基于Windows XP+RTX的模拟测试系统开发

戴　哲，田　颖，胡春晓

（解放军92941部队，辽宁　葫芦岛　125001）



基于Windows XP+RTX的模拟测试系统开发

戴哲，田颖，胡春晓

（解放军92941部队，辽宁葫芦岛125001）

摘要：采用建模仿真技术、半实物仿真技术和Windows XP+RTX技术开发研制的模拟测试系统，用于在复杂试验条件下，对舰炮武器系统及组成设备进行检验评估，是一种充分检验舰炮武器系统性能的技术途径和试验方法，目前该系统已成功应用于舰炮武器系统工程实践中。

关键词：建模仿真，半实物仿真，Windows XP+RTX，相容性检验

0　引言

在舰炮武器系统工程实践中，由于在外场试验环境中缺少足够试验条件和技术手段，同时受到气象条件的制约，较难对舰炮武器系统及其组成设备性能进行充分检验，因此，需要一套半实物仿真系统来构建相应的试验环境和检测条件，实现对外场试验环境中所不能提供检测条件的补充，达到对舰炮武器系统全面检验的目的。

本系统采用HLA仿真技术，在Windows XP+RTX平台下进行软件开发，模拟复杂试验环境，生成视频、中频和数字等各型检测信息，实现实时高频数据采集和精度评估。相对于其他实时系统，本系统采用Windows XP+RTX操作系统平台替代VXworks，具有设计开发成本低，调试方便，硬件通用性强等特点，能够满足多种任务要求。

1　硬件设计

系统采用HLA交换式分布仿真技术，将多个分散分布的仿真节点统一在一个仿真时空中协调运行。每个仿真节点硬件上使用工控机硬件平台，根据功能需要配置相应的功能板卡，分别完成战情环境仿真、目标特征信号模拟、各型测试信号生成和数据采集评估等功能，其数据流图如下页图1所示。

2　软件设计

2.1 Windows XP+RTX操作系统

图1系统运行数据流图

VXworks操作系统是一种应用广泛的实时操作系统，但存在开发成本高、调试困难、硬件可移植性差等缺点。相比较而言，Windows XP操作系统能够很好克服上述缺点，但由于Windows XP为非实时平台，需要RTX在线程优先级设置、调度、中断管理等方面进行实时性扩展，使Windows XP+RTX操作系统具备如下满足系统要求的实时特性：

①多线程的抢占调度机制；

②消除优先级倒置问题；

③高效内存管理；

④较低中断延迟；

⑤进程可预测性。

在工程实践过程中，通过设置共享内存使RTX 和Windows XP进程之间进行交换数据，通过IPC机制进行同步和通讯，将实时性要求强的线程交由RTSS进行调度，将人机接口线程交由Windows XP进行调度，这样既可利用Windows XP现有资源，又可实现实时性功能，满足系统功能设计实现要求。

2.2应用软件设计

系统应用软件采用模块化开发方法，在需求分析和软件功能划分的基础上，采用可视化开发工具Visual C++开发系统应用软件。根据需求系统软件可划分为战情仿真软件、目标特性仿真软件、信息交互软件、数据采集软件和精度评估软件等，其中战情仿真软件用于模拟试验所需的战情环境；目标特性仿真软件用于模拟跟踪目标信号特征；信息交互软件用于系统仿真节点信息通信；数据采集软件和精度评估软件分别用于试验数据的录取和被试系统精度评估。以目标特性仿真软件为例，其在RTX和Windows XP下的运行流程如下：

①在RTX下软件启动后，首先对时钟板和功能板卡进行初始化，然后创建用于与Win32线程信息交互的共享内存，一切正常后等待仿真线程启动的信号量和时序脉冲信号，进行目标特性信息的模拟，最后将更新数据放进共享内存中，同时驱动功能板卡工作，其工作流程见图2所示。

图2目标特性仿真软件在RTX下工作流程

②在Windows XP下软件启动后，首先，创建网络进程和人机交互进程，用于仿真节点通信和接收控制命令。然后，根据默认仿真试验参数进行初始化，Win32进程通知RTX启动目标特性仿真线程，开始进行目标特性信息仿真，在仿真过程中，Win32通过共享内存与RTSS进程进行数据信息交互，其工作流程见图3所示。

图3目标特性仿真软件在Windows XP下工作流程

3　仿真模型设计

建立与海平面固连的绝对直角坐标系OXYH，将起始时刻己舰质心位置定义为坐标原点O，OX在水平面内方向取正东方向，OY在水平面内方向取正北方向，OH垂直水平面向上。

3.1目标航路仿真模型设计

系统根据不同的目标航路仿真模型，实时计算目标和己舰的所在位置，进行战情环境的仿真模拟。在系统中目标航路模型主要包括匀速直线运动仿真模型、匀加速直线运动仿真模型和比例导引运动仿真模型。

①匀速直线运动仿真模型

其中ti为时间，Cm为目标方位角，Vm为目标速度，xm（ti），ym（ti），zm（ti）为目标在直角坐标系中的实时坐标，其中t0为初始时刻。

②匀加速直线运动仿真模型

其中ti为时间，Cm为目标方位角，Vm为目标速度，am为目标加速度，λ为目标高低角。xm（ti），ym（ti），zm（ti）为目标在直角坐标系中的实时坐标，其中t0为初始时刻。

③比例导引仿真模型

目标在进行比例导引机动时，由于通常是在攻击的末端，所以这里假设目标运动高度不变，仅在OXY面内做比例导引运动。

1）己舰运动模型

在OXY平面中，通过模拟己舰运动轨迹，实时计算其位置，其模型为：

其中ti为时间，Cw为己舰方位角，Vw为己舰速度，xw（ti），yw（ti），zw（ti）为己舰在直角坐标系中的实时坐标，其中t0为初始时刻。

2）目标比例导引模型

在系统进行目标比例导引航路仿真时，坐标原点O始终设定待己舰质心上，通过将己舰运动航路模型式（3）和典型比例导引模型相结合，计算得到系统使用的比例导引模型：

其中Vm为目标速度，Vw为己舰速度，Qw为己舰航向，R为目标与己舰距离，r为导弹离轴角，k为比例导引系数，t为时间量。

3.2摇摆变换模型设计

通过上述仿真模型能够较好地进行己舰和目标的航路仿真，但其前提条件是己舰和目标处在舰艇稳定坐标系下。在实际应用过程中，由于己舰受到潮汐作用，始终处在摇摆状态的舰艇不稳定坐标系下，还需要进行稳定坐标系向不稳定坐标系变换。

记己舰纵摇角为准，横摇角为θ，则纵、横摇变换矩阵M准，Mθ为

通过M准，Mθ可推导出稳定系向不稳定系变换矩阵M：

通过变换矩阵M最终获得在舰艇不稳定坐标系下目标位置：

其中x（ti），y（ti），z（ti）为舰艇不稳定坐标系下目标坐标数据，x0（ti），y0（ti），z0（ti）为舰艇稳定坐标系下目标坐标数据。

4　系统仿真结果相容性检验

为保证通过本系统进行半实物仿真试验的可信性，需要对系统仿真数据进行相容性检验，保证仿真数据与外场真实数据的一致性。分别采用Theil不等式系数法、相关系数法和最大熵谱估计法对仿真数据进行检验，由于篇幅有限，仅从检测数据样本中截取出部分数据进行说明，检验结果如下页表1所示。

其中，TIC系数取值范围为0～1，0表示两序列完全相同；相关系数和角余弦系数的取值范围为0～1，越接近1表明两序列的一致性越高；最大熵谱估计法取显著性水平为5%，统计结果越接近100%表明两序列的一致性越高。通过检测，TIC系数均值为0.070 83，相关系数均值为0.953 8，角余弦系数均值为0.964 5，最大熵谱估计法统计概率均值为74.46%，通过验证结果可见系统仿真数据与外场真实数据相容性较好，一致性较高，通过该系统进行半实物仿真试验的结果置信度较高。

表1系统仿真数据相容性检验结果表

5　结论

本系统实现了对舰炮武器系统及组成设备在临界条件、复杂多目标环境等试验条件下的评估检验，有效弥补在外场实际试验环境中进行评估检验的不足，保证了舰炮武器系统及组成单机检验的充分性和有效性。系统研制方法及关键技术可应用于未来新型舰炮武器工程实践中，应用前景广阔，经济效益显著。

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Development of Emulation and Test System Based on Windows Adding in RTX Technology

DAI Zhe，TIAN Ying，HU Chun-xiao
（Unit 92941 of PLA，Huludao 125001，China）

Abstract：The emulation and test system，which is developed by model emulation technology，semi-physical emulation technology and Windows XP+RTX，is used to check and test the gunship weapon system and component equipment under the condition of complex battleground. This system provide a technical way and test method for fully checking gunship weapon system function，and now the system had applied to gunship weapon system engineering practice successfully.

Key words：model emulation，semi-physical emulation，Windows XP+RTX，comparison test

作者简介：戴哲（1982-），男，辽宁锦州人，工程师。研究方向：舰炮武器系统试验与鉴定。

收稿日期：2014-12-27

文章编号：1002-0640（2016）02-0176-04

中图分类号：TP319，TP391.9

文献标识码：A

修回日期：2015-02-18