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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展,為了將不同功能、不同地點的仿真試驗設施進行聯網,組成分布式一體化的綜合仿真試驗室 (DIS)，仿真技術開始向仿真的高層體系結構(HLA)發展。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議。 我國軍用仿真技術的發展已有四十年的歷史。建成了射頻、紅外仿真系統服務于各類新型導彈，20世紀90年代我國開始對分布交互仿真、虛擬現實等先進仿真技術及其應用進行研究，由單個武器平臺的性能仿真發展為多武器平臺在作戰環境下的對抗仿真。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，但總的技術水平，特別是應用水平與發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進行了研究。概述了仿真系統的組成及功能，解決了數據采集傳輸等關鍵技術問題；并對系統性能進行了測試，實現了基于單發導彈、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仿真。 1 仿真暗室設備組成及功能 1.1 系統簡介適用于多種型號制導武器的半實物仿真微波暗室，由實時和以太雙網絡組成，將連接到網絡中的每臺計算機作為一個節點，以實現導彈空中姿態、目標環境特性模擬，全彈道數學模型解算等功能。就系統設計而言，導彈彈體、穩定控制系統、舵機和捷聯慣導組件等導彈控制系統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，并管理和控制回路中其它仿真節點協調有序工作。考慮其通用性和可擴展性，系統采用高性能通用計算機，配置多樣化的數據采集手段。 各仿真模塊接口與導彈實體相對應，使其適應多個型號的仿真試驗。全彈道半實物仿真微波暗室設備組成如圖1所示。 1.2 主要設備及功能制導武器半實物仿真暗室主要設備包括高性能通 用計算機，SGI圖形工作站，仿真接口控制柜等相關仿真設備。其中，實時網作用是為仿真試驗提供各設備間的高速通信鏈路，以滿足節點之間的實時數據交互要求。而全彈道數學仿真模型的準確性，戰場態勢設置的合理性，則需要在應用前加以驗證。以太網就是出于這種目的而設立，同時也被用于試驗準備階段的軟件開發，實現各節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，半實物仿真實時網絡采用基于VMIC-5565實時網卡的星型拓撲結構，通過冗余光纖Hub（VMIACC-5595）與各仿真設備相連。與環型結構相比，星型拓撲結構消除了單點失效、實現了故障隔離，通過對節點優先級的設置使其具有更小的延時[2]。 1）仿真主控計算機：是整個系統的管理和控制核心，具有仿真資源配置、仿真試驗前的態勢下發、全彈道仿真模型校驗、情報參數裝訂，仿真進程控制功能，同時完成實時網閉環前自檢、系統授時，對仿真節點的工作狀態進行監控； 2）三軸飛行轉臺：作用是把彈道解算計算機解算出的導彈姿態運動量,轉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變化； 3）目標環境生成系統：由射頻信號源分系統，陣列及饋電分系統組成。主要功能是在微波暗室內，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、動力學和控制系統模型，生成彈目相對距離、彈體姿態以及導彈位置等其它仿真設備的控制指令，協調有序的完成全系統半實物仿真。它既能用數學模型對制導武器系統進行數字仿真，又能和接入仿真回路的實物一起構成半實物仿真系統； 5）視景仿真計算機：在接近實戰的環境下，以導彈姿態、位置及彈目相對位置等信息為參數，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）數據采集傳輸系統：主要完成遠端被試導引頭的數據采集和測試操作，同時將采集到的制導信息，通過反射內存傳送給彈道解算計算機；并回傳控制指令實時控制導引頭工作狀態。 7）數據庫服務器：對系統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據進行實時記錄和存儲； 1.3 仿真軟件及功能操作系統：Windows2000 + 實時軟件包 ；系統總體開發平臺：Visual C++ 6.0；仿真建模軟件：YHSIM；三維視景軟件： Multigen Creator 3.0和專業可視化仿真軟件包完成Vega Prime 2.0；數據庫開發工具：SQL Sever 2005。 由于HILS的各仿真節點運行不同的仿真軟件用以實現不同的功能，為確保各節點之間數據通訊和仿真同步，仿真軟件總體上汲取windows操作系統消息、事件驅動的程序設計方法，采用客戶/服務器運行機制，服務器程序通過VMIC網絡向各仿真節點發送仿真驅動消息，并對各節點狀態消息查詢，驅動各客戶機節點控制軟件運行。仿真軟件從頂層設計角度出發，將各節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。在導彈閉環仿真試驗中，彈道解算計算機、目標環境生成系統、三軸飛行轉臺控制系統、數據傳輸系統執行同步機軟件運行機制[3]。 基于反射內存API動態鏈接庫技術是獨立于應用程序的分布式仿真系統應用程序接口。它是基于VMIC-5565內存通信協議的即時通信服務，與各仿真節點程序并行開發，自行調試，各節點應用程序以API的動態鏈接庫形式調用，程序之間無須進行通信調試。數據轉發依據查詢狀態位或發硬中斷方式實現，各節點仿真主程序不參與各類信息的網絡間傳輸。必須注意的是，對于每個節點上的反射內存，其地址是本地主機內存的一部分；通過內存映射機制，用戶對本地節點內存的讀寫相當于對網間各節點相同地址內存進行讀寫,從而實現了分布節點間的數據通信[4]。 因此，在控制關系明確的基礎上，彈道解算計算機與各節點之間的通信協議，包括傳輸參數、數據格式、VMIC內存地址分配等；都應采用相同的數據類型和數據結構，否則將引發內存地址沖突，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反射內存的實時網絡，全面確保了半實物仿真的實時性[5]。 2 半實物仿真系統關鍵技術 2.1 實時數據采集傳輸系統 2.1.1 系統總體設計及硬件配置數據采集和傳輸系統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計的。其主要功能是在末制導雷達閉環仿真試驗模式中，實時采集末制導雷達輸出的相關制導與指令信息，并通過VMIC實時網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送控制指令，實時控制末制導雷達的工作狀態。其組成如圖2所示。 為適應數字雷達導引頭的仿真試驗的需求，采集系統在原有的基礎上增加了串行數字量采集通道，該通道接口形式包括有：RS232、RS422、RS485；其與TTL電平相互轉換由信號調理模塊實現，離散量的采集、量化、編碼采用的是包括基于PCI總線的時統部件I/O控制卡。 串行數字量采集通道硬件部分主要由上、下位機構成，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,接收下位機的數據,并對數據進行分析和處理，實時地顯示控制變量的狀態。同時根據彈道解算控制信息，向下位機發送指令。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，同時根據上位機發出的控制指令控制導引頭執行相應的操作；上位機通過數字I/O控制板卡可擴展出m≤ 8個串口。采用VC++6.0環境下調用Windows API函數編程實現串口通信[6]。系統通過被稱為設備控制塊DCB 的數據結構對串行口和串口通信驅動程序進行配置串口設備屬性的配置由以下 API 函數完成: Setup2Comm() 設置串行通信端口的輸入和輸出緩沖區的大小;通過設備控制塊 DCB 修改和設置串口工作狀態的參數。 2.1.2 創建讀寫線程，實現串行通信如圖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據進行處理顯示以及各個子線程的調度和管理，讀線程負責讀取m個串口的數據，寫線程負責向需要控制的串口寫入數據。在實際應用中向串口寫人數據的操作只是有限的控制指令，所以寫線程在創建時即被掛起，當需要向串口發送數據時激活寫線程；寫操作完成后，即被掛起，以減少系統開銷，提高程序的執行效率[7]。 以下是用Windows API函數編寫的關鍵部分的代碼。 1）添加全局變量： HANDLE hCom[m]; DCB dcb[m]; HANDLE m_hThreadWrite; 2）創建讀寫線程： //創建讀線程 m_hThreadRead=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ ROUTINE)ThreadRead,NUEL,0,NULL); //創建寫線程 m_hThreadWrite=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ ROUTINE) 3）在讀寫線程函數中添加相應的處理信息： 首先在讀線程中調用CreateEvent函數創建一個事件,其次調用WaitCommEvent函數等待該窗口事件，當檢測到EV_RXCHAR事件發生時，再調用ReadFile函數將數據讀入緩沖區內，并進行顯示處理。因為寫線程創建的時候即被掛起，故要重新調用寫線程函數時，必須要先調用ResumeThread函數恢復線程，然后調用WfiteFile函數向串口寫入數據。當數據發送成功時，調用SuspendThread函數掛起寫線程。數據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，數據接收、數據顯示、發送數據三者同時執行，減少了系統的等待時間，使系統具有更好的實時性。在優先級的安排上，Windows系統Event(事件) 同步化機制，把數據采集及向反射內存發送代碼部分放入高優先級循環，而把數據存儲、上位機上運行控制部分放入較低循環內優化了軟件的實時性能，實現線程間同步。因與實時網通信，數據采集軟件通過調用和封裝與實時網通信API函數即可。此外,連接時還必須將實時網的庫rfmdll stdc.lib連接進去。 2.2 數據傳輸性能測試網絡實時性能指標測試包括： 1）反射內存節點之間的讀寫和傳輸時延； 2）采集節點反射內存與導引頭I/O接口間讀寫傳輸時延； 測試數據包由測試包和標志位兩部分組成。取要測試的兩節點為A和B，用以下兩種方法對A、B兩個節點之間的讀寫傳輸時間進行測試：首先，置計時標志“TA”，由節點A發送測試包，發送完后置讀寫標志位為“1”，節點B對讀寫標志位查詢為“1”時，開始讀取測試包，讀完后置讀寫標志位為“0”。當節點“A”查詢到讀寫標志位為“0”時，發送下一組數據包。完成讀寫操作N次后，置計時標志“TB”。則單次數據發送的平均時間為（TB-TA）/N。 測試結果表明，從數據寫入RAM到傳到另一個結點的反射內存卡上，只有不到400納秒的時延。滿足飛行仿真對網絡數據通信的高速、實時的要求。 彈道解算滯后數據采集傳輸只有1毫秒時間，由于彈道解算與數據采集同時進行。因此，數據采集計算機在制導回路的介入不會影響到制導回路系統實時性與同步性。 2.3系統誤差分析及修正仿真試驗結果的可信度，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：計算機系統誤差、目標系統控制誤差、近場效應誤差、回轉中心不重合誤差、轉臺控制誤差、暗室誤差。 在系統仿真試驗結果分析中，一些誤差可以忽略不計；其余能夠補償或修正，由于篇幅關系，以下 回轉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）： 假定目標系統到轉臺回轉中心的距離為R，轉臺回轉中心到末制導雷達天線口面的距離為L，理論視線角為q，轉臺控制角為θ，經修正后的實際視線角位置為qt，從圖5中可直接推導出： （1） 即在回轉中心不重合的情形下，需要經過回轉中心修正，重新計算視線角。此誤差以視線角參數由彈道解算完成。 3視景驅動視景仿真軟件是基于Vega Prime平臺開發了戰場環境、作戰實體及電磁波抽象表現視景模型，實現了仿真過程可視化。本系統采用Multigen Creator構建模型數據庫，采用的控制軟件是使用Visual C++7.1進行開發。在MFC中建立基于API應用程序，首先要解決兩者之間的通信問題，采用多線程技術是目前最有效的辦法。MFC支持多線程應用程序開發，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，系統自動為開啟了用戶界面線程，用以響應用戶事件。此時可以將Vega Prime的主線程定義為MFC的工作線程。利用AfxBeginThread()函數開啟相應的工作線程后，即可以添Vega Prime程序和消息循環。需要注意的是：在結束應用程序之前必須要先結束該工作線程，否則會引起程序異常[8]。 Vega Prime工作線程的函數主要完成仿真環境的實時控制。 4應用實例設置態勢并校驗全彈道模型及檢驗物理效應設備的邊界合法性。態勢文件包括：當前環境溫度、風干擾、海情等自然環境，以及導彈發射位置與角度、主目標的初始位置和運動規律、干擾參數（發射時間、樣式、強度、頻率等）。 整個視景仿真由彈道仿真工作站、目標環境生成系統和SGI圖形工作站完成。試驗開始后，紅、藍雙方各作戰對象組件按預期實時運行。在大地坐標系下，紅方岸防部隊接預警通報，組織警戒搜索雷達進入對海防御部署。藍方艦艇按預定航路行進如圖6，當藍方艦載電子戰系統探測到紅方雷達信號時，開始對紅方實施有源干擾。紅方在預警和地面指控系統的引導下對藍方發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，藍方組織實施質心式箔條干擾；同時進行規避機動，紅方反艦導彈與藍方艦船交匯后，仿真過程結束。 本文針對基于制導武器的半實物仿真系統進行了研究。概述了仿真系統的框架組成，敘述了各主要仿真節點功能，給出了數據采集控制流程；詳細介紹了實時數據采集和傳輸、視景驅動的實現方法等關鍵技術問題。 展望未來，靶場還應為滿足紅外成像制導武器的需要，加速發展紅外成像制導半實物仿真系統、滿足雷達尋的制導由微波向毫米波發展的需要，建設大型的毫米波仿真系統，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的開發上做深入的研究和開發工作。為適應精確制導武器抗干擾的需要，大力發展仿真系統中干擾環境的建設。 |
