某電臺(tái)的通信指揮系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

李翔飛 楊 臻 余紅英 王圣輝

針對(duì)目前對(duì)通信電臺(tái)的模擬仿真軟件大部分局限在對(duì)操作界面的平面模擬，且不能有效實(shí)現(xiàn)模擬電臺(tái)之間、模擬電臺(tái)與半實(shí)物模擬器之間的語音通信功能等突出問題，提出了利用Unity3D 游戲引擎開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合3DsMax 建模軟件建立通信電臺(tái)三維立體模型，以C#為編程工具，并通過調(diào)用SIP 語音程序模塊，開發(fā)出基于UDP 通信協(xié)議的模擬電臺(tái)通信仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)可進(jìn)行電臺(tái)參數(shù)的實(shí)時(shí)更新上報(bào)，可組建即時(shí)語音通信網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)在導(dǎo)控軟件支持下能夠?qū)崿F(xiàn)與實(shí)裝一致的通信組網(wǎng)、語音會(huì)話功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)通信指揮控制系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展使其應(yīng)用滲透到社會(huì)生產(chǎn)生活的諸多領(lǐng)域。近年來，三維立體呈現(xiàn)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越普遍。特別是在部隊(duì)軍事訓(xùn)練、軍事院校教學(xué)過程中，此類技術(shù)的應(yīng)用可極大提高訓(xùn)練效果與教學(xué)效率。

針對(duì)電臺(tái)通信仿真訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)建過程中的缺陷與不足，本文提出了一種利用Unity3D 三維立體開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行電臺(tái)通信系統(tǒng)模擬仿真的新方法。可實(shí)現(xiàn)仿真電臺(tái)的360°外觀瀏覽、模擬操作。此模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通過構(gòu)建局域網(wǎng)內(nèi)的SIP語音通信服務(wù)端，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)軟件終端之間、軟件與半實(shí)物模擬器之間的實(shí)時(shí)語音通信。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)流程

系統(tǒng)模塊組成如圖1 所示，模擬訓(xùn)練設(shè)備具體工作流程如下。

1）模擬訓(xùn)練設(shè)備根據(jù)網(wǎng)管對(duì)其配置的各類模擬訓(xùn)練設(shè)備的設(shè)備管理分軟件IP 地址向各類模擬訓(xùn)練設(shè)備的設(shè)備管理分軟件進(jìn)行注冊(cè)。

2）模擬訓(xùn)練設(shè)備注冊(cè)成功后，根據(jù)UDP 通信協(xié)議，向設(shè)備管理分軟件上傳數(shù)據(jù)包，報(bào)告當(dāng)前工作狀態(tài)。

3）設(shè)備管理分軟件根據(jù)通信的規(guī)則作出組網(wǎng)判斷后，將該組網(wǎng)判斷提交設(shè)備管理總軟件，同時(shí)分配一個(gè)空閑的會(huì)議電話地址供該次組網(wǎng)通信使用，該會(huì)議電話地址將隨建鏈指令一起發(fā)送到模擬訓(xùn)練設(shè)備，模擬訓(xùn)練設(shè)備使用自帶的SIP 終端呼叫該會(huì)議電話地址即可建立語音通信鏈路。

4）模擬訓(xùn)練設(shè)備在相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)（如退鏈、重設(shè)頻率參數(shù)、改變工作狀態(tài)等），需重復(fù)過程2 →3。

仿真電臺(tái)模型構(gòu)建

電臺(tái)三維立體模型構(gòu)建

3dsMax 是一款優(yōu)秀的電腦三維動(dòng)畫、模型和渲染軟件，廣泛應(yīng)用于三維動(dòng)畫、影視制作、建筑設(shè)計(jì)等各種靜態(tài)、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的模擬制作。該模型以.fbx 格式導(dǎo)出后供Unity引擎使用。在電臺(tái)操作程序模塊驅(qū)動(dòng)下，可實(shí)現(xiàn)各工作旋鈕旋轉(zhuǎn)、按鍵操作、屏幕顯示等模擬效果。電臺(tái)三維立體模型如圖2 所示。

模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信構(gòu)成

創(chuàng)建UDP 通信協(xié)議

UDP（User Datagram Protocol）協(xié)議屬于傳輸層協(xié)議。面向非連接的UDP 協(xié)議就是在正式通信前不必與對(duì)方先建立連接，不管對(duì)方狀態(tài)就直接發(fā)送，正因?yàn)閁DP 協(xié)議沒有連接的過程，所以它的通信效率高。這與現(xiàn)在的手機(jī)短信非常相似：你在發(fā)短信的時(shí)候，只需要輸入對(duì)方手機(jī)號(hào)就可以了。

數(shù)據(jù)幀傳輸內(nèi)容與格式如圖3 所示。

通過wireshark 抓包軟件，提取UDP 注冊(cè)過程的數(shù)據(jù)包。本地設(shè)備向設(shè)備管理分軟件發(fā)送的注冊(cè)數(shù)據(jù)包如圖4 所示。說明符合UDP 通信協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸格式要求。

語音通信模塊

SIP 會(huì)話初始協(xié)議（Session Initiation Protocol）是一種信令協(xié)議，用于初始、管理和終止網(wǎng)絡(luò)中的語音和視頻會(huì)話，具體地說就是用來生成、修改和終結(jié)一個(gè)或多個(gè)參與者之間的會(huì)話。SIP 的業(yè)務(wù)模式是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，其中有兩個(gè)要素——SIP 客戶端和SIP 服務(wù)器。

SIP 客戶端向服務(wù)器端的注冊(cè)過程如圖5 所示。

圖1 系統(tǒng)模塊組成

圖2 電臺(tái)三維立體模型

圖3 數(shù)據(jù)幀格式

圖4 UDP 注冊(cè)數(shù)據(jù)包構(gòu)成詳解

圖5 SIP 注冊(cè)流程

圖6 通信模塊程序流程圖

通信模塊程序流程

通信模塊由UDP 數(shù)據(jù)通信模塊和SIP 語音通信模塊兩部分組成，通信模塊程序流程如圖6 所示。

模擬軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通信組網(wǎng)

當(dāng)模擬電臺(tái)工作模式或參數(shù)設(shè)置發(fā)生變化時(shí)，上報(bào)設(shè)備管理分軟件，并經(jīng)設(shè)備管理總軟件進(jìn)行組網(wǎng)判斷，作出是否重新分配SIP 會(huì)議地址的指令。以設(shè)備編號(hào)為18、19、20 的模擬電臺(tái)切換工作模式為例來說明UDP 數(shù)據(jù)傳輸與SIP 語音通信的具體過程。

在跳密模式下，設(shè)備管理總軟件分配會(huì)議電話地址，此時(shí)，18、19、20 號(hào)模擬電臺(tái)會(huì)議號(hào)為16000001，如圖7 所示。

對(duì)圖7 顯示的模擬設(shè)備通信組網(wǎng)狀態(tài)，設(shè)備管理分軟件對(duì)在線設(shè)備的拓?fù)錁?gòu)成進(jìn)行了詳細(xì)記錄，如圖8 所示。

模擬電臺(tái)訓(xùn)練系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

圖7 跳密模式通信組網(wǎng)

圖8 在線設(shè)備拓?fù)錁?gòu)成

圖9 模擬系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖

設(shè)備管理總軟件通過整合設(shè)備管理分軟件記錄的各模擬電臺(tái)通信組網(wǎng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整處于不同指揮級(jí)別（如群、營、連各級(jí)指揮所）通信電臺(tái)的組網(wǎng)連接狀態(tài)。直觀展現(xiàn)模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的通信鏈路。模擬系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖9 所示。

結(jié)語

該系統(tǒng)在控制功能、操作方式、顯示界面以及外形、尺寸等方面與實(shí)裝電臺(tái)保持一致，在部隊(duì)軍事訓(xùn)練和相關(guān)軍事院校教學(xué)過程中，可極大提高軍事訓(xùn)練效果和教學(xué)效率。基于Unity3D 三維立體開發(fā)平臺(tái)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、實(shí)兵對(duì)抗演練等軍事領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣泛。另外，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，本系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)據(jù)通信和語音通話功能可擴(kuò)展應(yīng)用于其他模擬仿真系統(tǒng)。利用Unity3D引擎，為軍事仿真系統(tǒng)的開發(fā)提供了一條新途徑。