jié)構(gòu)示意圖和交互類結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2和圖3。

圖2的繪出了載機、目標機（戰(zhàn)斗機，F(xiàn)ighter）和空空導彈（AAMissile）的對象類定義，他們是描述戰(zhàn)斗機或空空導彈的陣營、狀態(tài)、位置、速度、加速度等數(shù)據(jù)的集合。圖3的是參與仿真的交互類，他們是在仿真中可能由仿真實體（與對象類相對應）發(fā)出的動作，是瞬時數(shù)據(jù)。lockEnemy是戰(zhàn)機被鎖定時使用;fireMissile是給導彈的發(fā)射信號;beingKilled是飛機收到有效攻擊后給出的被摧毀信息;AAMissile類的Explosion子類指導彈發(fā)出對敵機進行攻擊的被爆炸信息。

3 飛行仿真系統(tǒng)改造

飛行訓練模擬器綜合仿真系統(tǒng)進行逼真的實戰(zhàn)化模擬訓練必須遵從時空一致性原則，所以參與集成的模擬器要有統(tǒng)一的地景庫數(shù)據(jù);載機和目標機都是單一的訓練模擬器，在其原有視景中并沒有目標機及導彈發(fā)射視景，雷達顯示器也沒有截獲跟蹤目標符，必須添加，其中目標機運動仿真數(shù)據(jù)及雷達截獲數(shù)據(jù)由對方仿真計算機經(jīng)代理聯(lián)邦成員提供;導彈是動態(tài)的，發(fā)射指令是由戰(zhàn)斗機下達，運動仿真是由導彈聯(lián)邦成員自己完成。

3.1 統(tǒng)一地景庫

時空一致是戰(zhàn)場仿真必須遵循的原則，所以必須把不同廠家研制的飛行訓練模擬器地景庫數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來，這并不影響原有模擬器的性能且能增加空戰(zhàn)的真實感。

3.2 在視景庫中添加目標機

載機和目標機都是單一的訓練模擬器，在其原有視景中并沒有目標機，為增加實戰(zhàn)仿真的逼真性在視景庫中必須添加。由于飛行訓練模擬器互為目標機，所以目標機的運動仿真數(shù)據(jù)由對方仿真計算機經(jīng)RTI提供給攻擊機。

3.3 導彈發(fā)射邏輯控制傳輸

導彈發(fā)射邏輯控制由模擬器（DIS系統(tǒng)）中的載機發(fā)出，經(jīng)橋聯(lián)邦成員轉(zhuǎn)到RTI后發(fā)至導彈聯(lián)邦成員。

4 橋聯(lián)邦成員設(shè)計

為解決半實物仿真與分布式仿真的實時性和互操作問題，在該仿真系統(tǒng)增加一個橋接組件。關(guān)于基于HLA技術(shù)的半實物仿真集成的橋接組件設(shè)計探討很多，都是基于實時性和互操作并針對具體的半實物仿真設(shè)備和整個系統(tǒng)考慮進行的。該方案出于既節(jié)約成本、盡量少的改動和編制應用程序又保證系統(tǒng)的實時性和互操作，經(jīng)比較采用代理聯(lián)邦成員的方法。代理聯(lián)邦成員采用通用計算機，系統(tǒng)為 Windows XP操作系統(tǒng)。半實物仿真代理聯(lián)邦成員與聯(lián)邦其他成員間通過以太網(wǎng)調(diào)用RTI服務實現(xiàn)信息的交互。飛行訓練模擬器是基于光纖實時反射內(nèi)存網(wǎng)的DIS的系統(tǒng)，只要在原系統(tǒng)中任意加入一個光纖反射節(jié)點，就可以獲得原仿真系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中傳遞的所有數(shù)據(jù)，所以這里稱新加入的光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為數(shù)據(jù)節(jié)點。代理聯(lián)邦成員仿真機接入實時反射內(nèi)存網(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點，通過網(wǎng)口實現(xiàn)信息的交互，所以代理聯(lián)邦成員是飛行訓練模擬器與HLA分布式仿真系統(tǒng)的連接紐帶，如圖4所示。

在仿真運行時，半實物仿真代理聯(lián)邦成員通過調(diào)用RTI服務訂購半實物飛行訓練模擬器所需的外部信息（目標的位置、速度、姿態(tài)信息），通過采用UDP協(xié)議的網(wǎng)口，發(fā)送到實時反射內(nèi)存網(wǎng)上的數(shù)據(jù)節(jié)點，供半實物飛行訓練模擬器調(diào)用;同時，半實物飛行訓練模擬器又通過采用UDP協(xié)議的網(wǎng)口，將本身的位置、速度、姿態(tài)信息發(fā)送給半實物仿真代理聯(lián)邦成員，半實物仿真代理聯(lián)邦成員通過調(diào)用RTI服務公布半實物飛行訓練模擬器的運動信息，其他聯(lián)邦成員就可以通過調(diào)用RTI服務獲得這些信息。完成聯(lián)邦成員間的數(shù)據(jù)交互。

5 結(jié)語

飛行訓練模擬器以橋接方式進行系統(tǒng)集成，既解決了實時性又保證了半實物仿真系統(tǒng)的完整性，擴展了系統(tǒng)仿真功能，又不影響原系統(tǒng)的重用。論文研究并解決了HLA技術(shù)和半實物仿真系統(tǒng)集成設(shè)計的主要技術(shù)問題，對擴大仿真規(guī)模，完成系統(tǒng)的重用和互操作具有一定的積極意義。

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