分布式半實(shí)物仿真系統

半實(shí)物仿真的一個(gè)新趨勢是從單武器平臺仿真向多武器平臺仿真方向發(fā)展,為了將不同功能、不同地點(diǎn)的仿真試驗設施進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),組成分布式一體化的綜合仿真試驗室 (DIS)，仿真技術(shù)開(kāi)始向仿真的高層體系結構(HLA)發(fā)展。HLA是促進(jìn)所有類(lèi)型仿真之間互操作、仿真模型組件重用的高級協(xié)議。

我國軍用仿真技術(shù)的發(fā)展已有四十年的歷史。建成了射頻、紅外仿真系統服務(wù)于各類(lèi)新型導彈，20世紀90年代我國開(kāi)始對分布交互仿真、虛擬現實(shí)等先進(jìn)仿真技術(shù)及其應用進(jìn)行研究，由單個(gè)武器平臺的性能仿真發(fā)展為多武器平臺在作戰環(huán)境下的對抗仿真。我國國防科技大學(xué)研制的YHF4仿真計算機 ,達到了國際先進(jìn)水平，但總的技術(shù)水平，特別是應用水平與發(fā)達國家相比還有差距。本文就建立一種適用于主動(dòng)尋的末制導雷達多種型號、多種信號接口形式的半實(shí)物仿真系統進(jìn)行了研究。概述了仿真系統的組成及功能，解決了數據采集傳輸等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；并對系統性能進(jìn)行了測試，實(shí)現了基于單發(fā)導彈、單個(gè)目標多種干擾及組合方式的導彈攻擊過(guò)程的可視化作戰仿真。

適用于多種型號制導武器的半實(shí)物仿真微波暗室，由實(shí)時(shí)和以太雙網(wǎng)絡(luò )組成，將連接到網(wǎng)絡(luò )中的每臺計算機作為一個(gè)節點(diǎn)，以實(shí)現導彈空中姿態(tài)、目標環(huán)境特性模擬，全彈道數學(xué)模型解算等功能。就系統設計而言，導彈彈體、穩定控制系統、舵機和捷聯(lián)慣導組件等導彈控制系統模塊以仿真模型方式參與仿真制導回路試驗。在試驗過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)解算彈道仿真模型的工作狀態(tài)，并管理和控制回路中其它仿真節點(diǎn)協(xié)調有序工作�？紤]其通用性和可擴展性，系統采用高性能通用計算機，配置多樣化的數據采集手段。

各仿真模塊接口與導彈實(shí)體相對應，使其適應多個(gè)型號的仿真試驗。全彈道半實(shí)物仿真微波暗室設備組成如圖1所示。

制導武器半實(shí)物仿真暗室主要設備包括高性能通

用計算機，SGI圖形工作站，仿真接口控制柜等相關(guān)仿真設備。其中，實(shí)時(shí)網(wǎng)作用是為仿真試驗提供各設備間的高速通信鏈路，以滿(mǎn)足節點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)數據交互要求。而全彈道數學(xué)仿真模型的準確性，戰場(chǎng)態(tài)勢設置的合理性，則需要在應用前加以驗證。以太網(wǎng)就是出于這種目的而設立，同時(shí)也被用于試驗準備階段的軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現各節點(diǎn)控制計算機之間的信息交互和資源共享。出于對被試品實(shí)時(shí)性的考慮，半實(shí)物仿真實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )采用基于VMIC-5565實(shí)時(shí)網(wǎng)卡的星型拓撲結構，通過(guò)冗余光纖Hub（VMIACC-5595）與各仿真設備相連。與環(huán)型結構相比，星型拓撲結構消除了單點(diǎn)失效、實(shí)現了故障隔離，通過(guò)對節點(diǎn)優(yōu)先級的設置使其具有更小的延時(shí)[2]。

1）仿真主控計算機：是整個(gè)系統的管理和控制核心，具有仿真資源配置、仿真試驗前的態(tài)勢下發(fā)、全彈道仿真模型校驗、情報參數裝訂，仿真進(jìn)程控制功能，同時(shí)完成實(shí)時(shí)網(wǎng)閉環(huán)前自檢、系統授時(shí)，對仿真節點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行監控；

2）三軸飛行轉臺：作用是把彈道解算計算機解算出的導彈姿態(tài)運動(dòng)量,轉換為三個(gè)方向的角位置和角速度,從而形成逼真的模擬飛行器姿態(tài)變化；

3）目標環(huán)境生成系統：由射頻信號源分系統，陣列及饋電分系統組成。主要功能是在微波暗室內，模擬導彈攻擊目標過(guò)程中導彈末制導雷達所遭遇到的電磁信號環(huán)境，生成有源和無(wú)源干擾信號、雷達目標回波模擬信號、目標視線(xiàn)角位置及運動(dòng)軌跡；

4）彈道解算計算機：實(shí)時(shí)解算制導武器運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制系統模型，生成彈目相對距離、彈體姿態(tài)以及導彈位置等其它仿真設備的控制指令，協(xié)調有序的完成全系統半實(shí)物仿真。它既能用數學(xué)模型對制導武器系統進(jìn)行數字仿真，又能和接入仿真回路的實(shí)物一起構成半實(shí)物仿真系統；

5）視景仿真計算機：在接近實(shí)戰的環(huán)境下，以導彈姿態(tài)、位置及彈目相對位置等信息為參數，將導彈攻擊目標的過(guò)程以三維動(dòng)畫(huà)方式直觀(guān)顯示，形象、直觀(guān)的形式實(shí)時(shí)顯示飛行器半實(shí)物仿真的全仿真過(guò)程。

6）數據采集傳輸系統：主要完成遠端被試導引頭的數據采集和測試操作，同時(shí)將采集到的制導信息，通過(guò)反射內存傳送給彈道解算計算機；并回傳控制指令實(shí)時(shí)控制導引頭工作狀態(tài)。

7）數據庫服務(wù)器：對系統所需要的情報資源和仿真資源信息等進(jìn)行管理，并在仿真試驗過(guò)程中對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和存儲；

操作系統：Windows2000 + 實(shí)時(shí)軟件包 ；系統總體開(kāi)發(fā)平臺：Visual C++ 6.0；仿真建模軟件：YHSIM；三維視景軟件： Multigen Creator 3.0和專(zhuān)業(yè)可視化仿真軟件包完成Vega Prime 2.0；數據庫開(kāi)發(fā)工具：SQL Sever 2005。

由于HILS的各仿真節點(diǎn)運行不同的仿真軟件用以實(shí)現不同的功能，為確保各節點(diǎn)之間數據通訊和仿真同步，仿真軟件總體上汲取windows操作系統消息、事件驅動(dòng)的程序設計方法，采用客戶(hù)/服務(wù)器運行機制，服務(wù)器程序通過(guò)VMIC網(wǎng)絡(luò )向各仿真節點(diǎn)發(fā)送仿真驅動(dòng)消息，并對各節點(diǎn)狀態(tài)消息查詢(xún)，驅動(dòng)各客戶(hù)機節點(diǎn)控制軟件運行。仿真軟件從頂層設計角度出發(fā)，將各節點(diǎn)的仿真軟件分為三大類(lèi)：主控機軟件、同步機軟件和非同步機軟件。在導彈閉環(huán)仿真試驗中，彈道解算計算機、目標環(huán)境生成系統、三軸飛行轉臺控制系統、數據傳輸系統執行同步機軟件運行機制[3]。

基于反射內存API動(dòng)態(tài)鏈接庫技術(shù)是獨立于應用程序的分布式仿真系統應用程序接口。它是基于VMIC-5565內存通信協(xié)議的即時(shí)通信服務(wù)，與各仿真節點(diǎn)程序并行開(kāi)發(fā)，自行調試，各節點(diǎn)應用程序以API的動(dòng)態(tài)鏈接庫形式調用，程序之間無(wú)須進(jìn)行通信調試。數據轉發(fā)依據查詢(xún)狀態(tài)位或發(fā)硬中斷方式實(shí)現，各節點(diǎn)仿真主程序不參與各類(lèi)信息的網(wǎng)絡(luò )間傳輸。必須注意的是，對于每個(gè)節點(diǎn)上的反射內存，其地址是本地主機內存的一部分；通過(guò)內存映射機制，用戶(hù)對本地節點(diǎn)內存的讀寫(xiě)相當于對網(wǎng)間各節點(diǎn)相同地址內存進(jìn)行讀寫(xiě),從而實(shí)現了分布節點(diǎn)間的數據通信[4]。

因此，在控制關(guān)系明確的基礎上，彈道解算計算機與各節點(diǎn)之間的通信協(xié)議，包括傳輸參數、數據格式、VMIC內存地址分配等；都應采用相同的數據類(lèi)型和數據結構，否則將引發(fā)內存地址沖突，以致仿真試驗失敗。制導武器半實(shí)物仿真微波暗室通過(guò)應用“YH-Astar”仿真工作站以及運行其上的YHSIM實(shí)時(shí)仿真軟件，采用實(shí)時(shí)的Runge-Kutta積分算法和基于VMIC-5565反射內存的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )，全面確保了半實(shí)物仿真的實(shí)時(shí)性[5]。

數據采集和傳輸系統是為減輕彈道解算計算機解算負載以保證實(shí)時(shí)性的前提下設計的。其主要功能是在末制導雷達閉環(huán)仿真試驗模式中，實(shí)時(shí)采集末制導雷達輸出的相關(guān)制導與指令信息，并通過(guò)VMIC實(shí)時(shí)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳送到彈道解算計算機參與全彈道解算；同時(shí)，向被試末制導雷達發(fā)送控制指令，實(shí)時(shí)控制末制導雷達的工作狀態(tài)。其組成如圖2所示。

為適應數字雷達導引頭的仿真試驗的需求，采集系統在原有的基礎上增加了串行數字量采集通道，該通道接口形式包括有：RS232、RS422、RS485；其與TTL電平相互轉換由信號調理模塊實(shí)現，離散量的采集、量化、編碼采用的是包括基于PCI總線(xiàn)的時(shí)統部件I/O控制卡。

串行數字量采集通道硬件部分主要由上、下位機構成，上位機為高性能工控機。以DMA查詢(xún)的方式與下位機進(jìn)行通信,接收下位機的數據,并對數據進(jìn)行分析和處理，實(shí)時(shí)地顯示控制變量的狀態(tài)。同時(shí)根據彈道解算控制信息，向下位機發(fā)送指令。由單片機和A/D芯片組成的下位機將傳感器采集到的離散信號進(jìn)行DCB編碼，同時(shí)根據上位機發(fā)出的控制指令控制導引頭執行相應的操作；上位機通過(guò)數字I/O控制板卡可擴展出m≤ 8個(gè)串口。采用VC++6.0環(huán)境下調用Windows API函數編程實(shí)現串口通信[6]。系統通過(guò)被稱(chēng)為設備控制塊DCB 的數據結構對串行口和串口通信驅動(dòng)程序進(jìn)行配置串口設備屬性的配置由以下 API 函數完成: Setup2Comm() 設置串行通信端口的輸入和輸出緩沖區的大小;通過(guò)設備控制塊 DCB 修改和設置串口工作狀態(tài)的參數。

如圖3所示，首先打開(kāi)并配置完串口后開(kāi)啟讀、寫(xiě)線(xiàn)程。主線(xiàn)程主要負責將所有串口接收到的數據進(jìn)行處理顯示以及各個(gè)子線(xiàn)程的調度和管理，讀線(xiàn)程負責讀取m個(gè)串口的數據，寫(xiě)線(xiàn)程負責向需要控制的串口寫(xiě)入數據。在實(shí)際應用中向串口寫(xiě)人數據的操作只是有限的控制指令，所以寫(xiě)線(xiàn)程在創(chuàng )建時(shí)即被掛起，當需要向串口發(fā)送數據時(shí)激活寫(xiě)線(xiàn)程；寫(xiě)操作完成后，即被掛起，以減少系統開(kāi)銷(xiāo)，提高程序的執行效率[7]。

以下是用Windows API函數編寫(xiě)的關(guān)鍵部分的代碼。

1）添加全局變量：

HANDLE hCom[m];

DCB dcb[m];

HANDLE m_hThreadWrite;

2）創(chuàng )建讀寫(xiě)線(xiàn)程：

3）在讀寫(xiě)線(xiàn)程函數中添加相應的處理信息：

首先在讀線(xiàn)程中調用CreateEvent函數創(chuàng )建一個(gè)事件,其次調用WaitCommEvent函數等待該窗口事件，當檢測到EV_RXCHAR事件發(fā)生時(shí)，再調用ReadFile函數將數據讀入緩沖區內，并進(jìn)行顯示處理。因為寫(xiě)線(xiàn)程創(chuàng )建的時(shí)候即被掛起，故要重新調用寫(xiě)線(xiàn)程函數時(shí)，必須要先調用ResumeThread函數恢復線(xiàn)程，然后調用WfiteFile函數向串口寫(xiě)入數據。當數據發(fā)送成功時(shí)，調用SuspendThread函數掛起寫(xiě)線(xiàn)程。數據采集軟件控制界面如圖4所示。

開(kāi)啟讀寫(xiě)兩個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行多串口通信，數據接收、數據顯示、發(fā)送數據三者同時(shí)執行，減少了系統的等待時(shí)間，使系統具有更好的實(shí)時(shí)性。在優(yōu)先級的安排上，Windows系統Event(事件) 同步化機制，把數據采集及向反射內存發(fā)送代碼部分放入高優(yōu)先級循環(huán)，而把數據存儲、上位機上運行控制部分放入較低循環(huán)內優(yōu)化了軟件的實(shí)時(shí)性能，實(shí)現線(xiàn)程間同步。因與實(shí)時(shí)網(wǎng)通信，數據采集軟件通過(guò)調用和封裝與實(shí)時(shí)網(wǎng)通信API函數即可。此外,連接時(shí)還必須將實(shí)時(shí)網(wǎng)的庫rfmdll stdc.lib連接進(jìn)去。

網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性能指標測試包括：

1）反射內存節點(diǎn)之間的讀寫(xiě)和傳輸時(shí)延；

2）采集節點(diǎn)反射內存與導引頭I/O接口間讀寫(xiě)傳輸時(shí)延；

測試數據包由測試包和標志位兩部分組成。取要測試的兩節點(diǎn)為A和B，用以下兩種方法對A、B兩個(gè)節點(diǎn)之間的讀寫(xiě)傳輸時(shí)間進(jìn)行測試：首先，置計時(shí)標志“TA”，由節點(diǎn)A發(fā)送測試包，發(fā)送完后置讀寫(xiě)標志位為“1”，節點(diǎn)B對讀寫(xiě)標志位查詢(xún)?yōu)椤?”時(shí)，開(kāi)始讀取測試包，讀完后置讀寫(xiě)標志位為“0”。當節點(diǎn)“A”查詢(xún)到讀寫(xiě)標志位為“0”時(shí)，發(fā)送下一組數據包。完成讀寫(xiě)操作N次后，置計時(shí)標志“TB”。則單次數據發(fā)送的平均時(shí)間為（TB-TA）/N。

測試結果表明，從數據寫(xiě)入RAM到傳到另一個(gè)結點(diǎn)的反射內存卡上，只有不到400納秒的時(shí)延。滿(mǎn)足飛行仿真對網(wǎng)絡(luò )數據通信的高速、實(shí)時(shí)的要求。

彈道解算滯后數據采集傳輸只有1毫秒時(shí)間，由于彈道解算與數據采集同時(shí)進(jìn)行。因此，數據采集計算機在制導回路的介入不會(huì )影響到制導回路系統實(shí)時(shí)性與同步性。