基于雷達系統(tǒng)分布交互式視景仿真系統(tǒng)研究

糜小兵 朱 峰 孟獻軻

(中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007)

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基于雷達系統(tǒng)分布交互式視景仿真系統(tǒng)研究

糜小兵 朱 峰 孟獻軻

(中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007)

該仿真技術(shù)從單機平臺到基于HLA的分布式交互仿真,視景仿真在這些仿真技術(shù)平臺上在軍事、科學研究、建筑等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在雷達系統(tǒng)越發(fā)復(fù)雜、設(shè)備成本越發(fā)高昂的今天,采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對雷達系統(tǒng)進行測試、訓練與研究,不但可以全面提高效率,也可以有效降低成本,對雷達系統(tǒng)測試、評估等方面都有良好的輔助作用。

分布式交互仿真; HLA; 視景防真; 分布式

Class Number TP391

1 引言

伴隨仿真技術(shù)的發(fā)展,從單機平臺到SIMNET(Simulation Network)再到目前的基于HLA(High Level Architecture)的分布式交互仿真(Distributed Ineractive Simulation,DIS),視景仿真也在這些仿真技術(shù)平臺上在軍事、科學研究、建筑等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用,分步式交互是視景仿真的重要發(fā)展方向[1]。在雷達系統(tǒng)越發(fā)復(fù)雜、設(shè)備成本越發(fā)高昂的今天,采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對雷達系統(tǒng)進行測試、訓練與研究,不但可以全面提高效率,也可以有效降低成本[2]。

2 DIS和HLA概述

DIS是指以計算機網(wǎng)絡(luò)為支撐,利用網(wǎng)絡(luò)將分步在不同地理位置的不同類型的仿真模塊聯(lián)結(jié)統(tǒng)一起來,通過模塊間的實時數(shù)據(jù)通信構(gòu)成一個時空一致的大范圍以及多參與者協(xié)同作用的復(fù)雜綜合性仿真環(huán)境[3]。DIS是通過網(wǎng)絡(luò)來進行模塊通信,其通信協(xié)議主要遵循于IEEE標準、ISO標準、Internet標準[4]。由于DIS不能支持大規(guī)模的仿真,因此需要新的技術(shù)框架來擴展,于是MSMP(M&S Master Plan)應(yīng)運而生,而HLA是MSMP的核心內(nèi)容,是從體系結(jié)構(gòu)上對DIS不足之處進行完善,從而滿足分步式仿真的可重用和交互操作的需要[5]?；贖LA框架的仿真系統(tǒng),不把具體的仿真應(yīng)用和聯(lián)邦成員的構(gòu)建作為其重點,而是強調(diào)在已用的聯(lián)邦成員之間如何實現(xiàn)相互操作從而組成一個聯(lián)邦,這樣既可以把應(yīng)用層和底層的支撐系統(tǒng)分離開來,又可以能夠?qū)ο到y(tǒng)進行擴展和模塊能夠相互獨立的開發(fā)[6]。

3 聯(lián)邦仿真系統(tǒng)模型

本文的視景仿真基于HLA[7]的分布交互式,在整個仿真系統(tǒng)中,每個聯(lián)邦成員各自使用一臺計算機作為仿真節(jié)點,整個仿真系統(tǒng)的通信在局域網(wǎng)中進行。仿真系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 仿真模型結(jié)構(gòu)圖

將整個仿真任務(wù)分布式分解后,按照主要功能分為以下幾個聯(lián)邦節(jié)點:主控、平臺、發(fā)射與回波、接收和信號處理。

1) 主控:對整個仿真流程進行推進和控制。主控節(jié)點擔負著初始化仿真參數(shù)的設(shè)置,同過交互界面輸入雷達參數(shù)、信噪比、雷達觀測范圍、PRF等。

2) 平臺:主要是利用Vega軟件加載Creator所創(chuàng)建的該型雷達和目標模型數(shù)據(jù)庫,進行視景仿真演示。仿真中所演示的雷達和目標位置,目標的飛行方向、飛行速度等初始參數(shù),由主控節(jié)點設(shè)置的參數(shù)提供。

3) 發(fā)射與回波:根據(jù)該型雷達的發(fā)射信號類型、發(fā)射方向圖調(diào)制方式、雷達功率等參數(shù)生成發(fā)射信號,并根據(jù)當前目標與雷達的相對位置計算各個通路的延遲和增益,最后得到回波信號序列。同時,該節(jié)點還包括噪聲和雜波的生成,并將噪聲序列和雜波序列疊加到回波序列中,然后再發(fā)送到下一個節(jié)點。

4) 接收節(jié)點:模擬雷達對回波數(shù)據(jù)的接收。由于本文內(nèi)容涉及的仿真沒有加入干擾機節(jié)點,因此接收節(jié)點只對回波數(shù)據(jù)進行了接收而沒有其他的工作。若加入了干擾機節(jié)點,則接收節(jié)點負責回波和干擾序列的疊加,并將完整的回波信號序列儲存在文件中。

5) 信號處理:該節(jié)點是對前面幾個節(jié)點產(chǎn)生的回波信號進行處理。信號處理的結(jié)果根據(jù)所仿真雷達的具體功能和參數(shù)來決定。例如,本文所仿真的雷達需要利用每個發(fā)射脈沖的回波信號序列組成的矩陣進行處理,進行動目標檢測,以及檢測到目標以后的角度定位和速度測量。

4 仿真目標及框架設(shè)計

視景仿真平臺在基于HLA架構(gòu)下,主要完成把利用Vega API加載Creator創(chuàng)建的模型數(shù)據(jù)庫完成各種雷達場景中模擬演示,比如雷達工作狀態(tài)、飛機朝雷達飛行、視點的切換,多通道同時顯示雷達和飛行目標等,把飛機的數(shù)據(jù)傳遞給回波計算平臺。在HLA的框架下,對于視景仿真平臺整個框架可以設(shè)計成三大部分:聯(lián)邦通信與數(shù)據(jù)處理、雷達場景和飛行目標建模、視景仿真驅(qū)動。如圖2所示。

圖2 視景防真框架設(shè)計

從圖2可知,視景仿真模塊主要和主控平臺和回波計算平臺數(shù)據(jù)通信,具體是視景仿真模塊從主控平臺獲取要調(diào)入的飛機的型號、速度、初始位置和姿態(tài),其中飛機的型號以從模型數(shù)據(jù)庫中查詢并加載,然后在仿真過程中把飛機改變后的位置和姿態(tài)傳遞給回波計算平臺,這樣協(xié)同工作,與其它聯(lián)邦成員共同完成整個仿真任務(wù),其程序流程圖3所示。

圖3 程序流程圖

5 系統(tǒng)測試及視景仿真效果

整個仿真系統(tǒng)由pRTI為支撐以及相關(guān)的軟件為輔助,遵循HLA架構(gòu),其仿真節(jié)點由六臺性能強大的圖形工作站組成硬件平臺,其硬件平臺和軟件環(huán)境分別如表1和表2所示。

表1 仿真節(jié)點硬件參數(shù)

表2 仿真系統(tǒng)的軟件環(huán)境

在視景仿真應(yīng)用中,操作者可以根據(jù)仿真需求來切換視點,只有進入到視點范圍內(nèi)的場景、實體模型及環(huán)境特效才能被顯示出來,其它部分將被裁減掉[8]。所以視點的管理在視景仿真中起著非常重要的作用。視點在視景仿真中代表著人眼或攝像機的作用[9]。在視景仿真實現(xiàn)中是以vgObserver為代表實現(xiàn)的,它用來定位、管理、渲染一個通道列表[10]。圖4和圖5為飛機不同的視點演示。

圖4 飛機右視圖

圖5 飛機前視圖

多通道視圖展現(xiàn)飛機在雷達的遠距離處和當飛機和雷達在同一視點內(nèi)的視圖,如圖6和圖7所示。

圖6 多通道視圖

圖7 飛機飛離雷達視圖

通過上述仿真效果可知,雷達系統(tǒng)的視景仿真模塊作為聯(lián)邦成員有效完成了飛機從雷達遠距離外到飛機出現(xiàn)在雷達上方的整個過程的演示,飛機飛離雷達視圖對應(yīng)的雷達系統(tǒng)測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 雷達系統(tǒng)測試結(jié)果圖

6 結(jié)語

本文闡述了DIS到HLA整個仿真的發(fā)展歷程,對基本概念進行了講解,給出某型雷達系統(tǒng)的聯(lián)邦仿真框架,并設(shè)計了視景仿真平臺的框架,最后給出了視景仿真平臺的演示效果圖。在雷達系統(tǒng)越發(fā)復(fù)雜、設(shè)備成本越發(fā)高昂的今天,采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對雷達系統(tǒng)進行測試、訓練與研究,不但可以全面提高效率,也可以有效降低成本,對雷達系統(tǒng)測試、評估等方面都有良好的輔助作用。

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Distributed Interactive Visual Simulation System Based on Radar System

MI Xiaobing ZHU Feng MENG Xianke

(The 28th Reaseach Institute of China Electronics Technology Guoup Corporation, Nanjing 210007)

Simulation technology from a single platform to the distributed interactive simulation based on HLA, visual simulation on the simulation platform in many fields such as military, scientific research, building win a wide range of applications. Today, radar system becomes more and more complex and the cost of equipment becomes more and more expensive. Using virtual reality technology to radar system test, training and research, not only can improve efficiency, but also can effectively decline low cost, test, evaluation of radar system has a good supporting role.

distributed interactive simulation, high level architecture, visual simulation, distributed

2015年1月18日,

2015年2月20日 作者簡介:糜小兵,男,碩士研究生,工程師,研究方向:作戰(zhàn)指揮控制。朱峰,男,工程師,研究方向:作戰(zhàn)指揮控制。孟獻軻,男,工程師,研究方向:作戰(zhàn)指揮控制。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.031