基于XML的机载航电系统仿真模型结构化描述
2020-05-22王志乐董军宇孙忠云
王志乐，董军宇，孙忠云
(1.海军航空大学青岛校区 军用虚拟仿真研究与训练中心，山东 青岛 266041；2.中国海洋大学 计算机科学与技术系，山东 青岛 266000)
0 引 言
现代飞机航电系统已经由原先的分立式、联合式变为现在的集成模块化、分布式[1]，由于先进的电子信息技术在航电系统上的应用，使得航电系统功能越来越强大，系统之间的通信数据量成倍增长，交联越来越复杂，涵盖了飞控、显控、雷达、导航、通信、火控等子系统[2]，该系统也成为现代先进飞机的核心系统。在航电系统仿真的设计、建模、使用过程中，对系统仿真模型缺乏统一的标准，系统仿真模型的开发还处在比较低的层次。主要表现在：(1)仿真模型建立的过程、仿真粒度、实现方法没有统一的标准，系统集成缺乏优化算法；(2)仿真模型接口不规范，对模型接口数据的优化不足，无法形成工业化的仿真产品，模型缺乏重用性，无法根据任务需求进行二次开发。因此，在模拟系统开发过程中需要重点研究航电系统仿真模型抽象描述技术和接口技术。
文中提出了以任务需求为驱动数据，基于XML技术[3-5]设计了想定任务-飞机-机载装备三层描述关系，分别给出了想定任务组成及描述结构，机载航电系统的组成及描述结构，形成了任务和系统仿真的结构化描述方法、存储方法，并在此基础上形成规范的想定数据结构，为系统建模提供重要的技术基础。
1 XML数据模型
XML文件结构主要表现为语义节点间的相互嵌套关系[6]。XML文件的数据内容通常被抽象为XML标签有向树模型[7]，可以将该模型定义为T=(V,E,R,L),其中T表示标签有向树模型，V表示有向树中所有节点的集合，E表示有向树模型中所有关联节点之间边的集合，R表示有向树的根节点，L表示有向树中所有节点所带标签的集合。
根据上述定义的XML数据模型和表示方法，可以将XML文件描述的数据节点之间的关系分为三种情况，而且这三种情况与XML有向树模型的节点关系是对应的。假设T、V、E、R、L存在下列集合表达式。
T={T1,T2,T3,…},V1={V11,V12,V13,…},
V2={V21,V22,V23,…}
其中,V1∈T1,V2∈T2。
则可以将T1,T2两个XML数据模型的节点集合V1,V2所包含的节点通过关系示意图表示出来，如图1所示，这样可以更好地说明有向树所包含节点之间的结构关系。
(a)节点紧包含结构 (b)节点包含结构
图1 XML文件节点之间关系示意图
例如在图1(a)中节点V11与节点V12之间的结构关系为紧包含关系，且节点V11的层级比节点V12高，因此V11与V12之间构成了父子关系，V11称为父节点，V12称为子节点。节点V11与节点V13属于相同层级，因此构成的结构关系为兄弟关系，V11与V13是兄弟节点。在图1(b)中，节点V21与节点V23之间的结构关系为包含关系，且节点V21的层级比节点V23高一级以上，则节点V21与节点V23构成了祖先-后代关系，V21为祖先节点，V23为后代节点。
2 想定任务抽象描述
飞机模拟训练系统的开发都是依据想定任务需求，设计相关的机载仿真模型，各系统的仿真模型可以根据系统的重要性和关键程度设计仿真的粒度。另外模拟训练是在一定的自然环境中进行的，因此在进行任务想定设计过程中，需要考虑环境因素对仿真模型逼真度的影响。想定任务的组成要素包括了飞机实体、自然环境、从任务想定角度来分析，需要描述统一的实体数据模型和自然环境资源，以及系统环境及任务属性等辅助特性。按层次化描述体系，首先描述想定任务，下面以最具代表性的战术飞行仿真训练系统中的实体资源和环境资源为例，介绍基于XML的仿真系统中任务想定的结构化描述。
2.1 仿真资源描述
战术飞行仿真训练系统的总体任务定位是进行基本的战术程序训练，通过综合航电/武器系统的使用进行单机对抗科目的近距空中格斗、中远距拦截；对地(海)面进行轰炸和战术打击，因此想定任务包括至少2型飞机实体，及与飞行、航电武器有关的实体资源、自然环境。根据XML的数据模型描述机载航电系统仿真模型结构过程中存在多个有向树模型。
T={Tm,Tf1,Tf2,Tw}
其中，Tm表示任务想定描述的节点集合；Tf1表示飞机实体1描述的节点集合；Tf2表示飞机实体2描述的节点集合；Tw表示武器实体描述的节点集合，文中以某型导弹实体的描述为例。
2.2 想定任务结构化描述
想定任务主要描述任务的属性、系统参数、机场信息、实体属性及初始信息。可以用形式化表示语言[8-9]描述为：
Mission::<
<任务属性<任务ID>,<任务类型>,<任务名称>,<创建者>,<创建时间>>,
<系统参数<开始时间>,<结束时间>,<步长时间>,
<地形参数<地形ID>,<地形名称>,<纹理类型>,
<数据时间>,<版本>>,
<网络参数<服务器IP>,<当前实体ID>,
<客户IP>,<端口号>,<实体ID>,
<在线>,
<气象参数<天气类型>,<等级>,<能见度>,<日期时间>,
<风<风速>,<风向>>,<云<类型>,<高度>,
<厚度>,<等级>>,<红外辐射等级>,
<电磁辐射等级>>，
<机场参数
<跑道<跑道长度>,<跑道航向>>,
<决策高度
<仿真实体<实体ID>,<类别>,<类型>,<名称>,
<等级>,<国家>,<红蓝方>,
<实体描述<文件路径>>,
<基本参数<经度>,<纬度>,<高度>,
<速度>,<航向>,<状态>>>
>
XML语言结构具有一定的约束性，在描述对象时需要遵循一定的语法格式和嵌套规则[10]，因此XML主要关注的是数据的内容和数据之间的结构关系。利用XML数据模型可以将想定任务结构化语言描述方式转化成有向树，例如图2是想定任务总体有向树结构，图3是气象参数有向树结构，图4是仿真实体数据有向树结构。因此想定任务也就是XML数据模型的树形表示方式，可以快速转化成XML文件进行存储，如图4所示。
图2 想定任务总体有向树结构
图3 气象参数有向树结构
图4 实体基本信息有向树
利用XML的结构化嵌套语言对Mission想定任务有向树结构进行描述，如图5所示，描述了Mission想定任务的属性、气象参数。
图5 XML描述想定任务
3 实体资源抽象描述
想定任务资源描述作为第一层级的数据模型，重点是描述的任务资源之间相互影响、彼此交互的基本信息，如系统参数、气象参数、机场参数以及实体的基本位置信息、姿态和速度的描述，并且定义了实体描述文件的路径。对实体内部系统的描述定义在第二层级的数据模型中实现，即机载航电结构化描述，在第三层级描述子实体，即导弹武器。
3.1 机载航电结构化描述
机载航电系统包括支持飞机完成飞行、作战等任务的所有与电子学相关的设备和系统[11]，对于现代作战飞机来说，航空电子系统需要完成导航功能、大气数据计算、人机接口、目标探测和跟踪、通信导航、任务解算等，对于运输机需要增加货物装载系统等[1]，因此机载航电系统的特点是系统多、数据交互多、交联关系复杂。机载航电系统仿真结构化语言模型描述为：
Entity::<
<配置信息<是否带座舱显示>,<是否使用专用模型>,
<是否使用专用接口>,<飞行控制类型>>,
<加载模型
<悬挂物<武器
<重量>,<描述文件路径>>,
<......>,
<武器
<重量>,<描述文件路径>>>,
<航炮<炮弹数量>>,
<飞行计划<起飞机场ID>,<航路点<航路点号>,
<经度>,<纬度>,<高度>,<切入航向>,
<切入距离>,<剩余时间>,<磁差>>,
<......>,
<航路点<航路点号>,<经度>,<......>>>,
<科目<数量>,<科目1<科目ID>,<类型>,<速度>,
<航向>,<高度>,<经度>,<纬度>>,
<......>,<科目4<科目ID>,<......>>>,
>
利用结构化嵌套语言对机载航电系统结构模型、属性特征进行了描述，在此基础上可以快速构建有向树，最后基于XML对机载航电系统进行树型嵌套结构的建模，存储后可以用于仿真软件、想定软件等的实验建模、应用开发。图6描述了某飞机实体的机载航电系统XML文件。
3.2 机载武器实体结构化描述
导弹武器是独立的飞行器，同时又作为飞机实体作战系统的一部分，由航电子系统中的外挂物系统进行交互管理，因此应当作为第三层级的实体进行建模描述，以某型导弹为例，其模型通过结构化描述语言表示为：
MISSILE::<
>
图6 某飞机实体的机载航电系统XML文件
该型导弹对应的XML描述文件如图7所示。
图7 导弹对应的XML描述文件
4 基于XML的数据访问
每个XML描述文件中定义了相应数据源的树形结构、节点标记、数据类型、模型路径、属性等信息。以描述的XML文件作为系统加载的初始化数据、模型配置数据、模型交互数据等，由于XML描述文件的数据受Schema约束的性质[12-14]，所以系统间要交互的信息按照XML Schema标准进行描述[15]，以此保证应用系统间交流的数据都具有标准的、统一的数据结构形式[16]。
4.1 XML交互功能设计
仿真应用系统通过XML文件完成数据的交互，主要是实现对XML文件的读取、节点操作、元素及属性更新等。建立CXmlParseSTL类对XML文件进行访问，在该类中完成所有的访问操作和数据处理，既方便航电各系统仿真模型的使用，也有利于仿真系统的集成交互。对XML文件的访问数据操作和修改数据操作的设计如表1和表2所示。
表1 XML访问数据操作
表2 XML修改数据操作
4.2 结构化航电数据模型的应用
航电仿真应用平台基于设计的XML数据文件采用配置项的模块化设计方法，每个模块是基于模型组件模板类进行开发，开发的模型组件形成模型资源库，因此设计的航电仿真应用平台资源库包括实体资源库和模型资源库。该平台基于XML描述的想定任务驱动文件调用相应的实体资源库及模板类，建立实体对象和实体容器列表，平台可以对实体进行实时管理，平台类架构如图8所示。
实体对象根据XML想定任务描述文件和机载航电系统描述文件在初始化方法中调用平台提供的模型组件或模型模板，快速地创建模型对象和模型容器列表，并可实时管理模型。
图8 基于XML数据模型的仿真平台架构
依据飞机实体与模型之间、各航电仿真模型之间的数据控制关系和收发传输关系，在仿真平台架构下快速地实现实体装配(即模型之间的集成)，就可以构建出某型飞机的仿真训练系统。通过平台可以实现系统的运行管理和实体(模型)的实时更新、调度、删除等。
5 结束语
以想定任务需求作为系统仿真的驱动数据，对仿真资源、想定任务和实体资源进行结构化描述，形成了三层结构化数据模型和系统仿真资源库调用接口，利用XML数据模型建立有向树结构，在此基础上利用XML结构化嵌套语言[17]对想定任务、仿真资源、实体资源进行了系统性的描述，形成了系统性接口文件，可以用于机载航电系统仿真模型平台的建设。最后，根据有向树结构的特点和XML语言的特点，以节点和元素为基本单元，给出了XML文件数据访问的操作函数定义，可以作为机载航电系统仿真模型建设平台的基本资源。该方法用于机载航电系统仿真平台的建设将很大程度上提高仿真模型资源的重用性和共享性，提高系统开发的效率和可靠性。
