基于雷達(dá)系統(tǒng)分布交互式視景仿真系統(tǒng)研究

糜小兵 朱 峰 孟獻(xiàn)軻

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210007)

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基于雷達(dá)系統(tǒng)分布交互式視景仿真系統(tǒng)研究

糜小兵 朱 峰 孟獻(xiàn)軻

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210007)

該仿真技術(shù)從單機(jī)平臺(tái)到基于HLA的分布式交互仿真,視景仿真在這些仿真技術(shù)平臺(tái)上在軍事、科學(xué)研究、建筑等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在雷達(dá)系統(tǒng)越發(fā)復(fù)雜、設(shè)備成本越發(fā)高昂的今天,采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試、訓(xùn)練與研究,不但可以全面提高效率,也可以有效降低成本,對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試、評(píng)估等方面都有良好的輔助作用。

分布式交互仿真; HLA; 視景防真; 分布式

Class Number TP391

1 引言

伴隨仿真技術(shù)的發(fā)展,從單機(jī)平臺(tái)到SIMNET(Simulation Network)再到目前的基于HLA(High Level Architecture)的分布式交互仿真(Distributed Ineractive Simulation,DIS),視景仿真也在這些仿真技術(shù)平臺(tái)上在軍事、科學(xué)研究、建筑等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用,分步式交互是視景仿真的重要發(fā)展方向[1]。在雷達(dá)系統(tǒng)越發(fā)復(fù)雜、設(shè)備成本越發(fā)高昂的今天,采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試、訓(xùn)練與研究,不但可以全面提高效率,也可以有效降低成本[2]。

2 DIS和HLA概述

DIS是指以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為支撐,利用網(wǎng)絡(luò)將分步在不同地理位置的不同類型的仿真模塊聯(lián)結(jié)統(tǒng)一起來,通過模塊間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信構(gòu)成一個(gè)時(shí)空一致的大范圍以及多參與者協(xié)同作用的復(fù)雜綜合性仿真環(huán)境[3]。DIS是通過網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行模塊通信,其通信協(xié)議主要遵循于IEEE標(biāo)準(zhǔn)、ISO標(biāo)準(zhǔn)、Internet標(biāo)準(zhǔn)[4]。由于DIS不能支持大規(guī)模的仿真,因此需要新的技術(shù)框架來擴(kuò)展,于是MSMP(M&S Master Plan)應(yīng)運(yùn)而生,而HLA是MSMP的核心內(nèi)容,是從體系結(jié)構(gòu)上對(duì)DIS不足之處進(jìn)行完善,從而滿足分步式仿真的可重用和交互操作的需要[5]?；贖LA框架的仿真系統(tǒng),不把具體的仿真應(yīng)用和聯(lián)邦成員的構(gòu)建作為其重點(diǎn),而是強(qiáng)調(diào)在已用的聯(lián)邦成員之間如何實(shí)現(xiàn)相互操作從而組成一個(gè)聯(lián)邦,這樣既可以把應(yīng)用層和底層的支撐系統(tǒng)分離開來,又可以能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和模塊能夠相互獨(dú)立的開發(fā)[6]。

3 聯(lián)邦仿真系統(tǒng)模型

本文的視景仿真基于HLA[7]的分布交互式,在整個(gè)仿真系統(tǒng)中,每個(gè)聯(lián)邦成員各自使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為仿真節(jié)點(diǎn),整個(gè)仿真系統(tǒng)的通信在局域網(wǎng)中進(jìn)行。仿真系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 仿真模型結(jié)構(gòu)圖

將整個(gè)仿真任務(wù)分布式分解后,按照主要功能分為以下幾個(gè)聯(lián)邦節(jié)點(diǎn):主控、平臺(tái)、發(fā)射與回波、接收和信號(hào)處理。

1) 主控:對(duì)整個(gè)仿真流程進(jìn)行推進(jìn)和控制。主控節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)著初始化仿真參數(shù)的設(shè)置,同過交互界面輸入雷達(dá)參數(shù)、信噪比、雷達(dá)觀測(cè)范圍、PRF等。

2) 平臺(tái):主要是利用Vega軟件加載Creator所創(chuàng)建的該型雷達(dá)和目標(biāo)模型數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)行視景仿真演示。仿真中所演示的雷達(dá)和目標(biāo)位置,目標(biāo)的飛行方向、飛行速度等初始參數(shù),由主控節(jié)點(diǎn)設(shè)置的參數(shù)提供。

3) 發(fā)射與回波:根據(jù)該型雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)類型、發(fā)射方向圖調(diào)制方式、雷達(dá)功率等參數(shù)生成發(fā)射信號(hào),并根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)位置計(jì)算各個(gè)通路的延遲和增益,最后得到回波信號(hào)序列。同時(shí),該節(jié)點(diǎn)還包括噪聲和雜波的生成,并將噪聲序列和雜波序列疊加到回波序列中,然后再發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

4) 接收節(jié)點(diǎn):模擬雷達(dá)對(duì)回波數(shù)據(jù)的接收。由于本文內(nèi)容涉及的仿真沒有加入干擾機(jī)節(jié)點(diǎn),因此接收節(jié)點(diǎn)只對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了接收而沒有其他的工作。若加入了干擾機(jī)節(jié)點(diǎn),則接收節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)回波和干擾序列的疊加,并將完整的回波信號(hào)序列儲(chǔ)存在文件中。

5) 信號(hào)處理:該節(jié)點(diǎn)是對(duì)前面幾個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的回波信號(hào)進(jìn)行處理。信號(hào)處理的結(jié)果根據(jù)所仿真雷達(dá)的具體功能和參數(shù)來決定。例如,本文所仿真的雷達(dá)需要利用每個(gè)發(fā)射脈沖的回波信號(hào)序列組成的矩陣進(jìn)行處理,進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)檢測(cè),以及檢測(cè)到目標(biāo)以后的角度定位和速度測(cè)量。

4 仿真目標(biāo)及框架設(shè)計(jì)

視景仿真平臺(tái)在基于HLA架構(gòu)下,主要完成把利用Vega API加載Creator創(chuàng)建的模型數(shù)據(jù)庫(kù)完成各種雷達(dá)場(chǎng)景中模擬演示,比如雷達(dá)工作狀態(tài)、飛機(jī)朝雷達(dá)飛行、視點(diǎn)的切換,多通道同時(shí)顯示雷達(dá)和飛行目標(biāo)等,把飛機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞給回波計(jì)算平臺(tái)。在HLA的框架下,對(duì)于視景仿真平臺(tái)整個(gè)框架可以設(shè)計(jì)成三大部分:聯(lián)邦通信與數(shù)據(jù)處理、雷達(dá)場(chǎng)景和飛行目標(biāo)建模、視景仿真驅(qū)動(dòng)。如圖2所示。

圖2 視景防真框架設(shè)計(jì)

從圖2可知,視景仿真模塊主要和主控平臺(tái)和回波計(jì)算平臺(tái)數(shù)據(jù)通信,具體是視景仿真模塊從主控平臺(tái)獲取要調(diào)入的飛機(jī)的型號(hào)、速度、初始位置和姿態(tài),其中飛機(jī)的型號(hào)以從模型數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢并加載,然后在仿真過程中把飛機(jī)改變后的位置和姿態(tài)傳遞給回波計(jì)算平臺(tái),這樣協(xié)同工作,與其它聯(lián)邦成員共同完成整個(gè)仿真任務(wù),其程序流程圖3所示。

圖3 程序流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試及視景仿真效果

整個(gè)仿真系統(tǒng)由pRTI為支撐以及相關(guān)的軟件為輔助,遵循HLA架構(gòu),其仿真節(jié)點(diǎn)由六臺(tái)性能強(qiáng)大的圖形工作站組成硬件平臺(tái),其硬件平臺(tái)和軟件環(huán)境分別如表1和表2所示。

表1 仿真節(jié)點(diǎn)硬件參數(shù)

表2 仿真系統(tǒng)的軟件環(huán)境

在視景仿真應(yīng)用中,操作者可以根據(jù)仿真需求來切換視點(diǎn),只有進(jìn)入到視點(diǎn)范圍內(nèi)的場(chǎng)景、實(shí)體模型及環(huán)境特效才能被顯示出來,其它部分將被裁減掉[8]。所以視點(diǎn)的管理在視景仿真中起著非常重要的作用。視點(diǎn)在視景仿真中代表著人眼或攝像機(jī)的作用[9]。在視景仿真實(shí)現(xiàn)中是以vgObserver為代表實(shí)現(xiàn)的,它用來定位、管理、渲染一個(gè)通道列表[10]。圖4和圖5為飛機(jī)不同的視點(diǎn)演示。

圖4 飛機(jī)右視圖

圖5 飛機(jī)前視圖

多通道視圖展現(xiàn)飛機(jī)在雷達(dá)的遠(yuǎn)距離處和當(dāng)飛機(jī)和雷達(dá)在同一視點(diǎn)內(nèi)的視圖,如圖6和圖7所示。

圖6 多通道視圖

圖7 飛機(jī)飛離雷達(dá)視圖

通過上述仿真效果可知,雷達(dá)系統(tǒng)的視景仿真模塊作為聯(lián)邦成員有效完成了飛機(jī)從雷達(dá)遠(yuǎn)距離外到飛機(jī)出現(xiàn)在雷達(dá)上方的整個(gè)過程的演示,飛機(jī)飛離雷達(dá)視圖對(duì)應(yīng)的雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果圖

6 結(jié)語

本文闡述了DIS到HLA整個(gè)仿真的發(fā)展歷程,對(duì)基本概念進(jìn)行了講解,給出某型雷達(dá)系統(tǒng)的聯(lián)邦仿真框架,并設(shè)計(jì)了視景仿真平臺(tái)的框架,最后給出了視景仿真平臺(tái)的演示效果圖。在雷達(dá)系統(tǒng)越發(fā)復(fù)雜、設(shè)備成本越發(fā)高昂的今天,采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試、訓(xùn)練與研究,不但可以全面提高效率,也可以有效降低成本,對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試、評(píng)估等方面都有良好的輔助作用。

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Distributed Interactive Visual Simulation System Based on Radar System

MI Xiaobing ZHU Feng MENG Xianke

(The 28th Reaseach Institute of China Electronics Technology Guoup Corporation, Nanjing 210007)

Simulation technology from a single platform to the distributed interactive simulation based on HLA, visual simulation on the simulation platform in many fields such as military, scientific research, building win a wide range of applications. Today, radar system becomes more and more complex and the cost of equipment becomes more and more expensive. Using virtual reality technology to radar system test, training and research, not only can improve efficiency, but also can effectively decline low cost, test, evaluation of radar system has a good supporting role.

distributed interactive simulation, high level architecture, visual simulation, distributed

2015年1月18日,

2015年2月20日 作者簡(jiǎn)介:糜小兵,男,碩士研究生,工程師,研究方向:作戰(zhàn)指揮控制。朱峰,男,工程師,研究方向:作戰(zhàn)指揮控制。孟獻(xiàn)軻,男,工程師,研究方向:作戰(zhàn)指揮控制。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.031