某型飛機機載武器管理仿真系統(tǒng)

肖樹臣， 陳秀健， 陳 萃， 劉 凡

(空軍航空大學，長春 130022)

0 引言

飛機機載武器管理系統(tǒng)進行實裝訓練會造成機載電子設備使用壽命縮短，同時訓練時機受天氣影響比較大，不利于飛機設備的長期使用。基于實裝訓練的缺點，現(xiàn)在各個國家都在積極開發(fā)各種系統(tǒng)的地面模擬器，美國在仿真領域保持領先地位。相對于實裝訓練，模擬訓練具有安全、經濟、可控、可多次重復、無風險不受氣候條件和場地空間限制、既能常規(guī)操作訓練，又能培訓處理各種故障(包括災難性故障)的應變能力以及訓練的高效率、高效益等獨特優(yōu)勢。結合飛機機載武器管理系統(tǒng)分布性、重用性、交互性的特點和模擬器的設計要求，利用HLA仿真的聯(lián)邦成員之間的互操作性和仿真模型與部件的重用，設計了基于HLA機載武器管理仿真系統(tǒng)。

1HLA

美國國防部于1995年發(fā)布了建模與仿真主計劃(M＆S Master Plan，MSMP)，決定在國防部范圍內建立一個通用的仿真技術框架來保證國防部范圍內的各種仿真應用之間的互操作性。技術框架的核心是高層體系結構(High Level Architecture，HLA)。HLA在1996年8月完成基礎定義，隨后被北約各國采納，并于2000年9月被IEEE接受為標準。美國國防部規(guī)定2001年后所有國防部門的仿真必須與HLA相容。

HLA充分利用了交互仿真部件之間的互操作性和部件個體的可重用性。DMSO HLA 1.3規(guī)范主要由3部分組成:HLA規(guī)則(HLA Rules);HLA接口規(guī)范(Interface Specification);HLA對象模型模板(Object Model Template，OMT)［1－4］。

HLA規(guī)則共有10條，前5條規(guī)定聯(lián)邦必須滿足的要求，后 5條規(guī)定聯(lián)邦成員必須滿足的要求［5－6］。HLA接口規(guī)范定義了聯(lián)邦在運行過程中，支持聯(lián)邦成員之間互操作的標準服務。這些服務分為6大類，即聯(lián)邦管理服務、聲明管理服務、對象管理服務、時間管理服務、所有權管理服務和數(shù)據(jù)分發(fā)管理服務。HLA OMT定義了兩類對象模型:1)聯(lián)邦對象模型(FOM);2)聯(lián)邦成員的成員對象模型(SOM)。

2 基于HLA的武器管理系統(tǒng)總體設計方案

2.1 系統(tǒng)研制目標

系統(tǒng)旨在建立一個可視化的，具有交互性和重用性強的某型飛機機載武器管理系統(tǒng)的分布式仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)模擬該機機載武器真實的發(fā)射控制流程，用于對空軍飛行人員和地面人員訓練使用。達到使訓練人員快速熟悉武器系統(tǒng)的操作流程，并且能夠設置故障，讓操作人員將來能夠在真實設備上快速排故，提高快速反應能力和整體戰(zhàn)斗力。

2.2 仿真系統(tǒng)設計要求

1)具有良好的互操作性和可擴充性，為以后該型飛機其他仿真系統(tǒng)(如:飛機發(fā)動機系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng))的接入留有接口并做好準備，方便其他聯(lián)邦成員的設計和進行系統(tǒng)升級。

2)具有分布性，各個子系統(tǒng)要相對獨立，可以進行單獨開發(fā)和操作，具備與真實設備相同的控制顯示功能。

3)具有良好的實時性，系統(tǒng)連接真實的武器設備，要求控制指令與反饋操作實時性好，模擬真實武器發(fā)射控制。

4)具有逼真的可視化效果，具有友好的人機交互界面，武器發(fā)射形象逼真。

5)具有良好的可靠性、可維護性，方便操作人員使用維護，具有很高的可利用率［7］。

2.3 系統(tǒng)總體設計

高層體系結構HLA代表著未來分布式交互仿真的發(fā)展方向，其宗旨是提高仿真系統(tǒng)之間的可重用性和互操作性，以利于仿真系統(tǒng)的重構。而HLA只是一種軟件體系結構，不是軟件實現(xiàn)，真正的實現(xiàn)是運行支撐環(huán)境RTI(Run Time Infrastructure)。RTI負責底層的信息通訊，使仿真應用與底層通訊相分離，便于各個聯(lián)邦成員的單獨開發(fā)，使得仿真系統(tǒng)開發(fā)效率大大提高，它在仿真執(zhí)行過程中負責聯(lián)邦成員間的信息交換，包括了運行庫函數(shù)。

通過對該仿真系統(tǒng)的分析研究，將該系統(tǒng)劃分為4個聯(lián)邦成員，分別是仿真控制聯(lián)邦成員、座艙顯示控制聯(lián)邦成員、機載武器聯(lián)邦成員、視景仿真聯(lián)邦成員。4大聯(lián)邦成員的模型和功能如下。

1)仿真控制聯(lián)邦成員。對仿真初始狀態(tài)進行設定，運行RTI創(chuàng)建聯(lián)邦，機載武器的選擇和掛載方案的設定，并且負責整個仿真過程的開始和結束。

2)座艙顯示控制聯(lián)邦成員。模擬真實駕駛員座艙，為操作員提供與真實飛機相同的、并且與真實武器控制面板相同的操作按鈕和控制面板，主要用于提供對機載武器進行控制的一切控制信息，控制武器的選擇和投放。座艙顯示控制聯(lián)邦成員用GL Studio制作，仿真效果如圖1所示。

圖1 座艙顯示控制Fig.1 Cabin display control

3)機載武器聯(lián)邦成員。真實的機載武器實體，可掛載炸彈、火箭彈和導彈，主要是在地面對機載武器進行充填裝載，模擬真實飛機武器的掛載。

4)視景仿真聯(lián)邦成員。對裝載的機載武器進行逼真顯示，主要模擬武器從飛機上的投放過程，使仿真更具生動性。

基于HLA的體系結構要求和RTI的運行支撐環(huán)境，系統(tǒng)的總體結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結構Fig.2 The structure of system

3 聯(lián)邦建模開發(fā)

3.1 系統(tǒng)想定

仿真控制聯(lián)邦成員對系統(tǒng)進行初始裝訂，當模型飛機遭遇敵機時或轟炸地面目標時，操作人員通過操作模擬座艙仿真面板產生武器控制信號，通過通信系統(tǒng)，控制信號傳給機載武器聯(lián)邦成員，武器系統(tǒng)做出響應的投射響應，然后該響應傳給座艙顯示控制聯(lián)邦成員和視景仿真聯(lián)邦成員，顯示武器已經投放。

3.2FOM/SOM 設計

FOM和SOM的設計通常在系統(tǒng)設計之前完成，它們是聯(lián)邦運行的基礎。FOM/SOM設計的好壞直接影響著系統(tǒng)運行的效率和好壞，如果FOM中對象類結構劃分不合理，將使聯(lián)邦應用的重用性不好、整個仿真系統(tǒng)不易重構，如果FOM中冗余信息多，則會導致聯(lián)邦成員編程復雜度提高、網絡通信量增大、時延增加等不良后果。

FOM(聯(lián)邦對象模型)的主要目的是提供聯(lián)邦成員之間用共用的、標準化的格式進行數(shù)據(jù)交換的規(guī)范，描述仿真聯(lián)邦的聯(lián)邦對象模型在仿真運行過程中將參與聯(lián)邦成員信息交換的對象類、對象類屬性、交互類、交互參數(shù)的特性［8］。HLA SOM(成員對象模型)是單一聯(lián)邦成員的對象模型，它描述了聯(lián)邦成員可以對外公布或需要訂購的對象類、對象類屬性、交互類、交互參數(shù)的特性，這些特性反映了成員在參與聯(lián)邦運行時所具有的能力。

在眾多的FOM和SOM設計方法中，基于面向對象(OOAD)的設計方法是最適合的，基于面向對象的FOM/SOM 設計方法一般步驟［9－11］如下。

1)確定聯(lián)邦執(zhí)行中的實體類型和事件響應。機載武器管理仿真系統(tǒng)中的實體由仿真控制平臺、座艙顯示控制平臺、機載武器管理平臺和視景仿真平臺組成。所發(fā)生的事件響應有武器初始狀態(tài)裝訂、操作員發(fā)射武器控制指令、武器狀態(tài)傳遞、目標狀態(tài)傳遞等。

2)分析仿真任務，確定聯(lián)邦成員及其仿真中的實體類型。根據(jù)分析結果，將聯(lián)邦執(zhí)行中所要完成的任務以及各個聯(lián)邦成員所要進行的仿真實體和所要完成的任務進行分解和剖析。

3)確定FOM中的對象類和交互類。根據(jù)聯(lián)邦概念模型和劇情模型，確定聯(lián)邦中的對象類和交互類。

4)確定對象類屬性和交互類參數(shù)的特性。

5)生成SOM表確定SOM中每個對象類的屬性和每個交互類的參數(shù)，綜合SOM，生成FOM。

開發(fā)FOM和SOM可采用OMDT軟件。OMDT是一種專門用于開發(fā)HLA的FOM和SOM的對象類和交互類以及其屬性的開發(fā)軟件，可以生成“.fed”文件，作為RTI識別聯(lián)邦交互數(shù)據(jù)信息的基礎。OMDT便于模型的建立、修改、生成和管理，便于對已開發(fā)的仿真資源的再利用，能夠促使建模走向標準化。根據(jù)對仿真系統(tǒng)的分析，系統(tǒng)中的對象類有仿真控制面板、機載武器類、武器控制面板、視景仿真界面;子類有武器狀態(tài)類、掛載武器類型、武器選擇按鈕、武器投放開關、總電門控制開關、單連投按鈕等。具體如表1所示。

表1 對象類SOM表Table 1 SOM table of object class

交互信息主要說明了相互關聯(lián)的聯(lián)邦成員發(fā)出了什么控制指令，正在做什么，已經做過什么以及仿真過程推進到什么階段，以此維護聯(lián)邦成員之間操作一致性和時空一致性［12］。交互類有:武器選擇交互、武器投放交互。

SOM的公布/訂購關系如表2所示，P代表公布(Publish)、S代表訂購(Subscribe)。

表2 SOM公布/訂購關系Table 2 SOM Publish(P)/Subscribe(S)

4 仿真系統(tǒng)的程序實現(xiàn)

RTI運行時，需要兩個配置文件:一個是聯(lián)邦執(zhí)行數(shù)據(jù)執(zhí)行文件(Federation Execution Date，F(xiàn)ED)，F(xiàn)ED文件由OMDT產生;另一個是RTI初始化文件(RTI Initialization Data，RID)。FED文件包含了來源于FOM中的信息，包括聯(lián)邦中各個聯(lián)邦成員的對象類、交互類、對象類屬性、交互類參數(shù)和路徑空間等數(shù)據(jù)結構信息。在使用“Create Federation Execution”服務時，需要指定FED文件所在的路徑和文件名。當調用“Create Federation Execution”服務后，F(xiàn)ED文件中的信息被讀取、解析，并存儲在一個內部數(shù)據(jù)庫中［13］。

RTI主要由RTI全局執(zhí)行進程RtiExec、聯(lián)邦執(zhí)行進程FedExec、LibRTI庫組成。RtiExec是一個全局進程，主要功能是管理聯(lián)邦的創(chuàng)建、結束以及管理多個不同的聯(lián)邦。FedExec管理聯(lián)邦成員的加入與退出。LibRTI是一個接口函數(shù)庫，它為開發(fā)者提供HLA接口規(guī)范中所描述的服務，該庫包括兩個主要類:RTIambassador(RTI大使)和 FederateAmbassdor(聯(lián)邦成員大使)［14］。

圖3 系統(tǒng)主仿真流程圖Fig.3 Flow chart of main simulation system

仿真主代碼如下

5 結論

以飛機機載武器管理系統(tǒng)為開發(fā)對象，開發(fā)了一套基于HLA的某型飛機機載武器管理仿真系統(tǒng)，本系統(tǒng)以HLA作為分布式仿真軟件體系結構。對系統(tǒng)進行了分析和設計，設計了仿真系統(tǒng)4個聯(lián)邦成員，對成員進行了深入剖析。開發(fā)了基于聯(lián)邦成員的聯(lián)邦對象模型和仿真對象模型，設計了對象類和交互類，給出了仿真流程圖，簡單設計了流程代碼。進一步需要做的工作是完善聯(lián)邦模塊，使仿真趨于實際化，加深研究仿真的時間推進機制，提高仿真的時效性和逼真度。

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