武器平台级仿真中多帧速混合时间推进方法

袁 刚，许文腾

(92941部队，辽宁葫芦岛125000)

1 引 言

平台级武器系统(主要指舰艇、飞机和战车等)仿真通常含有载体运动模型、目标感知、信息处理、传感器、武器系统、威胁目标及环境等众多实体，这些实体仿真时间推进的帧速率各不相同［1］。通常含积分环节的动力学模型等实体帧速率快，而含离散采样环节的信息处理、武器控制等实体帧速率慢。不同帧速率实体混合在一起进行交互仿真将带来仿真时间协调推进问题，尤其是当帧速率快实体输出驱动帧速率慢实体或帧速率慢实体输出驱动帧速率快实体时，必须增加必要的采样和状态保持环节并进行仿真时间同步控制，否则会引起不可预知的仿真结果［2］。本文基于仿真实体的有限状态机模型，提出一种平台级武器系统仿真中多帧速率实体混合的时间推进方法。本方法首先建立实体的有限状态机模型，通过协调系统时间和本地时间之间的关系，在有限状态机运行时控制仿真实体交互信息的时机，增加实体交互信息的采样和状态保持环节，实现了多帧速率混合仿真系统的时间同步推进。

2 仿真实体有限状态机模型建立

本文涉及的平台级武器系统仿真由调度和具有不同帧速率的仿真实体组成。调度负责向各仿真实体周期性发布时间推进事件和当前新的系统时间(SystemTime)，各仿真实体负责向调度回复状态反馈事件并负责推进自身的本地时间(LocalTime)。仿真实体在受调度的周期性时间驱动过程中具有两种状态:仿真计算状态和时间推进状态，用一个布尔变量 TimeState来表示［3］。TimeState为 0，表明实体处于仿真计算状态;TimeState为1，表明实体处于时间推进状态。通过周期性更改和查询该布尔变量，调度和各实体间就可以协调有序地推进系统时间和本地时间以及控制各实体间仿真数据的交互(即信息的读、写或输入、输出)，实现快帧速率实体与慢帧速率实体间有序的信息交互。建立的实体有限状态机模型如图1所示。

图1 仿真实体有限状态机模型Fig．1 Finite state machine of simulation entities

3 仿真实体有限状态机模型运行

调度以基本帧速率发布时间推进指令并广播SystemTime，基本帧速率定义为系统最快帧速率，通常以动力学积分步长的倒数为基本帧速率。当仿真实体完成当前系统时间相关的仿真计算，将TimeState置为1，并将LocalTime按自身的帧周期推进到新的本地时间点，表明其做好了时间推进的准备，该仿真实体处于时间推进状态。当调度查询到所有仿真实体均处于时间推进状态时，发出推进指令并公布新的SystemTime。当仿真实体收到调度推进指令和新的SystemTime，如果 LocalTime 大于 SystemTime，维持TimeState为1状态;如果 LocalTime等于SystemTime，仿真实体将TimeState置为0，并开始在当前系统时间进行仿真计算，该仿真实体处于仿真计算状态。

对于实时仿真，系统由外部时钟按照基本帧速率进行实时同步控制，外部时钟每隔一个基本周期就发出一次硬实时中断(中断可以由硬件产生，也可以由系统最高优先级的定时器产生)。系统的时间同步控制是分层实现的:周期性的外部中断首先触发调度的单帧调度过程，然后调度再启动上述对各仿真实体的调度方法。对于超实时仿真，不需要由外部时钟来同步调度，系统仿真时间直接由调度确定何时推进［4］。

4 仿真实体间信息交互机制

仿真实体之间交互信息主要分两种情形，一种是由快帧速率实体输出驱动慢帧速率实体的输入，另一种是由慢帧速率实体输出驱动快帧速率实体的输入。对于第一种情形，在快帧速率实体输出和慢帧速率实体输入中间加入采样环节，实现方法是控制慢帧速率实体输入信息的时机，即慢帧速率实体收到调度的时间推进指令且满足开始新一帧仿真计算条件时接收其他实体的输出，在本帧其他时间不接收输入，这样就避免了快帧速率实体频繁更新输出而影响慢帧速率实体输入的问题。对于第二种情形，在慢帧速率实体输出和快帧速率实体输入中间加入状态保持环节，实现方法是控制慢帧速率实体输出信息的时机，即慢帧速率实体完成当前帧仿真计算后并不马上输出新状态值，要保持新值到LocalTime-SystemTime≤T条件满足时输出(T为系统基本帧速率的倒数，即系统中最短帧周期)，这样就避免了慢帧速率实体输出时机不确定而影响快帧速率实体输入的问题。仿真实体单帧输入输出信息过程如图2所示［5］。

图2 仿真实体间单帧交互信息过程Fig．2 Interactive process between entities in one frame

5 应用实例

本文提出的多帧速率混合时间推进方法已应用于某型武器平台分布式实时仿真系统。该系统由调度节点、两个弹道解算节点、威胁目标节点、武器控制节点和数据录取等节点组成，系统硬件采用PC+VMIPCI反射内存网卡、软件采用Windows+RTX硬实时扩展架构［6］。其中弹道解算节点和数据录取节点帧速率为200 Hz、帧周期为5 ms，威胁目标节点帧速率为100 Hz、帧周期为10 ms，武器控制节点帧速率为20 Hz、帧周期为50 ms。基本帧速率为系统最快帧速率200 Hz。该分布式实时仿真系统时间推进机理是:

(1)调度节点在GPS时钟同步控制下，按基本帧速率每间隔5 ms向其他节点发布时间推进事件和当前新的系统时间．

(2)两个弹道解算节点以最快帧速率200 Hz推进仿真时间，每收到调度节点发布的时间推进事件就开始5 ms的单帧处理过程:数据输入(采样)、模型计算和数据输出．

(3)威胁目标节点帧速率为100 Hz，为慢帧速率节点，分别在 0 ms，10 ms，20 ms，…时刻开始数据输入(即采样)，计算完成后并不马上输出数据(状态保持)，分别在 10 ms，20 ms，30 ms，…时刻之前输出数据，这样输出数据可以保持10 ms．

(4)武器控制节点帧速率为20 Hz，为慢帧速率节点，分别在 0 ms，50 ms，100 ms，…时刻开始数据输入(即采样)，计算完成后并不马上输出数据(状态保持)，分别在 50 ms，100 ms，150 ms，…时刻之前输出数据，这样输出数据可以保持50 ms．

(5)数据录取节点以最快帧速率200 Hz推进仿真时间，过程与弹道解算节点类似，只是没有数据输出环节。

该武器平台级分布式实时仿真系统中不同帧速率实体在调度节点的同步控制下的时序图如图3所示。

图3 某分布式实时仿真系统时序图Fig．3 Sequence diagram of a distributed real-time simulation system

6 结 论

本文参考HLA的数据交互机制、时间推进机制并针对实时仿真的同步控制、“死线”控制要求，设计了适应多实体参与、多帧速率混合、强实时推进的复杂仿真系统时间推进方法。该方法已成功应用于某型武器平台分布式实时仿真系统的时间同步和调度管理软件设计中，该仿真系统已实现最小帧周期为1 ms的强实时推进。该方法也可以应用于集中式仿真运行环境，代表不同仿真实体帧速率的进程(或线程)应进行优先级设计，快帧速率实体进程(或线程)具有高优先级，慢帧速率实体进程(或线程)具有低优先级。如果调度进程(或线程)忽略外部时钟中断，系统可以按照逻辑时间推进，进行超实时仿真，因而该方法也可以应用于超实时仿真应用。

［1］ 张朝阳，薛惠锋．复杂实时仿真系统运行支撑环境研究［J］．计算机仿真，2009(1):305－308．ZHANG Chaoyang，XUE Huifeng．Support environment of complex real-time simulation system ［J］．Computer Simulation，2009(1):305－308．

［2］ 孙继红．RTX技术在半实物仿真中的应用及开发［J］．计算机仿真，2010(8):83－86．SUN Jihong．Application and development of real-time extension technology for hardware in loop simulation［J］．Computer Simulation，2010(8):83－86．

［3］ (美)库尔，韦瑟利，达曼．计算机仿真中的HLA技术［M］．付正军，王永红译．北京:国防工业出版社，2003．Kuhl F，Weatherly J，Dahmann J．An introduction to the high level architecture［M］．Translated by FU Zhengjun，WANG Yonghong．Beijing:National Defense of Industry Press，2003．

［4］ 曾炜，沈为群．基于RTAI-Linux的飞行仿真实时管理系统［J］．计算机工程，2008(19):261－263．ZENG Wei，SHEN Weiqun．Real-time management system of flight simulation based on RTAI-Linux［J］．Computer Engineering，2008(19):261－263．

［5］ 黄柯棣．系统仿真技术［M］．长沙:国防科技大学出版社，1998．HUANG Kedi．System simulation technology［M］．Changsha:NUDT Press，1998．

［6］ 王国玉，冯润明．无边界靶场［M］．北京:国防工业出版社，2007．WANG Guoyu，FENG Runming．The logical range［M］．Beijing:National Defense of Industry Press，2007．