戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練飛行模擬器綜合顯示系統(tǒng)仿真架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

朱 濤,沈明輝,黃紹君,范 蓉,周興平

(空軍石家莊飛行學(xué)院飛行模擬訓(xùn)練中心,北京 100195)

戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練飛行模擬器是一套人在回路的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng),重點(diǎn)模擬飛機(jī)的飛行控制、綜合航電、武器火控、電子對(duì)抗等系統(tǒng),采用開放式座艙,儀表和座艙設(shè)備均采用虛擬儀表技術(shù),視景系統(tǒng)采用多塊液晶屏構(gòu)成拼接幕墻,操縱系統(tǒng)采用帶調(diào)效機(jī)構(gòu)的彈簧阻尼力反饋機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)突出模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化等設(shè)計(jì)原則,便于維護(hù)、使用和升級(jí)。

戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練飛行模擬器主要由飛行仿真子系統(tǒng)、操縱負(fù)荷子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、航空電子子系統(tǒng)、虛擬儀表子系統(tǒng)、綜合顯示子系統(tǒng)、視景子系統(tǒng)、音響通訊子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)等部分組成。典型的單座模擬器系統(tǒng)功能組成如圖1所示。

戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練飛行模擬器能夠提供逼真實(shí)用的仿真環(huán)境,能夠用于部隊(duì)基礎(chǔ)技戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練,更為重要的是多臺(tái)模擬器聯(lián)網(wǎng)后可以滿足成熟飛行人員對(duì)更復(fù)雜、更深層次的訓(xùn)練需求,這些訓(xùn)練內(nèi)容在實(shí)裝飛行中很少甚至無法實(shí)現(xiàn)[1]。以聯(lián)網(wǎng)后的多臺(tái)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練飛行模擬器為仿真終端,結(jié)合其他系統(tǒng)組成航空兵分隊(duì)級(jí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng),可以針對(duì)高技術(shù)條件下空中作戰(zhàn)的特點(diǎn)及難點(diǎn),開展復(fù)雜電磁環(huán)境下戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練和戰(zhàn)術(shù)研究,提升飛行人員自主態(tài)勢(shì)感知、任務(wù)管理與決策、溝通協(xié)同、威脅處理等方面能力,全面培養(yǎng)戰(zhàn)術(shù)意識(shí),提高戰(zhàn)術(shù)素養(yǎng)。

1 綜合顯示系統(tǒng)仿真架構(gòu)分析

綜合顯示系統(tǒng)是戰(zhàn)術(shù)模擬器的重要組成部分,通過多個(gè)多功能顯示器和平顯替代以往座艙中繁雜的各類儀器與儀表,作為主要的人機(jī)交互接口與方式,通過字符、圖形等形式把各類復(fù)雜的飛行參數(shù)、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、作戰(zhàn)狀態(tài)與任務(wù)等信息直觀地展現(xiàn)出來，有利于飛行員快速獲取相應(yīng)的信息,正確做出應(yīng)對(duì)策略。

圖1 單座戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練飛行模擬器的功能組成結(jié)構(gòu)圖

1.1 綜合顯示系統(tǒng)與外部的信息交互結(jié)構(gòu)

本文以較為復(fù)雜的雙座戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練飛行模擬器為例,分析綜合顯示系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間的信息交互。仿真系統(tǒng)間的信息交互結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙座戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練飛行模擬器綜合顯示系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的信息交互圖

前艙綜合顯示系統(tǒng)通過兩個(gè)共享內(nèi)存與外部各系統(tǒng)進(jìn)行交互,一個(gè)共享內(nèi)存與飛控、前艙的虛擬儀表等軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互(主要用于獲取飛行參數(shù)及周邊鍵和各種開關(guān)信息),另一個(gè)共享內(nèi)存和航空電子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互(主要工作模式為綜合顯示系統(tǒng)狀態(tài)改變后向共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù),并讀取航空電子系統(tǒng)處理后的回饋結(jié)果),另外，還通過網(wǎng)絡(luò)與視景系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、后艙綜合顯示系統(tǒng)交互相應(yīng)信息。

后艙綜合顯示系統(tǒng)的信息交互相對(duì)簡(jiǎn)單,通過與后艙虛擬儀表的共享內(nèi)存,并通過網(wǎng)絡(luò)與航空電子系統(tǒng)以及前艙綜合顯示系統(tǒng)交互相應(yīng)信息。

1.2 綜合顯示系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)

綜合顯示系統(tǒng)主要由配置模塊、顯示模塊、控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊等組成。其模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 綜合顯示系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)

其中，配置模塊用于加載配置文件，并保存相關(guān)信息以便于系統(tǒng)后續(xù)使用,顯示模塊使用OpenGL技術(shù)繪制具體的畫面,通信模塊通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與其他軟件系統(tǒng)進(jìn)行交互,定時(shí)模塊用于創(chuàng)建及控制用于畫面顯示、共享內(nèi)存讀取、系統(tǒng)時(shí)間顯示等多個(gè)定時(shí)器?？刂颇K用于系統(tǒng)的運(yùn)行流程和狀態(tài)控制,同時(shí)，也對(duì)讀寫共享內(nèi)存數(shù)據(jù)、收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)邏輯進(jìn)行控制。

綜合顯示系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),控制模塊通過調(diào)用配置模塊加載配置信息;然后,控制模塊調(diào)用定時(shí)模塊設(shè)置定時(shí)器,通過共享內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)、調(diào)用網(wǎng)絡(luò)通信模塊接收數(shù)據(jù),用戶操作多功能顯示器周邊鍵或座艙內(nèi)的開關(guān)后,將修改對(duì)應(yīng)的共享內(nèi)存數(shù)據(jù),系統(tǒng)則會(huì)及時(shí)地讀取更新后的共享內(nèi)存數(shù)據(jù),來判定系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài),并調(diào)用顯示模塊顯示相應(yīng)的畫面。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行控制流程如圖4所示。

圖4 綜合顯示系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖

2 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)分析

關(guān)于飛行模擬器綜合顯示系統(tǒng)的仿真方法已經(jīng)較為成熟,基于OpenGL、GL Studio、IData以及VAPS等工具及方法均有現(xiàn)成的實(shí)現(xiàn)方案[2-5],其中，使用OpenGL源碼實(shí)現(xiàn)方式因其豐富的功能和廣泛的平臺(tái)支持度,是最佳選擇之一,但也存在軟件執(zhí)行效率低、編程代碼量大、開發(fā)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。針對(duì)上述問題,本文根據(jù)多年的工程項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在系統(tǒng)的性能優(yōu)化、可移植性及組件化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行深入研究,形成了一種較為完善的解決方案。

2.1 系統(tǒng)性能高效控制策略

在戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練飛行模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)時(shí),根據(jù)模擬器的定位及特點(diǎn)，將綜合顯示系統(tǒng)、飛行主控系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、虛擬儀表系統(tǒng)規(guī)劃為共用一臺(tái)計(jì)算機(jī)。因此，上述各個(gè)系統(tǒng)可使用的計(jì)算機(jī)硬件資源有限,其中，綜合顯示系統(tǒng)的主要用途是顯示各種人機(jī)交互畫面,而畫面繪制非常占用系統(tǒng)資源,如果采用普通的繪制方式可能會(huì)降低操作系統(tǒng)的性能,甚至?xí)绊懛抡嬗?jì)算機(jī)內(nèi)其他軟件系統(tǒng)的正常運(yùn)行,因此，為了保證畫面繪制的速度和效率,以及盡可能地降低對(duì)系統(tǒng)資源的占用,主要從以下幾個(gè)方面保證系統(tǒng)的效能。

1)集中統(tǒng)一內(nèi)存管理

系統(tǒng)在啟動(dòng)的時(shí)候即分配好相關(guān)主要內(nèi)存,在退出的時(shí)候統(tǒng)一釋放之前分配的內(nèi)存,避免系統(tǒng)在運(yùn)行過程中頻繁地申請(qǐng)釋放內(nèi)存,盡可能地減少和其他軟件系統(tǒng)的沖突。

2)畫面快速渲染策略

采用紋理、顯示列表、畫面雙緩沖[6]的方式進(jìn)行繪制,盡可能地使用顯卡硬件渲染而不是使用CPU臨時(shí)繪制,保證畫面切換流暢無卡頓等,同時(shí)降低系統(tǒng)資源的占用。

例如，進(jìn)行畫面切換的時(shí)候,由于系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)即把所有需要顯示的紋理數(shù)據(jù)加載到硬件渲染管道并構(gòu)建了顯示列表,在需要顯示時(shí)無須重新繪制,這樣就在很大程度上提高了畫面渲染的速度,與此同時(shí)極大地降低了操作系統(tǒng)資源的占用,最后，利用雙緩存技術(shù)將要繪制的界面先繪制在內(nèi)存中一個(gè)虛擬的和正在顯示界面同樣大小的區(qū)域,界面變化時(shí)將這個(gè)內(nèi)存中的圖像一次性繪制到屏幕上,這樣就真正實(shí)現(xiàn)了畫面的切換。其基本流程如圖5所示。

圖5 顯示畫面繪制流程

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,只對(duì)經(jīng)常發(fā)生變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新繪制,以保證效率;系統(tǒng)退出時(shí),銷毀加載的紋理和生成的顯示列表。

3)畫面刷新與顯示優(yōu)化策略

通過深入分析顯示畫面的特點(diǎn),對(duì)相關(guān)畫面使用局部畫面刷新而不是整個(gè)畫面的刷新,降低操作系統(tǒng)的負(fù)荷,同時(shí)加快畫面更新速度。

例如，在顯示態(tài)勢(shì)界面時(shí),首先，要繪制導(dǎo)航基圖,然后，根據(jù)當(dāng)前工作狀態(tài)、工作模式等進(jìn)行繪制,相對(duì)來說,大部分畫面都是不需要重新繪制的,即不需要每次都重新繪制然后重新顯示。其他的諸如文字、圖像等,也可以使用類似的方法處理。

另外，對(duì)于數(shù)字地圖和對(duì)地攻擊畫面等較為占用系統(tǒng)資源且相對(duì)獨(dú)立的顯示內(nèi)容,均采用自身獨(dú)占的專用線程進(jìn)行單獨(dú)處理與解算。并且，能夠根據(jù)系統(tǒng)的控制邏輯,在無須顯示相關(guān)內(nèi)容的時(shí)候,不進(jìn)行解算與處理,釋放相應(yīng)的資源。

2.2 仿真架構(gòu)可移植性研究

綜合顯示系統(tǒng)仿真架構(gòu)可移植性設(shè)計(jì)綜合采用以下方法:

1)多功能顯示器數(shù)量及位置的可移植性。針對(duì)不同機(jī)型座艙中的多功能顯示器數(shù)量及位置不同的情況,首先，在配置文件中定義顯示窗口的數(shù)量及其位置信息,然后，根據(jù)配置文件使用OpenGL的C語言擴(kuò)展庫GLFW生成顯示窗口,最后，利用共享內(nèi)存中每個(gè)窗口的相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù),顯示各自的畫面內(nèi)容。

2)單、雙座座艙多功能顯示器的可移植性。針對(duì)單座座艙與雙座座艙機(jī)型的差異情況,因?yàn)槠湎到y(tǒng)仿真框架與流程完全都是一致的,可以通過良好的編碼實(shí)現(xiàn),最后，只需在配置文件中將其指定為前艙或后艙即可。

3)平顯系統(tǒng)的可移植性。針對(duì)嵌入在視景系統(tǒng)中的平顯子系統(tǒng),由于也是使用OpenGL實(shí)現(xiàn)的,可以將多功能顯示器中的設(shè)計(jì)成果移植到視景生成軟件中,實(shí)現(xiàn)功能與畫面的一致性,避免重復(fù)設(shè)計(jì)。

4)其他子模塊的可移植性。最后針對(duì)數(shù)據(jù)鏈導(dǎo)航及態(tài)勢(shì)、精確制導(dǎo)對(duì)地武器攻擊畫面的顯示方法、目標(biāo)威脅等級(jí)的計(jì)算方法[7]以及通用的航跡法、航線法、綜合法等航線導(dǎo)航方法等多個(gè)方面也作了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化處理,充分滿足系統(tǒng)的可移植性需要。

這種架構(gòu)已經(jīng)在多型戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器中應(yīng)用,不同型號(hào)的綜合顯示系統(tǒng)均采用此架構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì),提高了綜合顯示系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性, 在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，大大加快了綜合顯示系統(tǒng)的研制開發(fā)進(jìn)程。

2.3 基于面向?qū)ο笏枷氲娘@示畫面組件化設(shè)計(jì)

綜合顯示系統(tǒng)需要顯示多種類型的畫面,每種類型下面還可能有子畫面,即需要多層次、多級(jí)別的進(jìn)行顯示。如果要添加其他類別的顯示畫面或者修改現(xiàn)有的顯示畫面,按照普通的面向過程邏輯去實(shí)現(xiàn)則會(huì)相當(dāng)復(fù)雜。另外，還需要注意到，在綜合顯示系統(tǒng)內(nèi)很多顯示畫面或畫面中的某些部分(如數(shù)據(jù)鏈導(dǎo)航與態(tài)勢(shì)畫面、雷達(dá)畫面、平顯畫面等)在許多機(jī)型中是通用的,可以將其獨(dú)立出來作為組件為多個(gè)系統(tǒng)共用。根據(jù)上述分析的系統(tǒng)特點(diǎn),采用基于“類-繼承”面向?qū)ο蠓椒ㄒ约敖M件化模式為復(fù)雜系統(tǒng)研究提供了一種強(qiáng)有力的技術(shù)手段,能夠很好地滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程需要[8]。下面介紹實(shí)現(xiàn)過程中的具體原則、方法。

對(duì)于所有需要顯示的畫面,都將其類化,這樣就轉(zhuǎn)化為類的級(jí)別關(guān)系,進(jìn)而，轉(zhuǎn)化為父類和子類的繼承關(guān)系,便于描述和修改。

綜合顯示系統(tǒng)中畫面類的基本設(shè)計(jì)原則如下:

1)所有畫面類的邏輯處理和功能處理都是分開的,如控制和繪制等;

2)所有畫面類都使用統(tǒng)一的繪制函數(shù)接口,該接口在基類中定義;當(dāng)需要顯示某一級(jí)的某個(gè)畫面時(shí),只需要調(diào)用該畫面類的繪制函數(shù)并傳入相關(guān)參數(shù)即可;

3)所有畫面類都有一個(gè)全局唯一的標(biāo)簽,以和其他畫面類進(jìn)行區(qū)分;每個(gè)畫面類都有一個(gè)級(jí)別定義,以區(qū)分不同畫面類的層次;

4)所有畫面類都存在子類或者父類,或者二者都有,子類必須實(shí)現(xiàn)父類所規(guī)定的虛函數(shù),但擁有其獨(dú)立的與其本身相關(guān)的函數(shù)與成員變量等規(guī)則。

基于以上原則很好地保證了畫面類的可擴(kuò)展性和設(shè)計(jì)更改獨(dú)立性,在具體開發(fā)中，如果需要添加新的顯示畫面,則只需要根據(jù)需要顯示的畫面的級(jí)別,繼承相應(yīng)的父類并實(shí)現(xiàn)繪制函數(shù)等父類規(guī)定的必須實(shí)現(xiàn)的虛函數(shù)即可。對(duì)于設(shè)計(jì)更改,由于畫面類的控制處理和繪制等功能處理是分開的,因此，也只需要在其對(duì)應(yīng)的基類或者子類中進(jìn)行修改即可,而不會(huì)影響其他的畫面類的顯示等功能。

采用基于組件化的設(shè)計(jì)方法可以在很大程度上提升了畫面類的標(biāo)準(zhǔn)化程度及可重用性。具體做法是對(duì)于可以多系統(tǒng)共用的公共畫面及子畫面,將其獨(dú)立出來,設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)組件。新的系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)的其他模塊通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口直接使用該組件,然后，在此基礎(chǔ)上疊加形成新的功能及畫面。

3 結(jié)束語

本文通過深入研究分析綜合顯示系統(tǒng)與戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練飛行模擬器其他系統(tǒng)的交互關(guān)系、系統(tǒng)運(yùn)行流程,并對(duì)系統(tǒng)性能高效控制策略、系統(tǒng)仿真架構(gòu)的可移植性、畫面類的面向?qū)ο蠼M件化設(shè)計(jì)等技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān),最終實(shí)現(xiàn)了一種較為通用的系統(tǒng)仿真架構(gòu)，成功研制多型戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練飛行模擬器。其中，綜合顯示系統(tǒng)高效穩(wěn)定、功能完善、操作方便。以戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練飛行模擬器為仿真終端,依托航空兵分隊(duì)級(jí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng),順利開展了大規(guī)模常態(tài)化戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練,取得良好效果。今后,該仿真框架也將用于更多后繼研制任務(wù)中,發(fā)揮更大的作用與效益。