仿真代理在导弹制导半实物仿真试验系统中的应用

徐　海，崔连虎

(中国人民解放军91336部队，河北 秦皇岛 066326)



·试验与评估·

仿真代理在导弹制导半实物仿真试验系统中的应用

徐海，崔连虎

(中国人民解放军91336部队，河北 秦皇岛 066326)

针对独立运行的导弹制导半实物仿真试验系统接入联合试验系统的问题，应用了仿真代理的方法。在对原有系统控制关系进行最小化的改造前提下，通过控制接口的转换，实现了半实物仿真试验系统与其它异类异构系统之间的互联，拓展了半实物仿真试验系统的应用。

仿真代理；导弹制导；半实物仿真；TENA；联合试验

0　引言

导弹制导半实物仿真试验系统通常是自成体系、独立运行的内部系统，导引头以实物形式参与，用以模拟导弹从发射到命中目标的全过程，实现对复杂电磁环境下导弹武器基本性能以及抗干扰性能的检验。随着在贴近实战的条件下进行检验这一需求的提出，武器装备的试验模式正在向作战试验转变，传统的单武器性能仿真试验也向作战仿真试验转变。因此，独立的导弹制导半实物仿真系统已经无法满足未来体系对抗条件下导弹武器装备作战试验的需求，需要与作战系统或其它分布式仿真系统采取联合试验模式，在统一的战场态势下作为子系统参与仿真，以完成更大规模的仿真任务。系统之间的互联以及一体化联合试验是未来发展的必然趋势。如果系统在建设之初是按照联合试验的模式进行设计规划的，则本身应具备与其它系统的互联能力。但目前遇到的往往是已建成的未考虑联合试验模式的独立系统，需要对其进行适应性改造，实现与联合试验系统的对接。采用加入仿真代理节点的方法，在最大化保证原有半实物仿真试验系统完整性的前提下，可快速实现半实物仿真试验系统与其它分布式仿真系统之间的互联互通。

1　独立运行的半实物仿真试验系统控制原理1.1　控制系统构成

独立运行的导弹制导半实物仿真试验系统，通常是由以太网和实时网双网络连接构成的计算机控制系统，主要由总控计算机、主仿真机、显示计算机、数据库计算机、数据采集计算机、转台控制计算机、目标模拟控制计算机以及运行于各控制计算机上的仿真试验指挥控制软件、弹道仿真软件、实时显示软件、数据记录及管理软件、数据采集软件、转台控制软件、目标模拟控制软件组成，其组成及配置关系如图1所示。

1.2控制关系及流程

图1　导弹制导半实物仿真试验系统控制系统组成图

导弹制导半实物仿真试验系统中的控制计算机在物理上处于对等的网络连接中，从控制上来看运行于总控计算机的仿真试验指挥控制软件处于控制的顶层，重点负责整个试验流程的控制；运行于主仿真机的弹道仿真软件处于控制的第二层，在仿真过程中产生仿真步长和控制数据，实现仿真过程的推进；其它各节点可理解为受控对象，为弹道仿真软件提供数据或反馈仿真执行的结果，其控制关系如图2所示。

图2　独立运行的半实物仿真试验系统

软件控制关系仿真试验的控制流程如下：

仿真开始前，运行于各设备控制计算机的控制软件与总控计算机的仿真试验指挥控制软件联机，由仿真试验指挥控制软件根据试验项目进行战情设置，并将战情文件(数据)下发至各设备控制计算机，完成初始化控制。

各设备初始化完毕后，仿真试验指挥控制软件控制仿真开始。仿真开始后，由弹道仿真软件实时解算弹道仿真模型，按照仿真步长生成对导引头、转台以及目标模拟系统的控制指令和数据，并分别通过数据采集软件、转台控制软件以及目标模拟控制软件控制导引头的开/关机，控制转台模拟导弹的俯仰、偏航、滚动姿态角运动，控制目标模拟系统模拟产生目标回波、背景杂波及各种干扰信号。弹道仿真软件通过数据采集软件采集导引头输出的指令和信息，经数字化后参与弹道解算，再次生成导弹制导控制系统的飞行和控制数据，形成闭环。仿真过程中，仿真试验指挥控制软件可根据试验情况随时对试验进行中断控制以结束试验。

2　导弹联合试验系统

为了更高效地利用靶场资源，提高联合试验和训练能力，美军启动了FI2010工程，该工程借鉴了多种体系结构的研究和应用成果，定义了TENA。TENA依照扩展的C4ISR体系结构框架的逻辑结构，目的是给美军试验与训练靶场以及它们的用户提供公共的体系结构，将各种地理上分布的、功能上分离的试验和训练资源组合起来，形成一个综合环境，以逼真、经济、高效的方式完成网络中心战所要求的联合试验与训练任务。TENA体系结构主要由TENA应用、非TENA应用、TENA对象模型、TENA公共基础设施以及TENA实用程序构成，体现了资源的互操作、重用与可组合。导弹联合试验系统如图3所示。

参照TENA思想，导弹联合试验系统的构建主要是采用分布式仿真技术，将实物资源、半实物仿真资源和虚拟的数字仿真资源进行封装和融合，将一定区域内的导弹试验资源“粘合”在一起，建立统一的联合试验指挥控制中心以及数据中心(包括数据采集、处理以及显示等)，建成一个内外场相结合的试验体系结构，实现各类资源的可重用和快速接入，实现分布在不同地域的导弹武器系统仿真资源的互联、互通、互操作。

图3　导弹联合试验系统示意图

3　联合试验模式下的半实物仿真系统改造设计

在联合试验模式下，导弹制导半实物仿真试验系统可理解为一个仿真应用，接入到联合试验系统当中，为联合试验系统提供复杂电磁环境下导弹的对象行为模拟。但是，未经过改造的半实物仿真试验系统可以理解为非TENA应用，无法与TENA中间件直接进行交互。然而从图2可以看出，导弹制导半实物仿真试验系统内部的控制交互关系较为复杂，如果通过改变其控制接口以及数据流而将其改造为与TENA兼容的TENA应用，工作量是十分巨大的。因此，通过采用TENA网关，即增加仿真代理的方式实现接入联合试验系统，是一种较为可行的方法。

3.1仿真代理功能设计

既然导弹联合试验系统的仿真代理相当于TENA体系中的TENA网关，因此仿真代理主要负责导弹半实物仿真试验系统与联合试验系统之间的交互。半实物仿真系统采用双网结构，因此仿真代理需要将反射内存网中读取的数据和接收到的TCP/IP协议的数据包转换成联合试验系统体系结构中的对象类属性或交互类实例并转发，反之亦然，从而实现异构的仿真系统的互连。

仿真代理可接收联合试验指挥控制系统的管理消息、目标模拟系统的威胁目标信息、导弹火控系统的武器平台发控消息，可向联合试验指挥控制系统和数据采集、处理以及显示系统等发布导弹、目标和干扰的状态属性。具有任务规划解析功能、异构系统数据交互功能和协议转换功能。

1)任务规划解析功能：对导弹联合试验指挥控制系统发送的任务规划进行态势解析以及坐标变换，转换为半实物仿真可用的态势文件数据格式。

2)异构系统数据交互功能：对联合试验系统以及半实物仿真系统之间的试验数据进行转换，并进行数据的交互。

3)协议转换功能：对各种控制指令进行协议的转换，实现联合试验指挥控制系统对半实物仿真系统的有效管理与控制。

3.2仿真代理结构设计

仿真代理主要由仿真代理计算机硬件系统以及异构系统接口组件、数据转换组件和中间件接口组件共同构成的仿真代理软件系统组成。仿真代理计算机为仿真代理功能的实现提供硬件平台，需具备1路实时网络接口以及2路以太网络接口，实时网络与其中1路以太网络与半实物仿真试验系统连接，另一路以太网与联合试验系统网络连接，即可实现硬件配置；异构系统接口组件负责与半实物仿真系统之间数据的发送及接收，提供数据接口，完成数据的传递；数据转换组件负责对数据进行转换，将需要发布的半实物仿真系统内部的信息转换为联合试验系统对象模型，同时将订购的联合试验系统对象模型转换为半实物仿真系统内部的信息格式，从而实现两类系统的信息交换；中间件接口组件提供数据转换组件和联合试验系统中间件之间的接口，负责对象类及其属性的订购、发布、更新和反射，交互类及其参数的定购、发布、发送和接收。仿真代理软件结构如图4所示。

图4　仿真代理软件结构图

3.3交互数据设计

导弹制导半实物仿真试验系统与联合试验系统内的其它应用交互的数据(即联合试验系统对象模型)，需要通过仿真代理进行转换，主要可分为对象、事件和数据三类，考虑一般的应用需求，对交互数据进行设计，如表1所示。

表1　交互数据设计

3.4联合试验模式控制关系及流程设计

在控制关系上，对半实物仿真试验系统的仿真试验指挥控制软件进行适应性改造，增加与仿真代理的接口，在独立运行模式的基础上增加联合试验模式，根据判断仿真代理节点是否接入，可实现控制模式的自动切换。在联合试验模式下，运行于总控计算机的仿真试验指挥控制软件在与联合试验系统交互的过程中通过仿真代理开放部分控制权，而在其对包括仿真代理在内的半实物仿真系统各节点的控制的过程中，其第一层的控制地位仍保持不变，因此，也就保证了半实物仿真系统在独立运行模式和联合试验模式下控制关系的不变性。联合试验模式下实物仿真试验系统软件控制关系如图5所示。

图5　联合试验模式下半实物仿真试验系统软件控制关系

仿真开始前，仿真代理软件分别与联合试验系统以及半实物仿真试验系统的仿真试验指挥控制软件建立连接，由联合试验指挥控制系统根据战情想定制定任务规划，通过仿真代理转换成半实物仿真系统可用的战情文件(数据)下发至仿真试验指挥控制软件，并下达初始化指令，仿真试验指挥控制软件按照与独立模式相同的控制流程完成初始化控制，并向联合试验系统回报初始化完毕指令。

联合试验系统通过仿真代理向仿真试验指挥控制软件发送试验开始指令，仿真试验指挥控制软件控制仿真开始。仿真过程中，半实物仿真系统内部的工作过程与独立运行模式相同，按照一定的帧周期通过仿真代理软件接收联合试验系统中其它各个应用的指令和数据，同时，发布含有时间信息的导弹、目标及干扰相关数据，为联合试验系统提供逼真的导弹行为模拟，实现试验资源及信息的共享。

3.5仿真代理软件工作流程设计

由于仿真代理软件处于强实时系统和弱实时系统之间，因此仿真代理软件采取Windows+RTX运行环境，由Windows进程和RTX进程两部分组成。

Windows进程如图6所示。其负责调用联合试验系统中间件服务与联合试验系统其他应用交互，并与RTX进程通过共享内存进行通信。其流程如下：

1)初始化：软件启动后，接收规划文件，提取初始化信息供异构系统使用；解析规划文件，设置发布订购关系，设置订购数据回调函数，建立共享内存；创建发布实体对象的线程和发布事件对象的线程；启动RTX进程。

2)中间件回调函数：有订购数据(实体状态和事件)到来后，判断数据所属对象，获取共享内存订购区操作权，写入共享内存相应位置。

3)实体和事件发布线程：Windows进程在此线程中等待RTX发出的读取共享内存发布数据区通知事件，获取共享内存发布数据区操作权，读取共享内存发布数据区，建立数据镜像，查找要发布的实体和事件，获取更新了的实体或事件数据，调用中间件服务，发布有更新的实体和事件。

图6　仿真代理软件Windows进程流程图

RTX进程如图7所示。它是仿真代理软件实时进程部分，负责与半实物仿真试验系统交互，并与Windows进程通过共享内存进行通信，主要包括主流程和中断处理函数两个部分。

图7　仿真代理软件RTX进程流程图

1)主流程：接收Windows进程初始化命令完成初始化工作，包括：半实物仿真系统初始化、解析规划文件、建立节点、实体、事件链表；打开共享内存，建立共享内存镜像；设置实体属性初始化信息；设置中断和中断处理函数，其中中断处理函数响应半实物仿真系统仿真同步信号；向半实物仿真系统公布仿真代理节点信息，表明代理节点已经准备完毕；等待半实物仿真系统仿真同步信号；在运行过程中，如果收到停止命令，则试验停止。

2)中断处理函数：该函数受半实物仿真系统仿真同步信号控制，本质上是同步帧处理函数。逻辑上大致可分为两个先后过程：①读取半实物仿真系统数据—数据转换—向联合试验系统发布数据过程，之间通过共享内存发布区交互数据；②读订购的联合试验系统数据—数据转换—向半实物仿真系统写数据，数据转换包括数据差值推算和坐标转换等，之间通过共享内存订购区交互数据。

3.6时间的统一

作为独立运行的半实物仿真试验系统，由于各节点间均在基于实时网络的弹道仿真软件产生的仿真节拍下同步运行，因此其时间上的统一采取以仿真时间为主的相对时间即可满足要求。但是在联合试验模式下，各个系统相对独立，且地理上是分布的，之间的交互也是弱实时，因此需要进行时间的统一。

对于异地、异构的系统，要实现时间上的严格统一，可采取时间自治的方式，通过各自独立与标准的时间源进行对时，实现相互之间的时间统一。

4　结束语

本文采用增加仿真代理节点的方式，使原本只能独立运行的导弹半实物仿真试验系统经过简单的改造，实现了与其它异构系统之间的互联，保证了系统原有功能的完整性，使原有的控制关系不被破坏，以最小的代价实现了导弹半实物仿真资源的灵活复用。■

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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，主要从事导弹制导仿真研究。

TP391.9

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