航空裝備統(tǒng)一建模與仿真訓(xùn)練平臺研究

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(1.中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266100；2.海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)軍用虛擬仿真研究與訓(xùn)練中心,山東 青島 266041)

0 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機智能化和信息化程度都非常高，而且以航空電子模塊化發(fā)展為機載現(xiàn)代裝備的發(fā)展趨勢，與此同時機載設(shè)備軟件化趨勢日趨明顯，F(xiàn)-22上由軟件實現(xiàn)的航電功能高達80%[1]，在關(guān)系安全的核心系統(tǒng)中，如飛控計算機(FCC)的軟件代碼占整個源代碼的1/3[2]。模擬訓(xùn)練手段越來越成為國內(nèi)外軍事訓(xùn)練的主要手段之一，新型作戰(zhàn)飛機的列裝都需要研制配套的模擬訓(xùn)練器。因此，綜合現(xiàn)代飛機裝備發(fā)展趨勢和訓(xùn)練需求，在模擬訓(xùn)練開發(fā)過程中需要重點研究航空裝備的統(tǒng)一建模技術(shù)，使航空裝備的仿真開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化，形成統(tǒng)一的模型抽象方法和交互方法，這樣有利于機載仿真設(shè)備跨平臺通用，也真正能夠?qū)崿F(xiàn)軟件模型的重構(gòu)[3-4]，更能夠?qū)崿F(xiàn)型號設(shè)備仿真的繼承性和多態(tài)性。當(dāng)前，國外的統(tǒng)一建模仿真訓(xùn)練平臺，對傳感器模型做了很多限制，而且授權(quán)非常昂貴無法滿足國內(nèi)需求，但國內(nèi)還沒有專門針對航空裝備的統(tǒng)一建模仿真平臺，對模擬訓(xùn)練器的研制主要采取兩種方式，第一種是根據(jù)裝備的使用訓(xùn)練流程，建立比較全面的仿真操作邏輯，針對需要顯示的傳感器數(shù)據(jù)通過專門的算法進行仿真；第二種是將裝備分成幾個模塊或者系統(tǒng)，然后根據(jù)劃分的特點和各個模塊的功能及指標(biāo)，進行專門的建模。 這兩種方式導(dǎo)致仿真軟件的復(fù)用率較低，每次面對新型飛機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)都要重新進行設(shè)計開發(fā)，主要原因是航空裝備的仿真沒有實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，尤其是同一類設(shè)備不同型號、不同類型設(shè)備之間沒有采用軟件設(shè)計模式[5-6]，沒有建立標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一建模仿真平臺。

本文提出了利用抽象工廠模式[7-8]建立仿真工廠模式架構(gòu)，以仿真或訓(xùn)練任務(wù)配置為驅(qū)動，設(shè)計了工廠-實體-機載裝備三層仿真模式體系，可以根據(jù)XML[9]提供的任務(wù)配置，快速的完成工廠、飛機、裝備的仿真設(shè)計和開發(fā)，通過實體抽象、機載裝備類型抽象、型號繼承抽象的技術(shù)，實現(xiàn)從飛機到機載設(shè)備仿真開發(fā)的重構(gòu)技術(shù)，避免了大量航空裝備的重復(fù)開發(fā)。

1 抽象工廠模式

現(xiàn)代軍用飛機雖然有不同的型號，但是不同型號的飛機都有同類產(chǎn)品，如都有火控雷達、慣導(dǎo)、大氣、飛控、羅盤、顯控、外掛物、任務(wù)機等[10-11]，有些屬于同一廠商不同型號，有些屬于不同廠商，但同一類型產(chǎn)品的基本功能、狀態(tài)和控制是一樣的，因此基于設(shè)備的輸入輸出接口對同一類型產(chǎn)品進行抽象建立產(chǎn)品類型生產(chǎn)線，再在不同的產(chǎn)品生產(chǎn)線基礎(chǔ)上對不同類型產(chǎn)品類進行二次抽象，建立最初級的機載設(shè)備生產(chǎn)線。基于兩級類生產(chǎn)線可以快速的生產(chǎn)新舊型號的各種類型的設(shè)備和系統(tǒng)，也可以快速地對原有仿真機型進行加裝新的仿真設(shè)備或者更換新的仿真設(shè)備。

機載設(shè)備及傳感器仿真基于仿總線接口進行充分的抽象后，采用抽象工廠方法模式，建立面向航空裝備的仿真工廠平臺simFactory，該仿真工廠屬于類創(chuàng)建型模式，在仿真工廠模式中，可以通過基類快速的創(chuàng)建新的產(chǎn)品或者基于產(chǎn)品資源類庫創(chuàng)建同一產(chǎn)品的不同型號，然后在產(chǎn)品內(nèi)部完成新增功能和特性。

2 仿真類型及抽象模型

航空裝備仿真包括飛機、機載裝備、導(dǎo)彈三大類型。

2.1 仿真實體

飛機和導(dǎo)彈定義為實體[12-13]，文中統(tǒng)一稱為Entity，在對實體進行仿真建模時，需要完成實體內(nèi)部各種類型設(shè)備的仿真建模。

仿真工廠平臺在飛機仿真設(shè)計生產(chǎn)過程中，以實體為組成的基本單位，基本實體由顯示模型和算法模型組成，實體可以包含基本實體。

2.2 仿真設(shè)備

仿真設(shè)備是指機載設(shè)備或系統(tǒng)，一般可以獨立地完成一些特定功能，是作為實體的一個部分，平臺中稱為仿真模型。從仿真模型的特點考慮，算法模型稱為SLC(系統(tǒng)邏輯組件)、顯示模型稱為DLC(顯示邏輯組件)。有些系統(tǒng)只有SLC，有些復(fù)雜的系統(tǒng)由SLC和DLC共同組成。

2.3 抽象模型建立

飛機的類型很多，包括戰(zhàn)斗機、運輸機、轟炸機、直升機、預(yù)警機等待，然而每種類型的飛機又分很多型號，如F15飛機、F16飛機等，有些型號的飛機又分很多小的型號，如F16A/F16B/F16C等。機載設(shè)備也存在種類多、型號多。在進行仿真設(shè)計時，需要提高設(shè)計的重構(gòu)性，降低設(shè)計的復(fù)雜度，因此需要進行抽象建模。

2.3.1 實體抽象建模

在進行實體抽象建模時，根據(jù)抽象工廠模式架構(gòu)進行設(shè)計，首先建立仿真實體接口類ISimEntity，然后基于接口類派生出實體類CSimEntity，在實體類模型的基礎(chǔ)上可以建立各型具體的實體對象。所以對實體進行科學(xué)的抽象數(shù)據(jù)描述也就實現(xiàn)了實體的抽象建模，實體模型包括通用控制模型和通用數(shù)據(jù)模型，如表1和表2。實體抽象數(shù)據(jù)模型如表3。

表1 抽象控制接口類

表2 模型抽象數(shù)據(jù)接口

表3 仿真實體抽象接口類

2.3.2 設(shè)備抽象建模

機載設(shè)備有同一功能類型的，也有非同類型的。但是從仿真工廠模式設(shè)計考慮，需要設(shè)計的抽象模型能夠適應(yīng)工廠模式下實體的集成和對實體內(nèi)部模型的管理。同時模型接口類也能泛化出模型類和設(shè)備類。表4設(shè)備模型抽象接口類。

設(shè)備模型繼承于抽象接口模型，對模型及其數(shù)據(jù)的操作以虛函數(shù)形式定義，對于模型的通用管理采用內(nèi)聯(lián)函數(shù)實現(xiàn)函數(shù)體，包括：刪除本模型、設(shè)置/獲取本模型輸入控制數(shù)據(jù)、設(shè)置/獲取本模型輸入仿真數(shù)據(jù)、設(shè)置模型基本配置。

表4 設(shè)備模型抽象接口類

3 仿真平臺設(shè)計

仿真平臺(也稱裝備仿真工廠simFactory),主要實現(xiàn)仿真工廠實例的創(chuàng)建，通過仿真工廠實現(xiàn)各型仿真實體的創(chuàng)建、管理和運行，各型仿真設(shè)備和系統(tǒng)模型的創(chuàng)建、管理、調(diào)度和運行，并能夠建立實體庫和設(shè)備資源庫，根據(jù)實際裝備組成情況調(diào)用實體庫和資源庫，快速的完成新型實體的集成和仿真。從而該平臺既可以用于新型號飛行模擬器的研制開發(fā)、導(dǎo)彈武器的研制開發(fā)，也可以用于現(xiàn)有型號飛機的設(shè)備加裝和改進后的仿真。

平臺總體功能包括：XML任務(wù)配置、建立工廠、實體仿真、模型仿真、集成調(diào)度、仿真管理等。功能模塊設(shè)計如圖2所示。

圖2 功能模塊設(shè)計

3.1 平臺框架設(shè)計

平臺基于配置項的模塊化設(shè)計，每個模塊是基于模型插件模版類進行開發(fā)，開發(fā)完成的每個模型插件作為平臺的仿真資源庫，因此資源庫分為實體資源庫和模型資源庫。平臺根據(jù)任務(wù)配置文件調(diào)用相應(yīng)的實體資源庫，完成實體對象的創(chuàng)建，并建立實體容器列表用于實體對象的管理，實體對象根據(jù)任務(wù)配置文件在初始化過程中調(diào)用模型資源庫相應(yīng)的模型插件，完成模型對象的創(chuàng)建，同時建立模型容器列表對模型進行動態(tài)管理。建立模型與模型、模型與實體的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系和控制關(guān)系，實現(xiàn)實體和模型的裝配，至此實體創(chuàng)建完畢，啟動平臺仿真運行功能，實現(xiàn)實體-模型的更新、管理、調(diào)度。

實體由子實體和模型組成。模型也可以由多個模型組成。平臺提供的開發(fā)環(huán)境，包括：1)該平臺提供系統(tǒng)仿真模型的框架和抽象的數(shù)據(jù)接口類、控制接口類、顯示接口類； 2)該平臺提供基礎(chǔ)的API；3)該平臺提供仿真工廠抽象接口類、實體抽象接口類、模型抽象接口類； 4)仿真工廠既可以生產(chǎn)設(shè)備(系統(tǒng))模型、也可以生產(chǎn)實體模型(飛機、導(dǎo)彈)。 平臺類架構(gòu)如圖3所示。

圖3 工廠平臺類結(jié)構(gòu)

每個模型都必須添加屬于模型的接口控制變量和接口數(shù)據(jù)變量，并且唯一。每個模型都繼承了基礎(chǔ)公共處理函數(shù)、管理函數(shù)。工廠創(chuàng)建實體、添加實體，在運行過程中動態(tài)創(chuàng)建和銷毀實體(導(dǎo)彈)，在工廠內(nèi)部管理實體，避免外部調(diào)用復(fù)雜化。工廠與外部通信接口包括網(wǎng)絡(luò)傳輸接口、視景顯示信息接口、硬件采集接口(適配器模式)、配置獲取接口、故障狀態(tài)接口、數(shù)據(jù)記錄接口等。模型之間的依賴關(guān)系，依據(jù)機載系統(tǒng)之間的關(guān)系進行交互。工廠既創(chuàng)建后臺系統(tǒng)仿真模型SLC，又創(chuàng)建前臺顯示模型DLC。

3.2 任務(wù)模式設(shè)計

XML描述文件設(shè)計仿真工廠加工生成任務(wù)，在工廠模式下形成的是“工廠-飛機-裝備模型”三層仿真模式體系，因此在XML描述驅(qū)動任務(wù)時需要體現(xiàn)出三級結(jié)構(gòu)，如圖4。

圖4 驅(qū)動任務(wù)描述

在Mission中主要包括下列任務(wù)描述關(guān)鍵信息：

任務(wù)參數(shù)：描述任務(wù)ID，任務(wù)類型，任務(wù)名稱

系統(tǒng)參數(shù)：描述地形紋理，仿真時間，步長。

環(huán)境參數(shù)：描述氣象參數(shù)，大氣溫度，電磁參數(shù)，紅外參數(shù)。

機場信息：描述機場位置，跑道參數(shù)，返場參數(shù)，壓強。

仿真實體：描述每個實體的參數(shù)，并指定實體的描述文件，如Path=MissionDataJS_101.XML，表示101飛機描述文件。

如圖5，在飛機實體描述文件中，主要完成單個實體需要加載的任務(wù)和配套模型，在JS_101.XML飛機描述文件下，加載的模型包括飛行模型、大氣模型、導(dǎo)航模型等，也包括了模型運行需要的指標(biāo)參數(shù)，實體屬性等。

圖5 實體任務(wù)描述

3.3 SLC模型交互設(shè)計

系統(tǒng)邏輯組件類SLC實現(xiàn)機載系統(tǒng)模型仿真，SLC模型具有統(tǒng)一的抽象接口類ISimModel和CSimModel基類，在“設(shè)備抽象建?！币呀?jīng)對SLC基本模型作了詳細闡述，這里重點闡述SLC模型之間的控制接口和數(shù)據(jù)接口的交互設(shè)計。

在SLC模型組件內(nèi)部定義本模型的控制接口和數(shù)據(jù)接口，以及需要交互的其他SLC模型接口。以慣導(dǎo)(INS)模型為例，在VC8環(huán)境下的數(shù)據(jù)接口和控制接口定義如下：

m_pINS->SetName("IINSInterface");

m_pINSControl->SetName("IINSControlInterface");

//慣導(dǎo)模型數(shù)據(jù)接口

m_pData=dynamic_cast(m_pINS);

//慣導(dǎo)模型控制接口

m_pControl=dynamic_cast(m_pINSControl);

SLC屬于某一實體，因此SLC模型之間的數(shù)據(jù)交互在實體內(nèi)完成，屬于實體內(nèi)模型之間數(shù)據(jù)交互。

定義SLC模型組件入口函數(shù)和訪問方式如下：

// CXSimEntity某型仿真實體類

extern "C" DLLEXPORT ISimEntity* CreateSimEntity()

{

return dynamic_cast(new CXSimEntity);

}

// CXModel某SLC模型仿真類

extern "C" DLLEXPORT ISimModel* CreateXModel()

{

return dynamic_cast(new CXModel());

}

//模型組件訪問方式如下：

HINSTANCE h=LoadLibraryA(pszDll); //加載SLC組件

_mhInstance[pszDll]=h;

typedef ISimModel* (CALLBACK *CREATEMODELPROC)();

CREATEMODELPROC proc;

proc=reinterpret_cast(

GetProcAddress(h,pFuncName));

建立仿真模型庫句柄動態(tài)存儲管理表，用于對SLC模型庫的加載和釋放進行動態(tài)管理，建立仿真模型指針容器，用于對實體需要的模型進行動態(tài)控制管理，對模型的數(shù)據(jù)進行交互訪問，如表5是定義的模型存儲容器，SLC模型的具體交互在實體基類CSimEntity中，通過周期遍歷pModel中存儲的所有模型，將每個模型輸出的仿真數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)發(fā)送給其他所有模型，由各自模型進行篩選取值，如圖6所示。

表5 SLC模型容器定義

圖6 SLC 功能流程圖

3.4 DLC模型設(shè)計

顯控仿真系統(tǒng)組件SLC接受其他SLC組件的狀態(tài)數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)、目標(biāo)數(shù)據(jù)、載機其他數(shù)據(jù)等，處理后適合MFD、HUD屏幕顯示。同時處理人機交互按鍵信息實現(xiàn)顯示畫面和菜單的控制，并將需要可視化顯示的數(shù)據(jù)作為顯示符號的驅(qū)動數(shù)據(jù)，將顯示符號和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指令幀。

顯示邏輯組件類DLC，接受顯控仿真系統(tǒng)組件SLC的繪圖指令幀，進行指令解碼，完成顯示畫面、符號的實時繪制和更新。

DLC模型的實現(xiàn)可以采用OpenGL底層[14]進行設(shè)計開發(fā)，也可以借助專業(yè)的儀表開發(fā)工具，如GL Studio[15]和IData[16]等，從設(shè)計模式考慮，也為了便于平臺的整體設(shè)計、配置和獨立運行，采用OpenGL進行開發(fā)。優(yōu)點是更有力于利用此平臺提供的基類直接進行DLC的開發(fā)。

將DLC顯示的內(nèi)容進行分類、特征提取，再抽象成顯示數(shù)據(jù)模型。一般分為基本顯示符號：字符、線、圓弧、矩形、三角形、窗口；特殊顯示符號通過位圖實現(xiàn)。特征屬性一般分為：顏色、閃爍、線型、字體等。因此對基本顯示符號需要繼承抽象接口類IDrawMode實現(xiàn)CDrawMode類，在該類中完成基本符號的繪制函數(shù)、特征設(shè)置函數(shù)。在設(shè)計開發(fā)實際DLC應(yīng)用時，基于CDrawMode派生出需要的顯示組件就可以快速的完成顯示設(shè)備的開發(fā)。DLC類設(shè)計如圖7所示，調(diào)用流程如圖8所示。

圖7 DLC類設(shè)計圖

圖8 DLC流程圖

CGLHZFontClass和CGLENFontClass字符處理類提供字符處理和顯示的函數(shù)，封裝了OpenGL函數(shù)通過HBITMAP、HFONT、HDC完成中英文字符的處理和顯示。CBaseDrawIMG基礎(chǔ)繪圖類調(diào)用OpenGL底層函數(shù)實現(xiàn)所有顯示符號、圖形特征的設(shè)置、繪制、控制顯示。CDrawMode類中定義了字符類對象和基礎(chǔ)繪圖類對象、畫面繪制函數(shù)和窗口繪制函數(shù)，實現(xiàn)DLC的創(chuàng)建和顯示。

4 仿真開發(fā)應(yīng)用

利用平臺提供的仿真任務(wù)配置模板，以某型固定翼戰(zhàn)機J-X和對手戰(zhàn)機F16為仿真對抗實體，設(shè)計任務(wù)配置文件和實體配置文件。其中任務(wù)文件和實體文件效果如圖4和圖5，文件的主要配置項數(shù)據(jù)如表6和表7。利用simFactory平臺建立仿真工廠實體，根據(jù)實體配置文件利用simFactory提供的SLC SDK和DLC SDK完成機載模型的快速開發(fā)。最后由仿真工廠完成每個實體所有模型的交互。

表6 開發(fā)任務(wù)配置

表7 實體任務(wù)數(shù)據(jù)表

仿真應(yīng)用運行在處理器Intel(R) Core(TM) i7-6700HQ CPU@2.60 GHz、內(nèi)存16 G、GeForce 940MX環(huán)境下，機載系統(tǒng)顯示效果如圖9所示，HUD和MFD在SLC、DLC模型驅(qū)動下實時顯示所有機載模型的數(shù)據(jù)。

圖9 機載系統(tǒng)顯示效果

以J-X戰(zhàn)機仿真模型和配套仿真儀表的實時交互數(shù)據(jù)為評價對象，如表8，在該應(yīng)用中測試了模型交互的最大實時數(shù)據(jù)量、單個數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)，及更新時間和交互時間，測試結(jié)果表明模型和儀表的更新周期和最大交互時間非常理想，也證明了該平臺具備復(fù)雜任務(wù)下航空裝備仿真實體的快速化、標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)。

表8 J-X實體-模型-變量仿真性能評價

5 結(jié)束語

本平臺不僅提供了實體仿真的系統(tǒng)架構(gòu)和仿真運行的管理調(diào)度，更重要的是提供了實體所有機載模型的抽象建模方法，使不同類型的模型在橫向之間可以擴展，相同類型不同型號的模型在縱向可以繼承，模型之間的交互數(shù)據(jù)實現(xiàn)了類型統(tǒng)一，由實體負責(zé)模型的裝配、交互和管理，工廠對象負責(zé)實體對象的產(chǎn)生和動態(tài)管理，抽象仿真工廠根據(jù)任務(wù)建立仿真訓(xùn)練應(yīng)用和仿真工廠對象，實現(xiàn)整個訓(xùn)練任務(wù)、對抗、環(huán)境的管理和導(dǎo)演。

實體和模型的開發(fā)以現(xiàn)有的基礎(chǔ)模型庫為基礎(chǔ)，無需從新開始，因此平臺可以應(yīng)用于專業(yè)的設(shè)備建模人員進行機載模型的開發(fā)，提供了裝空裝備仿真開發(fā)的效率，使各類型、各等級的航空裝備實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化仿真。