劉一超1，李慧2
(1.空軍石家莊飛行學(xué)院 司令部，河北 石家莊 050000；2.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 人文學(xué)院，河北 石家莊 050000)
摘要：采用模塊化設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了基于高層體系結(jié)構(gòu)/運(yùn)行支撐環(huán)境(HLA/RTI)分布式協(xié)議的分布式機(jī)載武器仿真系統(tǒng)框架，具體介紹了各個(gè)模塊的功能、工作流程以及實(shí)現(xiàn)方法，形成了一套較為完整實(shí)用的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)解決方案。
關(guān)鍵詞：分布式；機(jī)載武器；仿真系統(tǒng)
中圖分類(lèi)號(hào)：V411.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.026
引用格式：劉一超，李慧.基于HLA的機(jī)載武器仿真系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（4）：87-89，93.
0引言
現(xiàn)代空中作戰(zhàn)對(duì)協(xié)同配合提出了更高的要求。單個(gè)的仿真系統(tǒng)很難再滿(mǎn)足實(shí)戰(zhàn)化模擬訓(xùn)練的各種需求，因此，分布式仿真成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)方向。從實(shí)用化角度開(kāi)展對(duì)分布式仿真系統(tǒng)的應(yīng)用研究并進(jìn)行驗(yàn)證，有著更為重要的意義。為了提高飛行射擊訓(xùn)練的實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練水平，結(jié)合在研項(xiàng)目，本文基于高層體系結(jié)構(gòu)（High Level Architecture,HLA）仿真標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)運(yùn)行支撐環(huán)境(RunTime Infrastructure，RTI)，提出了分布式機(jī)載武器仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，并就其各模塊的功能和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析研究和驗(yàn)證，形成了一套比較完整的解決方案，供同仁研究探討。
1環(huán)境平臺(tái)簡(jiǎn)介
1.1HLA/RTI
HLA是一種支持互操作和仿真模型重用的分布交互仿真標(biāo)準(zhǔn)，它在整個(gè)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)消息的分發(fā)和時(shí)間的同步推進(jìn)，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分布式交互操作的基礎(chǔ)。HLA通過(guò)RTI提供通用的、相對(duì)獨(dú)立的支撐服務(wù)程序，將仿真應(yīng)用同底層的支撐環(huán)境分開(kāi)，即將具體的仿真功能實(shí)現(xiàn)、仿真運(yùn)行管理和底層通信傳輸三者分離，各自的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)被隱藏，也就是說(shuō)，開(kāi)發(fā)者可以只專(zhuān)注于頂層的功能實(shí)現(xiàn)［1］。
RTI是HLA接口規(guī)范的具體實(shí)現(xiàn)，它是基于HLA仿真的核心部件。RTI的功能與分布式操作系統(tǒng)類(lèi)似，是HLA仿真應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和運(yùn)行的基礎(chǔ)。RTI的主要作用是為仿真應(yīng)用提供運(yùn)行管理功能，如仿真過(guò)程的開(kāi)始、暫停、回復(fù)、時(shí)間同步、仿真時(shí)鐘推進(jìn)等；提供底層通信傳輸服務(wù)，是具體的仿真功能實(shí)現(xiàn)、仿真運(yùn)行管理和底層通信傳輸三者分離的基礎(chǔ)［2］。RTI的原型系統(tǒng)由DMSO于1995年開(kāi)發(fā)，目前有不同組織開(kāi)發(fā)的多種版本的RTI。
BH RTI是北京航空航天大學(xué)研發(fā)的分布交互仿真開(kāi)發(fā)與運(yùn)行平臺(tái)中的運(yùn)行平臺(tái)部分。該平臺(tái)支持HLA 1.3和IEEE 1516標(biāo)準(zhǔn)，是支持分布交互仿真應(yīng)用開(kāi)發(fā)和高效運(yùn)行的軟件系統(tǒng)平臺(tái)，可應(yīng)用于視景仿真、模擬訓(xùn)練、城市仿真、工業(yè)設(shè)計(jì)、交互式游戲等應(yīng)用領(lǐng)域。BH RTI的接口功能涵蓋標(biāo)準(zhǔn)中定義的六類(lèi)管理服務(wù)(聯(lián)盟管理、聲明管理、對(duì)象管理、數(shù)據(jù)分發(fā)管理、所有權(quán)管理、時(shí)間管理) ［3］、支撐服務(wù)以及管理對(duì)象模型(MOM)。
1.2Multigen Creator和VegaPrime
Multigen Creator是Multigen-Paradigm公司針對(duì)可視化仿真的應(yīng)用特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的可視化三維建模軟件系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)中所有3D物體模型都是由它建立的。Creator實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行于高端SGI工作站和低端PC平臺(tái)的不同版本，因此可以適應(yīng)不同的硬件資源，給用戶(hù)提供一個(gè)“所見(jiàn)即所得”的交互式可視建模軟件環(huán)境。
Multigen Vega Prime是Multigen-Paradigm公司用于虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)視景仿真等可視化領(lǐng)域的應(yīng)用軟件工具，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了仿真視景，模擬空中射擊訓(xùn)練的真實(shí)環(huán)境。它包括不同平臺(tái)下統(tǒng)一的圖形環(huán)境界面、完整的基于C++的應(yīng)用程序接口API、豐富的相關(guān)實(shí)用庫(kù)函數(shù)和一批可選的功能模塊［4］。Vega Prime是基于線(xiàn)程的，模塊接口通過(guò)模塊類(lèi)調(diào)用，并且采用基于XML的ADF/ACF文件，因此執(zhí)行效率更高。
1.3基于DirectX 的下一代跨平臺(tái)體系結(jié)構(gòu) XNA
XNA(DirectX and Xbox Next-generation Architecture)是微軟開(kāi)發(fā)的三維圖形程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，本項(xiàng)目中主要用于飛機(jī)座艙儀表的實(shí)現(xiàn)。它以DirectX作底層支持，提供內(nèi)容導(dǎo)入、數(shù)據(jù)庫(kù)、輸入獲取、音視頻播放、網(wǎng)絡(luò)連接等常用工具。XNA是DirectX的替代者，相比后者，XNA的特點(diǎn)包括：運(yùn)行在.NET環(huán)境下；圖形程序設(shè)計(jì)、聲音效果、輸入設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)編程等所有功能集為一體；可編程流水線(xiàn)；通過(guò)素材管線(xiàn)(Content Pipeline)加載資源等。
以上三個(gè)技術(shù)平臺(tái)既相互依賴(lài)關(guān)聯(lián)又具有獨(dú)立性。HLA/RTI作為本項(xiàng)目核心的技術(shù)支撐，用于底層消息交互和時(shí)間同步推進(jìn)模塊的研發(fā)，它主要適用于構(gòu)建分布式交互仿真環(huán)境；Multigen Creator和Vega Prime則適用于三維仿真視景的構(gòu)建，通過(guò)接收、設(shè)置參數(shù)模擬空中射擊訓(xùn)練的真實(shí)環(huán)境；XNA基于DirectX且更加易用，因此適用于本系統(tǒng)飛機(jī)座艙儀表的仿真。三個(gè)技術(shù)平臺(tái)既可以專(zhuān)注于系統(tǒng)獨(dú)立模塊開(kāi)發(fā)，也可以通過(guò)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)成為一個(gè)有機(jī)整體。由于易于開(kāi)發(fā)、易于擴(kuò)展、性能穩(wěn)定，它們構(gòu)成了分布式仿真應(yīng)用系統(tǒng)的核心技術(shù)平臺(tái)。
2系統(tǒng)框架
為了實(shí)現(xiàn)分布式機(jī)載武器仿真系統(tǒng)，開(kāi)展射擊訓(xùn)練和對(duì)抗演練，提升訓(xùn)練的效益和安全性，設(shè)計(jì)了基于HLA/RTI分布式機(jī)載武器仿真系統(tǒng)框架。該系統(tǒng)框架由HLA/RTI分布式仿真平臺(tái)和盟員程序兩部分組成，如圖1所示。
本系統(tǒng)中，HLA/RTI采用結(jié)合中心服務(wù)節(jié)點(diǎn)的分布式交互體系結(jié)構(gòu)。其中，多個(gè)RTI系統(tǒng)作為RTI節(jié)點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)有一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的中心服務(wù)節(jié)點(diǎn)。RTI節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收和轉(zhuǎn)發(fā)盟員程序交互所需要的數(shù)據(jù)，主要是目標(biāo)機(jī)的位置、姿態(tài)等信息，它是系統(tǒng)最基本的數(shù)據(jù)交互管理單位。RTI節(jié)點(diǎn)之間使用RTIRTI交互協(xié)議進(jìn)行通信，它們的關(guān)系是平等的。中心服務(wù)節(jié)點(diǎn)管理多個(gè)RTI節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)分布式系統(tǒng)中全局?jǐn)?shù)據(jù)的處理，是底層數(shù)據(jù)通信的協(xié)調(diào)中心，它通過(guò)RTICS交互協(xié)議與RTI節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信［5］。各主機(jī)上獨(dú)立運(yùn)行的RTI節(jié)點(diǎn)對(duì)于盟員程序來(lái)說(shuō)像一個(gè)集中服務(wù)器一樣，同時(shí)各盟員程序之間可以實(shí)現(xiàn)互操作。
基于該框架實(shí)現(xiàn)的仿真系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)對(duì)空對(duì)地射擊訓(xùn)練、成績(jī)?cè)u(píng)定，而且可以通過(guò)聯(lián)網(wǎng)將分布于不同空間的多臺(tái)單機(jī)融合到一個(gè)場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)不同飛行員之間聯(lián)網(wǎng)對(duì)抗，模擬實(shí)戰(zhàn)。
2.1聯(lián)邦的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)
聯(lián)邦是指參與信息交互的實(shí)體和它們所處的同一場(chǎng)景環(huán)境構(gòu)成的集合體。每架戰(zhàn)機(jī)作為一個(gè)參與信息交互的實(shí)體，是一個(gè)聯(lián)邦成員。本機(jī)訂閱并動(dòng)態(tài)接收其他戰(zhàn)機(jī)的名稱(chēng)和實(shí)時(shí)坐標(biāo)、姿態(tài)，進(jìn)而顯示在本機(jī)的視景中進(jìn)行瞄準(zhǔn)射擊，同時(shí)本機(jī)更新發(fā)布自身的名稱(chēng)和實(shí)時(shí)坐標(biāo)、姿態(tài)。這些交互的數(shù)據(jù)既可以通過(guò)更新/反映對(duì)象類(lèi)屬性值來(lái)完成，也可以通過(guò)發(fā)送/接收交互實(shí)例來(lái)實(shí)現(xiàn)［6］。由于交互類(lèi)不具有持續(xù)性，本系統(tǒng)選用對(duì)象類(lèi)進(jìn)行成員間的互操作。HLA/RTI在一個(gè)通用的聯(lián)盟對(duì)象模型文件(FED文件)中定義了對(duì)象類(lèi)和交互類(lèi)，以下是FED文件片段。
user object classes here
(class Aircraft
(attribute Name reliable timestamp)
(attribute Poszd reliable timestamp)
(attribute Poshp reliable timestamp)
(attribute Posxd reliable timestamp)
(attribute Thet reliable timestamp)
(attribute Psi reliable timestamp)
(attribute Gama reliable timestamp)
)
聯(lián)邦成員的底層擁有相同的運(yùn)行流程，如圖2所示。
通過(guò)以上實(shí)現(xiàn)，每個(gè)單機(jī)實(shí)體可以首先作為一個(gè)成員加入到聯(lián)邦中，然后聲明自己要接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)，在將這些感興趣的數(shù)據(jù)集合為一個(gè)對(duì)象并在聯(lián)邦環(huán)境中注冊(cè)后，圖2運(yùn)行流程圖就可以進(jìn)行消息循環(huán)了。隨著時(shí)間推進(jìn)，每個(gè)單機(jī)實(shí)體實(shí)時(shí)發(fā)布數(shù)據(jù)、接收訂閱信息并據(jù)此更新?tīng)顟B(tài)。即每個(gè)單機(jī)實(shí)體可以同步地推進(jìn)時(shí)間和交互信息，它們感知的是同一個(gè)世界。
2.2飛行子系統(tǒng)
飛行子系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)空氣動(dòng)力特性進(jìn)行仿真，解算飛機(jī)的六自由度非線(xiàn)性全量運(yùn)動(dòng)方程，獲取飛機(jī)的位置、姿態(tài)、角速度、速度等飛行參數(shù)［7］，并將這些參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輸出到其他子系統(tǒng)。
本系統(tǒng)首先使用數(shù)據(jù)采集模塊采集輸入座艙控制電門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，操縱系統(tǒng)的操縱面位置(即舵偏角)、液壓系統(tǒng)的襟翼、起落架狀態(tài)和油門(mén)桿的位置。通過(guò)判斷座艙電門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)決定啟動(dòng)或者停車(chē)。若發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)成功，發(fā)動(dòng)機(jī)模塊根據(jù)采集的油門(mén)桿位置查表插值得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、推力以及耗油率，氣動(dòng)系數(shù)模塊則根據(jù)舵偏角、襟翼和起落架的狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)方程模塊反饋的飛行參數(shù)(馬赫數(shù)、高度、迎角、側(cè)滑角等)查表插值取得飛機(jī)的氣動(dòng)系數(shù)、氣動(dòng)力和力矩。另外，起落架力和力矩模塊根據(jù)飛機(jī)飛行狀態(tài)和姿態(tài)、剎車(chē)壓力等計(jì)算起落架力和力矩。最終，運(yùn)動(dòng)方程模塊根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)推力、啟動(dòng)力/力矩、自身質(zhì)量特性、反饋的起落架力/力矩以及系統(tǒng)接收的控制臺(tái)設(shè)定的環(huán)境參數(shù)(紊流、風(fēng)和大氣等)積分解算六自由度非線(xiàn)性全量運(yùn)動(dòng)方程。解算得到的飛機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到視景子系統(tǒng)、火控子系統(tǒng)、儀表音響子系統(tǒng)以及訂閱了這些值的其他盟員程序。
為了滿(mǎn)足方程解算實(shí)時(shí)性的要求(本系統(tǒng)設(shè)定每個(gè)循環(huán)周期為10 ms)，使用了多媒體計(jì)時(shí)器服務(wù)。使用該服務(wù)，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)高分辨率計(jì)時(shí)的需求，最小分辨率為1 ms。多功能USB數(shù)據(jù)采集卡的采集周期超過(guò)了10 ms，本系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集創(chuàng)建了新的線(xiàn)程。主要代碼如下。
timeGetDevCaps(tmcap，sizeof(LPTIMECAPS))；
timeBeginPeriod(1)；
timeEndPeriod(1)；
…
HANDLE hThread=::CreateThread(NULL，0，RWdatacard，NULL，0，NULL)；
CloseHandle(hThread)；
飛行方程解算屬于計(jì)算密集型的應(yīng)用，實(shí)時(shí)性要求高。對(duì)于Windows系統(tǒng)，一般每個(gè)線(xiàn)程的時(shí)間片耗時(shí)是不穩(wěn)定的，在15 ms左右變動(dòng)，這難以滿(mǎn)足時(shí)間要求。通過(guò)使用多媒體定時(shí)器，能夠保證每個(gè)計(jì)算周期的耗時(shí)恒定為10 ms。解算時(shí)間的恒定可控使飛機(jī)在視景中的運(yùn)動(dòng)更為平滑。
2.3視景子系統(tǒng)
視景子系統(tǒng)提供仿真系統(tǒng)外部動(dòng)態(tài)視覺(jué)
景觀的模擬，為使用者建立一個(gè)逼真的視覺(jué)環(huán)境。視景子系統(tǒng)根據(jù)飛行子系統(tǒng)和火控子系統(tǒng)傳遞的數(shù)據(jù)，精確模擬飛行區(qū)域天空(太陽(yáng)、月亮、云層)、地物地貌、飛行區(qū)域景觀、射擊作戰(zhàn)對(duì)象、瞄準(zhǔn)具以及射擊效果顯示等視景，提供動(dòng)態(tài)視覺(jué)場(chǎng)景，使能夠通過(guò)視景判斷飛行狀態(tài)(正常或非正常)、位置、姿態(tài)、戰(zhàn)術(shù)信息、目標(biāo)信息等。
視景子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程主要包括三步。首先，使用Creator或者其他3D模型軟件制作視景數(shù)據(jù)庫(kù)，如機(jī)場(chǎng)模型庫(kù)、目標(biāo)模型庫(kù)(每種目標(biāo)模型建有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、毀損狀態(tài))、地形數(shù)據(jù)庫(kù)以及特殊效果庫(kù)(燃燒、粉塵、碎片等效果)等；第二步，在LynX Prime中調(diào)入.flt模型，完成基本環(huán)境設(shè)置、特效設(shè)置，從而完成.acf文件的配置；最后，在Visual Stdio 2005編程環(huán)境中設(shè)計(jì)視景仿真程序，直接調(diào)用Vega Prime的API函數(shù)，利用接收的仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)整個(gè)場(chǎng)景。
VP的工作流程為初始化—定義—配置—幀循環(huán)—關(guān)閉，可以劃分為靜態(tài)工作和動(dòng)態(tài)循環(huán)兩個(gè)階段。如圖3所示。
系統(tǒng)初始化vp::initialize()完成的工作包括檢查許可證和初始化靜態(tài)變量、單模式類(lèi)、內(nèi)存分配器、渲染函數(shù)庫(kù)、ACF解析器、模塊接口、核圖3視景子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程心類(lèi)等。接著，通過(guò)代碼或者將ACF文件傳遞給define()方法在系統(tǒng)定義中創(chuàng)建類(lèi)實(shí)例并進(jìn)行初始化。系統(tǒng)定義后，在配置階段設(shè)置多線(xiàn)程模式、線(xiàn)程優(yōu)先和分配器分配等，同時(shí)建立基于附加消息的類(lèi)實(shí)例之間的關(guān)系。在幀循環(huán)階段，動(dòng)態(tài)循環(huán)場(chǎng)景的刷新和渲染。最后關(guān)閉系統(tǒng)，需要使用核心類(lèi)分配的內(nèi)存、調(diào)用模塊的關(guān)閉方法清理內(nèi)存、結(jié)束同步線(xiàn)
程以及向許可證服務(wù)器返回許可證。
2.4火控子系統(tǒng)
火控子系統(tǒng)負(fù)責(zé)火控工作狀態(tài)解算、瞄準(zhǔn)解算、外掛處理、武器彈道解算等，模擬武器使用的控制流程，并對(duì)武器的攻擊效果進(jìn)行效能評(píng)估，分為7個(gè)模塊，如圖4所示。
中央解算模塊負(fù)責(zé)火控系統(tǒng)工作狀態(tài)的處理，對(duì)瞄準(zhǔn)具、軍械綜合顯示器的狀態(tài)進(jìn)行控制，進(jìn)行武器的瞄準(zhǔn)解算，確定瞄準(zhǔn)光環(huán)的位置。彈道解算模塊分別建立航炮、火箭和炸彈的彈道方程，解算出炮彈的彈道軌跡。武器外掛處理模塊負(fù)責(zé)武器掛點(diǎn)選擇邏輯狀態(tài)的分析，確定所選武器的工作狀態(tài)，根據(jù)采集的武器裝配數(shù)據(jù)和發(fā)射狀態(tài)計(jì)算武器發(fā)射類(lèi)型及數(shù)量。效能分析模塊對(duì)放射/投放武器的毀傷效果進(jìn)行分析處理，進(jìn)行效能評(píng)估，其結(jié)果傳輸至控制臺(tái)顯示。數(shù)據(jù)交互處理模塊負(fù)責(zé)火控子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的信息交互，包括對(duì)火控相關(guān)電門(mén)的數(shù)據(jù)采集和飛行參數(shù)的接收。顯示模塊負(fù)責(zé)瞄準(zhǔn)具顯示器和軍械綜合顯示器的信息顯示。多功能邏輯分析模塊完成火控配置狀態(tài)判斷，并結(jié)合中央解算模塊的解算結(jié)果控制結(jié)果信息的顯示。
2.5儀表與音響子系統(tǒng)
儀表與音響子系統(tǒng)應(yīng)用XNA框架，在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示飛機(jī)座艙的虛擬儀表，并模擬飛行設(shè)計(jì)訓(xùn)練中的各種音響特效。儀表與音響子系統(tǒng)接收飛行子系統(tǒng)發(fā)送的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)而控制儀表指針的轉(zhuǎn)動(dòng)，并發(fā)出聲音。本子系統(tǒng)的難點(diǎn)在于實(shí)物建模的準(zhǔn)確性。另外，為了模擬真實(shí)機(jī)械儀表指針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的慣性作用，采用了累加求和取平均值的方法。
3結(jié)論
基于HLA/RTI分布式協(xié)議的分布式機(jī)載武器仿真系統(tǒng)框架，采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，明晰了設(shè)計(jì)思路，給出了具體的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了各技術(shù)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)無(wú)縫連接，構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)完整的分布式仿真系統(tǒng)的實(shí)用解決方案。該方案在本項(xiàng)目的研發(fā)過(guò)程中進(jìn)行了多次優(yōu)化，并通過(guò)了實(shí)踐驗(yàn)證，為類(lèi)似系統(tǒng)的研發(fā)提供了一個(gè)具體的成功范例，也為今后項(xiàng)目拓展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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