基于Windows XP+RTX的模擬測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)

戴　哲，田　穎，胡春曉

（解放軍92941部隊(duì)，遼寧　葫蘆島　125001）

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基于Windows XP+RTX的模擬測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)

戴哲，田穎，胡春曉

（解放軍92941部隊(duì)，遼寧葫蘆島125001）

摘要：采用建模仿真技術(shù)、半實(shí)物仿真技術(shù)和Windows XP+RTX技術(shù)開發(fā)研制的模擬測(cè)試系統(tǒng)，用于在復(fù)雜試驗(yàn)條件下，對(duì)艦炮武器系統(tǒng)及組成設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，是一種充分檢驗(yàn)艦炮武器系統(tǒng)性能的技術(shù)途徑和試驗(yàn)方法，目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于艦炮武器系統(tǒng)工程實(shí)踐中。

關(guān)鍵詞：建模仿真，半實(shí)物仿真，Windows XP+RTX，相容性檢驗(yàn)

0　引言

在艦炮武器系統(tǒng)工程實(shí)踐中，由于在外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境中缺少足夠試驗(yàn)條件和技術(shù)手段，同時(shí)受到氣象條件的制約，較難對(duì)艦炮武器系統(tǒng)及其組成設(shè)備性能進(jìn)行充分檢驗(yàn)，因此，需要一套半實(shí)物仿真系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建相應(yīng)的試驗(yàn)環(huán)境和檢測(cè)條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境中所不能提供檢測(cè)條件的補(bǔ)充，達(dá)到對(duì)艦炮武器系統(tǒng)全面檢驗(yàn)的目的。

本系統(tǒng)采用HLA仿真技術(shù)，在Windows XP+RTX平臺(tái)下進(jìn)行軟件開發(fā)，模擬復(fù)雜試驗(yàn)環(huán)境，生成視頻、中頻和數(shù)字等各型檢測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高頻數(shù)據(jù)采集和精度評(píng)估。相對(duì)于其他實(shí)時(shí)系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用Windows XP+RTX操作系統(tǒng)平臺(tái)替代VXworks，具有設(shè)計(jì)開發(fā)成本低，調(diào)試方便，硬件通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足多種任務(wù)要求。

1　硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用HLA交換式分布仿真技術(shù)，將多個(gè)分散分布的仿真節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一在一個(gè)仿真時(shí)空中協(xié)調(diào)運(yùn)行。每個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)硬件上使用工控機(jī)硬件平臺(tái)，根據(jù)功能需要配置相應(yīng)的功能板卡，分別完成戰(zhàn)情環(huán)境仿真、目標(biāo)特征信號(hào)模擬、各型測(cè)試信號(hào)生成和數(shù)據(jù)采集評(píng)估等功能，其數(shù)據(jù)流圖如下頁(yè)圖1所示。

2　軟件設(shè)計(jì)

2.1 Windows XP+RTX操作系統(tǒng)

圖1系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)流圖

VXworks操作系統(tǒng)是一種應(yīng)用廣泛的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但存在開發(fā)成本高、調(diào)試?yán)щy、硬件可移植性差等缺點(diǎn)。相比較而言，Windows XP操作系統(tǒng)能夠很好克服上述缺點(diǎn)，但由于Windows XP為非實(shí)時(shí)平臺(tái)，需要RTX在線程優(yōu)先級(jí)設(shè)置、調(diào)度、中斷管理等方面進(jìn)行實(shí)時(shí)性擴(kuò)展，使Windows XP+RTX操作系統(tǒng)具備如下滿足系統(tǒng)要求的實(shí)時(shí)特性：

①多線程的搶占調(diào)度機(jī)制；

②消除優(yōu)先級(jí)倒置問(wèn)題；

③高效內(nèi)存管理；

④較低中斷延遲；

⑤進(jìn)程可預(yù)測(cè)性。

在工程實(shí)踐過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置共享內(nèi)存使RTX 和Windows XP進(jìn)程之間進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，通過(guò)IPC機(jī)制進(jìn)行同步和通訊，將實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的線程交由RTSS進(jìn)行調(diào)度，將人機(jī)接口線程交由Windows XP進(jìn)行調(diào)度，這樣既可利用Windows XP現(xiàn)有資源，又可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性功能，滿足系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)要求。

2.2應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用模塊化開發(fā)方法，在需求分析和軟件功能劃分的基礎(chǔ)上，采用可視化開發(fā)工具Visual C++開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件。根據(jù)需求系統(tǒng)軟件可劃分為戰(zhàn)情仿真軟件、目標(biāo)特性仿真軟件、信息交互軟件、數(shù)據(jù)采集軟件和精度評(píng)估軟件等，其中戰(zhàn)情仿真軟件用于模擬試驗(yàn)所需的戰(zhàn)情環(huán)境；目標(biāo)特性仿真軟件用于模擬跟蹤目標(biāo)信號(hào)特征；信息交互軟件用于系統(tǒng)仿真節(jié)點(diǎn)信息通信；數(shù)據(jù)采集軟件和精度評(píng)估軟件分別用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的錄取和被試系統(tǒng)精度評(píng)估。以目標(biāo)特性仿真軟件為例，其在RTX和Windows XP下的運(yùn)行流程如下：

①在RTX下軟件啟動(dòng)后，首先對(duì)時(shí)鐘板和功能板卡進(jìn)行初始化，然后創(chuàng)建用于與Win32線程信息交互的共享內(nèi)存，一切正常后等待仿真線程啟動(dòng)的信號(hào)量和時(shí)序脈沖信號(hào)，進(jìn)行目標(biāo)特性信息的模擬，最后將更新數(shù)據(jù)放進(jìn)共享內(nèi)存中，同時(shí)驅(qū)動(dòng)功能板卡工作，其工作流程見圖2所示。

圖2目標(biāo)特性仿真軟件在RTX下工作流程

②在Windows XP下軟件啟動(dòng)后，首先，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程和人機(jī)交互進(jìn)程，用于仿真節(jié)點(diǎn)通信和接收控制命令。然后，根據(jù)默認(rèn)仿真試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行初始化，Win32進(jìn)程通知RTX啟動(dòng)目標(biāo)特性仿真線程，開始進(jìn)行目標(biāo)特性信息仿真，在仿真過(guò)程中，Win32通過(guò)共享內(nèi)存與RTSS進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，其工作流程見圖3所示。

圖3目標(biāo)特性仿真軟件在Windows XP下工作流程

3　仿真模型設(shè)計(jì)

建立與海平面固連的絕對(duì)直角坐標(biāo)系OXYH，將起始時(shí)刻己艦質(zhì)心位置定義為坐標(biāo)原點(diǎn)O，OX在水平面內(nèi)方向取正東方向，OY在水平面內(nèi)方向取正北方向，OH垂直水平面向上。

3.1目標(biāo)航路仿真模型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)根據(jù)不同的目標(biāo)航路仿真模型，實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)和己艦的所在位置，進(jìn)行戰(zhàn)情環(huán)境的仿真模擬。在系統(tǒng)中目標(biāo)航路模型主要包括勻速直線運(yùn)動(dòng)仿真模型、勻加速直線運(yùn)動(dòng)仿真模型和比例導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)仿真模型。

①勻速直線運(yùn)動(dòng)仿真模型

其中ti為時(shí)間，Cm為目標(biāo)方位角，Vm為目標(biāo)速度，xm（ti），ym（ti），zm（ti）為目標(biāo)在直角坐標(biāo)系中的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，其中t0為初始時(shí)刻。

②勻加速直線運(yùn)動(dòng)仿真模型

其中ti為時(shí)間，Cm為目標(biāo)方位角，Vm為目標(biāo)速度，am為目標(biāo)加速度，λ為目標(biāo)高低角。xm（ti），ym（ti），zm（ti）為目標(biāo)在直角坐標(biāo)系中的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，其中t0為初始時(shí)刻。

③比例導(dǎo)引仿真模型

目標(biāo)在進(jìn)行比例導(dǎo)引機(jī)動(dòng)時(shí)，由于通常是在攻擊的末端，所以這里假設(shè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)高度不變，僅在OXY面內(nèi)做比例導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)。

1）己艦運(yùn)動(dòng)模型

在OXY平面中，通過(guò)模擬己艦運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)時(shí)計(jì)算其位置，其模型為：

其中ti為時(shí)間，Cw為己艦方位角，Vw為己艦速度，xw（ti），yw（ti），zw（ti）為己艦在直角坐標(biāo)系中的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，其中t0為初始時(shí)刻。

2）目標(biāo)比例導(dǎo)引模型

在系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)比例導(dǎo)引航路仿真時(shí)，坐標(biāo)原點(diǎn)O始終設(shè)定待己艦質(zhì)心上，通過(guò)將己艦運(yùn)動(dòng)航路模型式（3）和典型比例導(dǎo)引模型相結(jié)合，計(jì)算得到系統(tǒng)使用的比例導(dǎo)引模型：

其中Vm為目標(biāo)速度，Vw為己艦速度，Qw為己艦航向，R為目標(biāo)與己艦距離，r為導(dǎo)彈離軸角，k為比例導(dǎo)引系數(shù)，t為時(shí)間量。

3.2搖擺變換模型設(shè)計(jì)

通過(guò)上述仿真模型能夠較好地進(jìn)行己艦和目標(biāo)的航路仿真，但其前提條件是己艦和目標(biāo)處在艦艇穩(wěn)定坐標(biāo)系下。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于己艦受到潮汐作用，始終處在搖擺狀態(tài)的艦艇不穩(wěn)定坐標(biāo)系下，還需要進(jìn)行穩(wěn)定坐標(biāo)系向不穩(wěn)定坐標(biāo)系變換。

記己艦縱搖角為準(zhǔn)，橫搖角為θ，則縱、橫搖變換矩陣M準(zhǔn)，Mθ為

通過(guò)M準(zhǔn)，Mθ可推導(dǎo)出穩(wěn)定系向不穩(wěn)定系變換矩陣M：

通過(guò)變換矩陣M最終獲得在艦艇不穩(wěn)定坐標(biāo)系下目標(biāo)位置：

其中x（ti），y（ti），z（ti）為艦艇不穩(wěn)定坐標(biāo)系下目標(biāo)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，x0（ti），y0（ti），z0（ti）為艦艇穩(wěn)定坐標(biāo)系下目標(biāo)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

4　系統(tǒng)仿真結(jié)果相容性檢驗(yàn)

為保證通過(guò)本系統(tǒng)進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)的可信性，需要對(duì)系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行相容性檢驗(yàn)，保證仿真數(shù)據(jù)與外場(chǎng)真實(shí)數(shù)據(jù)的一致性。分別采用Theil不等式系數(shù)法、相關(guān)系數(shù)法和最大熵譜估計(jì)法對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，由于篇幅有限，僅從檢測(cè)數(shù)據(jù)樣本中截取出部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明，檢驗(yàn)結(jié)果如下頁(yè)表1所示。

其中，TIC系數(shù)取值范圍為0～1，0表示兩序列完全相同；相關(guān)系數(shù)和角余弦系數(shù)的取值范圍為0～1，越接近1表明兩序列的一致性越高；最大熵譜估計(jì)法取顯著性水平為5%，統(tǒng)計(jì)結(jié)果越接近100%表明兩序列的一致性越高。通過(guò)檢測(cè)，TIC系數(shù)均值為0.070 83，相關(guān)系數(shù)均值為0.953 8，角余弦系數(shù)均值為0.964 5，最大熵譜估計(jì)法統(tǒng)計(jì)概率均值為74.46%，通過(guò)驗(yàn)證結(jié)果可見系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)與外場(chǎng)真實(shí)數(shù)據(jù)相容性較好，一致性較高，通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)的結(jié)果置信度較高。

表1系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)相容性檢驗(yàn)結(jié)果表

5　結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)艦炮武器系統(tǒng)及組成設(shè)備在臨界條件、復(fù)雜多目標(biāo)環(huán)境等試驗(yàn)條件下的評(píng)估檢驗(yàn)，有效彌補(bǔ)在外場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行評(píng)估檢驗(yàn)的不足，保證了艦炮武器系統(tǒng)及組成單機(jī)檢驗(yàn)的充分性和有效性。系統(tǒng)研制方法及關(guān)鍵技術(shù)可應(yīng)用于未來(lái)新型艦炮武器工程實(shí)踐中，應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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Development of Emulation and Test System Based on Windows Adding in RTX Technology

DAI Zhe，TIAN Ying，HU Chun-xiao
（Unit 92941 of PLA，Huludao 125001，China）

Abstract：The emulation and test system，which is developed by model emulation technology，semi-physical emulation technology and Windows XP+RTX，is used to check and test the gunship weapon system and component equipment under the condition of complex battleground. This system provide a technical way and test method for fully checking gunship weapon system function，and now the system had applied to gunship weapon system engineering practice successfully.

Key words：model emulation，semi-physical emulation，Windows XP+RTX，comparison test

作者簡(jiǎn)介：戴哲（1982-），男，遼寧錦州人，工程師。研究方向：艦炮武器系統(tǒng)試驗(yàn)與鑒定。

收稿日期：2014-12-27

文章編號(hào)：1002-0640（2016）02-0176-04

中圖分類號(hào)：TP319，TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

修回日期：2015-02-18