仿真代理在導彈制導半實物仿真試驗系統中的應用

徐　海，崔連虎

(中國人民解放軍91336部隊，河北 秦皇島 066326)

?

·試驗與評估·

仿真代理在導彈制導半實物仿真試驗系統中的應用

徐海，崔連虎

(中國人民解放軍91336部隊，河北 秦皇島 066326)

針對獨立運行的導彈制導半實物仿真試驗系統接入聯合試驗系統的問題，應用了仿真代理的方法。在對原有系統控制關系進行最小化的改造前提下，通過控制接口的轉換，實現了半實物仿真試驗系統與其它異類異構系統之間的互聯，拓展了半實物仿真試驗系統的應用。

仿真代理；導彈制導；半實物仿真；TENA；聯合試驗

0　引言

導彈制導半實物仿真試驗系統通常是自成體系、獨立運行的內部系統，導引頭以實物形式參與，用以模擬導彈從發射到命中目標的全過程，實現對復雜電磁環境下導彈武器基本性能以及抗干擾性能的檢驗。隨著在貼近實戰的條件下進行檢驗這一需求的提出，武器裝備的試驗模式正在向作戰試驗轉變，傳統的單武器性能仿真試驗也向作戰仿真試驗轉變。因此，獨立的導彈制導半實物仿真系統已經無法滿足未來體系對抗條件下導彈武器裝備作戰試驗的需求，需要與作戰系統或其它分布式仿真系統采取聯合試驗模式，在統一的戰場態勢下作為子系統參與仿真，以完成更大規模的仿真任務。系統之間的互聯以及一體化聯合試驗是未來發展的必然趨勢。如果系統在建設之初是按照聯合試驗的模式進行設計規劃的，則本身應具備與其它系統的互聯能力。但目前遇到的往往是已建成的未考慮聯合試驗模式的獨立系統，需要對其進行適應性改造，實現與聯合試驗系統的對接。采用加入仿真代理節點的方法，在最大化保證原有半實物仿真試驗系統完整性的前提下，可快速實現半實物仿真試驗系統與其它分布式仿真系統之間的互聯互通。

1　獨立運行的半實物仿真試驗系統控制原理1.1　控制系統構成

獨立運行的導彈制導半實物仿真試驗系統，通常是由以太網和實時網雙網絡連接構成的計算機控制系統，主要由總控計算機、主仿真機、顯示計算機、數據庫計算機、數據采集計算機、轉臺控制計算機、目標模擬控制計算機以及運行于各控制計算機上的仿真試驗指揮控制軟件、彈道仿真軟件、實時顯示軟件、數據記錄及管理軟件、數據采集軟件、轉臺控制軟件、目標模擬控制軟件組成，其組成及配置關系如圖1所示。

1.2控制關系及流程

圖1　導彈制導半實物仿真試驗系統控制系統組成圖

導彈制導半實物仿真試驗系統中的控制計算機在物理上處于對等的網絡連接中，從控制上來看運行于總控計算機的仿真試驗指揮控制軟件處于控制的頂層，重點負責整個試驗流程的控制；運行于主仿真機的彈道仿真軟件處于控制的第二層，在仿真過程中產生仿真步長和控制數據，實現仿真過程的推進；其它各節點可理解為受控對象，為彈道仿真軟件提供數據或反饋仿真執行的結果，其控制關系如圖2所示。

圖2　獨立運行的半實物仿真試驗系統

軟件控制關系仿真試驗的控制流程如下：

仿真開始前，運行于各設備控制計算機的控制軟件與總控計算機的仿真試驗指揮控制軟件聯機，由仿真試驗指揮控制軟件根據試驗項目進行戰情設置，并將戰情文件(數據)下發至各設備控制計算機，完成初始化控制。

各設備初始化完畢后，仿真試驗指揮控制軟件控制仿真開始。仿真開始后，由彈道仿真軟件實時解算彈道仿真模型，按照仿真步長生成對導引頭、轉臺以及目標模擬系統的控制指令和數據，并分別通過數據采集軟件、轉臺控制軟件以及目標模擬控制軟件控制導引頭的開/關機，控制轉臺模擬導彈的俯仰、偏航、滾動姿態角運動，控制目標模擬系統模擬產生目標回波、背景雜波及各種干擾信號。彈道仿真軟件通過數據采集軟件采集導引頭輸出的指令和信息，經數字化后參與彈道解算，再次生成導彈制導控制系統的飛行和控制數據，形成閉環。仿真過程中，仿真試驗指揮控制軟件可根據試驗情況隨時對試驗進行中斷控制以結束試驗。

2　導彈聯合試驗系統

為了更高效地利用靶場資源，提高聯合試驗和訓練能力，美軍啟動了FI2010工程，該工程借鑒了多種體系結構的研究和應用成果，定義了TENA。TENA依照擴展的C4ISR體系結構框架的邏輯結構，目的是給美軍試驗與訓練靶場以及它們的用戶提供公共的體系結構，將各種地理上分布的、功能上分離的試驗和訓練資源組合起來，形成一個綜合環境，以逼真、經濟、高效的方式完成網絡中心戰所要求的聯合試驗與訓練任務。TENA體系結構主要由TENA應用、非TENA應用、TENA對象模型、TENA公共基礎設施以及TENA實用程序構成，體現了資源的互操作、重用與可組合。導彈聯合試驗系統如圖3所示。

參照TENA思想，導彈聯合試驗系統的構建主要是采用分布式仿真技術，將實物資源、半實物仿真資源和虛擬的數字仿真資源進行封裝和融合，將一定區域內的導彈試驗資源“粘合”在一起，建立統一的聯合試驗指揮控制中心以及數據中心(包括數據采集、處理以及顯示等)，建成一個內外場相結合的試驗體系結構，實現各類資源的可重用和快速接入，實現分布在不同地域的導彈武器系統仿真資源的互聯、互通、互操作。

圖3　導彈聯合試驗系統示意圖

3　聯合試驗模式下的半實物仿真系統改造設計

在聯合試驗模式下，導彈制導半實物仿真試驗系統可理解為一個仿真應用，接入到聯合試驗系統當中，為聯合試驗系統提供復雜電磁環境下導彈的對象行為模擬。但是，未經過改造的半實物仿真試驗系統可以理解為非TENA應用，無法與TENA中間件直接進行交互。然而從圖2可以看出，導彈制導半實物仿真試驗系統內部的控制交互關系較為復雜，如果通過改變其控制接口以及數據流而將其改造為與TENA兼容的TENA應用，工作量是十分巨大的。因此，通過采用TENA網關，即增加仿真代理的方式實現接入聯合試驗系統，是一種較為可行的方法。

3.1仿真代理功能設計

既然導彈聯合試驗系統的仿真代理相當于TENA體系中的TENA網關，因此仿真代理主要負責導彈半實物仿真試驗系統與聯合試驗系統之間的交互。半實物仿真系統采用雙網結構，因此仿真代理需要將反射內存網中讀取的數據和接收到的TCP/IP協議的數據包轉換成聯合試驗系統體系結構中的對象類屬性或交互類實例并轉發，反之亦然，從而實現異構的仿真系統的互連。

仿真代理可接收聯合試驗指揮控制系統的管理消息、目標模擬系統的威脅目標信息、導彈火控系統的武器平臺發控消息，可向聯合試驗指揮控制系統和數據采集、處理以及顯示系統等發布導彈、目標和干擾的狀態屬性。具有任務規劃解析功能、異構系統數據交互功能和協議轉換功能。

1)任務規劃解析功能：對導彈聯合試驗指揮控制系統發送的任務規劃進行態勢解析以及坐標變換，轉換為半實物仿真可用的態勢文件數據格式。

2)異構系統數據交互功能：對聯合試驗系統以及半實物仿真系統之間的試驗數據進行轉換，并進行數據的交互。

3)協議轉換功能：對各種控制指令進行協議的轉換，實現聯合試驗指揮控制系統對半實物仿真系統的有效管理與控制。

3.2仿真代理結構設計

仿真代理主要由仿真代理計算機硬件系統以及異構系統接口組件、數據轉換組件和中間件接口組件共同構成的仿真代理軟件系統組成。仿真代理計算機為仿真代理功能的實現提供硬件平臺，需具備1路實時網絡接口以及2路以太網絡接口，實時網絡與其中1路以太網絡與半實物仿真試驗系統連接，另一路以太網與聯合試驗系統網絡連接，即可實現硬件配置；異構系統接口組件負責與半實物仿真系統之間數據的發送及接收，提供數據接口，完成數據的傳遞；數據轉換組件負責對數據進行轉換，將需要發布的半實物仿真系統內部的信息轉換為聯合試驗系統對象模型，同時將訂購的聯合試驗系統對象模型轉換為半實物仿真系統內部的信息格式，從而實現兩類系統的信息交換；中間件接口組件提供數據轉換組件和聯合試驗系統中間件之間的接口，負責對象類及其屬性的訂購、發布、更新和反射，交互類及其參數的定購、發布、發送和接收。仿真代理軟件結構如圖4所示。

圖4　仿真代理軟件結構圖

3.3交互數據設計

導彈制導半實物仿真試驗系統與聯合試驗系統內的其它應用交互的數據(即聯合試驗系統對象模型)，需要通過仿真代理進行轉換，主要可分為對象、事件和數據三類，考慮一般的應用需求，對交互數據進行設計，如表1所示。

表1　交互數據設計

3.4聯合試驗模式控制關系及流程設計

在控制關系上，對半實物仿真試驗系統的仿真試驗指揮控制軟件進行適應性改造，增加與仿真代理的接口，在獨立運行模式的基礎上增加聯合試驗模式，根據判斷仿真代理節點是否接入，可實現控制模式的自動切換。在聯合試驗模式下，運行于總控計算機的仿真試驗指揮控制軟件在與聯合試驗系統交互的過程中通過仿真代理開放部分控制權，而在其對包括仿真代理在內的半實物仿真系統各節點的控制的過程中，其第一層的控制地位仍保持不變，因此，也就保證了半實物仿真系統在獨立運行模式和聯合試驗模式下控制關系的不變性。聯合試驗模式下實物仿真試驗系統軟件控制關系如圖5所示。

圖5　聯合試驗模式下半實物仿真試驗系統軟件控制關系

仿真開始前，仿真代理軟件分別與聯合試驗系統以及半實物仿真試驗系統的仿真試驗指揮控制軟件建立連接，由聯合試驗指揮控制系統根據戰情想定制定任務規劃，通過仿真代理轉換成半實物仿真系統可用的戰情文件(數據)下發至仿真試驗指揮控制軟件，并下達初始化指令，仿真試驗指揮控制軟件按照與獨立模式相同的控制流程完成初始化控制，并向聯合試驗系統回報初始化完畢指令。

聯合試驗系統通過仿真代理向仿真試驗指揮控制軟件發送試驗開始指令，仿真試驗指揮控制軟件控制仿真開始。仿真過程中，半實物仿真系統內部的工作過程與獨立運行模式相同，按照一定的幀周期通過仿真代理軟件接收聯合試驗系統中其它各個應用的指令和數據，同時，發布含有時間信息的導彈、目標及干擾相關數據，為聯合試驗系統提供逼真的導彈行為模擬，實現試驗資源及信息的共享。

3.5仿真代理軟件工作流程設計

由于仿真代理軟件處于強實時系統和弱實時系統之間，因此仿真代理軟件采取Windows+RTX運行環境，由Windows進程和RTX進程兩部分組成。

Windows進程如圖6所示。其負責調用聯合試驗系統中間件服務與聯合試驗系統其他應用交互，并與RTX進程通過共享內存進行通信。其流程如下：

1)初始化：軟件啟動后，接收規劃文件，提取初始化信息供異構系統使用；解析規劃文件，設置發布訂購關系，設置訂購數據回調函數，建立共享內存；創建發布實體對象的線程和發布事件對象的線程；啟動RTX進程。

2)中間件回調函數：有訂購數據(實體狀態和事件)到來后，判斷數據所屬對象，獲取共享內存訂購區操作權，寫入共享內存相應位置。

3)實體和事件發布線程：Windows進程在此線程中等待RTX發出的讀取共享內存發布數據區通知事件，獲取共享內存發布數據區操作權，讀取共享內存發布數據區，建立數據鏡像，查找要發布的實體和事件，獲取更新了的實體或事件數據，調用中間件服務，發布有更新的實體和事件。

圖6　仿真代理軟件Windows進程流程圖

RTX進程如圖7所示。它是仿真代理軟件實時進程部分，負責與半實物仿真試驗系統交互，并與Windows進程通過共享內存進行通信，主要包括主流程和中斷處理函數兩個部分。

圖7　仿真代理軟件RTX進程流程圖

1)主流程：接收Windows進程初始化命令完成初始化工作，包括：半實物仿真系統初始化、解析規劃文件、建立節點、實體、事件鏈表；打開共享內存，建立共享內存鏡像；設置實體屬性初始化信息；設置中斷和中斷處理函數，其中中斷處理函數響應半實物仿真系統仿真同步信號；向半實物仿真系統公布仿真代理節點信息，表明代理節點已經準備完畢；等待半實物仿真系統仿真同步信號；在運行過程中，如果收到停止命令，則試驗停止。

2)中斷處理函數：該函數受半實物仿真系統仿真同步信號控制，本質上是同步幀處理函數。邏輯上大致可分為兩個先后過程：①讀取半實物仿真系統數據—數據轉換—向聯合試驗系統發布數據過程，之間通過共享內存發布區交互數據；②讀訂購的聯合試驗系統數據—數據轉換—向半實物仿真系統寫數據，數據轉換包括數據差值推算和坐標轉換等，之間通過共享內存訂購區交互數據。

3.6時間的統一

作為獨立運行的半實物仿真試驗系統，由于各節點間均在基于實時網絡的彈道仿真軟件產生的仿真節拍下同步運行，因此其時間上的統一采取以仿真時間為主的相對時間即可滿足要求。但是在聯合試驗模式下，各個系統相對獨立，且地理上是分布的，之間的交互也是弱實時，因此需要進行時間的統一。

對于異地、異構的系統，要實現時間上的嚴格統一，可采取時間自治的方式，通過各自獨立與標準的時間源進行對時，實現相互之間的時間統一。

4　結束語

本文采用增加仿真代理節點的方式，使原本只能獨立運行的導彈半實物仿真試驗系統經過簡單的改造，實現了與其它異構系統之間的互聯，保證了系統原有功能的完整性，使原有的控制關系不被破壞，以最小的代價實現了導彈半實物仿真資源的靈活復用。■

[1]張新豐,劉新友,苗高潔.基于靶場的聯合試驗訓練系統[J].國防科技,2013,34(3):35-39.

[2]馮潤明,王國玉,黃柯棣.TENA及其與HLA的比較[J].系統工程與電子技術,2005,23(2):288-291.

[3]黃文清.作戰仿真理論與技術[M].北京:國防工業出版社,2011.

[4]廖建,彭健,章樂平,等.一種虛實結合的聯合試驗系統及方法[J].計算機測量與控制,2014,22(11):3650-3653.

[5]張潔.基于TENA思想的分布式靶場虛擬試驗系統設計[J].系統仿真技術,2011,7(1):58-62.

[6]董志華，朱元昌，邸彥強,等.武器裝備聯合試驗環境構建關鍵技術[J].火力與指揮控制,2014,39(7):5-9.

Application of simulation agent in missile guidance HWIL simulation system

Xu Hai, Cui Lianhu

(Unit 91336 of PLA,Qinhuangdao 066326,Hebei,China)

Aiming at the problem of missile guidance HWIL simulation system connecting to joint test system,the method of using simulation agent is applied. Under the condition of minimum alteration for primary control relation, the connection between missile guidance HWIL simulation system and the other isomerous system is realized by the alteration of control port. It expands the application of missile guidance HWIL simulation system.

simulation agent;missile guidance;HWIL simulation;TENA;joint test

2016-04-16；2016-05-10。

徐海(1978-)，男，主要從事導彈制導仿真研究。

TP391.9

A