舰艇嵌入式训练系统时空一致性研究

2023-02-11王永洁吴金平周佳玉邵作浩

兵器装备工程学报 2023年1期

王永洁，吴金平，周佳玉，邵作浩

(海军潜艇学院，山东青岛 266199)

1 引言

在舰艇实装中嵌入训练系统是舰艇作战仿真训练的重要手段，为了不改变舰艇作战系统已有的功能和性能，嵌入式训练系统与作战系统采用松耦合连接[1-2]。嵌入式训练系统与舰艇实装时空一致是开展舰艇仿真训练的必要条件。采用Windows+RTX是提高仿真系统实时性的常用方法[3-4]，文献[5]探讨了减少网络数据传输时延的方法，文献[6]分析了数据的时延补偿法和武器交火数据时延处理方法，文献[7]分析了影响仿真系统时空一致性的因素和解决框架，文献[8]研究了测试数据空间和时间一致性处理的数学方法。针对训练系统嵌入舰艇实装后与作战系统保持时空一致性的问题，分析了嵌入式训练系统与舰艇实装时空不一致的具体原因，提出了具体的解决方法，经过工程实践验证了本文所提方法的有效性。

2 舰艇嵌入式训练系统

2.1 舰艇嵌入式训练系统结构与功能

舰艇嵌入式训练系统由导演台、蓝方台和接口装置组成，并与舰艇作战系统和通信系统连接，结构如图1所示。

图1 舰艇嵌入式训练系统结构

导演台、蓝方台采用便携式计算机，接口装置内含工控机固定安装在舰艇上，各设备之间采用网线连接。导演台主要功能是生成仿真训练态势，把目标信息发送至舰艇作战系统和通信系统，驱动舰艇实装训练，获取作战系统的实时训练数据，进行作战过程仿真[9]。蓝方台主要功能是模拟蓝方兵力对抗行为，接收导演台的训练态势信息和红方兵力(本舰艇)信息，把蓝方兵力动态控制信息发送至导演台。接口装置是嵌入舰艇专用设备，有多个对外接口，接口装置1号线连接到作战系统交换机监听作战系统网络交互信息，对交互信息进行过滤后，把实时训练信息转发至导演台。接口装置2号线连接到作战系统传感器的模拟器，把导演台模拟生成的传感器目标信息发送至传感器显控台，接口装置3号线连接到通信系统交换机，把导演台模拟生成的数据链目标信息,经过通信系统发送至作战系统。

2.2 舰艇嵌入式训练系统工作流程

舰艇嵌入式训练系统工作流程如下：

1)导演台设定仿真训练内容，生成训练态势和虚拟目标信息。

2)训练开始后，导演台周期性连续向传感器发送传感器目标信息，定期向通信系统发送数据链目标信息。

3)舰艇作战系统接收到目标信息后，开展舰艇作战攻防行动，进行作战训练。

4)接口装置监听到作战系统内部交互信息后，过滤后转发至导演台。导演台根据作战系统导航参数，模拟本舰运动，根据作战系统武器发控参数，模拟鱼雷、导弹等武器作战过程。

5)蓝方台获取训练初始信息后，模拟蓝方兵力作战对抗行为，把蓝方兵力动态控制信息发送至导演台。

6)导演台进行舰艇作战过程仿真，并进行训练评估。

3 舰艇嵌入式训练系统时空不一致原因分析

舰艇嵌入式训练系统与舰艇实装时空不一致的主要原因是由于数据传输时间延迟，导致仿真实体空间位置不一致。根据舰艇嵌入式训练系统结构功能和信息流程，训练系统与舰艇实装时空不一致的主要原因包括以下几个方面。

3.1 时间基准不同

嵌入式训练系统是在已有的舰艇实装上加装，为了尽量减少对舰艇实装的影响，嵌入式训练系统并没有纳入到舰艇作战系统中，而是独立运行的系统。

舰艇作战系统根据天文时间向作战系统各分系统发布时间基准信息，从而实现舰艇作战系统的统一时间基准。嵌入式训练系统采用Windows操作系统，以计算机时间作为时间基准，2个系统的时间基准不同，造成时钟不同步，进而导致仿真实体空间位置不一致，影响到作战仿真精度。时间基准不同带来的主要影响体现在目标信息注入，舰艇作战系统获取目标信息存在滞后性。

3.2 网络数据传输固有时延

为了不影响舰艇作战系统内部信息交互，嵌入式训练系统采用专门的接口装置来监听舰艇作战系统内部交互的数据报文，因此，接口装置会监听到大量无用报文。

数据报文在舰艇实装和训练系统之间传输存在固有时延。网络报文传输总时延tz可以分为4个部分：

tz=tbc+txc+tjp+tjc

(1)

式(1)中：tbc为报文传输时延，即传输一个报文需要的时间；txc为信号传输时延；tjp为交换机排队时延；tjc为交换机处理报文时间，一般可以忽略。

tbc为报文传输时延，其大小为：

(2)

txc为信号传输时延，其大小为：

(3)

由于嵌入式训练系统与实装系统物理距离非常近，因此信号传输时延可以不计。

tjp是交换机排队时延，当流入交换机的通信量大于流出交换机的通信量时，会出现报文排队时延，多出的报文会在交换机缓冲区中排队[5]。

tjc是交换机处理报文时间，一般可以忽略。

通过以上分析，网络数据传输固有时延主要取决于传输报文的数量和大小，当实装作战系统出现大量报文时，接口装置监听处理报文会出现一定的时延。

3.3 Windows操作系统的非实时性

VXworks 操作系统是一种应用广泛的实时操作系统，广泛应用在航空、航天、军工、工业控制等领域[10]，但存在开发成本高、调试困难、硬件可移植性差等缺点，所以舰艇嵌入式训练系统中导演台和蓝方台均采用Windows操作系统。由于Windows操作系统不是一个实时操作系统，不能提供时间确定性，具有不确定的中断响应时间，因此windows系统的报文处理具有不可预测的执行时间，可能每次的处理时延都不一样。在训练系统仿真过程中，涉及到高速武器弹道仿真时，可能会出现武器运动位置偏差。

4 舰艇嵌入式训练系统时空一致解决方法

4.1 目标信息注入时间补偿

导演台通过接口装置向舰艇作战系统注入目标信息，是驱动舰艇实装作战训练的关键，由于目标注入数据时延的存在，舰艇作战系统获取目标信息存在滞后性。导演台通过接口装置监听，可以获取到作战系统发送的统一时间基准，建立异构系统节点时间补偿模型，确保训练系统与作战系统的时间基准一致。

导演台向舰艇传感器发送模拟传感器目标信息，需要通过专用接口装置、传感器模拟器发送至传感器显控台。由于传感器显控台与训练系统导演台需要采用统一时间基准，为了保持目标信息统一的时间基准，采取将目标时间信息向前预推的时间补偿机制。导演台的传感器目标信息时间补偿算法为：

Δts=Δtj+Δtm+Δtx

(4)

式(4)中:Δts为补偿时间;Δtj为导演台至接口装置数据传输时间;Δtm为接口装置至传感器模拟器数据传输时间;Δtx为传感器模拟器至传感器显控台数据传输时间。

导演台向舰艇通信系统发送模拟数据链目标信息,需要通过专用接口装置、通信系统交换机发送至通信系统显控台，导演台的数据链目标信息时间补偿算法为：

Δtt=Δtj+Δtw+Δtc

(5)

式(5)中:Δtt为补偿时间;Δtj为导演台至接口装置数据传输时间;Δtw为接口装置至通信系统交换机数据传输时间;Δtc为通信系统交换机至通信系统显控台数据传输时间。

通过测量获取各设备之间数据平均传输时延[11]，计算目标注入的信息时间补偿，进而分别计算预推时刻的传感器目标信息和数据链目标信息，确保舰艇作战系统目标注入信息时间统一。

4.2 武器命中目标的逻辑预判处理

导演台在作战仿真过程中需要模拟武器弹道，在获取舰艇作战系统的武器发控信息后，导演台模拟导弹、鱼雷等武器的飞行(航行)过程。舰艇作战系统是按照天文时间步长运行，嵌入式训练系统为了和舰艇实装保持时间一致，也按照天文时间步长推进仿真。对于高速武器而言，一个时间步长产生的距离可能大于目标舰艇的尺寸，会造成武器命中目标的位置误差过大，导致命中误判。比如，2倍音速反舰导弹1 s的飞行距离约为700 m[12]，而一般水面舰艇目标的长度不超过150 m，在仿真过程中，容易造成命中误判。这里通过逻辑预判的方法来处理，根据武器速度和导演台仿真时间步长t，实时动态推算武器的命中目标逻辑预判距离D为：

D=v×t

(6)

在武器飞行(航行)过程中，根据武器对目标的入射角度实时动态推算武器的命中点，计算武器与目标命中点的距离，当武器与目标命中点的距离小于等于命中目标逻辑预判距离D时，即判定武器命中目标。

4.3 训练系统接口装置报文过滤

嵌入式训练系统为了不影响舰艇实装原有的功能和性能，采用网络数据监听的方式获取作战系统交互报文，在监听到的网络报文中，有大量的无用报文和重复报文。由前文已知，网络数据传输固有时延主要取决于报文数量和大小，接口装置在监听到作战系统网络报文后，要对监听到的报文数据进行过滤，滤除对导演台训练仿真的无用报文和重复报文。

在以太网中，帧(数据包)作为组成数据的基本单位来进行数据交换，以太网帧格式见文献[13]。接口装置监听到作战系统数据包后，进行识别数据库查询，根据报文的目的IP地址和源IP地址进行第1次过滤，滤除与训练仿真不相关设备间的报文信息，然后根据报文信息标识进行第2次过滤，获取训练仿真需要的报文信息，并且对该报文信息进行标记，进而根据报文的目的IP地址、源IP地址和信息标记，判断是否为重复信息[14]，若不为重复信息则发送该报文至导演台。报文过滤流程如图2所示。

图2 报文过滤流程框图

通过接口装置的报文过滤，可以有效减少无用报文的数量，进而减少数据传输的时延。

4.4 训练系统建模仿真优化

仿真模型如果过于复杂，会导致计算机系统不能在给定的采样时间内完成仿真计算，增加模型计算时延，所以要优化仿真模型设计。首先，要简化模型设计，根据仿真训练精度要求，合理确定仿真模型精度，减少模型计算时间。比如，鱼雷和导弹的弹道仿真采用运动学模型就可以满足仿真训练精度要求，不需要建立信号级动力学模型。其次，通过计算机生成兵力多分辨率建模，实现蓝方兵力CGF的聚合-解聚[15]，在仿真运行过程中，运行低分辨率仿真实体模型，当需要更多细节时，触发解聚，执行高分辨率仿真实体模型。聚合-解聚在仿真训练过程中动态发生，可以减少不必要的模型计算时间。

优化仿真软件架构，合理分配计算任务，可以减少网络通信量，提高分布式仿真的同步性。采用面向服务的软件架构(SOA)，所有仿真模型计算都部署在导演台(相当于服务器)上，包括蓝方兵力和武器的仿真计算，仿真计算模块以组件化形式部署。蓝方台软件进行蓝方兵力的控制调用，实现客户端应用。导演台接受蓝方台的服务请求，并将服务结果返回蓝方台，从而实现组件共享的服务，提高软件仿真的运行效率。

4.5 训练系统采用Windows+RTX 操作系统

由于Windows是非实时操作系统，在Windows中嵌入实时扩展模块RTX来解决仿真平台的实时性问题是常用方法。在Windows+RTX平台下进行软件开发，难度小、周期短、调试方便、可维护性和可移植性好[4]。RTX和Windows进程之间可通过共享内存交换数据，通过实时信号量进行同步和通讯。RTX实时扩展模块是一整套库的集合，实时子系统RTSS作为一种Windows内核驱动程序和扩展的HAL实现实时性，提供了一套RTXwinAPI用于对实时对象的访问。这样既可以充分利用Windows平台已有的资源，又可以将实时任务放入实时环境RTX中执行。导演台软件在RTX 和 Windows下的运行流程如下：

1)在RTX下导演台软件启动后，首先创建RTX与Windows的共享内存，对时钟板和功能板卡进行初始化，初始化正常后，等待仿真线程启动的信号量和时序脉冲信号，接收到脉冲信号后，进行作战仿真，并将作战仿真更新数据放入共享内存中。

2)在Windows下导演台软件启动后，首先创建网络进程用于仿真节点通信，然后进行作战仿真数据初始化，接到仿真开始命令后，Windows进程通知 RTX 启动作战仿真线程，开始进行作战训练仿真，在仿真过程中，Windows通过共享内存与 RTSS 进程进行数据信息交互，其工作流程如图3所示。

图3 导演台软件工作流程

5 工程实践验证

在实验室某舰艇仿真系统中开发嵌入式训练系统，采用Windows+RTX操作系统和面向服务的软件架构(SOA)提高训练系统的实时性，采用监听报文过滤技术减小网络数据传输时延，嵌入式训练系统发送虚拟目标数据至舰艇仿真实装时，采用时间补偿算法弥补目标注入数据的时延。在上述方法的共同作用下，经过网络测试软件在实际环境下测量统计分析表明，数据传输时延满足舰艇实装仿真训练时间一致性要求，部分测试项目数据传输时延测量结果如表1所示。

表1 数据传输时延测量结果

嵌入式训练系统在进行反舰导弹攻击模拟训练时，采用武器命中目标的逻辑预判处理方法，避免了训练误判，满足了反舰导弹命中目标空间一致性要求。如图4所示,在某次仿真训练中，本艇(红方潜艇)发射1枚某型反舰导弹攻击03号目标(蓝方水面舰艇)，该型反舰导弹飞行速度300 m/s，由于此时嵌入式训练系统与舰艇仿真系统仍有信息交互，因此嵌入式训练系统按照天文时间步长推进仿真，在该反舰导弹对目标入射方向上，距离目标命中点195 m时，判定反舰导弹命中目标，结束该反舰导弹的飞行仿真。