北斗車載型用戶機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

尹旭日

(蚌埠汽車士官學(xué)校運(yùn)輸勤務(wù)系，安徽蚌埠233011)

北斗車載型用戶機(jī)是北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶終端設(shè)備，可以安裝在各種不同的車輛上，是連接用戶與用戶、用戶與上級(jí)指揮中心的重要設(shè)備，是北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)揮預(yù)定戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)、達(dá)到實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用目標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備之一。近幾年，隨著軍隊(duì)信息化建設(shè)逐步推進(jìn)，北斗車載型用戶機(jī)已經(jīng)開始陸續(xù)裝備到全軍汽車運(yùn)輸部(分)隊(duì)。

通過部隊(duì)調(diào)研以及教學(xué)工作實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)北斗車載型用戶機(jī)在部隊(duì)訓(xùn)練和院校教學(xué)的過程中還存在一些突出問題:一是配發(fā)的設(shè)備數(shù)量有限，訓(xùn)練中不能保證一車一套或一人一套，導(dǎo)致訓(xùn)練效率低下;二是設(shè)備保密性要求高，北斗車載型用戶機(jī)工作時(shí)，需要安裝保密卡，保密卡屬于機(jī)密級(jí)，在訓(xùn)練中存在丟失或損壞的安全隱患;三是設(shè)備價(jià)格昂貴，許多部隊(duì)或教學(xué)單位在訓(xùn)練中怕?lián)p壞設(shè)備，不愿意使用實(shí)際設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練，影響了戰(zhàn)斗力形成;四是訓(xùn)練時(shí)需要配套裝備，在實(shí)裝訓(xùn)練中，只有隨車攜帶北斗車載型用戶機(jī)執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)時(shí)，其導(dǎo)航功能才能正常發(fā)揮作用，這給實(shí)訓(xùn)者的組織與管理帶來不便。

模擬訓(xùn)練以其在指揮決策、訓(xùn)練演習(xí)和理論研究上特有的科學(xué)性，逐步成為信息時(shí)代提高作戰(zhàn)效能和加強(qiáng)軍隊(duì)質(zhì)量建設(shè)的必然途徑［1］?；谟?jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)字化模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，正越來越多地出現(xiàn)在部隊(duì)的各項(xiàng)訓(xùn)練中，已成為軍事訓(xùn)練的助推器。目前，在軍內(nèi)已有不少與軍事訓(xùn)練相關(guān)的模擬系統(tǒng)的研究成果［2－5］，也有北斗車載型用戶機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研制報(bào)道，但主要是針對(duì)北斗車載型用戶機(jī)硬件的各個(gè)組成部分的結(jié)構(gòu)、關(guān)系以及相互連接進(jìn)行模擬訓(xùn)練［3］。根據(jù)查新報(bào)告顯示，目前尚無基于功能操作的北斗車載型用戶機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用報(bào)道，因此，研究開發(fā)基于功能操作的北斗車載型用戶機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)已成為亟待解決的問題。

1 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

北斗車載型用戶機(jī)具有定位、導(dǎo)航、通信和授時(shí)4大主要功能［6］，作為基于功能性模擬訓(xùn)練，北斗車載型用戶機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)(以下簡稱:模擬訓(xùn)練系統(tǒng))的功能涵蓋實(shí)際北斗車載型用戶機(jī)的主要功能。因此，研發(fā)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)包括定位模擬、導(dǎo)航模擬、通信模擬、授時(shí)模擬以及訓(xùn)練管理5部分。

(1)定位模擬。主要模擬單次定位、連續(xù)定位、緊急定位、定位設(shè)置以及定位信息等功能。系統(tǒng)能夠通過定位申請(qǐng)指令實(shí)時(shí)提供其所在位置的經(jīng)度、緯度與高程，并以標(biāo)準(zhǔn)格式顯示(經(jīng)度、緯度:度—分—秒;高程:米;時(shí)間:年—月—日—時(shí)—分—秒)。系統(tǒng)模擬設(shè)定北斗自動(dòng)定位頻度，服務(wù)頻度根據(jù)用戶機(jī)類別定位于1～60 s之間。

(2)導(dǎo)航模擬。導(dǎo)航功能模擬包括羅盤導(dǎo)航、文字導(dǎo)航、地圖導(dǎo)航、偏航指示、航線管理、路標(biāo)管理、航跡管理以及導(dǎo)航設(shè)置等。具有航路點(diǎn)、航線的錄入、編輯功能，能計(jì)算出當(dāng)前方位及當(dāng)前位置到目的地的距離與時(shí)間。

(3)通信模擬。通信功能模擬具有電文鍵入、編輯、發(fā)送、接收和顯示功能，模擬用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間雙向數(shù)字報(bào)文通信。其中，通信信息含通信時(shí)間、發(fā)信地址和通信電文，接收的通信信息可人為鎖定存儲(chǔ)、解鎖和刪除。模擬用戶終端可向中心控制系統(tǒng)查詢其他用戶發(fā)給本用戶的通信電文。

(4)授時(shí)模擬。授時(shí)功能模擬有兩種方式:一種模擬手動(dòng)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間;另一種模擬同步北斗衛(wèi)星時(shí)間。

(5)訓(xùn)練管理。包括模擬流程控制、學(xué)員訓(xùn)練過程的記錄以及訓(xùn)練效果的評(píng)判。

1.2 系統(tǒng)硬件部署設(shè)計(jì)

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件部署如圖1所示。學(xué)員訓(xùn)練用機(jī)通過模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的客戶端軟件，進(jìn)行北斗用戶機(jī)功能性模擬訓(xùn)練，完成信息的接收、顯示、發(fā)送以及部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算工作。教員專用機(jī)為每個(gè)教室的教員提供本教室學(xué)員訓(xùn)練情況的查詢和統(tǒng)計(jì)等功能。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存放模擬訓(xùn)練系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括用戶通信、用戶當(dāng)前的訓(xùn)練狀態(tài)、訓(xùn)練歷史以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護(hù)等信息。通信服務(wù)器模擬北斗衛(wèi)星地面控制站功能，負(fù)責(zé)信息的接收、存儲(chǔ)、發(fā)送等。導(dǎo)調(diào)專用機(jī)用來對(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)流程進(jìn)行控制和管理，保證系統(tǒng)按照指定的訓(xùn)練課目要求進(jìn)行模擬訓(xùn)練。

圖1 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件部署

1.3 系統(tǒng)軟件總體框架

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用Client/Server結(jié)構(gòu)模式(如圖2所示)。學(xué)員通過客戶端軟件進(jìn)行模擬訓(xùn)練，主要的邏輯運(yùn)算功能放在客戶端來進(jìn)行;服務(wù)器端軟件完成地面控制站以及訓(xùn)練過程管理的功能，負(fù)責(zé)通信信息和控制信息的中轉(zhuǎn)、處理、存儲(chǔ)及分發(fā)。這種配置結(jié)構(gòu)有利于分擔(dān)服務(wù)器的工作負(fù)載，確保了訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

圖2 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件構(gòu)成

基于系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)以及用戶訓(xùn)練要求，系統(tǒng)采用廣泛使用的Access 2003數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理?；谙到y(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，可將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分為客戶端數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫?？蛻舳藬?shù)據(jù)庫包括地址表、航線表、航標(biāo)表、短信表、導(dǎo)航信息表和定位信息表。服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫主要包括通信信息表、訓(xùn)練成績表和系統(tǒng)管理表。

客戶端軟件的用戶為學(xué)員，包括定位模擬、導(dǎo)航模擬、通信模擬、常用工具和系統(tǒng)設(shè)置5個(gè)主要模塊。以數(shù)據(jù)庫為橋梁，實(shí)現(xiàn)模塊與模塊之間、學(xué)員與學(xué)員之間、學(xué)員與教員之間數(shù)據(jù)交換或通信交流。

服務(wù)器端軟件的用戶為教員，包括通信管理、成績管理、訓(xùn)練評(píng)價(jià)和訓(xùn)練控制4個(gè)主要模塊。其中，訓(xùn)練評(píng)價(jià)模塊用于對(duì)學(xué)員在某個(gè)課目訓(xùn)練的總評(píng)價(jià)，主要考評(píng)點(diǎn)包括訓(xùn)練所用的時(shí)間、不正確操作的次數(shù)以及完成任務(wù)的準(zhǔn)確度等。

2 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的主要功能模塊包括定位、通信、導(dǎo)航、系統(tǒng)和工具等。本文重點(diǎn)介紹導(dǎo)航和通信功能模塊的設(shè)計(jì)。

2.1 導(dǎo)航功能模塊設(shè)計(jì)

北斗車載型用戶機(jī)的導(dǎo)航功能通常是在給定航線的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)分析并顯示車輛的實(shí)時(shí)位置、速度、航向以及與航線中的關(guān)鍵航點(diǎn)的偏離程度等信息。

2.1.1 偏距計(jì)算

為了判別車輛當(dāng)前位置與目標(biāo)點(diǎn)的偏離程度，需要計(jì)算兩點(diǎn)間距離。設(shè)地球上任意兩點(diǎn)坐標(biāo)為 A(lng1，lat1)與 B(lng2，lat2)，其中，lng1和lng2分別為A、B點(diǎn)的經(jīng)度，lat1和 lat2分別為A、B點(diǎn)的緯度，則用下式可獲得A、B兩點(diǎn)間距離d。

式中a、b為中間變量。

2.1.2 多線程技術(shù)

系統(tǒng)需要自動(dòng)生成航跡信息，然后經(jīng)導(dǎo)航模擬模塊處理后，對(duì)導(dǎo)航信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，這兩項(xiàng)工作幾乎是同時(shí)進(jìn)行的。為此，在系統(tǒng)中引入多線程技術(shù)。在導(dǎo)航模擬訓(xùn)練中，還應(yīng)根據(jù)需要隨時(shí)開始導(dǎo)航，或在暫停后再繼續(xù)導(dǎo)航。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中導(dǎo)航模擬的算法框圖如圖3所示。

圖3 模擬系統(tǒng)中導(dǎo)航模擬算法

2.2 通信功能模塊設(shè)計(jì)

北斗車載型用戶機(jī)的信息主要是通過報(bào)文形式傳輸?shù)?，可以?shí)現(xiàn)用戶機(jī)之間以及地面站與用戶機(jī)之間的通信聯(lián)絡(luò)。通過計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)能很好地對(duì)通信功能進(jìn)行模擬，客戶端模擬用戶機(jī)，服務(wù)器端模擬地面站，客戶端通過服務(wù)器端的信息交換實(shí)現(xiàn)報(bào)文通信。服務(wù)端程序在一個(gè)固定地址監(jiān)聽對(duì)服務(wù)的請(qǐng)求，當(dāng)一個(gè)客戶對(duì)該服務(wù)的地址提出連接請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)端被喚醒并對(duì)客戶的請(qǐng)求作出反應(yīng)。通信功能模擬步驟如圖4所示。

圖4 模擬系統(tǒng)中通信模擬主要步驟

圖5 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)工作流程

3 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)工作流程

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化工作，然后等待學(xué)員選擇訓(xùn)練課目。系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)課目進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)讀入，例如，在導(dǎo)航模擬課目中，需讀入上級(jí)指定運(yùn)輸路線、運(yùn)輸開始與結(jié)束時(shí)間、車速等信息。系統(tǒng)讀入初始信息后，學(xué)員開始模擬訓(xùn)練。期間系統(tǒng)需要進(jìn)行模擬訓(xùn)練的輔助計(jì)算工作，例如，在導(dǎo)航模擬課目中，需要根據(jù)算法產(chǎn)生運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)位置點(diǎn)坐標(biāo)、偏距、偏角、實(shí)時(shí)速度、預(yù)計(jì)到達(dá)目的地時(shí)間等信息。一旦訓(xùn)練結(jié)束，系統(tǒng)立即進(jìn)行訓(xùn)練效果評(píng)定并給出參考成績。

3.2 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

使用Visual C++編程環(huán)境，研制完成了北斗車載型用戶機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，其運(yùn)行環(huán)境為基于Windows XP操作系統(tǒng)和TCP/IP的局域網(wǎng)。以導(dǎo)航模擬為例，設(shè)計(jì)PARAM結(jié)構(gòu):

typedef struct PARAM

{HWND hWnd;//窗口句柄

int nData;//航點(diǎn)下標(biāo)

int N;//航點(diǎn)數(shù)

BOOL bExit;//是否退出}

PARAM m_ThreadParam;

根據(jù)算法，可以實(shí)現(xiàn)開始導(dǎo)航或在導(dǎo)航暫停后再繼續(xù)導(dǎo)航的操作，其程序如下:

CWinThread* m_pThread=AfxBeginThread(NaviThreadProc，＆m_ThreadParam，

THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL，0，CREATE_SUSPENDED);

m_pThread－＞m_bAutoDelete=FALSE;

m_pThread－＞ResumeThread();

在導(dǎo)航模擬過程中，也可以根據(jù)需要，隨時(shí)停止或暫停導(dǎo)航，其程序如下:

m_ThreadParam.bExit=TRUE;

::WaitForSingleObject(m_pThread－＞m_hThread，INFINITE);

圖6為模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件的部分界面。鑒于篇幅，圖(b)—(e)只截取用戶界面的上半部分。其中，圖(a)為系統(tǒng)主界面;圖(b)為文字導(dǎo)航界面;圖(c)為單點(diǎn)定位界面;圖(d)為收件箱界面; 圖(e)為衛(wèi)星校時(shí)界面。

圖6 北斗車載型用戶機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)部分界面

4 結(jié)語

本文探討了基于功能的北斗車載型用戶機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

(1)系統(tǒng)用戶界面設(shè)計(jì)友好。采用先進(jìn)的界面設(shè)計(jì)技術(shù)，保證了模擬操作與實(shí)際操作一致，模擬界面與實(shí)際界面一致。

(2)便于實(shí)裝訓(xùn)練組織與管理。模擬系統(tǒng)采用多線程技術(shù)，通過預(yù)存車輛不同的運(yùn)行軌跡來模擬車輛的實(shí)際運(yùn)行，使得導(dǎo)航功能的操作訓(xùn)練簡便易行;同時(shí)，該系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的軟件系統(tǒng)，訓(xùn)練的用戶規(guī)模只受計(jì)算機(jī)數(shù)量的限制，保證了全員參訓(xùn)，一人一機(jī)，提高了教學(xué)訓(xùn)練效果。

(3)增強(qiáng)了訓(xùn)練中的安全保密性。系統(tǒng)不需要請(qǐng)領(lǐng)或安裝保密卡，采用軟加密模式在軍隊(duì)內(nèi)部局域網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行通信，因此，對(duì)做好軍事訓(xùn)練中安全保密工作具有積極作用。

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在我單位部分學(xué)員隊(duì)教學(xué)中投入使用，學(xué)員普遍反映該系統(tǒng)易于使用，界面友好，對(duì)提高訓(xùn)練效果有很好的促進(jìn)作用，它既能夠用于軍隊(duì)院校相關(guān)專業(yè)學(xué)員的學(xué)習(xí)培訓(xùn)，也可在汽車部(分)隊(duì)?wèi)?zhàn)備訓(xùn)練中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

［1］ 袁富國，王麗，賀元豐.拓展模擬訓(xùn)練方式提高軍交運(yùn)輸系統(tǒng)適應(yīng)打仗需求能力［J］.軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，16(5):79-81.

［2］ 尹旭日，史新生，徐泉峰.模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中自動(dòng)評(píng)判技術(shù)的研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008(15):245-246.

［3］ 王教?hào)|，王伉.北斗車載型用戶機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.后勤科技裝備，2013(6):47-49.

［4］ 史新生，尹旭日，徐泉峰.軍事交通運(yùn)輸模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:海潮出版社，2009:16-19.

［5］ Yin X R.Application of serious game in military transportation simulation training system［J］.Lecture Notes in Information Technology，2012(31):69-73.

［6］ 北京星地恒通信息科技有限公司.北斗1號(hào)一體式車載型用戶機(jī)使用維護(hù)手冊(cè)［M］.北京:北京星地恒通信息科技有限公司，2011:21.