飛行模擬器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)動態(tài)交互技術(shù)研究

王 云，鄒 慶，黃祖丹，楊衍舒

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

飛行模擬器能夠在地面逼真地再現(xiàn)飛機的飛行特征，是航空工業(yè)發(fā)展必不可少的一項設(shè)備，無論是前期的技術(shù)驗證，還是后期對飛行員的培養(yǎng)，飛行模擬器都扮演著重要角色。運用飛行模擬器對飛行員進行訓練，既經(jīng)濟又安全，同時不受天氣、機場等條件限制[1]。飛行模擬器具有可控性、無破壞性、經(jīng)濟性、可靠性等優(yōu)點。

在飛行模擬器的設(shè)計中，要求大量的信息能夠快速有效地在飛行模擬器的各個分系統(tǒng)之間進行高速傳遞，這就需要一定的通信接口協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。 目前，飛行模擬器通常采用基于C/S 模型通訊架構(gòu)，在各個分系統(tǒng)之間均建立一對一的服務(wù)器/客戶端網(wǎng)絡(luò)通道。 這種方式不僅通訊通道多、通訊方式繁雜、數(shù)據(jù)重復(fù)傳輸，造成網(wǎng)絡(luò)負擔重，而且可兼容性、靈活性不高，不容易對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行全面、實時的監(jiān)視，為系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、故障定位等問題增加難度。

本文分析了飛行模擬器現(xiàn)用數(shù)據(jù)交互技術(shù)存在的問題，在此基礎(chǔ)上，基于可靠適用的原則開展網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)動態(tài)交互技術(shù)研究，架構(gòu)了新的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并以某型飛機飛行模擬器為平臺進行測試，驗證了技術(shù)的優(yōu)越性。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)用的飛行模擬器采用千兆以太網(wǎng)組建數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，所有計算機通過交換機接入本地局域網(wǎng)。各通信軟件之間采用UDP 或TCP 協(xié)議建立通訊通道，以嚴格按照事先約定的接口定義和通訊方式進行數(shù)據(jù)交互。

目前采用的數(shù)據(jù)交互方式雖然滿足了飛行模擬器各系統(tǒng)交聯(lián)的數(shù)據(jù)需求和實時性要求,但仍存在以下問題：

1） 通訊通道多，數(shù)據(jù)監(jiān)視困難?，F(xiàn)用的通過飛機仿真計算機與其他系統(tǒng)建立一對一或一對多的多條服務(wù)器/客戶端網(wǎng)絡(luò)通道，且發(fā)送網(wǎng)絡(luò)及接收網(wǎng)絡(luò)各不同，構(gòu)成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通訊，需約定多個網(wǎng)絡(luò)地址及端口。若需監(jiān)視整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，在現(xiàn)用通訊方式的基礎(chǔ)上是無法實現(xiàn)的；

2） 數(shù)據(jù)重復(fù)傳輸，增加網(wǎng)絡(luò)負擔?，F(xiàn)用的系統(tǒng)數(shù)據(jù)流大多由飛機仿真計算機發(fā)送，造成了大量數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送，如各系統(tǒng)需要的飛行位置、姿態(tài)，聲音及顯控/任務(wù)模擬系統(tǒng)需要的機載系統(tǒng)工作狀態(tài)。 顯控/任務(wù)模擬系統(tǒng)需要的座艙操縱信號需通過飛機仿真計算機接收數(shù)據(jù)采集控制器數(shù)據(jù)后進行轉(zhuǎn)發(fā)，平顯模擬計算機需要的任務(wù)數(shù)據(jù)需通過飛機仿真計算機接收顯控/任務(wù)模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)后進行轉(zhuǎn)發(fā)。 這都大大增加了交互數(shù)據(jù)量，一定程度浪費了網(wǎng)絡(luò)資源；

3） 耦合性差，通訊關(guān)系不夠靈活?，F(xiàn)用的通訊方式中數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)只限制在約定的兩者或三者之間。 若模擬器加入新的參訓設(shè)備，必須在數(shù)據(jù)發(fā)送方和需求方之間約定新的數(shù)據(jù)接口，明確雙方通訊關(guān)系，建立新的網(wǎng)絡(luò)通道。這種方式不能靈活地接收參與方進入網(wǎng)絡(luò)；

4） 兼容性差，不便于軟件移植。不同型號飛機飛行模擬器的參訓設(shè)備是不同的，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中交互的數(shù)據(jù)是不同的。 軟件移植后，網(wǎng)絡(luò)接口需要重新設(shè)計，因此按照現(xiàn)有的雙方約定固定數(shù)據(jù)接口的方式無法兼容不同模擬器，軟件不能通用，可移植性不高。

2 技術(shù)設(shè)計

針對上述存在的問題，提出一種“以數(shù)據(jù)為中心、各司其職、各取所需”的松耦合數(shù)據(jù)交互機制。對交互的數(shù)據(jù)進行裁剪， 采用數(shù)據(jù)動態(tài)封裝及分包傳輸方式，減少了數(shù)據(jù)量，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)動態(tài)交互，基本思想為：

1） 采用組播通信方式, 數(shù)據(jù)發(fā)送方只需按數(shù)據(jù)交互規(guī)則發(fā)布數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)需求方只需按需求接收數(shù)據(jù)，均不需要明確發(fā)送/接收的對象；

2） 篩選出各系統(tǒng)重疊所需的數(shù)據(jù)，進行整合，降低網(wǎng)絡(luò)負擔；

3） 發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)能夠動態(tài)進入或退出，且不影響整體網(wǎng)絡(luò)通訊的運行。為進一步減少交互數(shù)據(jù)量，對數(shù)據(jù)封裝時進行發(fā)送時機判斷；

4） 對超過1472 字節(jié)的數(shù)據(jù)包設(shè)計分包發(fā)送機制。

注：當UDP 包中的數(shù)據(jù)多于1472 字節(jié)時，發(fā)送方IP 層需要分片進行傳輸，而接收方IP 層則需要進行數(shù)據(jù)包重組。由于UDP 是不可靠傳輸協(xié)議，如果分片丟失導(dǎo)致重組失敗，將導(dǎo)致UDP 數(shù)據(jù)包被丟棄。因此普通局域網(wǎng)環(huán)境下，UDP 數(shù)據(jù)最大為1472 字節(jié)最好，避免分片重組[2]。

數(shù)據(jù)交互規(guī)則為：

1） 發(fā)送方和接收方按數(shù)據(jù)需求，分別編制接口文件。以“一個數(shù)據(jù)一條目”的固定格式寫入數(shù)據(jù)接口信息，其中以主編號ID 和子編號SubID 組合作為每個數(shù)據(jù)接口的唯一標識，文件以TXT 格式保存。 為保證ID 和SubID 組合的唯一標識，避免接收方數(shù)據(jù)解析混淆和錯誤，對各系統(tǒng)內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)約定ID 和SubID 使用范圍，相同數(shù)據(jù)的接口信息在發(fā)送方和接收方必須一致；

2） 根據(jù)ID、SubID 組合的唯一性，為每一個數(shù)據(jù)建立地址映射，形成一個完整的數(shù)據(jù)映射表；

3） 數(shù)據(jù)發(fā)送前對數(shù)據(jù)包進行封裝，遍歷數(shù)據(jù)映射表，判斷數(shù)據(jù)狀態(tài)是否更新。若有變化，判斷數(shù)據(jù)包是否超過1472 字節(jié)，若未超過將數(shù)據(jù)按固定格式存入數(shù)據(jù)包，若超過則將數(shù)據(jù)存入新的數(shù)據(jù)包，更新數(shù)據(jù)包頭信息，直至遍歷完成映射表中所有數(shù)據(jù)。 每個數(shù)據(jù)包均由固定長度的數(shù)據(jù)包頭和不定長度的數(shù)據(jù)包體構(gòu)成，數(shù)據(jù)包頭包括數(shù)據(jù)包版本、數(shù)據(jù)包體個數(shù)及數(shù)據(jù)包體長度；

4） 接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)包進行解析，以固定長度從數(shù)據(jù)包首位置截取數(shù)據(jù)包頭。判斷數(shù)據(jù)包版本是否正確， 數(shù)據(jù)包體個數(shù)及數(shù)據(jù)包體總長度是否為非0，若不符合則舍棄該數(shù)據(jù)包，否則以固定長度按順序截取，獲得數(shù)據(jù)ID、SubID 及數(shù)據(jù)。 遍歷映射表，從中查詢一致的ID 和SubID，更新對應(yīng)數(shù)據(jù)。

3 技術(shù)驗證

基于上述設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)動態(tài)交互技術(shù)，以某型教練機飛行訓練模擬器為平臺，搭建驗證環(huán)境，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的發(fā)送方和接收方關(guān)系如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)通訊圖

由于圖形生成計算機為定制接口，通訊方式無法更改，但其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量不大，不會影響測試結(jié)論，因此保持原有架構(gòu)。其他系統(tǒng)的通訊方式按網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)動態(tài)交互方式設(shè)計。

計算在相同飛行狀態(tài)下采用動態(tài)交互方式和現(xiàn)用交互方式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量，以地面待飛狀態(tài)和武器攻擊狀態(tài)為例，兩種方式的數(shù)據(jù)量對比情況見表1、表2。

表1 地面待飛狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量

表2 火箭彈對地攻擊的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量

通過比較表1、表2 的數(shù)據(jù)量可以看出，在飛機狀態(tài)變化較小的地面待飛時刻和變化較明顯的武器攻擊時刻，采用動態(tài)交互的方式，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量均遠遠小于現(xiàn)用交互的方式。

4 結(jié)語

飛行模擬器是基于數(shù)據(jù)交互的復(fù)雜系統(tǒng)，通過分析數(shù)據(jù)交互現(xiàn)狀，在“滿足實時性、以數(shù)據(jù)為中心、各取所需、降低網(wǎng)絡(luò)負擔”的基本思想下，設(shè)計了數(shù)據(jù)動態(tài)交互技術(shù)。經(jīng)過平臺驗證，考核該技術(shù)的可行性和適用性，證明該技術(shù)較好地滿足了各系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求，保證實時性的同時，很大程度降低了網(wǎng)絡(luò)負擔。