黃志軍

摘 要：為了將仿真性能優(yōu)異的異構(gòu)飛行訓(xùn)練模擬器集成為一個(gè)實(shí)戰(zhàn)環(huán)境?；贖IA高層體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)集成，并通過(guò)采用的代理邦員橋技術(shù)，解決基于光纖實(shí)時(shí)反射內(nèi)存網(wǎng)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和互操作問(wèn)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(xùn)練模擬器 ?高層體系結(jié)構(gòu) ?異構(gòu)集成

中圖分類號(hào)：TM62 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：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(lái)，我國(guó)軍用仿真裝備發(fā)展迅猛，為部隊(duì)提供了大量性能逼真的優(yōu)良裝備，為新裝備的改裝和訓(xùn)練單兵駕駛技能發(fā)揮了重要作用。隨著實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的深入，為了拓展仿真系統(tǒng)職能，節(jié)約成本，在不改變?cè)蟹抡嫦到y(tǒng)的性能并能單獨(dú)使用的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有的飛行訓(xùn)練模擬器進(jìn)行集成，構(gòu)建新的仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)對(duì)抗的仿真環(huán)境，成為模擬器集中使用和維護(hù)單位共同研究的課題。

對(duì)花巨資研制的異構(gòu)模擬訓(xùn)練裝備進(jìn)行重用和互操作的研究工作在國(guó)內(nèi)外一直探索推進(jìn)，效果最顯著的是美軍。上世紀(jì)80年代后期，冷戰(zhàn)結(jié)束，美軍被要求縮減開(kāi)支，同時(shí)又要對(duì)分布在廣闊地域的各種威脅提供國(guó)家安全措施。但當(dāng)時(shí)國(guó)防領(lǐng)域的許多設(shè)施已不能適應(yīng)面臨的新威脅，而國(guó)會(huì)、民眾對(duì)軍用系統(tǒng)的花費(fèi)、漫長(zhǎng)的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)周期和在有效投資方式下實(shí)現(xiàn)軍隊(duì)現(xiàn)代化所面臨的困難失去了耐心。面對(duì)這些難題，大部分人主張利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)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(wèn)題。仿真作為提供這種技術(shù)的手段被特別看重。在20世紀(jì)80年代，采用SIMENT協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了人在回路的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，創(chuàng)建了訓(xùn)練的新途徑，在武器系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)發(fā)的必經(jīng)過(guò)程。戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)在變，戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，就意味著要在綜合仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)上投入也越來(lái)越多。

在20世紀(jì)90年代隨著國(guó)家財(cái)政進(jìn)一步緊縮，國(guó)防部面臨著巨大的財(cái)政壓力，為了國(guó)防需要如果繼續(xù)開(kāi)發(fā)仿真環(huán)境，就必須采用更加有效的投資方式進(jìn)行開(kāi)發(fā);不能再為解決一個(gè)新問(wèn)題而開(kāi)發(fā)一個(gè)新的仿真系統(tǒng);更不能允許多個(gè)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)類似的仿真系統(tǒng);而且還要把已有仿真項(xiàng)目納入到模擬訓(xùn)練和演習(xí)任務(wù)中去。美國(guó)國(guó)防部希望找到支持國(guó)防仿真系統(tǒng)（包括不同機(jī)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(biāo)的高層體系結(jié)構(gòu)（high level Architecture，HLA）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。1995年美國(guó)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(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)框架，取代了原有的DIS、ALSP等標(biāo)準(zhǔn);2000年成為國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE1516。

采用HLA技術(shù)體制，可以將單個(gè)仿真應(yīng)用連接起來(lái)組成一個(gè)大型的虛擬世界，在這個(gè)虛擬世界中，可以進(jìn)行大規(guī)模的多對(duì)多/部隊(duì)對(duì)部隊(duì)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(duì)抗仿真和武器性能評(píng)估仿真;還可進(jìn)行不同粒度，不同聚合度的對(duì)抗仿真和人員訓(xùn)練仿真。

國(guó)內(nèi)對(duì)HLA技術(shù)研究已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，也開(kāi)展了廣泛的應(yīng)用研究、取得了不小的成績(jī)。但立足半實(shí)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(bào)導(dǎo)很少，特別是針對(duì)異構(gòu)系統(tǒng)集成也沒(méi)有給出很好的解決方案。

該文以飛行訓(xùn)練模擬器半實(shí)物仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)為其搭建空戰(zhàn)仿真平臺(tái)（HLA系統(tǒng)）并進(jìn)行異構(gòu)系統(tǒng)集成的方式，研究構(gòu)建飛行訓(xùn)練模擬器空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的方法和關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)框架、集成方法、橋接組件設(shè)計(jì)等方面展開(kāi)討論，給出了解決方案，同時(shí)還對(duì)原半實(shí)物仿真系統(tǒng)的適應(yīng)性改造做了簡(jiǎn)單的闡述。

1 綜合仿真系統(tǒng)框架

飛行訓(xùn)練模擬器集成研究的出發(fā)點(diǎn)是將研制廠家不同、型號(hào)不同的飛行訓(xùn)練模擬器基于HLA技術(shù)進(jìn)行異構(gòu)集成，在局域網(wǎng)構(gòu)建分布式的實(shí)戰(zhàn)化對(duì)抗模擬訓(xùn)練環(huán)境。也就是將集成的飛行訓(xùn)練模擬器綜合仿真系統(tǒng)作為一個(gè)聯(lián)邦，作為載機(jī)、目標(biāo)機(jī)的半實(shí)物仿真飛行訓(xùn)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(guò)向運(yùn)行支撐環(huán)境RTI（Run Time Infrastructure）請(qǐng)求服務(wù)加入聯(lián)邦，并生成各自的對(duì)象實(shí)例，由RTI實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)整個(gè)仿真系統(tǒng)的聯(lián)邦管理、聲明管理、對(duì)象管理、所有權(quán)管理、時(shí)間管理和數(shù)據(jù)分發(fā)管理，達(dá)到綜合仿真的目的。

由于該文重點(diǎn)關(guān)注是集成方法研究，按最簡(jiǎn)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(duì)構(gòu)建仿真系統(tǒng)的核心組件進(jìn)行建模。在這個(gè)以飛行訓(xùn)練模擬器為基礎(chǔ)的實(shí)戰(zhàn)化模擬訓(xùn)練綜合仿真系統(tǒng)中，有四個(gè)組件是必需的：一是載機(jī)、二是目標(biāo)、三是導(dǎo)彈、四是導(dǎo)調(diào)和態(tài)勢(shì)組件，其它組件如地面雷達(dá)、預(yù)警機(jī)等可以在進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)建設(shè)時(shí)再考慮，因?yàn)镠LA集成的系統(tǒng)是開(kāi)放的可以進(jìn)行擴(kuò)展。飛行訓(xùn)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(jī)聯(lián)邦成員和目標(biāo)機(jī)聯(lián)邦成員分別是基于光纖實(shí)時(shí)反射內(nèi)存網(wǎng)的半實(shí)物飛行訓(xùn)練模擬器，主要完成飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)解算，輸出位置、速度、姿態(tài)、截獲、跟蹤、下達(dá)發(fā)射指令等參數(shù)。它們互為目標(biāo)機(jī)，在屬性上沒(méi)有差異，都是飛行器，對(duì)方的載機(jī)就是己方的目標(biāo)。

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

導(dǎo)調(diào)/態(tài)勢(shì)聯(lián)邦成員是由語(yǔ)音設(shè)備、仿真計(jì)算機(jī)、投影儀、幕布等組成，生成飛機(jī)、導(dǎo)彈等對(duì)象實(shí)例，并實(shí)時(shí)接收仿真系統(tǒng)各自實(shí)例的運(yùn)動(dòng)參數(shù)等信息，以二維或三維的形式將整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程予以呈現(xiàn);教員或指揮人員下達(dá)命令并根據(jù)態(tài)勢(shì)進(jìn)行指揮引導(dǎo)。

仿真管理聯(lián)邦成員是由主控仿真計(jì)算機(jī)和控制軟件組成，完成對(duì)整個(gè)分布式半實(shí)物仿真系統(tǒng)的任務(wù)方案設(shè)定和各模型參數(shù)的初始化，實(shí)現(xiàn)模型間的信息交互與數(shù)據(jù)、時(shí)間管理，并對(duì)仿真系統(tǒng)監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)工作狀態(tài)，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，同時(shí)記錄仿真數(shù)據(jù)，用于系統(tǒng)分析與數(shù)據(jù)再現(xiàn)。

進(jìn)行集成的飛行訓(xùn)練模擬器是基于光纖實(shí)時(shí)反射內(nèi)存網(wǎng)的 DIS的系統(tǒng)。在綜合仿真系統(tǒng)集成過(guò)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)的接口應(yīng)用，一般單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在這樣的總體設(shè)計(jì)下，就只需要設(shè)計(jì)兩個(gè)組件，分別是以HLA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的導(dǎo)彈聯(lián)邦成員和具有HLA和DIS雙重標(biāo)準(zhǔn)的橋聯(lián)邦成員。按HLA原則設(shè)計(jì)的導(dǎo)彈聯(lián)邦成員，提供導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真數(shù)據(jù)和與其它聯(lián)邦成員的對(duì)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(jì)在后面再加以討論。

2 仿真對(duì)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(zhǔn)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(shí)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(shuō)明和對(duì)象模型模板（object Model Template，OMT）三部分組成。其中，對(duì)象模型模板是實(shí)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(duì)象模型主要包括聯(lián)邦對(duì)象模型FOM和仿真對(duì)象模型SOM，其中FOM定義某個(gè)具體聯(lián)邦中各個(gè)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(jìn)行信息交換的能力。按對(duì)象模型模板建立的聯(lián)邦對(duì)象模型（FOM）和仿真對(duì)象模型（SOM）作為仿真系統(tǒng)的說(shuō)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(kuò)展。

OMT規(guī)范下的FOM/SOM文檔共13個(gè)表格，描述了交互對(duì)象的數(shù)據(jù)、流向等各個(gè)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(xùn)練模擬器綜合仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的對(duì)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(jī)、目標(biāo)機(jī)（戰(zhàn)斗機(jī)，F(xiàn)ighter）和空空導(dǎo)彈（AAMissile）的對(duì)象類定義，他們是描述戰(zhàn)斗機(jī)或空空導(dǎo)彈的陣營(yíng)、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(shí)體（與對(duì)象類相對(duì)應(yīng)）發(fā)出的動(dòng)作，是瞬時(shí)數(shù)據(jù)。lockEnemy是戰(zhàn)機(jī)被鎖定時(shí)使用;fireMissile是給導(dǎo)彈的發(fā)射信號(hào);beingKilled是飛機(jī)收到有效攻擊后給出的被摧毀信息;AAMissile類的Explosion子類指導(dǎo)彈發(fā)出對(duì)敵機(jī)進(jìn)行攻擊的被爆炸信息。

3 飛行仿真系統(tǒng)改造

飛行訓(xùn)練模擬器綜合仿真系統(tǒng)進(jìn)行逼真的實(shí)戰(zhàn)化模擬訓(xùn)練必須遵從時(shí)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(kù)數(shù)據(jù);載機(jī)和目標(biāo)機(jī)都是單一的訓(xùn)練模擬器，在其原有視景中并沒(méi)有目標(biāo)機(jī)及導(dǎo)彈發(fā)射視景，雷達(dá)顯示器也沒(méi)有截獲跟蹤目標(biāo)符，必須添加，其中目標(biāo)機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)及雷達(dá)截獲數(shù)據(jù)由對(duì)方仿真計(jì)算機(jī)經(jīng)代理聯(lián)邦成員提供;導(dǎo)彈是動(dòng)態(tài)的，發(fā)射指令是由戰(zhàn)斗機(jī)下達(dá)，運(yùn)動(dòng)仿真是由導(dǎo)彈聯(lián)邦成員自己完成。

3.1 統(tǒng)一地景庫(kù)

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

3.2 在視景庫(kù)中添加目標(biāo)機(jī)

載機(jī)和目標(biāo)機(jī)都是單一的訓(xùn)練模擬器，在其原有視景中并沒(méi)有目標(biāo)機(jī)，為增加實(shí)戰(zhàn)仿真的逼真性在視景庫(kù)中必須添加。由于飛行訓(xùn)練模擬器互為目標(biāo)機(jī)，所以目標(biāo)機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)由對(duì)方仿真計(jì)算機(jī)經(jīng)RTI提供給攻擊機(jī)。

3.3 導(dǎo)彈發(fā)射邏輯控制傳輸

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

4 橋聯(lián)邦成員設(shè)計(jì)

為解決半實(shí)物仿真與分布式仿真的實(shí)時(shí)性和互操作問(wèn)題，在該仿真系統(tǒng)增加一個(gè)橋接組件。關(guān)于基于HLA技術(shù)的半實(shí)物仿真集成的橋接組件設(shè)計(jì)探討很多，都是基于實(shí)時(shí)性和互操作并針對(duì)具體的半實(shí)物仿真設(shè)備和整個(gè)系統(tǒng)考慮進(jìn)行的。該方案出于既節(jié)約成本、盡量少的改動(dòng)和編制應(yīng)用程序又保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)，系統(tǒng)為 Windows XP操作系統(tǒng)。半實(shí)物仿真代理聯(lián)邦成員與聯(lián)邦其他成員間通過(guò)以太網(wǎng)調(diào)用RTI服務(wù)實(shí)現(xiàn)信息的交互。飛行訓(xùn)練模擬器是基于光纖實(shí)時(shí)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(gè)光纖反射節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。代理聯(lián)邦成員仿真機(jī)接入實(shí)時(shí)反射內(nèi)存網(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)信息的交互，所以代理聯(lián)邦成員是飛行訓(xùn)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(yùn)行時(shí)，半實(shí)物仿真代理聯(lián)邦成員通過(guò)調(diào)用RTI服務(wù)訂購(gòu)半實(shí)物飛行訓(xùn)練模擬器所需的外部信息（目標(biāo)的位置、速度、姿態(tài)信息），通過(guò)采用UDP協(xié)議的網(wǎng)口，發(fā)送到實(shí)時(shí)反射內(nèi)存網(wǎng)上的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，供半實(shí)物飛行訓(xùn)練模擬器調(diào)用;同時(shí)，半實(shí)物飛行訓(xùn)練模擬器又通過(guò)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(shí)物仿真代理聯(lián)邦成員，半實(shí)物仿真代理聯(lián)邦成員通過(guò)調(diào)用RTI服務(wù)公布半實(shí)物飛行訓(xùn)練模擬器的運(yùn)動(dòng)信息，其他聯(lián)邦成員就可以通過(guò)調(diào)用RTI服務(wù)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(yǔ)

飛行訓(xùn)練模擬器以橋接方式進(jìn)行系統(tǒng)集成，既解決了實(shí)時(shí)性又保證了半實(shí)物仿真系統(tǒng)的完整性，擴(kuò)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(shí)物仿真系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的主要技術(shù)問(wèn)題，對(duì)擴(kuò)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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