基于反射内存网的复合导引头联合仿真试验设计⋆

张 杨，石 川

（中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003）

基于反射内存网的复合导引头联合仿真试验设计⋆

张 杨，石 川

（中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003）

联合仿真试验同时具备实装试验、数学仿真试验和半实物仿真试验的优点，可构建全面逼真的试验环境，其中实时算法和通信技术是关键技术。基于反射内存网技术，进行了复合导引头联合仿真试验总体方案设计，对试验中的时间同步、数据同步等关键问题进行了研究，解决了联合仿真试验中各仿真系统协同及实时通信问题，对联合仿真试验的开展有一定的应用价值。

联合仿真试验，反射内存网，时间同步，数据同步

0 引言

在体系对抗条件下的信息化战争中，信息占有与信息利用的水平极大影响着攻防双方作战能力的发挥。信息的占有和利用需以先进的电子信息装备为基础，并配合战术战法的合理运用才能达到预想的目的［1-2］。而电子信息装备的技术性能和效能的考核需要在复杂的逼近实际的环境背景下进行，构建这样的环境有两种途径，一是构建真实环境，这种途径参试装备多，规模大，不可控；二是构建联合仿真试验环境，这种途径采用虚实结合的方式构造类似逼近实际的环境背景，实现环境可塑可控可复现。联合仿真试验同时具备实装试验、数学仿真试验和半实物仿真试验的优点，是开展体系对抗条件下的试验评估的重要手段。

联合仿真试验是一个庞大的系统工程，需在指挥信息系统支持下，实现散布在广域空间中大量传感器与作战指挥中心的信息交联［3］。因此，它是时间约束非常强的过程，是高精度的硬实时系统，其计算、数据通信和关键信号处理如果出现超时将可能导致整个仿真试验的失败。联合仿真试验系统中实时性要求高的信息需要通过强实时网络传输，反射内存网具备信息传输确定、可靠和传输延迟稳定的优点，是目前构建强实时网络的主要选择。本文进行了基于反射内存网的复合导引头联合仿真试验设计，解决了联合仿真试验中的实时通信问题，并有很强的通用性。

1 反射内存网通信原理

反射内存网（Reflective memory network）是一种基于高速网络的共享存储器技术的实时网络。相比传统以太网，具备以下优点［4-6］：

（1）传输确定性：可保证数据可达；

（2）传输延迟稳定性：传输延迟抖动为微秒级；

（3）可靠性：通过读写校对，确保传输数据的正确性；

（4）支持跨平台：支持通用计算机、嵌入式计算机等平台。

反射内存网是在每台被连接的计算机里安装一块反射内存卡，对每块板卡的内存操作都会像镜子一样，反射到与之相连的其他板卡上。各计算机上的反射内存卡通过光纤或者同轴电缆进行连接，板卡间通过光纤HUB连接或直接串行连接，形成星形结构网络或环状结构网络，图1所示为星形结构网络。环状结构网络的优点是成本低，只需在每个节点配备一块板卡即可，缺点是网络中一个节点故障会导致整个网络瘫痪，另外由于数据需要串行传递，从而造成时间延迟；星形结构网络的优点是可靠性高，传输时效高，个别节点故障不会影响整个网络，缺点是由于需要光纤HUB，成本较环状结构网络要高。

图1 反射内存网络星形结构

反射内存网中存在两种映射关系，一种是计算机内存到反射内存卡内存的映射，一种是每块反射内存卡内存到全局共享内存的映射，其中全局共享内存是所有反射内存卡内存组成的一个逻辑上的存储器。使用中只需像访问普通内存一样访问计算机内存，即可映射到反射内存卡，进而映射到全局共享内存，被网络中其他计算机所感知。

反射内存卡之间通过自定义的网络协议进行通信，由于采用了简化的网络协议，所以具有非常高的传输速度，一般在微秒量级上。对反射内存网中的计算机而言，根本不用考虑反射内存卡之间的传输问题，从而极大地减轻了计算机的工作负担。一旦反射内存网络中的任何一台计算机向反射内存写数据，改写的数据立刻以很高的速度，通过高速光纤或同轴电缆传输到其他网络节点的共享内存区域。也就是说，数据的传输物理上完全独享高速专用网络。整个数据复制过程没有总线冲突，没有耗时的协议开销，也没有不可确定的数据破坏。各处理器之间的通信速度和访问内存的速度一样快，从而保证了整个系统的实时性。

2 复合导引头联合仿真试验系统设计集成

2.1 联合仿真试验系统构成

以雷达电视复合导引头试验为例，试验过程中需要应用雷达和光电两个专业的仿真试验系统，为使两种仿真试验系统在复合导引头的测试中有机地结合，需要使用软件中间件、接口网关和通信基础设施构建联合仿真试验系统。联合仿真试验系统集成的运行架构如下页图2所示。通过管控模块实现对整个试验系统集中管理，时钟同步模块进行时间节拍下发和系统同步管理，公共剧情模块生成并实时下发试验所需剧情，试验监视与控制模块监控仿真系统各部分运行情况，并及时调整工作状态，试验信息记录与显示模块根据任务需求进行结果记录及可视化输出，试验评估模块对结果数据进行实时评估和反馈，公共计算服务为系统试验过程中的目标电磁散射特性计算、目标及其环境光学特性计算和信号的处理分析等提供高效的计算服务。

2.2 网络结构设计

仿真试验系统中业务数据网采用高速以太网技术，用于传输仿真控制信息和仿真应用信息等弱实时交互信息。激励网采用反射内存网技术，用于传输对传输时间延迟有苛刻要求的信息。分布式联合仿真网络拓扑结构如下页图3所示。

图2 联合仿真运行架构示意图

图3 分布式联合仿真网络拓扑图

3 基于反射内存网的复合导引头联合仿真试验设计

3.1 复合导引头联合仿真试验中反射内存网设计应用

3.1.1 时间同步

实时仿真系统是按仿真周期的节拍来工作，并对各计算机之间的同步要求很高［7-8］。反射内存网的实时同步更新特性可很好地满足这一要求。为此在联合仿真试验中需设置时间同步服务器，其任务就是利用反射内存网向全系统发送时间节拍。如向系统提供50 ms、5 ms和1 ms的时间节拍（只要按时间间隔把节拍写入到反射内存卡内存中即可），供各系统选择使用。各节点只要在相应的发布时间节拍的节点卡地址上设置写中断使能，就可以得到所需的时间节拍，从而使整个系统工作在同一的时间节拍上。

3.1.2 数据同步

进行联合仿真试验时，为了更好地控制写入共享内存的数据，将反射内存网共享内存区域划分为控制字区、同步字区和数据区。数据区是由某一节点写入的性质相同的一批数据组成，对一个数据区的写权限须做出明确的界定，即一个区只有一个节点有写权限，但对该数据区的读权限无法作限制。对读节点在某个数据区设置了写中断，该数据区数据更新后，要求写中断响应节点立刻读取数据，可实现读写同步。

控制字区只能由试验监视与控制计算机写入；同步字区只能由时钟同步服务器写入。仿真试验系统在各网仿真节点，主要在同步字时序和控制字驱动下（写中断）开始协同仿真运行，并从数据区中交换数据。

3.1.3 读写冲突

参加联合仿真试验的计算机节点虽然可以同时响应时间节拍开始工作，但由于反射内存机制的特殊性，在各自执行任务工作量不同、完成任务时间不同的情况下，不同仿真节点有可能对同一地址进行操作，发生读写冲突。如果强求写入时机一致的话，不仅给软件设计和编程带来更多的任务，也会给网络带宽在某一时间造成压力。研究发现，同时的写入动作可能造成网络冲突，但同时从共享内存区域读取数据却不会给网络带来任何影响。因此，为了避免读写冲突，当某一时间节拍到来时，首先要做的事情就是从共享内存区域中读取所需的数据，而不是写入，然后再开始一个周期的运算，运算结束后把结果写入共享内存区域。在运行的前几帧时，要根据数据帧的时序决定是否进行数据读取。

3.2 仿真试验设计实例

基于反射内存网的复合导引头联合仿真试验设计中，主要使用射频目标及干扰模拟系统、光电半实物目标模拟系统，飞行运动模拟系统、计算机控制系统等［9-10］。系统组成和信息交互如图4所示。

图4 复合导引头联合仿真试验系统组成

射频目标及干扰模拟系统包括射频信号生成系统和天线阵列与微波馈电系统，射频信号生成系统用于生成模拟的雷达导引头目标回波信号、各种干扰信号，天线阵列与微波馈电系统用于将模拟的雷达目标回波信号和各种干扰信号按照要求的位置向雷达导引头进行辐射。

光电半实物目标模拟系统包括光电目标模拟控制系统和视频信号生成系统。主要用来生成目标及背景图像信号。

飞行运动模拟系统包括飞行转台、转台控制系统、舵机负载模拟器等。导引头安装在飞行转台上，用来复现被试装备的偏航、俯仰和滚转3个飞行姿态。

计算机控制系统包括实时仿真系统和射频计算机控制系统。实时仿真系统主要用来实时解算被试装备运动、目标运动、被试装备与目标相对运动的数学模型。射频计算机控制系统生成距离、角度、能量等控制信号，馈送到射频信号生成系统生成目标回波及干扰环境。

整个系统可以按照对实时性的要求分为强实时部分和弱实时部分。强实时部分包括对时间要求严格的时间同步节拍的发布，动态剧情的更新，运动姿态、位置等实时参数的数学仿真、信号中频处理以及信号射频放大部分；而弱实时部分包括对时间不敏感的数据记录、离线分析、人机交互等部分。根据设计，强实时部分之间的通信由反射内存网完成；而弱实时部分之间的通信由传统的以太网完成。

仿真试验阶段工作流程如下页图5所示。

①根据试验任务需求进行席位配置和相关参数设置。

②在仿真系统内各席位中部署成员监视服务和数据访问服务，仿真试验准备完毕。

③完成电子信息装备参数配置，初始剧情想定，下达初始化命令。各席位的成员监视服务接收仿真初始化命令后，通过数据访问服务读取本席位的仿真任务，并下载和启动相应的模拟器程序，调用数据访问服务，读取自身的装备性能参数、工作参数、交互关系和指挥关系等信息，完成初始化工作。

图5 试验工作流程

④根据仿真时钟推进，进行仿真试验。更新下发实时剧情，导引头进行空域搜索，雷达仿真试验实时仿真系统生成各装备的位置姿态数据，写入到反射内存网中。射频信号生成系统和视频信号生成系统同时读取导引头发射信号和位置姿态数据，产生相应的目标模拟及干扰信号，写入反射内存网，并馈送入天线阵列。

⑤雷达导引装置达到触发门限后，导引头从搜索转为跟踪状态。雷达仿真试验实时仿真系统根据导引头接收到的信号，解算出平台姿态控制信息传给转台控制系统和反射内存网，完成雷达仿真试验系统中导引头的姿态变化。同时，光电仿真试验系统根据反射内存网中的平台姿态控制信息，完成光电试验系统中导引头的姿态变化。

⑥导引头根据雷达试验仿真系统输出的控制信号，实时调整飞行姿态，实现对目标的稳定跟踪。

⑦当光电导引装置达到触发门限后，导引头根据光电试验仿真系统输出的控制信号，实时调整飞行姿态，实现对目标的稳定跟踪。

⑧达到攻击门限，下达攻击命令，完成目标攻击并上报结果。

⑨仿真过程中通过试验监视与控制计算机获取的实时信息监控仿真系统各部分工作情况，以便进行状态调整等工作。试验信息记录与显示计算机根据需求实时记录仿真结果并显示仿真态势。试验评估计算机根据试验信息和状态结果，实时评估试验情况并反馈给试验监视与控制计算机，完成试验的实时评估。

4 结论

本文针对反射内存网络在联合仿真试验中的应用进行了研究，结合辐射式雷达仿真试验系统和光电仿真试验系统，进行了基于反射内存网的复合导引头联合仿真试验系统设计。基于反射内存网的联合仿真试验，通信实时性好，数据传输速度快，传输可靠性高，便于升级、移植，可以为以后联合仿真试验提供借鉴。

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［3］赵锋，李盾，王雪松.导弹防御雷达仿真系统［J］.系统仿真学报，2006，18（5）：1190-1194.

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［6］徐琦，方澄.基于反射内存网的多飞行模拟器时间同步［J］.火力与指挥控制，2009，34（11）：164-166.

［7］翟永翠，程健庆.HLA中时间管理及对实时仿真改善方法的研究［J］.计算机仿真，2003，20（8）：144-147.

［8］何新华，赵泽林，刘宪秋.基于HLA的实时仿真方法的研究与测试 ［J］.计算机工程与设计，2009，30（22）：5140-5143.

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Design for Joint Simulation Test of Combined Seeker Based on Reflective Memory Network

ZHANG Yang，SHI Chuan
（Luoyang Electronic Equipment Test Center，Luoyang 471003，China）

Joint simulation test has the advantage of live test，digital simulation test and hardwarein-the-loop simulation test，which can build the lifelike test environment.The key techniques of joint simulation test are real-time algorithmic and communication technology.In this paper，based on reflective memory network，the design for joint simulation test of combined seeker will be carry on.And the key problems such as time synchronization and data synchronization are also be researched.The issues about system collaboration and real-time communication joint simulation test in are resolved，which can provide a certain value in carrying out joint simulation test.

joint simulation test，reflective memory network，time synchronization，data synchronization

TP391

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.07.038

1002-0640（2017）07-0175-05

2016-05-10

2016-06-26

国家自然科学基金（61301236）；国家社科基金资助项目（13QJ004-119）

张 杨（1981- ），女，河南巩义人，硕士，助理研究员。研究方向：雷达及雷达对抗仿真。