劉永易，李 軍，黃紹君，于 瀾

（空軍軍訓(xùn)器材研究所， 北京 100195）

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，世界各國(guó)軍隊(duì)特別是空軍，充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，廣泛開展作戰(zhàn)模擬研究。1997年4月，美國(guó)空軍在拉斯維加斯利用飛行模擬器組成的訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了帶有戰(zhàn)術(shù)背景的多機(jī)種合同戰(zhàn)術(shù)模擬演練，標(biāo)志著美空軍合同戰(zhàn)術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)用階段。美國(guó)空軍最新研制的F-16分布式全任務(wù)訓(xùn)練系統(tǒng)(DMT)，由2至4臺(tái)模擬器（一臺(tái)大視場(chǎng)模擬器加上多臺(tái)中、小視場(chǎng)模擬器)構(gòu)成一個(gè)主系統(tǒng)，裝備在模擬訓(xùn)練基地。通過網(wǎng)絡(luò)將該基地與各地F-16、F-15等部隊(duì)的模擬器聯(lián)接起來(lái)協(xié)同訓(xùn)練，形成了一套“作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)”，但其電磁環(huán)境沒有模擬。美國(guó)航空諸兵種合同戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練器（AVCATT）通過更換面板方式實(shí)現(xiàn)了5個(gè)機(jī)型的直升機(jī)戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練。

為適應(yīng)空軍模擬訓(xùn)練向戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練發(fā)展的趨勢(shì)，我們研制了航空兵分隊(duì)級(jí)戰(zhàn)術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)以空軍主戰(zhàn)機(jī)型為仿真對(duì)象，采用分布交互仿真技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)。系統(tǒng)針對(duì)航空兵部隊(duì)在復(fù)雜電磁環(huán)境下空中作戰(zhàn)的特點(diǎn)，集成紅/藍(lán)軍指揮、演練管理、戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化等分系統(tǒng)，為飛行員提供了一個(gè)逼真的戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真平臺(tái)，能夠完成紅藍(lán)戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗、空中突防、電子對(duì)抗、數(shù)據(jù)鏈引導(dǎo)、指揮協(xié)同等課目的訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了貼近實(shí)戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗模擬訓(xùn)練，也必將對(duì)新戰(zhàn)法的研究起到積極的促進(jìn)作用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1. 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

每套系統(tǒng)由八臺(tái) XXX仿真終端、導(dǎo)調(diào)、二維態(tài)勢(shì)、三維態(tài)勢(shì)、紅藍(lán)軍指揮席等組成。每臺(tái) XXX仿真終端包括操縱、飛行、火控、虛擬儀表、數(shù)據(jù)鏈、音響、視景等部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練仿真系統(tǒng)圖

二維態(tài)勢(shì)、三維態(tài)勢(shì)分別如圖2和圖3所示。

導(dǎo)調(diào)人員根據(jù)任務(wù)想定通過演練控制計(jì)算機(jī)設(shè)置戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和初始態(tài)勢(shì)，進(jìn)行紅藍(lán)方兵力資源分配；通過戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境可視化計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控紅藍(lán)雙方綜合態(tài)勢(shì)、任務(wù)執(zhí)行情況和戰(zhàn)損情況，一旦出現(xiàn)特殊情況通過導(dǎo)調(diào)控制臺(tái)及時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)。指揮人員根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)制定指揮預(yù)案，通過作戰(zhàn)指揮分系統(tǒng)對(duì)己方兵力進(jìn)行實(shí)時(shí)指揮引導(dǎo)。飛行人員依托飛行模擬器終端進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練，練戰(zhàn)法、練協(xié)同，提高戰(zhàn)斗技能。綜合演練管理分系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、干預(yù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，存儲(chǔ)訓(xùn)練的全過程，為訓(xùn)練講評(píng)和研究總結(jié)提供依據(jù)。

系統(tǒng)總體信息流程如圖4所示。

圖2 二維態(tài)勢(shì)圖

圖3 三維態(tài)勢(shì)圖

圖4 系統(tǒng)總體信息流程圖

1.2 仿真終端結(jié)構(gòu)

每臺(tái)仿真終端包括主控、視景兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，操縱桿舵、觸摸式儀表設(shè)備顯示屏、視景顯示屏等。在主控計(jì)算機(jī)內(nèi)，主控程序采用RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)產(chǎn)生精確定時(shí)，負(fù)責(zé)仿真終端程序運(yùn)行的總調(diào)度。飛行程序采用真實(shí)飛行參數(shù)，再經(jīng)過專用仿真軟件進(jìn)行封裝?；鹂爻绦虬ɡ走_(dá)、火控、電子干擾吊艙、告警器、外彈道、紅外箔條彈投放等六部分，均采用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)方式，以便于系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)。儀表程序采用 GL Studio技術(shù)對(duì)該機(jī)型的主儀表板和左側(cè)航電設(shè)備的控制盒進(jìn)行了1:1仿真。

圖5 仿真終端內(nèi)部信息流程圖

在視景計(jì)算機(jī)內(nèi)，視景驅(qū)動(dòng)程序采用Vega Prime調(diào)度。在主控計(jì)算機(jī)、視景計(jì)算機(jī)之間通過以太網(wǎng)相連。主控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行主控程序、操縱程序、儀表程序、數(shù)據(jù)鏈程序、飛行程序、火控程序、音響程序。視景計(jì)算機(jī)上運(yùn)行視景驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)程序、頭位數(shù)據(jù)采集程序。同一計(jì)算機(jī)內(nèi)部各程序間通過共享內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，通過事件驅(qū)動(dòng)方式同步。為達(dá)到便于維護(hù)、型號(hào)升級(jí)的要求，各程序由主控程序管理,集中統(tǒng)一運(yùn)行，采用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)方式。每臺(tái)仿真終端內(nèi)部信息流程圖如圖5所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)

半實(shí)物仿真實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于系統(tǒng)如何調(diào)度各種不同功能、不同級(jí)別的應(yīng)用程序。對(duì)于并存于一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的多類型實(shí)時(shí)任務(wù)，單一的調(diào)度算法無(wú)法滿足實(shí)時(shí)與精準(zhǔn)的要求。本系統(tǒng)采取自頂向下的系統(tǒng)分解技術(shù)將整個(gè)大系統(tǒng)分為各臺(tái)仿真終端、導(dǎo)調(diào)、數(shù)據(jù)鏈、二維態(tài)勢(shì)、三維態(tài)勢(shì)等分系統(tǒng)作為集成調(diào)度的一級(jí)，各分系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)軟硬件接口相銜接。各臺(tái)仿真終端又繼續(xù)向下分為飛行、儀表、火控、雷達(dá)、外彈道、音響、視景等功能模塊，作為系統(tǒng)集成調(diào)度的第二級(jí)。

為了提高系統(tǒng)可靠性和數(shù)據(jù)傳輸效率，將仿真終端涉及的眾多功能軟件合并到兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，在降低硬件成本的同時(shí)要保證仿真逼真度，保證系統(tǒng)時(shí)鐘的精確性及不同程序之間運(yùn)行時(shí)序的正確性。在對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)和中斷服務(wù)編程進(jìn)行詳細(xì)了解和試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，在每一臺(tái)仿真終端選用基于WINDOWS平臺(tái)的RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，RTX的定時(shí)器時(shí)鐘分辨率為100ns并支持實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊。以RTX精確時(shí)鐘為基礎(chǔ)，一方面主控計(jì)算機(jī)內(nèi)部的進(jìn)程調(diào)度程序通過RTX下的網(wǎng)絡(luò)接口精確地將時(shí)鐘標(biāo)記和飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給視景計(jì)算機(jī)，視景驅(qū)動(dòng)程序和頭位跟蹤程序根據(jù)這一標(biāo)記和主控程序保持同步，網(wǎng)絡(luò)程序則將時(shí)鐘標(biāo)記和飛機(jī)各種狀態(tài)數(shù)據(jù)廣播到網(wǎng)絡(luò)上。另一方面在主控計(jì)算機(jī)內(nèi)部，進(jìn)程調(diào)度程序控制著所有程序的運(yùn)行。在每一個(gè)仿真周期內(nèi)，進(jìn)程調(diào)度程序依次向飛行、火控等程序發(fā)送事件同步信號(hào)，各功能程序以等待狀態(tài)響應(yīng)各自的事件同步信號(hào)完成一楨解算。這樣不同進(jìn)程依次采用不同的事件驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在主控計(jì)算機(jī)內(nèi)部?jī)?nèi)存和CPU時(shí)間的合理、有序分配。在主控計(jì)算機(jī)內(nèi)部的各進(jìn)程之間通過共享內(nèi)存在進(jìn)程調(diào)度程序的控制下交換數(shù)據(jù)，形成多元信息的直接、高效融合。同時(shí)各進(jìn)程通過使用 DLL，可以實(shí)現(xiàn)程序模塊化，由相對(duì)獨(dú)立的組件組成。因?yàn)槟K是彼此獨(dú)立的，所以程序的加載速度更快，而且模塊只在相應(yīng)的功能被請(qǐng)求時(shí)才加載。

圖6即為主控計(jì)算機(jī)內(nèi)部RTX進(jìn)程與其他進(jìn)程的關(guān)系圖。

圖6 RTX主控解算程序流程圖

2.2 復(fù)雜系統(tǒng)建模與高逼真度模型開發(fā)技術(shù)

戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練涉及導(dǎo)調(diào)、指揮、飛行、操控、武器、電磁環(huán)境、外彈道等方面.系統(tǒng)涵蓋專業(yè)面廣，信息交聯(lián)復(fù)雜，軟件模型眾多。為了滿足戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練對(duì)模型逼真度的高要求，主要在建模與參數(shù)辨識(shí)、驗(yàn)?zāi)Ｐ：伺c工程實(shí)現(xiàn)兩大方面保證高品質(zhì)軟件開發(fā)。

在模型建立與實(shí)現(xiàn)方面，針對(duì)仿真對(duì)象三代機(jī)的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)獲取方面，將某模擬器進(jìn)行修復(fù)，由板卡級(jí)獲取大量的輸入輸出數(shù)據(jù)信息，通過軟件反向工程，對(duì)目標(biāo)代碼進(jìn)行逆向分析與研究，獲得大量有用的數(shù)據(jù)與算法，再根據(jù)工廠和部隊(duì)提供的典型數(shù)據(jù)曲線和操控特性進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，利用動(dòng)態(tài)響應(yīng)的離散觀察數(shù)據(jù)構(gòu)造出擬合函數(shù)并進(jìn)行分段處理，根據(jù)輸入輸出時(shí)域動(dòng)態(tài)的響應(yīng)數(shù)據(jù), 實(shí)現(xiàn)多曲線擬合有關(guān)參數(shù)的辨識(shí)，建立基于控制率的滿足動(dòng)態(tài)全包線的高品質(zhì)飛行軟件包。

雷達(dá)火控仿真模塊基于已經(jīng)掌握的實(shí)裝模型進(jìn)行模擬化改造，對(duì)其雷達(dá)火控系統(tǒng)的基本工作原理、主要工作流程進(jìn)行仿真，從整體上反映雷達(dá)火控系統(tǒng)的主要功能、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)以及操作使用方式特點(diǎn)，從而很好地輔助飛行員進(jìn)行飛行和作戰(zhàn)訓(xùn)練。

電子對(duì)抗模型復(fù)雜，驗(yàn)證困難，本系統(tǒng)在空軍某訓(xùn)練系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)之上，依據(jù)其信號(hào)級(jí)仿真的思想構(gòu)建了典型的對(duì)抗用功能模型，并對(duì)電子對(duì)抗幾個(gè)典型樣式進(jìn)行仿真，滿足實(shí)際使用。

2.3 新型多模式專業(yè)液晶顯示系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

為了滿足高品質(zhì)高可靠性顯示要求，使戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗瞄準(zhǔn)計(jì)算更加精準(zhǔn)，圖像更加清晰，層次更加豐富，使受訓(xùn)人員無(wú)眩暈感和視覺疲勞，達(dá)到部隊(duì)免維護(hù)的訓(xùn)練實(shí)際需要，運(yùn)用總體技術(shù)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，專門開發(fā)了新型窄邊多模式液晶顯示系統(tǒng)。

該專業(yè)液晶屏實(shí)現(xiàn)的主要功能是：

? 程序的統(tǒng)一控制功能，增加了顯示模式遠(yuǎn)程控制RS232端口；

? 突出的低音音效，增大的音頻輸出功率，可以進(jìn)行多臺(tái)顯示器的音效級(jí)聯(lián)，有立體聲音效，滿足模擬音效要求；

? DVI的輸入信號(hào)接口并能長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)，改善了畫面質(zhì)量，特殊分辨率全屏穩(wěn)定顯示；

? 支持高清分辨率，為后續(xù)升級(jí)預(yù)留空間；

? 模擬5種不同背光亮度的顯示模式并可獨(dú)立存儲(chǔ)：白天、夜航、凌晨、黃昏、濃霧（并可增減）。

圖7 視景顯示屏在凌晨、濃霧、白天截圖

2.4 數(shù)據(jù)鏈指揮系統(tǒng)

數(shù)據(jù)鏈引導(dǎo)指揮替代語(yǔ)音指揮在現(xiàn)代作戰(zhàn)使用中的作用越來(lái)越顯著，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。本系統(tǒng)首次采用實(shí)裝軟件改造和專用文電 XML仿真語(yǔ)言相結(jié)合的方法，研制成功了與實(shí)裝設(shè)備完全兼容的數(shù)據(jù)鏈指揮引導(dǎo)仿真分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了指揮引導(dǎo)人員與飛行員的協(xié)同訓(xùn)練。

圖8 數(shù)據(jù)鏈導(dǎo)航、態(tài)勢(shì)和指揮軟件截圖

3 系統(tǒng)性能

該系統(tǒng)主要面向殲擊航空兵部隊(duì)，突出模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化等優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，便于維護(hù)、使用和升級(jí)。系統(tǒng)通過采取各種關(guān)鍵技術(shù)措施，用較低的硬件成本實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)的性能仿真。

系統(tǒng)技術(shù)性能如下：

? 仿真周期：10ms

? 網(wǎng)絡(luò)帶寬：100M

? 自治節(jié)點(diǎn)：本地20個(gè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)不超過5K

? 地理環(huán)境：XXXX地區(qū)1000km×1000km

? 氣象環(huán)境：仿真風(fēng)速風(fēng)向、能見度、云、霧、雨等氣象環(huán)境

? 電磁環(huán)境：對(duì)地面和空中主要電磁輻射源進(jìn)行建模仿真

? 整系統(tǒng)耗電≯ 2 kW（單臺(tái)）

4 結(jié)束語(yǔ)

本文航空兵分隊(duì)級(jí)戰(zhàn)術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)借鑒了外軍相應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)針對(duì)具體實(shí)際，確定了8臺(tái)通用仿真終端、復(fù)雜電磁環(huán)境條件下的分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)對(duì)抗功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線。此系統(tǒng)在兼顧單機(jī)駕駛術(shù)仿真訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，能有效完成一系列戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練科目和進(jìn)行新戰(zhàn)法研究。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，硬件通用性強(qiáng)，便于大規(guī)模配發(fā)到基層部隊(duì)使用，使部隊(duì)飛行員在駐地進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗仿真訓(xùn)練成為可能。該系統(tǒng)研制成功后在空軍某部隊(duì)進(jìn)行了為期一個(gè)月的試用。試用結(jié)果證明通過這種近似實(shí)戰(zhàn)背景下的對(duì)抗性訓(xùn)練極大地激發(fā)了飛行員敢打必勝的信念，對(duì)于培養(yǎng)飛行員的戰(zhàn)術(shù)意識(shí)，提高指戰(zhàn)員的戰(zhàn)術(shù)素養(yǎng)有較大的幫助作用。

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