为半实物仿真搭建战场环境研究

摘 要：为了将仿真性能优异的异构飞行训练模拟器集成为一个实战环境。基于HIA高层体系结构进行系统集成，并通过采用的邦员桥技术，解决基于光纤实时反射内存网的半实物仿真系统的实时性和互操作问题，为后续的仿真系统集成和重用提供借鉴。

关键词：飞行训练模拟器 高层体系结构 异构集成

中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：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

近几年来，我国军用仿真装备发展迅猛，为部队提供了大量性能逼真的优良装备，为新装备的改装和训练单兵驾驶技能发挥了重要作用。随着实战化训练的深入，为了拓展仿真系统职能，节约成本，在不改变原有仿真系统的性能并能单独使用的基础上，对现有的飞行训练模拟器进行集成，构建新的仿真系统，实现实战对抗的仿真环境，成为模拟器集中使用和维护单位共同研究的课题。

对花巨资研制的异构模拟训练装备进行重用和互操作的研究工作在国内外一直探索推进，效果最显著的是美军。上世纪80年代后期，冷战结束，美军被要求缩减开支，同时又要对分布在广阔地域的各种威胁提供国家安全措施。但当时国防领域的许多设施已不能适应面临的新威胁，而国会、民众对军用系统的花费、漫长的生产开发周期和在有效投资方式下实现军队现代化所面临的困难失去了耐心。面对这些难题，大部分人主张利用先进的计算机硬件、软件和网络通信技术，用较少的投入解决较多的问题。仿真作为提供这种技术的手段被特别看重。在20世纪80年代，采用SIMENT协议，实现了人在回路的实时仿真系统，创建了训练的新途径，在武器系统开发、建模和仿真方面创造了前所未有成就。于是建立昂贵的武器系统模拟器成为军用系统开发的必经过程。战争形态在变，战争环境越来越复杂，就意味着要在综合仿真系统的开发上投入也越来越多。

在20世纪90年代随着国家财政进一步紧缩，国防部面临着巨大的财政压力，为了国防需要如果继续开发仿真环境，就必须采用更加有效的投资方式进行开发;不能再为解决一个新问题而开发一个新的仿真系统;更不能允许多个机构开发类似的仿真系统;而且还要把已有仿真项目纳入到模拟训练和演习任务中去。美国国防部希望找到支持国防仿真系统（包括不同机构研制的单一仿真和综合仿真系统）重用的途径，这样以重用和互操作为目标的高层体系结构（high level Architecture，HLA）技术应运而生。1995年美国防部首次在建模与仿真大纲中提出，1996年就正式规定HLA为仿真项目的标准技术框架，取代了原有的DIS、ALSP等标准;2000年成为国际电气电子工程师协会（IEEE）的国际标准IEEE1516。

采用HLA技术体制，可以将单个仿真应用连接起来组成一个大型的虚拟世界，在这个虚拟世界中，可以进行大规模的多对多/部队对部队的战术、战略原则研究和演练仿真;可提供多武器系统的体系攻防对抗仿真和武器性能评估仿真;还可进行不同粒度，不同聚合度的对抗仿真和人员训练仿真。

国内对HLA技术研究已经有了一定的基础，也开展了广泛的应用研究、取得了不小的成绩。但立足半实物仿真系统，基于HLA技术研究组建更高集成度综合仿真系统的方法报导很少，特别是针对异构系统集成也没有给出很好的解决方案。

该文以飞行训练模拟器半实物仿真系统为基础，通过为其搭建空战仿真平台（HLA系统）并进行异构系统集成的方式，研究构建飞行训练模拟器空战仿真系统的方法和关键技术，重点对系统框架、集成方法、桥接组件设计等方面展开讨论，给出了解决方案，同时还对原半实物仿真系统的适应性改造做了简单的阐述。

1 综合仿真系统框架

飞行训练模拟器集成研究的出发点是将研制厂家不同、型号不同的飞行训练模拟器基于HLA技术进行异构集成，在局域网构建分布式的实战化对抗模拟训练环境。也就是将集成的飞行训练模拟器综合仿真系统作为一个联邦，作为载机、目标机的半实物仿真飞行训练模拟器和相关仿真模型为联邦成员。联邦成员通过向运行支撑环境RTI（Run Time Infrastructure）请求服务加邦，并生成各自的对象实例，由RTI实现对对整个仿真系统的联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理和数据分发管理，达到综合仿真的目的。

由于该文重点关注是集成方法研究，按最简单的作战想定和作战流程，构建最基本的仿真系统，所以只对构建仿真系统的核心组件进行建模。在这个以飞行训练模拟器为基础的实战化模拟训练综合仿真系统中，有四个组件是必需的：一是载机、二是目标、三是导弹、四是导调和态势组件，其它组件如地面雷达、预警机等可以在进行实际系统建设时再考虑，因为HLA集成的系统是开放的可以进行扩展。飞行训练模拟器综合仿真系统结构示意图如图1所示。

载机联邦成员和目标机联邦成员分别是基于光纤实时反射内存网的半实物飞行训练模拟器，主要完成飞机的运动参数解算，输出位置、速度、姿态、截获、跟踪、下达发射指令等参数。它们互为目标机，在属性上没有差异，都是飞行器，对方的载机就是己方的目标。

导弹联邦成员是在vc++6.0环境下，依据HLA规则开发的导弹模型，主要完成空空导弹的飞行弹道计算，输出位置、速度、姿态和爆点等参数。

导调/态势联邦成员是由语音设备、仿真计算机、投影仪、幕布等组成，生成飞机、导弹等对象实例，并实时接收仿真系统各自实例的运动参数等信息，以二维或三维的形式将整个作战过程予以呈现;教员或指挥人员下达命令并根据态势进行指挥引导。

仿真管理联邦成员是由主控仿真计算机和控制软件组成，完成对整个分布式半实物仿真系统的任务方案设定和各模型参数的初始化，实现模型间的信息交互与数据、时间管理，并对仿真系统监控，实时掌握系统工作状态，进行协调控制，同时记录仿真数据，用于系统分析与数据再现。

进行集成的飞行训练模拟器是基于光纤实时反射内存网的 DIS的系统。在综合仿真系统集成过程中，DIS系统和HLA系统之间数据信息转换方式是集成的关键技术，出于时间策略和在互操作的考虑通常采用桥接的方法集成。桥接组件是联系HLA系统与DIS系统的关键组件，它具有适合HLA与DIS双重标准的接口应用，一般单独进行设计。

在这样的总体设计下，就只需要设计两个组件，分别是以HLA标准设计的导弹联邦成员和具有HLA和DIS双重标准的桥联邦成员。按HLA原则设计的导弹联邦成员，提供导弹的运动学仿真数据和与其它联邦成员的对象属性及交互数据;作为集成关键组件的桥联邦成员设计在后面再加以讨论。

2 仿真对象建模

HLA（high Level Architecture）是分布式协同仿真的高层体系结构，它定义了联邦和联邦成员构建，描述了联邦成员交互的基本准则和方法，为各种类型的仿真提供了一种通用的仿真技术框架，从而便于仿真“组件”（联邦成员）的集成，最终实现联邦成员之间的互操作和重用。HLA的主要支撑技术是分布式并行离散事件仿真技术和面向对象的建模与仿真技术。

HIA的协议规范主要由HLA规则、RTl的接口规范说明和对象模型模板（object Model Template，OMT）三部分组成。其中，对象模型模板是实现仿真联邦成员间互操作和联邦成员重用的关键，代表了HLA的基本原则，是HLA技术采用面向对象的建模与仿真技术的直接反映。HLA对象模型主要包括联邦对象模型FOM和仿真对象模型SOM，其中FOM定义某个具体联邦中各个联邦成员之间交换信息的内容及其格式，SOM描述联邦成员与外界进行信息交换的能力。按对象模型模板建立的联邦对象模型（FOM）和仿真对象模型（SOM）作为仿真系统的说明文档，使用户可以直观、完整的理解仿真系统和仿真组件的功能与数据交互接口，极大的便利了仿真组件的重用和扩展。

OMT规范下的FOM/SOM文档共13个表格，描述了交互对象的数据、流向等各个方面的定义。作为系统的共同理解基础，这里给出拟为飞行训练模拟器综合仿真系统设计的对象类结构示意图和交互类结构示意图，如图2和图3。

图2的绘出了载机、目标机（战斗机，Fighter）和空空导弹（AAMissile）的对象类定义，他们是描述战斗机或空空导弹的阵营、状态、位置、速度、加速度等数据的集合。图3的是参与仿真的交互类，他们是在仿真中可能由仿真实体（与对象类相对应）发出的动作，是瞬时数据。lockEnemy是战机被锁定时使用;fireMissile是给导弹的发射信号;beingKilled是飞机收到有效攻击后给出的被摧毁信息;AAMissile类的Explosion子类指导弹发出对敌机进行攻击的被爆炸信息。

3 飞行仿真系统改造

飞行训练模拟器综合仿真系统进行逼真的实战化模拟训练必须遵从时空一致性原则，所以参与集成的模拟器要有统一的地景库数据;载机和目标机都是单一的训练模拟器，在其原有视景中并没有目标机及导弹发射视景，雷达显示器也没有截获跟踪目标符，必须添加，其中目标机运动仿真数据及雷达截获数据由对方仿真计算机经联邦成员提供;导弹是动态的，发射指令是由战斗机下达，运动仿真是由导弹联邦成员自己完成。

3.1 统一地景库

时空一致是战场仿真必须遵循的原则，所以必须把不同厂家研制的飞行训练模拟器地景库数据统一起来，这并不影响原有模拟器的性能且能增加空战的真实感。

3.2 在视景库中添加目标机

载机和目标机都是单一的训练模拟器，在其原有视景中并没有目标机，为增加实战仿真的逼真性在视景库中必须添加。由行训练模拟器互为目标机，所以目标机的运动仿真数据由对方仿真计算机经RTI提供给攻击机。

3.3 导弹发射逻辑控制传输

导弹发射逻辑控制由模拟器（DIS系统）中的载机发出，经桥联邦成员转到RTI后发至导弹联邦成员。

4 桥联邦成员设计

为解决半实物仿真与分布式仿真的实时性和互操作问题，在该仿真系统增加一个桥接组件。关于基于HLA技术的半实物仿真集成的桥接组件设计探讨很多，都是基于实时性和互操作并针对具体的半实物仿真设备和整个系统考虑进行的。该方案出于既节约成本、尽量少的改动和编制应用程序又保证系统的实时性和互操作，经比较采用联邦成员的方法。联邦成员采用通用计算机，系统为 Windows XP操作系统。半实物仿真联邦成员与联邦其他成员间通过以太网调用RTI服务实现信息的交互。飞行训练模拟器是基于光纤实时反射内存网的DIS的系统，只要在原系统中任意加入一个光纤反射节点，就可以获得原仿真系统在网络中传递的所有数据，所以这里称新加入的光纤网络节点为数据节点。联邦成员仿真机接入实时反射内存网数据节点，通过网口实现信息的交互，所以联邦成员是飞行训练模拟器与HLA分布式仿真系统的连接纽带，如图4所示。

在仿真运行时，半实物仿真联邦成员通过调用RTI服务订购半实物飞行训练模拟器所需的外部信息（目标的位置、速度、姿态信息），通过采用UDP协议的网口，发送到实时反射内存网上的数据节点，供半实物飞行训练模拟器调用;同时，半实物飞行训练模拟器又通过采用UDP协议的网口，将本身的位置、速度、姿态信息发送给半实物仿真联邦成员，半实物仿真联邦成员通过调用RTI服务公布半实物飞行训练模拟器的运动信息，其他联邦成员就可以通过调用RTI服务获得这些信息。完成联邦成员间的数据交互。

5 结语

飞行训练模拟器以桥接方式进行系统集成，既解决了实时性又保证了半实物仿真系统的完整性，扩展了系统仿真功能，又不影响原系统的重用。论文研究并解决了HLA技术和半实物仿真系统集成设计的主要技术问题，对扩大仿真规模，完成系统的重用和互操作具有一定的积极意义。

参考文献

[1] 赵琪，毛玉泉，王塬琨，等.Link16时隙固定分配算法的时延分析[J].电讯技术，2010，50（5）：8-12.

[2] 余晓刚，王华，龚诚.美军主要战术数据链介绍[J].航空电子技术，2004，33（3）：25-28.

[3] 余晓刚，匡镜明，王华，等.JTIDS网络建模与仿真平台设计[J].计算机工程，2005，31（18）：108-110.