动着舰仿真系统设计

摘要：根据舰载机自动着舰系统的特点以及高层体系结构（HLA）原理，基于仿真运行支持软件HLA/RTI设计了舰载机自动着舰仿真系统的总体框架、仿真模型的对象模型模板（OMT）和运行流程，并借助Vega Prime实现视景三维画面的实时动态构建显示，该系统具有良好的重用性和扩展性，可为舰载机自动着舰引导算法的分析和评估提供有效的平台和依据。

关键词：舰载机；自动着舰；仿真系统；HLA

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)13-3071-04

Design of HLA-based Automatic Carrier Landing Simulation System

LI Zhen-wei

(Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong Institute of Electro-Optics, Wuhan 430073, China)

Abstract：According to the automatic carrier landing system characteristic and high level architecture ( HLA ) principle, based on simulation support software of HLA / RTI design the automatic carrier landing simulation system, simulation model of object model template ( OMT ) and operational processes, and by means of Vega Prime to implement visual three-dimensional pictures of the real-time dynamic construct display, the system has good reusability and expansibility, can provide automatic carrier landing guidance algorithm analysis and evaluation of the platform and provide effective basis.

Key words：carrier-based aircraft; automatic landing; simulation system; HLA

舰载机在航母上着舰时，海上环境条件十分恶劣，海上缺少地标，着舰甲板尺寸小且具有多个运动自由度，因此，舰载机在航空母舰的飞行甲板上降落是最困难的任务之一，如何提高着舰精度和保证着舰的安全是着舰引导所要解决的首要问题。人工导引着舰方式的缺点是易受气象等外界因素的影响，舰载机自动着舰系统则能保证舰载机按照理想的下滑轨迹着舰，在很大程度上降低了舰载机的纵向着舰误差，提高了着舰的安全性、准确性及自动化程度。

舰载机自动着舰控制系统涉及舰机相对位置测量、航母运动参量测量与预测、飞行控制、推力控制及导引控制等环节[1]，其总体性能的实现不仅取决于相对位置与运动参量测量精度，还与各控制系统的匹配关系密切相关。利用计算机仿真技术，不仅可以尽可能早的暴露设计中的问题，还可以对不同方案的可行性进行论证评估，以确定最佳的方案策略。分布式交互仿真技术在解决具有分布式结构的复杂系统仿真方面具有极大的优势，基于面向对象思想的高层体系结构HLA（High Level Architecture）以其良好的仿真应用的互操作性和仿真资源的可重用性成为当今分布仿真领域的主流技术[2-3]，并广泛的应用于复杂系统的研究中。

本文根据舰载机自动着舰系统的特点以及HLA原理，分析和建立了舰载机自动着舰系统的结构模型，详细的论述了建模过程，明确了各模块之间的相互联系以及功能作用，基于HLA设计并实现了舰载机自动着舰仿真系统。

1仿真系统总体设计

1.1工作原理

当前的舰载机自动着舰引导主要有两种实现方式：雷达引导自动着舰[4-5]和基于卫星导航系统的联合精密进近与着舰系统（JPALS）[6-7]，虽然实现途径不同，但基本的工作原理及流程类似。

图1舰载机自动着舰系统工作原理框图

舰载机自动着舰系统的工作原理框图如图1所示，工作流程可简述为：测量舰载机相对于航母的位置信息，根据航母运动参量对航母运动进行短时预测，并计算理想着舰点，结合飞机运动信息，实时解算飞机尾钩与理想着舰点相对位置；根据理想着舰点位置和舰载机类型计算理想下滑轨迹；将测量得到的舰载机尾钩位置信息与理想着舰轨迹进行比较产生轨迹导引误差，轨迹导引误差形成导引指令，耦合到飞行控制系统，自动纠正舰载机轨迹偏差，控制舰载机实施完成着舰。

舰载机自动着舰仿真系统是一个相对复杂的工程仿真系统，其核心是复杂环境下舰船动力学仿真、舰载机运动模型及飞行控制仿真，并辅以舰机位置测量误差模型、可视化仿真等。为使建立的系统模型更见清晰易懂，并便于维护，采用基于HLA/RTI的并行分布式仿真框架结构作为仿真系统的基本结构。基于HLA，实现系统的分布式仿真，各成员独立完成不同的功能应用，并通过RTI实现数据的实时共享，协同工作完成仿真任务，即：首先由图形界面输入仿真运行参数、环境、舰机初始位置、速度和姿态，然后根据动力学模型、控制模型进行解算和控制，并同步进行视景实时仿真，输出着舰误差。

1.2仿真系统结构

在HLA中，用于实现某一特定功能的分布式仿真系统称为联邦（Federation），它由若干个交互作用的联邦成员组成。基于HLA，可以把一个庞大的仿真系统划分为若干个子系统，每个子系统作为一个联邦成员参与到仿真中来，在保持各自独立性的同时实现信息的有效交互。

图2仿真系统的逻辑结构图

根据舰载机自动着舰仿真系统的设计目标和功能需求，基于HLA/RTI的仿真系统的逻辑结构如图2所示。在HLA框架下，联邦各联邦成员一起通过RTI构成一个开放的分布式仿真系统，各成员的功能如下：

联邦管理成员：负责完成仿真系统的初始化，监视、控制仿真系统的运行过程。

视景仿真成员：依据接收到的初始化信息，完成航母平台、舰载机、海面环境的部署显示。根据着舰数据完成对着舰过程的跟踪显示。

航母平台成员：根据设定环境模拟平台的六自由度运动，并向舰载机成员发送运动数据；依据接收的舰机相对位置数据及平台运动数据完成舰机相对位置短时预报，生成舰载机着舰下滑轨道；依据舰载机着舰轨迹与下滑轨道的偏差，生成并向舰载机成员发送引导指令。

舰载机成员：根据初始参数生成飞行数据；依据接收的航母平台运动数据生成并向航母平台成员发送舰机相对位置数据；依据接收的引导指令改变飞行轨道。

时钟成员：使仿真过程的逻辑时间与墙钟时间同步推进，限制其他受限成员的时间推进，达到整个仿真联邦实时同步推进的目的。

由于舰载机着舰过程中的影响因素较多，对仿真系统做出如下想定：

1）航母平台根据海洋环境产生运行信息，按照设定航向、速度运动，收到舰载机数据后，进行舰机相对运动预报，生成下滑轨道，在舰载机着舰阶段计算下滑误差并生成引导指令；

2）舰载机非着舰阶段按照设定航迹运动，测量相对着舰甲板的位置，在着舰阶段根据着舰引导指令调整航迹；

3）舰机相对位置测量精度可设定；

4）舰机运动参数的交换频率可设定，对下滑控制有影响；

5）由于数据处理、舰机数据传输延迟的影响，会导致系统稳定裕度降低，要充分考虑到时间延迟的影响；

6）认为航母平台、舰载机在着舰过程中，不会发生故障。

2 OMT设计

对象模型模板（OMT）是HLA仿真模型的关键部件，包括联邦对象模型（FOM）和仿真成员对象模板（SOM），一个联邦有一个FOM，每各联邦成员都有自己的SOM。FOM中的数据主要包括联邦中的所有对象类、交互类以及描述这些类的参数或属性的说明。FOM建立了成员间实现互操作所必须的“信息模型协议”。SOM是单个仿真成员在联邦运行过程中可以提供给联邦的信息以及它需要从其他仿真成员接收的信息的规范化描述。FOM/SOM中的数据主要包括对象类及其属性、交互类及其参数以及它们本身特性的说明。

舰载机自动着舰仿真系统的对象类包括航母平台和舰载机，交互类主要包括联邦控制、舰机相对位置测量、下滑轨道生成、下滑引导、下滑控制等，其属性（参数）及公布和订购关系如表1、表2所示。

3逻辑流程设计

舰载机自动着舰仿真系统的运行流程如图3所示。

表1对象类及其属性表

表2交互类及其参数表

图3仿真系统的运行流程示意图

运行流程简述为：依据初始化信息，视景仿真成员完成航母平台、舰载机、海面环境的部署显示；航母平台成员根据设定环境模拟平台的六自由度运动，并向舰载机成员发送运动数据；舰载机成员根据初始参数生成飞行轨迹，依据接收的航母平台运动数据生成并向航母平台成员发送舰机相对位置数据；航母平台成员依据接收的舰机相对位置数据及平台运动数据完成舰机相对位置短时预报，生成舰载机着舰下滑轨道，依据舰载机着舰轨迹与下滑轨道的偏差，生成并向舰载机成员发送引导指令；舰载机成员依据接收的引导指令改变飞行轨道；视景仿真成员在着舰过程中的实现跟踪显示；联邦运行以舰载机完成着舰（依据相对位置测量数据确定）为结束标志。

4仿真效果

图4舰载机自动着舰仿真场景效果图

图4所示为舰载机自动着舰仿真场景效果图。仿真系统通过视景仿真联邦成员对对象类的定购与Vega Prime中对象实例的对应关系，Vega Prime将对应的加邦的实体对象类的作战实体加入到场景中实现视景三维画面的实时动态构建显示。Vega Prime（VP）软件在视景构建方面具有快捷逼真的优势，利于系统实现，并有助于运行效率的提高。

在实现三维场景实时仿真显示的基础上，可通过改变仿真运行参数、环境、舰机初始位置、速度、航向姿态、下滑轨道等参数，以及舰机相对位置测量、航母运动预测、航母与舰载机运动等模型，获取不同条件下的着舰误差，以验证自动着舰引导算法的有效性。

5结束语

随着舰载机自动着舰和仿真技术的发展，基于HLA的舰载机自动着舰仿真成为系统设计与关键算法验证的重要途径。该文根据舰载机自动着舰系统的特点以及HLA原理，分析和建立了舰载机自动着舰系统的结构模型，详细的论述了建模过程，明确了各模块之间的相互联系以及功能作用，基于HLA/RTI设计并实现了舰载机自动着舰仿真系统，并采用Vega Prime实现了视景三维画面的实时动态构建显示。该系统达到了预期效果，其设计思路也适用于其他仿真系统。

参考文献：

[1]吴鑫.舰载机自动着舰控制系统设计与研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009.

[2]郭齐胜.分布交互仿真及其军事应用[M].北京:国防工业出版社,2003.

[3]贾连兴.仿真技术与软件[M].北京:国防工业出版社,2006.

[4]唐大全,毕波,王旭尚,等.自主着陆/着舰技术综述[J].中国惯性技术学报,2010,18(5):550-555.

[5]王敏,张晶,申功璋.基于甲板运动预报的自动着舰系统综合设计[J].系统仿真学报,2010,22(增刊1): 119-122.

[6] Dogra S,Wright J,Hansen J.Sea-Based JPALS Relative Navigation Algorithm Development[C]. Long Beach,CA:Proceedings of the Institute of Navigation 2005 GNSS Meeting, 2005:13-16.

[7]牛飞,赵金贤,张义生,等.JPALS原理与算法研究[C].北京:CSNC2010第一届中国卫星导航学术年会,2010.