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pos機設計界面素材
劉一超1，李慧2
(1.空軍石家莊飛行學(xué)院 司令部，河北 石家莊 050000；2.河北經(jīng)貿大學(xué) 人文學(xué)院，河北 石家莊 050000)
：采用模塊化設計方法，構建了基于高層體系結構/運行支撐環(huán)境(HLA/RTI)分布式協(xié)議的分布式機載武器仿真系統框架，具體介紹了各個(gè)模塊的功能、工作流程以及實(shí)現方法，形成了一套較為完整實(shí)用的系統開(kāi)發(fā)解決方案。
：分布式；機載武器；仿真系統
：V411.8文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.026
引用格式：劉一超，李慧.基于HLA的機載武器仿真系統框架設計及實(shí)現［J］.微型機與應用，2017,36（4）：87-89，93.
0引言
現代空中作戰對協(xié)同配合提出了更高的要求。單個(gè)的仿真系統很難再滿(mǎn)足實(shí)戰化模擬訓練的各種需求，因此，分布式仿真成為當前計算機仿真領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)方向。從實(shí)用化角度開(kāi)展對分布式仿真系統的應用研究并進(jìn)行驗證，有著(zhù)更為重要的意義。為了提高飛行射擊訓練的實(shí)戰化訓練水平，結合在研項目，本文基于高層體系結構（High Level Architecture,HLA）仿真標準，通過(guò)運行支撐環(huán)境(Run\ue011Time Infrastructure，RTI)，提出了分布式機載武器仿真系統的設計框架，并就其各模塊的功能和實(shí)現進(jìn)行了分析研究和驗證，形成了一套比較完整的解決方案，供同仁研究探討。
1環(huán)境平臺簡(jiǎn)介
1.1HLA/RTI
HLA是一種支持互操作和仿真模型重用的分布交互仿真標準，它在整個(gè)系統中負責消息的分發(fā)和時(shí)間的同步推進(jìn)，是系統實(shí)現分布式交互操作的基礎。HLA通過(guò)RTI提供通用的、相對獨立的支撐服務(wù)程序，將仿真應用同底層的支撐環(huán)境分開(kāi)，即將具體的仿真功能實(shí)現、仿真運行管理和底層通信傳輸三者分離，各自的實(shí)現細節被隱藏，也就是說(shuō)，開(kāi)發(fā)者可以只專(zhuān)注于頂層的功能實(shí)現［1］。
RTI是HLA接口規范的具體實(shí)現，它是基于HLA仿真的核心部件。RTI的功能與分布式操作系統類(lèi)似，是HLA仿真應用程序設計和運行的基礎。RTI的主要作用是為仿真應用提供運行管理功能，如仿真過(guò)程的開(kāi)始、暫停、回復、時(shí)間同步、仿真時(shí)鐘推進(jìn)等；提供底層通信傳輸服務(wù)，是具體的仿真功能實(shí)現、仿真運行管理和底層通信傳輸三者分離的基礎［2］。RTI的原型系統由DMSO于1995年開(kāi)發(fā)，目前有不同組織開(kāi)發(fā)的多種版本的RTI。
BH RTI是北京航空航天大學(xué)研發(fā)的分布交互仿真開(kāi)發(fā)與運行平臺中的運行平臺部分。該平臺支持HLA 1.3和IEEE 1516標準，是支持分布交互仿真應用開(kāi)發(fā)和高效運行的軟件系統平臺，可應用于視景仿真、模擬訓練、城市仿真、工業(yè)設計、交互式游戲等應用領(lǐng)域。BH RTI的接口功能涵蓋標準中定義的六類(lèi)管理服務(wù)(聯(lián)盟管理、聲明管理、對象管理、數據分發(fā)管理、所有權管理、時(shí)間管理) ［3］、支撐服務(wù)以及管理對象模型(MOM)。
1.2Multigen Creator和VegaPrime
Multigen Creator是Multigen-Paradigm公司針對可視化仿真的應用特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的可視化三維建模軟件系統，整個(gè)系統中所有3D物體模型都是由它建立的。Creator實(shí)現了運行于高端SGI工作站和低端PC平臺的不同版本，因此可以適應不同的硬件資源，給用戶(hù)提供一個(gè)“所見(jiàn)即所得”的交互式可視建模軟件環(huán)境。
Multigen Vega Prime是Multigen-Paradigm公司用于虛擬現實(shí)、實(shí)時(shí)視景仿真等可視化領(lǐng)域的應用軟件工具，整個(gè)系統通過(guò)對其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現了仿真視景，模擬空中射擊訓練的真實(shí)環(huán)境。它包括不同平臺下統一的圖形環(huán)境界面、完整的基于C++的應用程序接口A(yíng)PI、豐富的相關(guān)實(shí)用庫函數和一批可選的功能模塊［4］。Vega Prime是基于線(xiàn)程的，模塊接口通過(guò)模塊類(lèi)調用，并且采用基于XML的ADF/ACF文件，因此執行效率更高。
1.3基于DirectX 的下一代跨平臺體系結構 XNA
XNA(DirectX and Xbox Next-generation Architecture)是微軟開(kāi)發(fā)的三維圖形程序設計開(kāi)發(fā)平臺，本項目中主要用于飛機座艙儀表的實(shí)現。它以DirectX作底層支持，提供內容導入、數據庫、輸入獲取、音視頻播放、網(wǎng)絡(luò )連接等常用工具。XNA是DirectX的替代者，相比后者，XNA的特點(diǎn)包括：運行在.NET環(huán)境下；圖形程序設計、聲音效果、輸入設備、網(wǎng)絡(luò )編程等所有功能集為一體；可編程流水線(xiàn)；通過(guò)素材管線(xiàn)(Content Pipeline)加載資源等。
以上三個(gè)技術(shù)平臺既相互依賴(lài)關(guān)聯(lián)又具有獨立性。HLA/RTI作為本項目核心的技術(shù)支撐，用于底層消息交互和時(shí)間同步推進(jìn)模塊的研發(fā)，它主要適用于構建分布式交互仿真環(huán)境；Multigen Creator和Vega Prime則適用于三維仿真視景的構建，通過(guò)接收、設置參數模擬空中射擊訓練的真實(shí)環(huán)境；XNA基于DirectX且更加易用，因此適用于本系統飛機座艙儀表的仿真。三個(gè)技術(shù)平臺既可以專(zhuān)注于系統獨立模塊開(kāi)發(fā)，也可以通過(guò)數據聯(lián)動(dòng)成為一個(gè)有機整體。由于易于開(kāi)發(fā)、易于擴展、性能穩定，它們構成了分布式仿真應用系統的核心技術(shù)平臺。
2系統框架
為了實(shí)現分布式機載武器仿真系統，開(kāi)展射擊訓練和對抗演練，提升訓練的效益和安全性，設計了基于HLA/RTI分布式機載武器仿真系統框架。該系統框架由HLA/RTI分布式仿真平臺和盟員程序兩部分組成，如圖1所示。
本系統中，HLA/RTI采用結合中心服務(wù)節點(diǎn)的分布式交互體系結構。其中，多個(gè)RTI系統作為RTI節點(diǎn)獨立運行，同時(shí)有一個(gè)獨立運行的中心服務(wù)節點(diǎn)。RTI節點(diǎn)負責接收和轉發(fā)盟員程序交互所需要的數據，主要是目標機的位置、姿態(tài)等信息，它是系統最基本的數據交互管理單位。RTI節點(diǎn)之間使用RTI\ue011RTI交互協(xié)議進(jìn)行通信，它們的關(guān)系是平等的。中心服務(wù)節點(diǎn)管理多個(gè)RTI節點(diǎn)，負責分布式系統中全局數據的處理，是底層數據通信的協(xié)調中心，它通過(guò)RTI\ue011CS交互協(xié)議與RTI節點(diǎn)進(jìn)行通信［5］。各主機上獨立運行的RTI節點(diǎn)對于盟員程序來(lái)說(shuō)像一個(gè)集中服務(wù)器一樣，同時(shí)各盟員程序之間可以實(shí)現互操作。
基于該框架實(shí)現的仿真系統不僅可以實(shí)現單機對空對地射擊訓練、成績(jì)評定，而且可以通過(guò)聯(lián)網(wǎng)將分布于不同空間的多臺單機融合到一個(gè)場(chǎng)景中，實(shí)現不同飛行員之間聯(lián)網(wǎng)對抗，模擬實(shí)戰。
2.1聯(lián)邦的設計與開(kāi)發(fā)
聯(lián)邦是指參與信息交互的實(shí)體和它們所處的同一場(chǎng)景環(huán)境構成的集合體。每架戰機作為一個(gè)參與信息交互的實(shí)體，是一個(gè)聯(lián)邦成員。本機訂閱并動(dòng)態(tài)接收其他戰機的名稱(chēng)和實(shí)時(shí)坐標、姿態(tài)，進(jìn)而顯示在本機的視景中進(jìn)行瞄準射擊，同時(shí)本機更新發(fā)布自身的名稱(chēng)和實(shí)時(shí)坐標、姿態(tài)。這些交互的數據既可以通過(guò)更新/反映對象類(lèi)屬性值來(lái)完成，也可以通過(guò)發(fā)送/接收交互實(shí)例來(lái)實(shí)現［6］。由于交互類(lèi)不具有持續性，本系統選用對象類(lèi)進(jìn)行成員間的互操作。HLA/RTI在一個(gè)通用的聯(lián)盟對象模型文件(FED文件)中定義了對象類(lèi)和交互類(lèi)，以下是FED文件片段。
user object classes here
(class Aircraft
(attribute Name reliable timestamp)
(attribute Poszd reliable timestamp)
(attribute Poshp reliable timestamp)
(attribute Posxd reliable timestamp)
(attribute Thet reliable timestamp)
(attribute Psi reliable timestamp)
(attribute Gama reliable timestamp)
)
聯(lián)邦成員的底層擁有相同的運行流程，如圖2所示。
通過(guò)以上實(shí)現，每個(gè)單機實(shí)體可以首先作為一個(gè)成員加入到聯(lián)邦中，然后聲明自己要接收和發(fā)送的數據，在將這些感興趣的數據集合為一個(gè)對象并在聯(lián)邦環(huán)境中注冊后，圖2運行流程圖就可以進(jìn)行消息循環(huán)了。隨著(zhù)時(shí)間推進(jìn)，每個(gè)單機實(shí)體實(shí)時(shí)發(fā)布數據、接收訂閱信息并據此更新?tīng)顟B(tài)。即每個(gè)單機實(shí)體可以同步地推進(jìn)時(shí)間和交互信息，它們感知的是同一個(gè)世界。
2.2飛行子系統
飛行子系統對飛機空氣動(dòng)力特性進(jìn)行仿真，解算飛機的六自由度非線(xiàn)性全量運動(dòng)方程，獲取飛機的位置、姿態(tài)、角速度、速度等飛行參數［7］，并將這些參數通過(guò)網(wǎng)絡(luò )輸出到其他子系統。
本系統首先使用數據采集模塊采集輸入座艙控制電門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，操縱系統的操縱面位置(即舵偏角)、液壓系統的襟翼、起落架狀態(tài)和油門(mén)桿的位置。通過(guò)判斷座艙電門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機決定啟動(dòng)或者停車(chē)。若發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)成功，發(fā)動(dòng)機模塊根據采集的油門(mén)桿位置查表插值得到發(fā)動(dòng)機的轉速、推力以及耗油率，氣動(dòng)系數模塊則根據舵偏角、襟翼和起落架的狀態(tài)以及運動(dòng)方程模塊反饋的飛行參數(馬赫數、高度、迎角、側滑角等)查表插值取得飛機的氣動(dòng)系數、氣動(dòng)力和力矩。另外，起落架力和力矩模塊根據飛機飛行狀態(tài)和姿態(tài)、剎車(chē)壓力等計算起落架力和力矩。最終，運動(dòng)方程模塊根據發(fā)動(dòng)機推力、啟動(dòng)力/力矩、自身質(zhì)量特性、反饋的起落架力/力矩以及系統接收的控制臺設定的環(huán)境參數(紊流、風(fēng)和大氣等)積分解算六自由度非線(xiàn)性全量運動(dòng)方程。解算得到的飛機運動(dòng)參數通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到視景子系統、火控子系統、儀表音響子系統以及訂閱了這些值的其他盟員程序。
為了滿(mǎn)足方程解算實(shí)時(shí)性的要求(本系統設定每個(gè)循環(huán)周期為10 ms)，使用了多媒體計時(shí)器服務(wù)。使用該服務(wù)，可以滿(mǎn)足系統高分辨率計時(shí)的需求，最小分辨率為1 ms。多功能USB數據采集卡的采集周期超過(guò)了10 ms，本系統為數據采集創(chuàng )建了新的線(xiàn)程。主要代碼如下。
timeGetDevCaps(tmcap，sizeof(LPTIMECAPS))；
timeBeginPeriod(1)；
timeEndPeriod(1)；
…
HANDLE hThread=::CreateThread(NULL，0，RWdatacard，NULL，0，NULL)；
CloseHandle(hThread)；
飛行方程解算屬于計算密集型的應用，實(shí)時(shí)性要求高。對于Windows系統，一般每個(gè)線(xiàn)程的時(shí)間片耗時(shí)是不穩定的，在15 ms左右變動(dòng)，這難以滿(mǎn)足時(shí)間要求。通過(guò)使用多媒體定時(shí)器，能夠保證每個(gè)計算周期的耗時(shí)恒定為10 ms。解算時(shí)間的恒定可控使飛機在視景中的運動(dòng)更為平滑。
2.3視景子系統
視景子系統提供仿真系統外部動(dòng)態(tài)視覺(jué)
景觀(guān)的模擬，為使用者建立一個(gè)逼真的視覺(jué)環(huán)境。視景子系統根據飛行子系統和火控子系統傳遞的數據，精確模擬飛行區域天空(太陽(yáng)、月亮、云層)、地物地貌、飛行區域景觀(guān)、射擊作戰對象、瞄準具以及射擊效果顯示等視景，提供動(dòng)態(tài)視覺(jué)場(chǎng)景，使能夠通過(guò)視景判斷飛行狀態(tài)(正?；蚍钦?、位置、姿態(tài)、戰術(shù)信息、目標信息等。
視景子系統的開(kāi)發(fā)流程主要包括三步。首先，使用Creator或者其他3D模型軟件制作視景數據庫，如機場(chǎng)模型庫、目標模型庫(每種目標模型建有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、毀損狀態(tài))、地形數據庫以及特殊效果庫(燃燒、粉塵、碎片等效果)等；第二步，在LynX Prime中調入.flt模型，完成基本環(huán)境設置、特效設置，從而完成.acf文件的配置；最后，在Visual Stdio 2005編程環(huán)境中設計視景仿真程序，直接調用Vega Prime的API函數，利用接收的仿真數據驅動(dòng)整個(gè)場(chǎng)景。
VP的工作流程為初始化—定義—配置—幀循環(huán)—關(guān)閉，可以劃分為靜態(tài)工作和動(dòng)態(tài)循環(huán)兩個(gè)階段。如圖3所示。
系統初始化vp::initialize完成的工作包括檢查許可證和初始化靜態(tài)變量、單模式類(lèi)、內存分配器、渲染函數庫、ACF解析器、模塊接口、核圖3視景子系統的開(kāi)發(fā)流程心類(lèi)等。接著(zhù)，通過(guò)代碼或者將ACF文件傳遞給define方法在系統定義中創(chuàng )建類(lèi)實(shí)例并進(jìn)行初始化。系統定義后，在配置階段設置多線(xiàn)程模式、線(xiàn)程優(yōu)先和分配器分配等，同時(shí)建立基于附加消息的類(lèi)實(shí)例之間的關(guān)系。在幀循環(huán)階段，動(dòng)態(tài)循環(huán)場(chǎng)景的刷新和渲染。最后關(guān)閉系統，需要使用核心類(lèi)分配的內存、調用模塊的關(guān)閉方法清理內存、結束同步線(xiàn)
程以及向許可證服務(wù)器返回許可證。
2.4火控子系統
火控子系統負責火控工作狀態(tài)解算、瞄準解算、外掛處理、武器彈道解算等，模擬武器使用的控制流程，并對武器的攻擊效果進(jìn)行效能評估，分為7個(gè)模塊，如圖4所示。
中央解算模塊負責火控系統工作狀態(tài)的處理，對瞄準具、軍械綜合顯示器的狀態(tài)進(jìn)行控制，進(jìn)行武器的瞄準解算，確定瞄準光環(huán)的位置。彈道解算模塊分別建立航炮、火箭和炸彈的彈道方程，解算出炮彈的彈道軌跡。武器外掛處理模塊負責武器掛點(diǎn)選擇邏輯狀態(tài)的分析，確定所選武器的工作狀態(tài)，根據采集的武器裝配數據和發(fā)射狀態(tài)計算武器發(fā)射類(lèi)型及數量。效能分析模塊對放射/投放武器的毀傷效果進(jìn)行分析處理，進(jìn)行效能評估，其結果傳輸至控制臺顯示。數據交互處理模塊負責火控子系統與其他子系統的信息交互，包括對火控相關(guān)電門(mén)的數據采集和飛行參數的接收。顯示模塊負責瞄準具顯示器和軍械綜合顯示器的信息顯示。多功能邏輯分析模塊完成火控配置狀態(tài)判斷，并結合中央解算模塊的解算結果控制結果信息的顯示。
2.5儀表與音響子系統
儀表與音響子系統應用XNA框架，在計算機屏幕上顯示飛機座艙的虛擬儀表，并模擬飛行設計訓練中的各種音響特效。儀表與音響子系統接收飛行子系統發(fā)送的相關(guān)運動(dòng)參數，進(jìn)而控制儀表指針的轉動(dòng)，并發(fā)出聲音。本子系統的難點(diǎn)在于實(shí)物建模的準確性。另外，為了模擬真實(shí)機械儀表指針轉動(dòng)時(shí)的慣性作用，采用了累加求和取平均值的方法。
3結論
基于HLA/RTI分布式協(xié)議的分布式機載武器仿真系統框架，采用了模塊化設計方法，明晰了設計思路，給出了具體的設計方法，實(shí)現了各技術(shù)平臺之間的數據無(wú)縫連接，構成了一個(gè)相對完整的分布式仿真系統的實(shí)用解決方案。該方案在本項目的研發(fā)過(guò)程中進(jìn)行了多次優(yōu)化，并通過(guò)了實(shí)踐驗證，為類(lèi)似系統的研發(fā)提供了一個(gè)具體的成功范例，也為今后項目拓展打下了堅實(shí)的基礎。
參考文獻
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