劉一超1，李慧2

　　(1.空軍石家莊飛行學院 司令部，河北 石家莊 050000；2.河北經貿大學 人文學院，河北 石家莊 050000)

       摘要：采用模塊化設計方法，構建了基于高層體系結構/運行支撐環境(HLA/RTI)分布式協議的分布式機載武器仿真系統框架，具體介紹了各個模塊的功能、工作流程以及實現方法，形成了一套較為完整實用的系統開發解決方案。

　　關鍵詞：分布式；機載武器；仿真系統

　　中圖分類號：V411.8文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.026

　　引用格式：劉一超，李慧.基于HLA的機載武器仿真系統框架設計及實現［J］.微型機與應用，2017,36（4）：87-89，93.

0引言

　　現代空中作戰對協同配合提出了更高的要求。單個的仿真系統很難再滿足實戰化模擬訓練的各種需求，因此，分布式仿真成為當前計算機仿真領域發展的一個熱點方向。從實用化角度開展對分布式仿真系統的應用研究并進行驗證，有著更為重要的意義。為了提高飛行射擊訓練的實戰化訓練水平，結合在研項目，本文基于高層體系結構（High Level Architecture,HLA）仿真標準，通過運行支撐環境(RunTime Infrastructure，RTI)，提出了分布式機載武器仿真系統的設計框架，并就其各模塊的功能和實現進行了分析研究和驗證，形成了一套比較完整的解決方案，供同仁研究探討。

1環境平臺簡介

　　1.1HLA/RTI

　　HLA是一種支持互操作和仿真模型重用的分布交互仿真標準，它在整個系統中負責消息的分發和時間的同步推進，是系統實現分布式交互操作的基礎。HLA通過RTI提供通用的、相對獨立的支撐服務程序，將仿真應用同底層的支撐環境分開，即將具體的仿真功能實現、仿真運行管理和底層通信傳輸三者分離，各自的實現細節被隱藏，也就是說，開發者可以只專注于頂層的功能實現［1］。

　　RTI是HLA接口規范的具體實現，它是基于HLA仿真的核心部件。RTI的功能與分布式操作系統類似，是HLA仿真應用程序設計和運行的基礎。RTI的主要作用是為仿真應用提供運行管理功能，如仿真過程的開始、暫停、回復、時間同步、仿真時鐘推進等；提供底層通信傳輸服務，是具體的仿真功能實現、仿真運行管理和底層通信傳輸三者分離的基礎［2］。RTI的原型系統由DMSO于1995年開發，目前有不同組織開發的多種版本的RTI。

　　BH RTI是北京航空航天大學研發的分布交互仿真開發與運行平臺中的運行平臺部分。該平臺支持HLA 1.3和IEEE 1516標準，是支持分布交互仿真應用開發和高效運行的軟件系統平臺，可應用于視景仿真、模擬訓練、城市仿真、工業設計、交互式游戲等應用領域。BH RTI的接口功能涵蓋標準中定義的六類管理服務(聯盟管理、聲明管理、對象管理、數據分發管理、所有權管理、時間管理) ［3］、支撐服務以及管理對象模型(MOM)。

　　1.2Multigen Creator和VegaPrime

　　Multigen Creator是Multigen-Paradigm公司針對可視化仿真的應用特點開發的可視化三維建模軟件系統，整個系統中所有3D物體模型都是由它建立的。Creator實現了運行于高端SGI工作站和低端PC平臺的不同版本，因此可以適應不同的硬件資源，給用戶提供一個“所見即所得”的交互式可視建模軟件環境。

　　Multigen Vega Prime是Multigen-Paradigm公司用于虛擬現實、實時視景仿真等可視化領域的應用軟件工具，整個系統通過對其進行二次開發實現了仿真視景，模擬空中射擊訓練的真實環境。它包括不同平臺下統一的圖形環境界面、完整的基于C++的應用程序接口API、豐富的相關實用庫函數和一批可選的功能模塊［4］。Vega Prime是基于線程的，模塊接口通過模塊類調用，并且采用基于XML的ADF/ACF文件，因此執行效率更高。

　　1.3基于DirectX 的下一代跨平臺體系結構 XNA

　　XNA(DirectX and Xbox Next-generation Architecture)是微軟開發的三維圖形程序設計開發平臺，本項目中主要用于飛機座艙儀表的實現。它以DirectX作底層支持，提供內容導入、數據庫、輸入獲取、音視頻播放、網絡連接等常用工具。XNA是DirectX的替代者，相比后者，XNA的特點包括：運行在.NET環境下；圖形程序設計、聲音效果、輸入設備、網絡編程等所有功能集為一體；可編程流水線；通過素材管線(Content Pipeline)加載資源等。

　　以上三個技術平臺既相互依賴關聯又具有獨立性。HLA/RTI作為本項目核心的技術支撐，用于底層消息交互和時間同步推進模塊的研發，它主要適用于構建分布式交互仿真環境；Multigen Creator和Vega Prime則適用于三維仿真視景的構建，通過接收、設置參數模擬空中射擊訓練的真實環境；XNA基于DirectX且更加易用，因此適用于本系統飛機座艙儀表的仿真。三個技術平臺既可以專注于系統獨立模塊開發，也可以通過數據聯動成為一個有機整體。由于易于開發、易于擴展、性能穩定，它們構成了分布式仿真應用系統的核心技術平臺。

2系統框架

　　為了實現分布式機載武器仿真系統，開展射擊訓練和對抗演練，提升訓練的效益和安全性，設計了基于HLA/RTI分布式機載武器仿真系統框架。該系統框架由HLA/RTI分布式仿真平臺和盟員程序兩部分組成，如圖1所示。

　　本系統中，HLA/RTI采用結合中心服務節點的分布式交互體系結構。其中，多個RTI系統作為RTI節點獨立運行，同時有一個獨立運行的中心服務節點。RTI節點負責接收和轉發盟員程序交互所需要的數據，主要是目標機的位置、姿態等信息，它是系統最基本的數據交互管理單位。RTI節點之間使用RTIRTI交互協議進行通信，它們的關系是平等的。中心服務節點管理多個RTI節點，負責分布式系統中全局數據的處理，是底層數據通信的協調中心，它通過RTICS交互協議與RTI節點進行通信［5］。各主機上獨立運行的RTI節點對于盟員程序來說像一個集中服務器一樣，同時各盟員程序之間可以實現互操作。

　　基于該框架實現的仿真系統不僅可以實現單機對空對地射擊訓練、成績評定，而且可以通過聯網將分布于不同空間的多臺單機融合到一個場景中，實現不同飛行員之間聯網對抗，模擬實戰。

　　2.1聯邦的設計與開發

　　聯邦是指參與信息交互的實體和它們所處的同一場景環境構成的集合體。每架戰機作為一個參與信息交互的實體，是一個聯邦成員。本機訂閱并動態接收其他戰機的名稱和實時坐標、姿態，進而顯示在本機的視景中進行瞄準射擊，同時本機更新發布自身的名稱和實時坐標、姿態。這些交互的數據既可以通過更新/反映對象類屬性值來完成，也可以通過發送/接收交互實例來實現［6］。由于交互類不具有持續性，本系統選用對象類進行成員間的互操作。HLA/RTI在一個通用的聯盟對象模型文件(FED文件)中定義了對象類和交互類，以下是FED文件片段。

　　user object classes here

　　(class Aircraft

　　(attribute Name reliable timestamp)

　　(attribute Poszd reliable timestamp)

　　(attribute Poshp reliable timestamp)

　　(attribute Posxd reliable timestamp)

　　(attribute Thet reliable timestamp)

　　(attribute Psi reliable timestamp)

　　(attribute Gama reliable timestamp)

　　)

　　聯邦成員的底層擁有相同的運行流程，如圖2所示。

　　通過以上實現，每個單機實體可以首先作為一個成員加入到聯邦中，然后聲明自己要接收和發送的數據，在將這些感興趣的數據集合為一個對象并在聯邦環境中注冊后，圖2運行流程圖就可以進行消息循環了。隨著時間推進，每個單機實體實時發布數據、接收訂閱信息并據此更新狀態。即每個單機實體可以同步地推進時間和交互信息，它們感知的是同一個世界。

　　2.2飛行子系統

　　飛行子系統對飛機空氣動力特性進行仿真，解算飛機的六自由度非線性全量運動方程，獲取飛機的位置、姿態、角速度、速度等飛行參數［7］，并將這些參數通過網絡輸出到其他子系統。

　　本系統首先使用數據采集模塊采集輸入座艙控制電門的開關狀態，操縱系統的操縱面位置(即舵偏角)、液壓系統的襟翼、起落架狀態和油門桿的位置。通過判斷座艙電門的開關狀態，發動機決定啟動或者停車。若發動機啟動成功，發動機模塊根據采集的油門桿位置查表插值得到發動機的轉速、推力以及耗油率，氣動系數模塊則根據舵偏角、襟翼和起落架的狀態以及運動方程模塊反饋的飛行參數(馬赫數、高度、迎角、側滑角等)查表插值取得飛機的氣動系數、氣動力和力矩。另外，起落架力和力矩模塊根據飛機飛行狀態和姿態、剎車壓力等計算起落架力和力矩。最終，運動方程模塊根據發動機推力、啟動力/力矩、自身質量特性、反饋的起落架力/力矩以及系統接收的控制臺設定的環境參數(紊流、風和大氣等)積分解算六自由度非線性全量運動方程。解算得到的飛機運動參數通過網絡發送到視景子系統、火控子系統、儀表音響子系統以及訂閱了這些值的其他盟員程序。

　　為了滿足方程解算實時性的要求(本系統設定每個循環周期為10 ms)，使用了多媒體計時器服務。使用該服務，可以滿足系統高分辨率計時的需求，最小分辨率為1 ms。多功能USB數據采集卡的采集周期超過了10 ms，本系統為數據采集創建了新的線程。主要代碼如下。

　　timeGetDevCaps(tmcap，sizeof(LPTIMECAPS))；

　　timeBeginPeriod(1)；

　　timeEndPeriod(1)；

　　…

　　HANDLE hThread=::CreateThread(NULL，0，RWdatacard，NULL，0，NULL)；

　　CloseHandle(hThread)；

　　飛行方程解算屬于計算密集型的應用，實時性要求高。對于Windows系統，一般每個線程的時間片耗時是不穩定的，在15 ms左右變動，這難以滿足時間要求。通過使用多媒體定時器，能夠保證每個計算周期的耗時恒定為10 ms。解算時間的恒定可控使飛機在視景中的運動更為平滑。

　　2.3視景子系統

　　視景子系統提供仿真系統外部動態視覺

　　景觀的模擬，為使用者建立一個逼真的視覺環境。視景子系統根據飛行子系統和火控子系統傳遞的數據，精確模擬飛行區域天空(太陽、月亮、云層)、地物地貌、飛行區域景觀、射擊作戰對象、瞄準具以及射擊效果顯示等視景，提供動態視覺場景，使能夠通過視景判斷飛行狀態(正?；蚍钦?、位置、姿態、戰術信息、目標信息等。

　　視景子系統的開發流程主要包括三步。首先，使用Creator或者其他3D模型軟件制作視景數據庫，如機場模型庫、目標模型庫(每種目標模型建有靜態、動態、毀損狀態)、地形數據庫以及特殊效果庫(燃燒、粉塵、碎片等效果)等；第二步，在LynX Prime中調入.flt模型，完成基本環境設置、特效設置，從而完成.acf文件的配置；最后，在Visual Stdio 2005編程環境中設計視景仿真程序，直接調用Vega Prime的API函數，利用接收的仿真數據驅動整個場景。

　　VP的工作流程為初始化—定義—配置—幀循環—關閉，可以劃分為靜態工作和動態循環兩個階段。如圖3所示。

　　系統初始化vp::initialize()完成的工作包括檢查許可證和初始化靜態變量、單模式類、內存分配器、渲染函數庫、ACF解析器、模塊接口、核圖3視景子系統的開發流程心類等。接著，通過代碼或者將ACF文件傳遞給define()方法在系統定義中創建類實例并進行初始化。系統定義后，在配置階段設置多線程模式、線程優先和分配器分配等，同時建立基于附加消息的類實例之間的關系。在幀循環階段，動態循環場景的刷新和渲染。最后關閉系統，需要使用核心類分配的內存、調用模塊的關閉方法清理內存、結束同步線

　　程以及向許可證服務器返回許可證。

　　2.4火控子系統

　　火控子系統負責火控工作狀態解算、瞄準解算、外掛處理、武器彈道解算等，模擬武器使用的控制流程，并對武器的攻擊效果進行效能評估，分為7個模塊，如圖4所示。

　　中央解算模塊負責火控系統工作狀態的處理，對瞄準具、軍械綜合顯示器的狀態進行控制，進行武器的瞄準解算，確定瞄準光環的位置。彈道解算模塊分別建立航炮、火箭和炸彈的彈道方程，解算出炮彈的彈道軌跡。武器外掛處理模塊負責武器掛點選擇邏輯狀態的分析，確定所選武器的工作狀態，根據采集的武器裝配數據和發射狀態計算武器發射類型及數量。效能分析模塊對放射/投放武器的毀傷效果進行分析處理，進行效能評估，其結果傳輸至控制臺顯示。數據交互處理模塊負責火控子系統與其他子系統的信息交互，包括對火控相關電門的數據采集和飛行參數的接收。顯示模塊負責瞄準具顯示器和軍械綜合顯示器的信息顯示。多功能邏輯分析模塊完成火控配置狀態判斷，并結合中央解算模塊的解算結果控制結果信息的顯示。

　　2.5儀表與音響子系統

　　儀表與音響子系統應用XNA框架，在計算機屏幕上顯示飛機座艙的虛擬儀表，并模擬飛行設計訓練中的各種音響特效。儀表與音響子系統接收飛行子系統發送的相關運動參數，進而控制儀表指針的轉動，并發出聲音。本子系統的難點在于實物建模的準確性。另外，為了模擬真實機械儀表指針轉動時的慣性作用，采用了累加求和取平均值的方法。

3結論

　　基于HLA/RTI分布式協議的分布式機載武器仿真系統框架，采用了模塊化設計方法，明晰了設計思路，給出了具體的設計方法，實現了各技術平臺之間的數據無縫連接，構成了一個相對完整的分布式仿真系統的實用解決方案。該方案在本項目的研發過程中進行了多次優化，并通過了實踐驗證，為類似系統的研發提供了一個具體的成功范例，也為今后項目拓展打下了堅實的基礎。

參考文獻

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