基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務的無人機任務載荷綜合仿真平臺研究

杜越洋，趙 盾，閆智超

（1.海鷹航空通用裝備有限責任公司，北京 100074；2.北京交通大學計算機與信息技術學院，北京 100044）

1 引 言

現(xiàn)代無人機主要執(zhí)行戰(zhàn)場偵察與監(jiān)視、目標截獲、火力校正、摧毀評估以及電子誘騙與電子干擾等任務，在軍事與民用領域發(fā)揮著日益重要的作用[1-2]。無人機通過裝備各種任務載荷完成上述各項目標。無人機任務載荷是指那些裝備到無人機上為完成特定任務的設備，包括執(zhí)行電子戰(zhàn)、偵察和武器運輸?shù)热蝿账璧脑O備，如信號發(fā)射機、傳感器等，但不包括飛行控制設備、數(shù)據(jù)鏈路和燃油等[3]。無人機任務載荷的快速發(fā)展極大地擴展了無人機的應用領域，根據(jù)無人機的功能和類型的不同，其上裝備的任務載荷也不同[4]。

在無人機載荷選型過程中，為了論證載荷設備是否匹配任務需求，一般需要進行多次的實驗室和外場機載試驗[5]。外場機載試驗受設備、天氣、場地和時間等諸多因素限制，每次試驗的準備和進行過程復雜、時間周期長且實驗成本很高。為了解決上述問題，仿真實驗手段在載荷選型論證過程中得到廣泛應用[6]。

利用載荷仿真實驗進行無人機載荷選型論證，可以加快選型過程，減少載荷選型中的客觀因素影響，做到載荷選型有據(jù)可依、選型效果直觀可見。具體來說，其主要優(yōu)勢在于：（1）可以實現(xiàn)全天候、全地形、全時段的載荷試驗，不受天氣、空間和時間的限制；（2）不受實際載荷設備的限制，只需要獲取某一載荷的參數(shù)指標，就可以進行載荷試驗；（3）大幅減少實物載荷外場試驗的次數(shù)，從而大幅降低載荷選型費用；（4）可以構建和積累品種、型號豐富齊全的載荷庫，快速、重復地進行載荷試驗，在實驗中任意搭配載荷產(chǎn)品；（5）通過大量仿真實驗還可以盡快發(fā)現(xiàn)各品種型號載荷傳感器的問題和缺陷，在實際應用過程中發(fā)現(xiàn)載荷傳感器能力的不足之處，盡快實現(xiàn)從應用到研發(fā)的正反饋。

無人機任務載荷綜合仿真涉及的學科種類繁多，如飛行控制、任務規(guī)劃、通信仿真、載荷仿真等，多仿真系統(tǒng)集成有利于解決不同仿真軟件碎片化嚴重、仿真系統(tǒng)靈活性差、仿真效率低及仿真結果展示不夠直觀等問題[7]，國內(nèi)很多高校和研究所已開展有關方面的研究。北京交通大學設計了一種適應于多種型號的無人機地面綜合實驗平臺，包括無人機地面飛行仿真、地面檢測和故障診斷三個部分，實現(xiàn)對無人機的數(shù)據(jù)采集、分析和智能故障診斷[8]。西北工業(yè)大學設計的無人機綜合仿真系統(tǒng)將飛控系統(tǒng)、航電設備、遙控設備、數(shù)據(jù)鏈、導航算法等形成大的閉環(huán)進行仿真驗證，能夠對飛行過程進行高逼真度的模擬訓練[9]。然而很多系統(tǒng)仍然存在仿真平臺功能受限、仿真數(shù)據(jù)量大且冗余度高、仿真結果展示不夠具象等方面的問題。

本文中的無人機載荷綜合仿真平臺，以載荷仿真為主體，結合分組對抗、通信仿真和效能評估一體化，是一種可以支持仿真模型開發(fā)、產(chǎn)品與系統(tǒng)功能驗證以及系統(tǒng)展示的綜合性仿真平臺，支持純數(shù)字仿真、有人參與的“人在回路”仿真和實物設備接入的“系統(tǒng)在回路”的半實物仿真[10]。在整個仿真過程中，仿真平臺同步展示仿真場景態(tài)勢，實時回傳和顯示無人機載荷畫面，模擬網(wǎng)絡通信效果，并在仿真結束后可以收集各項仿真結果并進行仿真效能評估。

2 仿真平臺架構設計

2.1 系統(tǒng)架構

無人機任務載荷綜合仿真平臺是由多個軟件子系統(tǒng)組成的綜合仿真平臺，每個軟件子系統(tǒng)部署在一臺或多臺計算機上，所有計算機通過一臺千兆以太網(wǎng)交換機連接在一起。交換機和計算機之間通過雙絞線網(wǎng)線連接，網(wǎng)絡環(huán)境為千兆局域網(wǎng)。系統(tǒng)硬件結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構Fig.1 System hardware structure

每個子系統(tǒng)通過消息通信接口接入整體系統(tǒng)當中，子系統(tǒng)直接通過公共的總線即消息交互總線（簡稱為總線或消息總線）進行消息交互，實現(xiàn)分布式聯(lián)合仿真。系統(tǒng)架構如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)架構Fig.2 System structure

各個子系統(tǒng)間使用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(Data Distribution Service，DDS)進行通信，DDS 是以數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)分布消息中間件，采用發(fā)布/訂閱體系架構，能夠提供實時信息傳送，強調(diào)以數(shù)據(jù)為中心，提供豐富的QoS 服務質量策略，能保障數(shù)據(jù)進行實時、高效、靈活的分發(fā)，可滿足各種分布式實時通信應用需求。其最大的優(yōu)勢就是松耦合，應用程序可以使用一個簡單的Topic 名稱來指定它想要讀或者寫的數(shù)據(jù)，以及使用以數(shù)據(jù)為中心的API 來直接讀寫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)僅存在于那些對它感興趣的應用程序的本地緩存中[11]。它將創(chuàng)建和發(fā)送數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)發(fā)布者，Publisher）的軟件與接收和使用數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)訂閱者，Subscriber）的軟件分離開，可以很好地兼容系統(tǒng)中各個組件、實體以及操作系統(tǒng)的異構性[11]。圖3 展示了任務仿真子系統(tǒng)向其他子系統(tǒng)下發(fā)環(huán)境態(tài)勢的DDS交互流程。

圖3 DDS 數(shù)據(jù)傳遞過程Fig.3 Data transmission process based on DDS

2.2 軟件組成

無人機任務載荷綜合仿真平臺包含多個軟件子系統(tǒng)，分別是任務仿真子系統(tǒng)、指揮中心、三維展示軟件、載荷仿真子系統(tǒng)、情報中心、總控軟件、飛控仿真子系統(tǒng)、無人機地面站、通信仿真子系統(tǒng)以及效能評估子系統(tǒng)，為無人機載荷驗證提供需要的仿真場景，所有軟件及子系統(tǒng)均連接在DDS 總線上進行消息交互。除此之外系統(tǒng)還包括多個數(shù)據(jù)庫，包括設備實體庫、三維模型庫以及載荷庫，為系統(tǒng)提供真實的仿真模型及參數(shù)信息。系統(tǒng)軟件組成如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件組成Fig.4 System software components

總控軟件負責控制整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并實時監(jiān)控各個子系統(tǒng)的當前狀態(tài)。任務仿真子系統(tǒng)用于試驗無人機載荷在一定的任務想定下的工作能力，可以模擬虛擬環(huán)境中各方對抗過程，提供設備部署、任務規(guī)劃、劇情編輯和仿真推演功能；在仿真過程中，通過指揮中心的控制可以實現(xiàn)“人在回路”，使各方操作人員參與到仿真推演過程當中。飛控仿真子系統(tǒng)接收任務仿真子系統(tǒng)的想定信息以及地面站所規(guī)劃的航線，調(diào)整控制無人機姿態(tài)，實時產(chǎn)生精確的飛行軌跡，系統(tǒng)提供模塊化的多機協(xié)同控制算法，包含行為控制法、深度學習法等多種協(xié)同控制方法。

載荷仿真子系統(tǒng)實現(xiàn)對無人機載荷系統(tǒng)的模型仿真和控制、監(jiān)視功能，包括對載荷信息源和載荷工作狀態(tài)的仿真，指令控制、狀態(tài)回報、載荷下傳信息的仿真。實時模擬無人機機載電視、紅外觀測設備生成動態(tài)紅外輻射場景以及機載合成孔徑雷達的生成及目標圖像，具備提供不同傳感器成像仿真的能力。載荷仿真子系統(tǒng)所生成的圖像在情報中心集中顯示，供無人機操作員判斷和下達指令。三維展示軟件可以根據(jù)任務想定及三維實體庫中的模型生成整個場景的三維態(tài)勢，便于了解整個仿真場景的概況。

通信仿真子系統(tǒng)能夠為任務仿真子系統(tǒng)、載荷仿真子系統(tǒng)、無人機地面站之間提供通信支持，實現(xiàn)不同場景下無人機之間、無人機與地面站之間的數(shù)據(jù)鏈通信功能，模擬通信過程中丟包、延遲等網(wǎng)絡特性。效能評估子系統(tǒng)收集通信仿真子系統(tǒng)、任務仿真子系統(tǒng)和載荷仿真子系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和效能統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將所有信息進行綜合評估，自動生成效能評估分析報告，對任務達成程度進行評估，并給出改進建議，為仿真計劃的制訂與載荷的配置提供參考。

3 仿真平臺工作流程

3.1 系統(tǒng)執(zhí)行流程

無人機載荷綜合仿真平臺支持整個系統(tǒng)當中的所有軟件子系統(tǒng)進行協(xié)同仿真。通過系統(tǒng)協(xié)同仿真，既可以為工程技術人員提供軟硬件技術和設備的仿真驗證環(huán)境，以分析各子模塊產(chǎn)品的適用性，也可以為用戶提供直觀的演示效果，驗證整套無人機任務系統(tǒng)的效能。

對于所有軟件子系統(tǒng)全部參與的系統(tǒng)綜合仿真應用來說，分為三個階段：想定準備階段、仿真運行階段和仿真收尾階段。

想定準備階段主要是完成各個子系統(tǒng)的準備工作。首先要完成無人機任務的制定，并在任務仿真子系統(tǒng)中根據(jù)任務需求進行仿真劇情編輯以及想定的編寫，同時對其他所有參與此次仿真的子系統(tǒng)完成相應的實體參數(shù)和模型配置。當所有子系統(tǒng)完成配置且加入總線上后，可以進入仿真運行階段。仿真運行階段由總控軟件下達仿真開始指令，任務仿真子系統(tǒng)將想定信息下發(fā)給其他子系統(tǒng)，然后按照預先規(guī)劃好的任務邏輯進行推演，并將無人機姿態(tài)等環(huán)境態(tài)勢信息定時發(fā)布到消息總線上面。地面站為每個無人機規(guī)劃飛行航跡，飛控仿真子系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃的航跡，調(diào)整控制無人機姿態(tài)，實時產(chǎn)生精確的飛行軌跡，并將精確的無人機姿態(tài)返回到總線上，供其他系統(tǒng)使用。載荷仿真子系統(tǒng)不斷通過傳感器獲得仿真場景圖像，經(jīng)過通信仿真子系統(tǒng)發(fā)送到情報中心進行集中顯示，由情報中心人員根據(jù)獲取到的圖像進行判斷。指揮中心收集己方信息，并通過無人機載荷收集對方情報，進行信息綜合后，發(fā)出指令給任務仿真子系統(tǒng)。三維展示軟件對整個場景的三維態(tài)勢進行展示。通信仿真子系統(tǒng)對無人機與無人機之間以及無人機與地面站之間的通信進行仿真，模擬環(huán)境中真實的通信環(huán)境。仿真收尾階段由效能評估子系統(tǒng)根據(jù)仿真過程中各子系統(tǒng)生成的仿真數(shù)據(jù)進行匯總分析，對整個無人機任務進行評估。整個系統(tǒng)的仿真流程如圖5 所示。

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互流程

無人機任務載荷綜合仿真平臺采用仿真模擬的技術手段，構造出接近實際場景的虛擬無人機環(huán)境信息傳遞給任務載荷仿真軟件，載荷仿真軟件實時渲染仿真出的數(shù)據(jù)并回傳給無人機任務載荷基礎仿真實驗環(huán)境系統(tǒng)，用于進一步數(shù)據(jù)分析處理，二者關系如圖6 所示。

圖5 系統(tǒng)綜合仿真應用場景流程圖Fig.5 Flow chart of application of integrated simulation system

圖6 無人機任務載荷基礎仿真實驗環(huán)境系統(tǒng)Fig.6 Basic simulation experiment environment system of UAV mission payload

對于整個綜合仿真平臺，涉及的子系統(tǒng)軟件眾多，并且軟件之間存在大量的信息交互和信息依賴，軟件之間的信息交互復雜，仿真平臺內(nèi)部各個子系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)流動如圖7 所示。

仿真人員在任務仿真子系統(tǒng)上進行任務想定的編輯，任務仿真子系統(tǒng)根據(jù)兵力實體庫中讀取的實體參數(shù)，生成整個仿真場景的態(tài)勢信息，并下發(fā)給其他所有子系統(tǒng)。飛控仿真子系統(tǒng)根據(jù)地面站的無人機航線信息對無人機飛行狀態(tài)進行模擬，并將精確的無人機姿態(tài)返回給任務仿真子系統(tǒng)。載荷仿真子系統(tǒng)根據(jù)載荷庫中的載荷參數(shù)配置進行載荷圖像的模擬仿真，并將圖像發(fā)送給通信仿真子系統(tǒng)。通信仿真子系統(tǒng)根據(jù)當前無人機通信狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)傳輸，將傳回的載荷圖像發(fā)送到情報中心進行集中顯示。仿真過程中，指揮人員通過指揮中心下達指令，發(fā)送給任務仿真子系統(tǒng)，對仿真節(jié)點進行實時控制。仿真結束后，各個子系統(tǒng)將效能統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)送給效能評估子系統(tǒng)，效能評估子系統(tǒng)總結效能評估結果并生成效能評估報告。

4 仿真平臺應用

4.1 仿真平臺效果

通過一次全系統(tǒng)聯(lián)合仿真實驗對平臺具體應用流程進行敘述，并對平臺展示效果和仿真結果進行分析，具體流程如下：

首先構建本次任務的仿真場景，紅方作為作戰(zhàn)任務的防守方，部署了無人預警機和地面雷達對敵方來襲目標進行發(fā)現(xiàn)和跟蹤，從而保護地面重要目標；藍方為作戰(zhàn)任務的攻擊方，在海面上部署了進攻兵力，攻擊機從航母上起飛攻擊紅方重要目標。

根據(jù)此次任務在任務仿真子系統(tǒng)上進行想定的編輯，首先設置任務對應的場景和氣象環(huán)境參數(shù)，然后根據(jù)任務需求對紅藍方的各個兵力進行部署和裝備配置，并編寫每個實體的任務邏輯，各個兵力的邏輯共同構成整個場景的仿真推演劇情。任務仿真子系統(tǒng)完成想定編輯后結果如圖8 所示。

仿真開始后任務仿真子系統(tǒng)將仿真場景中紅藍雙方兵力的實時態(tài)勢發(fā)送到總線上，各個仿真子系統(tǒng)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)進行仿真推演。飛控仿真子系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)模擬仿真，調(diào)整無人機姿態(tài)，產(chǎn)生精確的飛行軌跡和各種飛行參數(shù)，并將其發(fā)送回任務仿真子系統(tǒng)，修正飛機態(tài)勢。地面站軟件接收己方飛控發(fā)來的飛機參數(shù)，并進行實時顯示，飛行操控人員可以對飛機的姿態(tài)以及飛行路徑做出調(diào)整。

載荷仿真子系統(tǒng)根據(jù)無人機位置姿態(tài)、無人機所掛載的載荷類型、參數(shù)以及實時狀態(tài)，對載荷信息進行解析和顯示，生成對應的載荷圖像，其中載荷類型包括可見光載荷、紅外載荷和雷達載荷；并且在仿真過程中，無人機操作人員可以通過鼠標及搖桿對載荷的姿態(tài)、視場角等進行實時控制，適應不同任務的需求。當藍方飛機靠近紅方重要目標時，紅方無人機發(fā)現(xiàn)來襲的藍方實體，并對藍方實體進行跟蹤。圖9 為紅方無人機載荷觀測到的載荷畫面。

圖7 綜合仿真平臺數(shù)據(jù)流圖Fig.7 Data flow diagram of integrated simulation platform

圖8 任務仿真任務規(guī)劃界面Fig.8 Task planning interface of task simulation system

圖9 紅方無人機載荷圖像畫面Fig.9 Payload image screen of red UAV

在仿真過程中，各方指揮人員可以通過各自指揮中心軟件觀測到己方實體的實時位置和狀態(tài)，以及己方所探測到的對方單位；根據(jù)實時情況可以在仿真過程中進行任務規(guī)劃，對無人機及載荷的行為邏輯進行調(diào)整，實現(xiàn)對己方單位“人在回路”的控制，有利于探索更為有效的無人機及載荷使用模式。

通信仿真子系統(tǒng)、任務仿真子系統(tǒng)和載荷仿真子系統(tǒng)會在仿真過程中將實時收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給效能評估子系統(tǒng)，并且在仿真結束后，統(tǒng)一將收集好的全部相關數(shù)據(jù)發(fā)送給效能評估子系統(tǒng)。由效能評估子系統(tǒng)將所有信息進行統(tǒng)計和評估，自動生成效能評估分析報告，對整個任務進行評估。

以通信仿真效能分析為例，針對無人機與無人機之間以及無人機與地面站之間的通信鏈路負載、鏈路占用、鏈路時延、吞吐量、丟包率等典型通信質量評價指標進行評估并打分，可以及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡異常，評估整體網(wǎng)絡效能和網(wǎng)絡瓶頸。圖10 為效能評估子系統(tǒng)對通信仿真的綜合評估頁面。

除了可以對單次仿真結果進行評估，還可以對同一場景進行多次仿真綜合評估。通過改變無人機部署情況、無人機行為邏輯、無人機裝備參數(shù)以及載荷參數(shù)等，對任務流程和任務結果產(chǎn)生影響，效能評估將多次仿真結果進行綜合評估，可以比較不同任務模式以及不同裝備參數(shù)下對任務的影響，從而選取更為合適的無人機使用模式和裝備，為實際任務提供參考。

以任務仿真綜合效能評估為例，針對作戰(zhàn)任務中的兵力部署情況、兵力損失情況、導彈命中率、發(fā)現(xiàn)目標概率、作戰(zhàn)任務完成率以及根據(jù)不同作戰(zhàn)任務所制定的作戰(zhàn)效能指標進行評估。對同一場景下不同作戰(zhàn)模式結果進行對比，有利于選取最為合適的作戰(zhàn)部署和作戰(zhàn)模式。圖11 為同一場景下多次仿真的任務仿真綜合評估頁面。

圖10 通信仿真綜合評估頁面Fig.10 Comprehensive evaluation page of communication simulation system

圖11 任務仿真綜合評估頁面Fig.11 Comprehensive evaluation page of task simulation system

4.2 仿真平臺意義

該仿真平臺功能完善，涵蓋無人機載荷驗證的各個環(huán)節(jié)。該平臺可以靈活地進行無人機任務的部署，操作人員通過觀察整個場景的二維及三維態(tài)勢，可以快速了解整個場景概況，根據(jù)場景實際情況可以動態(tài)地調(diào)整無人機與載荷狀態(tài)，為探索無人機以及載荷的使用模式提供了便利條件。載荷仿真子系統(tǒng)支持多種類型載荷，具有豐富的載荷庫，并且支持載荷參數(shù)自由配置，可以實現(xiàn)載荷的全天候、全地形、全時段的仿真分析。綜合效能評估可以直觀地對仿真結果進行匯總和評估，便于研究人員分析當前無人機與載荷使用模式的弊端與不足，發(fā)現(xiàn)載荷裝備的瓶頸，為載荷研發(fā)與選型咨詢提供參考。

該仿真平臺系統(tǒng)采用DDS 總線的分布式仿真架構，為系統(tǒng)的更新和擴展提供了天然的優(yōu)勢。在各個仿真節(jié)點，將界面顯示、仿真模型、應用軟件與總線通信接口分離，分別獨立開發(fā)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)和業(yè)務功能的分離。

5 結束語

本文針對無人機載荷選型以及載荷試驗過程復雜、試驗周期長、試驗成本高的問題，設計了一種以載荷仿真為主體，同時結合任務仿真、通信仿真、飛行控制仿真以及效能評估的綜合仿真平臺，該平臺采用DDS 通信技術簡化了不同軟件的數(shù)據(jù)交互流程，可以方便地實現(xiàn)多系統(tǒng)分布式聯(lián)合仿真。并且該平臺可適用于各種載荷試驗場景，不受天氣、時間、空間以及實際載荷設備的限制，通過大量仿真試驗可以盡快確定載荷選型、載荷設備缺陷以及適合的載荷使用模式，極大地提高了載荷測試效率，為實際載荷設備的改進以 及使用提供了參考。