集群航彈協(xié)同飛行模擬器的進程級分布式設(shè)計方法

米長偉 吳旭 車灃竺 羅廣地

引用格式：米長偉，吳旭，車灃竺，等.集群航彈協(xié)同飛行模擬器的進程級分布式設(shè)計方法［J］.航空兵器，2023，30（1）：64-68.

MiChangwei，WuXu，CheFengzhu，etal.Process-LevelDistributedDesignMethodforClusteredAviationBombCollaborativeFlightSi-mulator［J］.AeroWeaponry，2023，30（1）：64-68.（inChinese）

摘要：針對長航時協(xié)同航彈戰(zhàn)訓(xùn)使用的協(xié)同飛行模擬器小型化、便攜使用的需求，在借鑒傳統(tǒng)模擬器和仿真系統(tǒng)優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，本文提出軟件化的分布式實時柔性系統(tǒng)設(shè)計理念，通過RTX實時擴展操作系統(tǒng)實現(xiàn)RTNet對彈載1553B總線多路BC協(xié)同的模擬?；趦杉墐?nèi)存管理的進程拷貝技術(shù)，將硬件完成的系統(tǒng)級功能模塊抽象為內(nèi)存顆粒和軟件進程，通過進程拷貝實現(xiàn)系統(tǒng)的分布式柔性設(shè)計，同時結(jié)合樣條插值實現(xiàn)飛行航跡發(fā)生器、分布式進程級圖像數(shù)據(jù)介入，能夠更為逼真地復(fù)現(xiàn)飛行場景。在模擬器的多機協(xié)同試驗測試中，系統(tǒng)功能性能均得到有效驗證。

關(guān)鍵詞：分布式;協(xié)同;戰(zhàn)訓(xùn);模擬器;1553B總線;進程拷貝;航彈

中圖分類號：TJ760

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5048（2023）01-0064-05

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0132

0引言

協(xié)同攻擊武器基于“集群”作戰(zhàn)思想，以空間分布的低成本單一功能載荷集中建立功能優(yōu)勢，該集群作戰(zhàn)形式是未來空戰(zhàn)的一個關(guān)鍵領(lǐng)域［1-3］。隨著各軍種關(guān)于協(xié)同攻擊武器的發(fā)展，協(xié)同功能測試、勤務(wù)訓(xùn)練所需的集群協(xié)同飛行模擬器也提上日程［4-7］。

集群航彈協(xié)同飛行模擬器主要有兩種設(shè)計模式。第一類為實驗室模擬測試，可構(gòu)建齊備的大型仿真測試系統(tǒng)。李景和商旭升等針對艦載機設(shè)計的多級協(xié)同飛行模擬器，提供了高度逼真的模擬飛行實驗環(huán)境，能配合完成戰(zhàn)術(shù)級和戰(zhàn)役級的作戰(zhàn)演練［6，8］，但系統(tǒng)龐大復(fù)雜，不適用于小型化、分布式、大集群的區(qū)域封控武器系統(tǒng)。周建平等設(shè)計了分布式架構(gòu)的飛行器集群協(xié)同仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)以仿真計算機作為功能節(jié)點，共同模擬協(xié)同偵察、打擊等作戰(zhàn)任務(wù)，實現(xiàn)仿真測試及作戰(zhàn)任務(wù)推演，但該系統(tǒng)僅適用于實驗室場景，且系統(tǒng)主要內(nèi)容均采用數(shù)學(xué)仿真模型，缺乏對實際系統(tǒng)的深度測試［9-10］。

第二類為采用嵌入式彈載任務(wù)計算機構(gòu)建的小型化模擬系統(tǒng)。此類系統(tǒng)擴展性好，存在的問題是節(jié)點數(shù)增多，彈載任務(wù)計算機的數(shù)量及軟件維護成本增加。

綜上，相比于文獻［6，8，10］構(gòu)建的協(xié)同飛行器節(jié)點與計算機節(jié)點數(shù)目一一對應(yīng)的硬節(jié)點式大型協(xié)同仿真系統(tǒng)，本文提出了一種低成本軟件虛擬節(jié)點的集群航彈協(xié)同飛行模擬器。基于軟件定義功能的設(shè)計理念，該系統(tǒng)將冗余的硬件功能內(nèi)聚并軟件化，將復(fù)雜的計算機集群精簡為運行多進程任務(wù)軟件的多顯示終端控制中心。該控制中心基于多核處理器，提高了系統(tǒng)硬件利用率和集成度。此外，相比原有的數(shù)學(xué)仿真和半實物仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采用內(nèi)聚的多級總線調(diào)度，實現(xiàn)了產(chǎn)品實物如數(shù)據(jù)鏈、協(xié)同航跡規(guī)劃、載荷探測終端（圖像處理單元）等的介入。

1基于RTX的分布式協(xié)同飛行模擬器

模擬器功能包括：參數(shù)配置、虛擬多總線模擬、開放式總線接口、多機協(xié)同飛行參數(shù)模擬、協(xié)同態(tài)勢顯示、總控、空地通訊、偵察圖像模擬、數(shù)據(jù)記錄。該實時模擬器擴展RTX實時操作系統(tǒng)，時鐘分辨率可達100ns，定時器設(shè)計為最低0.1ms，本系統(tǒng)配置為1ms［6-7］。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，由多屏顯示工業(yè)控制計算機和多任務(wù)信號管理系統(tǒng)組成，通過開放式接口介入分布式功能載荷和任務(wù)終端（包括協(xié)同控制終端、載荷探測終端等），完成協(xié)同飛行模擬。其中模擬的彈載GJB289A總線實現(xiàn)

了協(xié)同控制、載荷探測等終端的介入，使得模擬器可完成協(xié)同航跡、目標識別等功能的測試。

1.1軟件化的分布式柔性系統(tǒng)設(shè)計

節(jié)點分布：模擬測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈終端、圖像采集系統(tǒng)、協(xié)同任務(wù)站等節(jié)點在物理空間上散布。

功能分布：將飛行模擬、態(tài)勢顯示、偵察圖像反演、通信管理等功能分散，將計算機功能節(jié)點抽象為軟件進程。

軟件分布：綜合調(diào)度及控制軟件；進程級子節(jié)點控制軟件；態(tài)勢軟件。

系統(tǒng)設(shè)計兩級總線架構(gòu)（見圖2）：第一層為多顯示終端控制中心，通過實時以太網(wǎng)擴展出集群彈藥任務(wù)節(jié)點。借助RTXRTNet模擬彈載任務(wù)計算機實現(xiàn)BC總線控制器。第二層模擬BC（總線控制器）與多個RT終端構(gòu)成的彈內(nèi)總線，彈載RT終端包括數(shù)據(jù)鏈終端、協(xié)同控制終端、載荷終端等。

（1）集群任務(wù)節(jié)點彈載任務(wù)計算硬件功能軟件化

以軟件線程來模擬彈載任務(wù)計算機的開放式總線架構(gòu)。線程數(shù)量nThd與RTNet網(wǎng)絡(luò)控制器nNet的關(guān)系為nThd=127nNet。

（2）RTNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類型選擇

彈載任務(wù)計算機作為BC（總線控制器），驅(qū)動多型總線消息的接收和發(fā)送，包括：BC到RT的數(shù)據(jù)發(fā)送消息、查詢矢量字消息、RT到BC的發(fā)送消息、廣播消息等。BC端作為總線消息控制終端，需建立BC與RT的握手及消息收發(fā)鏈接，因此相比于UDP協(xié)議，模擬器的RTNet網(wǎng)絡(luò)選擇TCP/IP協(xié)議更為合適。

（3）線程競爭問題的解決

多線程RTNet存在消息等待、進程間交叉耦合，針對該問題，借鑒TDMA技術(shù)，在精度0.1ms的時間片內(nèi)，插入nNet的消息負載。為了及時交出網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)，同時加入了線程鎖和消息強制退出控制機制。

1.2基于兩級內(nèi)存管理的進程拷貝技術(shù)

將硬件功能抽象為軟件進程，并由調(diào)度中心根據(jù)進程配置表實現(xiàn)進程拷貝和進程啟動。

分布式兩級內(nèi)存管理（DDMC），實現(xiàn)內(nèi)存的細粒度管理，將內(nèi)聚的功能節(jié)點軟件進程由進程軟件和內(nèi)存空間構(gòu)成。頂層級的內(nèi)存由調(diào)度區(qū)、VMIC區(qū)、集中控制區(qū)、一級總線區(qū)、二級總線區(qū)、實時通信區(qū)、集群節(jié)點區(qū)（255個）組成。終端層的內(nèi)存進一步細分為飛行模擬區(qū)、態(tài)勢顯示區(qū)、飛行參數(shù)配置區(qū)等。多核實時網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的細粒度刻畫，將多顯示終端控制中心的8個CPU核劃分為非實時和實時兩部分，將功能相近的軟件進程節(jié)點分配給不同的CPU核。

借助DDMC技術(shù)，實現(xiàn)軟件進程內(nèi)存空間分布式管理，進而通過進程拷貝技術(shù)實現(xiàn)模擬器節(jié)點的輕量化快速部署。

1.3結(jié)合樣條插值實現(xiàn)的飛行航跡發(fā)生器

由于需要解決速度矢量和目標航跡點夾角大于90°，甚至接近180°時，航彈無法直接完成大機動的問題，本文設(shè)計了利用樣條實現(xiàn)平滑過渡的飛行航跡發(fā)生器［11］。

樣條曲線可以由三次多項式構(gòu)造。將三次多項式構(gòu)造成在xj和xj+1處為零，就不會破壞在終點xj和xj+1處與列表函數(shù)值yj和yj+1的一致性，即

y=Ayj+Byj+1+Cy″j+Dy″j+1（1）

式中：A，B，C，D為待解多項式系數(shù)。

設(shè)a=1－t/T，b=t/T，其中T表示步長，T=xj+1－xj，t與Hn有關(guān)，故在［0，1］上得到

y=a·y（1）+b·y（2）+［（a3－a）·y″（1）+

（b3－b）·y″（2）］T2/6（2）

令y（1）=y0，y（2）=y1，y″（1）=y″0，y″（2）=y″1，y=yx，將其代入式（2）中，進一步展開得

yx=T2/6·（y″0－y″1）·a3+T2/6·y″1·a2－

T2/6·（2y″1+y″0）·a－（y1－y0）·a+y1（3）

將式（3）的左右兩端相減得到

a3+3y″1/（y″0－y″1）·a2+［6/T2（y1－y0）－

2y″1－y″0］/（y″0－y″1）·a+6/T2·y1/（y″0－y″1）－6/T2·yx/（y″0－y″1）=0（4）

式（4）可以改寫為標準一元三次方程：

a3+k2·a2+k1·a+k0+b=0（5）

通常一元三次方程的表達式為a·x3+b·x2+c·x+d=0，令a=y－k2/3，其中y為定義的變量，而上面的y為x的函數(shù)。因此將式（5）轉(zhuǎn)化成標準方程y3+p·y+q=0。

求解一元三次方程，求根判別式Δ>0時，唯一實根為

y=－q2+Δ13+－q2－Δ13（6）

求根判別式Δ≤0時，三個實根為

y1=2r13·cosθ

y2=－2r13·sinθ+π6

y3=2r13·sinθ－π6（7）

式中：r=－p33；θ=13arccos－q2r。

因方程的根要滿足在區(qū)間［0，1］上單調(diào)遞減，且距離ak最近，故可得到一個實根。因此，式（5）變?yōu)?/p>

z=（a3+k2·a2+k1·a+kb·z1）/kb（8）

式（8）對a的一階導(dǎo)數(shù)為

z′=（3a2+2k2·a+k1）/kb（9）

a對t的一階導(dǎo)數(shù)為a′=－1/T，進而可得

z′t=（3a2+2k2·a+k1）/（－T·kb）（10）

由式（10）的速度函數(shù)，可得速度和軌跡的映射關(guān)系：

Vz=z′（11）

對于航彈而言，載體的前向速度在發(fā)動機推力近似平穩(wěn)和風(fēng)場近似平穩(wěn)的條件下，前向速度不做規(guī)劃。最后，根據(jù)式（8）和（11）的側(cè)向位置和速度約束完成對飛行航跡的約束，航跡追蹤采用速度作為反饋項的簡易循跡控制。

樣條軌跡發(fā)生器的測試曲線如圖3所示。為提高測試系統(tǒng)的容差能力，以及更為接近真實導(dǎo)航數(shù)據(jù)，本文設(shè)計了均勻分布和高斯分布相結(jié)合的定位誤差模型，誤差呈現(xiàn)慢周期的游走特性，如圖4所示。

1.4分布式進程級圖像數(shù)據(jù)介入

圖像制導(dǎo)柔性仿真系統(tǒng)通過構(gòu)建仿真沙盤，設(shè)計了相機伺服系統(tǒng)和實時圖像采集系統(tǒng)［10］。為了提高仿真的真實性，系統(tǒng)針對偵察圖像模擬需求，設(shè)計數(shù)據(jù)回放形式和實時圖像采集傳輸兩種模式。其中實時圖像采集傳輸模式，利用無人機實時采集圖像并回傳至模擬器，然后完成圖形加工和數(shù)據(jù)分發(fā)。數(shù)據(jù)回放模式由航跡模擬器解算得到彈目相對距離，進而通過在圖像序列中查找到指定圖像，然后進行圖形加工和數(shù)據(jù)分發(fā)。

巡飛偵察目標成像會發(fā)生相面旋轉(zhuǎn)、平移、尺度的變換，甚至出現(xiàn)模糊化。目前模擬器暫不考慮仿射變換［12-15］。

在圖像中加入圖像尺度變換，其中δλ為加入的尺度變換噪聲，λ為尺度因子，由實際的機目距離與成像時刻的機目距離計算可得，λ=dRT/dTgt。

uv1=λ+δλ000λ+δλ0001xy1（12）

同時，在圖像中增加旋轉(zhuǎn)，則有

uv1=cosθ－sinθ0sinθcosθ0001xy1（13）

將圖像噪聲分為兩類：隨機噪聲和固定圖案噪聲。其中隨機噪聲模擬部分由高斯噪聲和泊松噪聲實現(xiàn)；固定圖案噪聲由乘性噪聲和椒鹽噪聲實現(xiàn)。

前端光電轉(zhuǎn)換的入射光子噪聲VPh和信號讀出電路中的彈散噪聲Vsh等可以映射為泊松噪聲，其概率分布密度為

P（x=m）=λme－λm?。?4）

式中：m=0，1，2，…，λ。

探測器噪聲中的熱噪聲、溫度噪聲、AD量化噪聲、輸出噪聲等混疊后，由于其幅值符合高斯分布，因此可以建立此類噪聲的高斯白噪聲模型，即

P（x）=e－（x－μ）2/（2σ2）/2πσ（15）

式中：x為成像噪聲灰度值；μ為期望；σ為方差。

此外，比利時學(xué)者認為盲元在圖像中的表現(xiàn)類似圖像椒鹽噪聲，因此本文將凝視成像中的盲元映射為椒鹽噪聲。

在目標偵察的圖像序列中加入噪聲后，進一步增加了模擬器仿真測試的真實性，如圖5所示。

2試驗驗證

針對集群航彈飛行場景，模擬器目前完成了八機協(xié)同飛行模擬測試。任務(wù)遂行假定在某試驗場，載荷類型由光電、雷達、干擾等構(gòu)成，飛行速度為100m/s，位置誤差為10m，仿真步長為1ms。仿真測試界面如圖6～7所示，給出了八機協(xié)同飛行試驗的彈型配比、各航彈的飛行狀態(tài)。作為態(tài)勢重要組成的多彈協(xié)同飛行航跡如圖8所示。為提高仿真的真實性，在飛行軌跡中增加了樣條航跡追蹤部分，從起飛到協(xié)同航跡規(guī)劃終端交接（樣條追蹤段1）以及航跡偏離后切入安全航路（樣條追蹤段2），執(zhí)行的是與真實飛行過程一致的樣條航跡。

由測試結(jié)果可知，在8節(jié)點的集群飛行測試過程中，實現(xiàn)了飛行模擬測試、指令交互、圖像數(shù)據(jù)更新，完成了多機協(xié)同飛行模擬功能。

3結(jié)論

針對集群航彈戰(zhàn)訓(xùn)需求的協(xié)同飛行模擬器，本文提出軟件化的分布式實時柔性系統(tǒng)設(shè)計理念，基于兩級內(nèi)存管理的進程拷貝技術(shù)，將硬件完成的系統(tǒng)級功能模塊，抽象為內(nèi)存顆粒和軟件進程，同時提出結(jié)合樣條插值實現(xiàn)飛行航跡發(fā)生器、分布式進程級圖像數(shù)據(jù)介入，能夠更為逼真地復(fù)現(xiàn)飛行場景。

立足提升系統(tǒng)實訓(xùn)意義，可進一步豐富協(xié)同控制終端模擬功能，如加入實際的風(fēng)場模型以及擴展SAR圖信息等。

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Process-LevelDistributedDesignMethodforClustered

AviationBomb

CollaborativeFlightSimulator

MiChangwei，WuXu*，CheFengzhu，LuoGuangdi

（AviaticAmmunitionInstituteCo.，LTDofChinaNorthIndustriesGroupCorporationLimited，Harbin150036，China）

Abstract：Aimingattheminiaturizationandportabilityrequirementsofthecollaborativeflightsimulatorusedinlong-endurancecollaborativeaerialbombardmenttraining，thedesignconceptofsoftware-baseddistributedreal-timeflexiblesystemisproposedbasedontheadvantagesanddisadvantagesoftraditionalsimulatorsandsimulationsystems.Thebomb-borne1553BbusissimulatedwithcompletionofRTNetbyRTXreal-timeoperatingsystem.Basedontheprocesscopytechnologyfortwo-levelmemorymanagement，thesystem-levelfunctionalmodulescompletedbyhardwareisabstractedtomemoryparticlesandsoftwareprocessestorealizethedistributedflexibledesignofthissystem.Meanwhile，theflighttrackgeneratorrealizedbythesplineinterpolationandthedatainterventionofdistributedprocess-levelimageareproposedtobeabletoreproducetheflightscenemorerealistically.Finally，thefunctionalityandperfor-manceofthesimulatorhavebeeneffectivelyverifiedinthemulti-levelcollaborativetest.

Keywords：distributed;collaboration;combattraining;simulator;1553Bbus;processcopy;aviationbomb

收稿日期：2022-06-14

基金項目：總裝預(yù)研項目（100038）

作者簡介：米長偉（1975-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，研究員。

*通信作者：吳旭（1986-），男，河南南陽人，博士，工程師。