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半實物仿真的一個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、不同地點的仿真試驗設(shè)施進行聯(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)開始向仿真的高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)發(fā)展。HLA是促進所有類型仿真之間互操作、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(tǒng)服務(wù)于各類新型導彈，20世紀90年代我國開始對分布交互仿真、虛擬現(xiàn)實等先進仿真技術(shù)及其應(yīng)用進行研究，由單個武器平臺的性能仿真發(fā)展為多武器平臺在作戰(zhàn)環(huán)境下的對抗仿真。我國國防科技大學研制的YHF4仿真計算機 ,達到了國際先進水平，但總的技術(shù)水平，特別是應(yīng)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尋的末制導雷達多種型號、多種信號接口形式的半實物仿真系統(tǒng)進行了研究。概述了仿真系統(tǒng)的組成及功能，解決了數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)問題；并對系統(tǒng)性能進行了測試，實現(xiàn)了基于單發(fā)導彈、單個目標多種干擾及組合方式的導彈攻擊過程的可視化作戰(zhàn)仿真。 1 仿真暗室設(shè)備組成及功能 1.1 系統(tǒng)簡介適用于多種型號制導武器的半實物仿真微波暗室，由實時和以太雙網(wǎng)絡(luò)組成，將連接到網(wǎng)絡(luò)中的每臺計算機作為一個節(jié)點，以實現(xiàn)導彈空中姿態(tài)、目標環(huán)境特性模擬，全彈道數(shù)學模型解算等功能。就系統(tǒng)設(shè)計而言，導彈彈體、穩(wěn)定控制系統(tǒng)、舵機和捷聯(lián)慣導組件等導彈控制系統(tǒng)模塊以仿真模型方式參與仿真制導回路試驗。在試驗過程中，需要實時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(jié)點協(xié)調(diào)有序工作�？紤]其通用性和可擴展性，系統(tǒng)采用高性能通用計算機，配置多樣化的數(shù)據(jù)采集手段。 各仿真模塊接口與導彈實體相對應(yīng)，使其適應(yīng)多個型號的仿真試驗。全彈道半實物仿真微波暗室設(shè)備組成如圖1所示。 1.2 主要設(shè)備及功能制導武器半實物仿真暗室主要設(shè)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(shè)備。其中，實時網(wǎng)作用是為仿真試驗提供各設(shè)備間的高速通信鏈路，以滿足節(jié)點之間的實時數(shù)據(jù)交互要求。而全彈道數(shù)學仿真模型的準確性，戰(zhàn)場態(tài)勢設(shè)置的合理性，則需要在應(yīng)用前加以驗證。以太網(wǎng)就是出于這種目的而設(shè)立，同時也被用于試驗準備階段的軟件開發(fā)，實現(xiàn)各節(jié)點控制計算機之間的信息交互和資源共享。出于對被試品實時性的考慮，半實物仿真實時網(wǎng)絡(luò)采用基于VMIC-5565實時網(wǎng)卡的星型拓撲結(jié)構(gòu)，通過冗余光纖Hub（VMIACC-5595）與各仿真設(shè)備相連。與環(huán)型結(jié)構(gòu)相比，星型拓撲結(jié)構(gòu)消除了單點失效、實現(xiàn)了故障隔離，通過對節(jié)點優(yōu)先級的設(shè)置使其具有更小的延時[2]。 1）仿真主控計算機：是整個系統(tǒng)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(shù)裝訂，仿真進程控制功能，同時完成實時網(wǎng)閉環(huán)前自檢、系統(tǒng)授時，對仿真節(jié)點的工作狀態(tài)進行監(jiān)控； 2）三軸飛行轉(zhuǎn)臺：作用是把彈道解算計算機解算出的導彈姿態(tài)運動量,轉(zhuǎn)換為三個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(tǒng)：由射頻信號源分系統(tǒng)，陣列及饋電分系統(tǒng)組成。主要功能是在微波暗室內(nèi)，模擬導彈攻擊目標過程中導彈末制導雷達所遭遇到的電磁信號環(huán)境，生成有源和無源干擾信號、雷達目標回波模擬信號、目標視線角位置及運動軌跡； 4）彈道解算計算機：實時解算制導武器運動學、動力學和控制系統(tǒng)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(shè)備的控制指令，協(xié)調(diào)有序的完成全系統(tǒng)半實物仿真。它既能用數(shù)學模型對制導武器系統(tǒng)進行數(shù)字仿真，又能和接入仿真回路的實物一起構(gòu)成半實物仿真系統(tǒng)； 5）視景仿真計算機：在接近實戰(zhàn)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(shù)，將導彈攻擊目標的過程以三維動畫方式直觀顯示，形象、直觀的形式實時顯示飛行器半實物仿真的全仿真過程。 6）數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)：主要完成遠端被試導引頭的數(shù)據(jù)采集和測試操作，同時將采集到的制導信息，通過反射內(nèi)存?zhèn)魉徒o彈道解算計算機；并回傳控制指令實時控制導引頭工作狀態(tài)。 7）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：對系統(tǒng)所需要的情報資源和仿真資源信息等進行管理，并在仿真試驗過程中對數(shù)據(jù)進行實時記錄和存儲； 1.3 仿真軟件及功能操作系統(tǒng)：Windows2000 + 實時軟件包 ；系統(tǒng)總體開發(fā)平臺：Visual C++ 6.0；仿真建模軟件：YHSIM；三維視景軟件： Multigen Creator 3.0和專業(yè)可視化仿真軟件包完成Vega Prime 2.0；數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具：SQL Sever 2005。 由于HILS的各仿真節(jié)點運行不同的仿真軟件用以實現(xiàn)不同的功能，為確保各節(jié)點之間數(shù)據(jù)通訊和仿真同步，仿真軟件總體上汲取windows操作系統(tǒng)消息、事件驅(qū)動的程序設(shè)計方法，采用客戶/服務(wù)器運行機制，服務(wù)器程序通過VMIC網(wǎng)絡(luò)向各仿真節(jié)點發(fā)送仿真驅(qū)動消息，并對各節(jié)點狀態(tài)消息查詢，驅(qū)動各客戶機節(jié)點控制軟件運行。仿真軟件從頂層設(shè)計角度出發(fā)，將各節(jié)點的仿真軟件分為三大類：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(tǒng)、三軸飛行轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)執(zhí)行同步機軟件運行機制[3]。 基于反射內(nèi)存API動態(tài)鏈接庫技術(shù)是獨立于應(yīng)用程序的分布式仿真系統(tǒng)應(yīng)用程序接口。它是基于VMIC-5565內(nèi)存通信協(xié)議的即時通信服務(wù)，與各仿真節(jié)點程序并行開發(fā)，自行調(diào)試，各節(jié)點應(yīng)用程序以API的動態(tài)鏈接庫形式調(diào)用，程序之間無須進行通信調(diào)試。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)依據(jù)查詢狀態(tài)位或發(fā)硬中斷方式實現(xiàn)，各節(jié)點仿真主程序不參與各類信息的網(wǎng)絡(luò)間傳輸。必須注意的是，對于每個節(jié)點上的反射內(nèi)存，其地址是本地主機內(nèi)存的一部分；通過內(nèi)存映射機制，用戶對本地節(jié)點內(nèi)存的讀寫相當于對網(wǎng)間各節(jié)點相同地址內(nèi)存進行讀寫,從而實現(xiàn)了分布節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信[4]。 因此，在控制關(guān)系明確的基礎(chǔ)上，彈道解算計算機與各節(jié)點之間的通信協(xié)議，包括傳輸參數(shù)、數(shù)據(jù)格式、VMIC內(nèi)存地址分配等；都應(yīng)采用相同的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，否則將引發(fā)內(nèi)存地址沖突，以致仿真試驗失敗。制導武器半實物仿真微波暗室通過應(yīng)用“YH-Astar”仿真工作站以及運行其上的YHSIM實時仿真軟件，采用實時的Runge-Kutta積分算法和基于VMIC-5565反射內(nèi)存的實時網(wǎng)絡(luò)，全面確保了半實物仿真的實時性[5]。 2 半實物仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 2.1 實時數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng) 2.1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計及硬件配置數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)是為減輕彈道解算計算機解算負載以保證實時性的前提下設(shè)計的。其主要功能是在末制導雷達閉環(huán)仿真試驗?zāi)Ｊ街校瑢崟r采集末制導雷達輸出的相關(guān)制導與指令信息，并通過VMIC實時網(wǎng)實時傳送到彈道解算計算機參與全彈道解算；同時，向被試末制導雷達發(fā)送控制指令，實時控制末制導雷達的工作狀態(tài)。其組成如圖2所示。 為適應(yīng)數(shù)字雷達導引頭的仿真試驗的需求，采集系統(tǒng)在原有的基礎(chǔ)上增加了串行數(shù)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(zhuǎn)換由信號調(diào)理模塊實現(xiàn)，離散量的采集、量化、編碼采用的是包括基于PCI總線的時統(tǒng)部件I/O控制卡。 串行數(shù)字量采集通道硬件部分主要由上、下位機構(gòu)成，上位機為高性能工控機。以DMA查詢的方式與下位機進行通信,接收下位機的數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行分析和處理，實時地顯示控制變量的狀態(tài)。同時根據(jù)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行DCB編碼，同時根據(jù)上位機發(fā)出的控制指令控制導引頭執(zhí)行相應(yīng)的操作；上位機通過數(shù)字I/O控制板卡可擴展出m≤ 8個串口。采用VC++6.0環(huán)境下調(diào)用Windows API函數(shù)編程實現(xiàn)串口通信[6]。系統(tǒng)通過被稱為設(shè)備控制塊DCB 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對串行口和串口通信驅(qū)動程序進行配置串口設(shè)備屬性的配置由以下 API 函數(shù)完成: Setup2Comm() 設(shè)置串行通信端口的輸入和輸出緩沖區(qū)的大小;通過設(shè)備控制塊 DCB 修改和設(shè)置串口工作狀態(tài)的參數(shù)。 2.1.2 創(chuàng)建讀寫線程，實現(xiàn)串行通信如圖3所示，首先打開并配置完串口后開啟讀、寫線程。主線程主要負責將所有串口接收到的數(shù)據(jù)進行處理顯示以及各個子線程的調(diào)度和管理，讀線程負責讀取m個串口的數(shù)據(jù)，寫線程負責向需要控制的串口寫入數(shù)據(jù)。在實際應(yīng)用中向串口寫人數(shù)據(jù)的操作只是有限的控制指令，所以寫線程在創(chuàng)建時即被掛起，當需要向串口發(fā)送數(shù)據(jù)時激活寫線程；寫操作完成后，即被掛起，以減少系統(tǒng)開銷，提高程序的執(zhí)行效率[7]。 以下是用Windows API函數(shù)編寫的關(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)建讀寫線程： //創(chuàng)建讀線程 m_hThreadRead=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ ROUTINE)ThreadRead,NUEL,0,NULL); //創(chuàng)建寫線程 m_hThreadWrite=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ ROUTINE) 3）在讀寫線程函數(shù)中添加相應(yīng)的處理信息： 首先在讀線程中調(diào)用CreateEvent函數(shù)創(chuàng)建一個事件,其次調(diào)用WaitCommEvent函數(shù)等待該窗口事件，當檢測到EV_RXCHAR事件發(fā)生時，再調(diào)用ReadFile函數(shù)將數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)內(nèi)，并進行顯示處理。因為寫線程創(chuàng)建的時候即被掛起，故要重新調(diào)用寫線程函數(shù)時，必須要先調(diào)用ResumeThread函數(shù)恢復(fù)線程，然后調(diào)用WfiteFile函數(shù)向串口寫入數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)發(fā)送成功時，調(diào)用SuspendThread函數(shù)掛起寫線程。數(shù)據(jù)采集軟件控制界面如圖4所示。
開啟讀寫兩個線程進行多串口通信，數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示、發(fā)送數(shù)據(jù)三者同時執(zhí)行，減少了系統(tǒng)的等待時間，使系統(tǒng)具有更好的實時性。在優(yōu)先級的安排上，Windows系統(tǒng)Event(事件) 同步化機制，把數(shù)據(jù)采集及向反射內(nèi)存發(fā)送代碼部分放入高優(yōu)先級循環(huán)，而把數(shù)據(jù)存儲、上位機上運行控制部分放入較低循環(huán)內(nèi)優(yōu)化了軟件的實時性能，實現(xiàn)線程間同步。因與實時網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)采集軟件通過調(diào)用和封裝與實時網(wǎng)通信API函數(shù)即可。此外,連接時還必須將實時網(wǎng)的庫rfmdll stdc.lib連接進去。 2.2 數(shù)據(jù)傳輸性能測試網(wǎng)絡(luò)實時性能指標測試包括： 1）反射內(nèi)存節(jié)點之間的讀寫和傳輸時延； 2）采集節(jié)點反射內(nèi)存與導引頭I/O接口間讀寫傳輸時延； 測試數(shù)據(jù)包由測試包和標志位兩部分組成。取要測試的兩節(jié)點為A和B，用以下兩種方法對A、B兩個節(jié)點之間的讀寫傳輸時間進行測試：首先，置計時標志“TA”，由節(jié)點A發(fā)送測試包，發(fā)送完后置讀寫標志位為“1”，節(jié)點B對讀寫標志位查詢?yōu)椤?”時，開始讀取測試包，讀完后置讀寫標志位為“0”。當節(jié)點“A”查詢到讀寫標志位為“0”時，發(fā)送下一組數(shù)據(jù)包。完成讀寫操作N次后，置計時標志“TB”。則單次數(shù)據(jù)發(fā)送的平均時間為（TB-TA）/N。 測試結(jié)果表明，從數(shù)據(jù)寫入RAM到傳到另一個結(jié)點的反射內(nèi)存卡上，只有不到400納秒的時延。滿足飛行仿真對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的高速、實時的要求。 彈道解算滯后數(shù)據(jù)采集傳輸只有1毫秒時間，由于彈道解算與數(shù)據(jù)采集同時進行。因此，數(shù)據(jù)采集計算機在制導回路的介入不會影響到制導回路系統(tǒng)實時性與同步性。 2.3系統(tǒng)誤差分析及修正仿真試驗結(jié)果的可信度，取決于各種誤差特性，如果各類誤差的總和超出了系統(tǒng)的要求，仿真試驗就失去了意義。HILS微波暗室誤差主要包括：計算機系統(tǒng)誤差、目標系統(tǒng)控制誤差、近場效應(yīng)誤差、回轉(zhuǎn)中心不重合誤差、轉(zhuǎn)臺控制誤差、暗室誤差。 在系統(tǒng)仿真試驗結(jié)果分析中，一些誤差可以忽略不計；其余能夠補償或修正，由于篇幅關(guān)系，以下 回轉(zhuǎn)中心不重合誤差修正方法加以詳細說明。 如圖5所示，從被試末制導雷達天線口面測量目標視線角時(Radar-Targe LOS angular)，產(chǎn)生了視線角的測量誤差，該項誤差直接引入被試末制導雷達的制導回路，會導致脫靶量的變化，對于該項誤差必須進行修正。由于該項誤差是幾何誤差，計算方法如下（以一維為例）： 假定目標系統(tǒng)到轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心的距離為R，轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心到末制導雷達天線口面的距離為L，理論視線角為q，轉(zhuǎn)臺控制角為θ，經(jīng)修正后的實際視線角位置為qt，從圖5中可直接推導出： （1） 即在回轉(zhuǎn)中心不重合的情形下，需要經(jīng)過回轉(zhuǎn)中心修正，重新計算視線角。此誤差以視線角參數(shù)由彈道解算完成。 3視景驅(qū)動視景仿真軟件是基于Vega Prime平臺開發(fā)了戰(zhàn)場環(huán)境、作戰(zhàn)實體及電磁波抽象表現(xiàn)視景模型，實現(xiàn)了仿真過程可視化。本系統(tǒng)采用Multigen Creator構(gòu)建模型數(shù)據(jù)庫，采用的控制軟件是使用Visual C++7.1進行開發(fā)。在MFC中建立基于API應(yīng)用程序，首先要解決兩者之間的通信問題，采用多線程技術(shù)是目前最有效的辦法。MFC支持多線程應(yīng)用程序開發(fā)，并把線程分為兩類：用戶界面線程(User Interface Thread)和工作線程(Worker Thread)。在建立MFC框架時，系統(tǒng)自動為開啟了用戶界面線程，用以響應(yīng)用戶事件。此時可以將Vega Prime的主線程定義為MFC的工作線程。利用AfxBeginThread()函數(shù)開啟相應(yīng)的工作線程后，即可以添Vega Prime程序和消息循環(huán)。需要注意的是：在結(jié)束應(yīng)用程序之前必須要先結(jié)束該工作線程，否則會引起程序異常[8]。 Vega Prime工作線程的函數(shù)主要完成仿真環(huán)境的實時控制。 4應(yīng)用實例設(shè)置態(tài)勢并校驗全彈道模型及檢驗物理效應(yīng)設(shè)備的邊界合法性。態(tài)勢文件包括：當前環(huán)境溫度、風干擾、海情等自然環(huán)境，以及導彈發(fā)射位置與角度、主目標的初始位置和運動規(guī)律、干擾參數(shù)（發(fā)射時間、樣式、強度、頻率等）。 整個視景仿真由彈道仿真工作站、目標環(huán)境生成系統(tǒng)和SGI圖形工作站完成。試驗開始后，紅、藍雙方各作戰(zhàn)對象組件按預(yù)期實時運行。在大地坐標系下，紅方岸防部隊接預(yù)警通報，組織警戒搜索雷達進入對海防御部署。藍方艦艇按預(yù)定航路行進如圖6，當藍方艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)探測到紅方雷達信號時，開始對紅方實施有源干擾。紅方在預(yù)警和地面指控系統(tǒng)的引導下對藍方發(fā)射反艦導彈予以打擊，藍方對來襲導彈實施沖淡式箔條干擾。紅方反艦導彈進入自控段末端，末制導雷達開機，藍方組織實施質(zhì)心式箔條干擾；同時進行規(guī)避機動，紅方反艦導彈與藍方艦船交匯后，仿真過程結(jié)束。 本文針對基于制導武器的半實物仿真系統(tǒng)進行了研究。概述了仿真系統(tǒng)的框架組成，敘述了各主要仿真節(jié)點功能，給出了數(shù)據(jù)采集控制流程；詳細介紹了實時數(shù)據(jù)采集和傳輸、視景驅(qū)動的實現(xiàn)方法等關(guān)鍵技術(shù)問題。 展望未來，靶場還應(yīng)為滿足紅外成像制導武器的需要，加速發(fā)展紅外成像制導半實物仿真系統(tǒng)、滿足雷達尋的制導由微波向毫米波發(fā)展的需要，建設(shè)大型的毫米波仿真系統(tǒng)，另外也要在多模（微波/毫米波、微波/紅外）制導體制下仿真系統(tǒng)的開發(fā)上做深入的研究和開發(fā)工作。為適應(yīng)精確制導武器抗干擾的需要，大力發(fā)展仿真系統(tǒng)中干擾環(huán)境的建設(shè)。 |
