基于HLA的分布式飞行指挥仿真系统设计

2014-01-01张军良

无线电工程 2014年4期

张军良

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

飞行指挥专业性强，装备功能强大、操作复杂、技术含量高，在实验室内建立飞行指挥仿真系统，对整个飞行指挥进程进行模拟，不仅可很好地再现实际飞行指挥过程，节约人力、物力和财力，而且为作战训练、战法研究、武器装备发展规划及论证提供一个演练论证平台，对信息系统优化研究和提高技术指挥水平具有重要意义。

构建飞行指挥仿真环境，传统集中式、分布式的仿真由于在交互性、扩展性和重用性能力不足，已不适应大型、复杂系统的仿真构建需求;HLA可将分布在不同位置的子系统连接起来，构成时空一致的仿真环境，具有良好互操作性、可重用性、可扩充性，在复杂系统仿真领域得到广泛应用［1－6］。

1 高级体系结构

1995年，美国国防部在建模与仿真主计划(MSMP)中提出高层体系结构(HLA)，作为未来建模/仿真的共同技术框架，其核心是互操作和重用，并通过运行支撑环境(Run-time Infrastructure，RTI)，提供通用、相对独立的支撑服务程序，将仿真应用和底层支撑环境分离，使分布在不同位置的子系统连接起来，构成时空一致的仿真环境。HLA体系结构体现系统自治，各仿真应用均为独立对象，保证仿真运行阶段中各仿真应用能够方便相互协调运行。

HLA为复杂系统建模和仿真提供了公共技术支撑框架，其中联邦(Federation)是一个重要概念，将用于达到某一特定仿真目的的分布式仿真系统称为联邦，由若干相互作用的联邦成员组成。HLA主要由HLA规则、HLA接口规范和HLA对象模板(Object Model Template，OMT)3部分组成。其中，HLA规则定义了在联邦设计阶段必须遵循的基本准则;HLA接口规范定义了在仿真系统运行过程中支持联邦成员间互操作的标准服务;HLA对象模板定义了一套描述HLA对象模型的部件，该3部分有机结合共同构成HLA仿真体系结构。通过RTI提供的通用、相互独立的支撑服务，支持不同仿真应用间的互操作和仿真部件的重用，成员之间的数据交换通过RTI实现。HLA标准组成结构如图1所示［7］。

图1 HLA标准组成结构

2 飞行指挥仿真系统需求设想

依托以太局域网，采用面向服务网络架构［8］和软件集成中间件技术［9］在通用支撑平台基础上，构建飞行指挥信息系统仿真环境，包括飞行平台模拟器、地面指挥所、空中指挥所、友邻指挥所、模拟蓝方、仿真导调、仿真态势综显和仿真评估等仿真要素，涵盖指挥、领航、空管、情报、通信和导航等主要业务功能，展现受领作战任务、战场情况综合、作战方案拟制、作战行动推演、对空引导、指控交接、作战协同和火力突击等指挥流程，提供仿真导调、网络研讨、仿真推演和效果评估等手段，通过虚拟战场、状态监控、信息可视化显示等手段展现各类信息。飞行指挥仿真系统组成结构如图2所示。

图2 飞行指挥仿真系统组成结构

3 基于HLA飞行指挥仿真系统设计

3．1 联邦及仿真引擎体系结构设计

飞行指挥仿真系统为武器平台与指挥平台相结合的仿真系统，涉及对象多，仿真实体模型复杂，仿真实时性强，需要解决仿真时间同步、模型组合协调、人机接口良好、仿真策略灵活、仿真实时统计分析和仿真过程动态可视等问题，需要有统一的管理结构协调各仿真系统的交互运行，同时各子系统内部有统一的体系结构，而HLA互操作性和可重用性优点，可很好满足该系统结构设计，并能适应系统扩展互联要求。

根据HLA体系结构思想，飞行指挥信息系统仿真作为一个联邦，主要包括飞行平台模拟器、地面指挥所、空中指挥所、友邻指挥所、模拟蓝方、仿真导调、仿真态势综显和仿真评估等联邦成员。联邦成员通过局域网互联，采用RTI作为其运行支撑环境，RTI中Lib RTI库封装到每个联邦成员中，使每个联邦成员与其他成员信息交互通过HLA接口函数实现。联邦成员的功能如下:

①仿真导调联邦成员。任务想定、仿真脚本和模拟数据等制作，通过指令、话音更改战场态势，控制仿真推演进程。

②仿真态势综显联邦成员。具有二维、三维战场态势显示能力，能够模拟编队飞行，接收响应地面指挥所、空中指挥所等仿真系统发送的引导指令，实时生成平台参数、系统状态和监视目标等消息，并向模拟指控单元下发。

③仿真训练评估联邦成员。实时采集仿真业务操作数据，可现场随机点评及事后总结、分析。

④飞行平台模拟联邦成员。完成飞行平台航电任务设备模拟数据采集、显示和处理，接收响应地面指挥所、空中指挥所等仿真系统发送的引导指令，生成平台参数、系统状态和监视目标等消息，并向模拟指控单元下发。

⑤地面指挥所仿真联邦成员。包括指挥、领航、协调、情报和通信等指挥保障业务，完成受领任务、战场情况分析、作战计划拟制、网络研讨和作战行动推演等功能，可对飞行平台模拟系统进行指挥引导，与空中指挥所、友邻指挥所仿真系统进行信息共享与指挥协同。

⑥空中指挥所仿真联邦成员。包括雷达监视、指挥、情报和引导等业务功能，能够完成受领作战指令、战场态势监视、飞行指挥和指挥协同等模拟功能。

⑦友邻指挥所仿真联邦成员。模拟生成协同计划、共享态势和协同指令等信息。

⑧模拟蓝方联邦成员。模拟蓝方部队、阵地部署及目标机动等己方态势，并根据态势演进，实时对战场态势进行更新。

⑨仿真引擎联邦成员。基于HLA的分布式交互仿真控制与管理部分是仿真引擎，由仿真调度器、仿真控制器组成，是一个特殊的公共仿真联邦成员，其主要任务是读取想定数据、解释行动方案、在RTI服务支持下驱动其他联邦成员的实体仿真运行。

飞行指挥仿真引擎体系结构如图3所示。

图3 飞行指挥仿真引擎体系结构

3．2 FOM/SOM 表设计

在确定联邦成员后，接着要考虑对象类和交互类设计，并确定发布/订购关系。联邦对象模型FOM表描述联邦执行中各联邦成员间进行交互的全部共享信息，是各联邦成员发布的对象类和交互类信息的集合，直接体现HLA仿真对象的互操作性和可重用性。成员对象模型SOM是单一联邦成员的对象模型，其描述单个联邦成员对联邦其他联邦成员的需求及向其他联邦成员提供信息的能力。面向对象的分析与设计方法为各联邦成员建立对象模型提供理想的技术方法［10－12］。FOM/SOM 是联邦进行交互的基础。各联邦成员可通过发布和订购所确定好的FOM/SOM，以获得联邦所需的信息。

在HLA中，对象类是指参与联邦交互的对象实例所属的类，交互类是指对象实例交互时交互实例所属的类，各联邦成员可通过发布和订购所确定好的对象类和交互类，获得该联邦所需的数据信息，同时将其他联邦感兴趣的信息发送出去。通过对各对象类属性值的公布/订购、更新/反射，实现各联邦成员更新状态，控制执行完成相应操作，并反映在操作界面上。采用建模工具OMDT生成SOM各类表格，进而形成联邦执行所需的FED文件，主要包括对象类和交互类设计。系统仿真设计主要的对象类、交互类、对象类的公布和订购关系分别如表1、表2和表3所示。

表1 对象类表

表2 交互类表

表3 对象类的公布订购关系

3．3 时间管理方式

在基于HLA仿真系统开发中，时间管理主要包括时间推进机制和消息传递机制，均与联邦成员的时间管理策略相关。在飞行指挥仿真推演过程中，各联邦成员的时间管理策略设为既“时间控制”、又“时间受限”，联邦成员既影响其他联邦成员的时间推进，而本身时间推进又受其他联邦成员的影响，推进驱动方式采用时间/事件推动。

3．4 联邦运行流程

联邦由仿真导调系统创建，各联邦成员加入后，由仿真导调系统启动。在仿真想定基础上，创建加入联邦，通过初始化对象数据及确定对象间的声明订购关系，设定时间推进策略，在达到仿真同步时，仿真推进，更新数据，存储仿真结果，反复推进，直至仿真结束，退出联邦。联邦运行流程如图 4所示［4］。

图4 联邦运行流程

联邦成员通过调用 RTI的标准服务 RTIAmbassador完成加入联邦执行、设置时间管理方式、发布/订购对象类/交互类等工作;同时RTI通过回调函数Federate-Ambassador将订购的对象类属性及交互类参数传给指控仿真单元。

4 结束语

针对飞行指挥系统仿真问题，给出了基于HLA仿真体系结构，合理设计了联邦，规范了联邦成员框架结构，根据其功能进行模块化设计，使其具有HLA赋予的组件重用和扩展能力，缩短开发周期，提高系统的可重用性和可扩展性。该仿真系统为装备培训、战法研究、武器装备发展规划及论证提供一个演练论证平台，为大型仿真系统开发、扩展、重组提供了有效解决途径［13－14］。

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