集群航弹协同飞行模拟器的进程级分布式设计方法

米长伟 吴旭 车沣竺 罗广地

引用格式：米长伟，吴旭，车沣竺，等.集群航弹协同飞行模拟器的进程级分布式设计方法［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：针对长航时协同航弹战训使用的协同飞行模拟器小型化、便攜使用的需求，在借鉴传统模拟器和仿真系统优缺点的基础上，本文提出软件化的分布式实时柔性系统设计理念，通过RTX实时扩展操作系统实现RTNet对弹载1553B总线多路BC协同的模拟。基于两级内存管理的进程拷贝技术，将硬件完成的系统级功能模块抽象为内存颗粒和软件进程，通过进程拷贝实现系统的分布式柔性设计，同时结合样条插值实现飞行航迹发生器、分布式进程级图像数据介入，能够更为逼真地复现飞行场景。在模拟器的多机协同试验测试中，系统功能性能均得到有效验证。

关键词：分布式;协同;战训;模拟器;1553B总线;进程拷贝;航弹

中图分类号：TJ760

文献标识码：A

文章编号：1673-5048（2023）01-0064-05

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0132

0引言

协同攻击武器基于“集群”作战思想，以空间分布的低成本单一功能载荷集中建立功能优势，该集群作战形式是未来空战的一个关键领域［1-3］。随着各军种关于协同攻击武器的发展，协同功能测试、勤务训练所需的集群协同飞行模拟器也提上日程［4-7］。

集群航弹协同飞行模拟器主要有两种设计模式。第一类为实验室模拟测试，可构建齐备的大型仿真测试系统。李景和商旭升等针对舰载机设计的多级协同飞行模拟器，提供了高度逼真的模拟飞行实验环境，能配合完成战术级和战役级的作战演练［6，8］，但系统庞大复杂，不适用于小型化、分布式、大集群的区域封控武器系统。周建平等设计了分布式架构的飞行器集群协同仿真系统，系统以仿真计算机作为功能节点，共同模拟协同侦察、打击等作战任务，实现仿真测试及作战任务推演，但该系统仅适用于实验室场景，且系统主要内容均采用数学仿真模型，缺乏对实际系统的深度测试［9-10］。

第二类为采用嵌入式弹载任务计算机构建的小型化模拟系统。此类系统扩展性好，存在的问题是节点数增多，弹载任务计算机的数量及软件维护成本增加。

综上，相比于文献［6，8，10］构建的协同飞行器节点与计算机节点数目一一对应的硬节点式大型协同仿真系统，本文提出了一种低成本软件虚拟节点的集群航弹协同飞行模拟器。基于软件定义功能的设计理念，该系统将冗余的硬件功能内聚并软件化，将复杂的计算机集群精简为运行多进程任务软件的多显示终端控制中心。该控制中心基于多核处理器，提高了系统硬件利用率和集成度。此外，相比原有的数学仿真和半实物仿真系统，该系统通过采用内聚的多级总线调度，实现了产品实物如数据链、协同航迹规划、载荷探测终端（图像处理单元）等的介入。

1基于RTX的分布式协同飞行模拟器

模拟器功能包括：参数配置、虚拟多总线模拟、开放式总线接口、多机协同飞行参数模拟、协同态势显示、总控、空地通讯、侦察图像模拟、数据记录。该实时模拟器扩展RTX实时操作系统，时钟分辨率可达100ns，定时器设计为最低0.1ms，本系统配置为1ms［6-7］。系统架构如图1所示。

系统采用分布式架构，由多屏显示工业控制计算机和多任务信号管理系统组成，通过开放式接口介入分布式功能载荷和任务终端（包括协同控制终端、载荷探测终端等），完成协同飞行模拟。其中模拟的弹载GJB289A总线实现

了协同控制、载荷探测等终端的介入，使得模拟器可完成协同航迹、目标识别等功能的测试。

1.1软件化的分布式柔性系统设计

节点分布：模拟测试系统、数据链终端、图像采集系统、协同任务站等节点在物理空间上散布。

功能分布：将飞行模拟、态势显示、侦察图像反演、通信管理等功能分散，将计算机功能节点抽象为软件进程。

软件分布：综合调度及控制软件；进程级子节点控制软件；态势软件。

系统设计两级总线架构（见图2）：第一层为多显示终端控制中心，通过实时以太网扩展出集群弹药任务节点。借助RTXRTNet模拟弹载任务计算机实现BC总线控制器。第二层模拟BC（总线控制器）与多个RT终端构成的弹内总线，弹载RT终端包括数据链终端、协同控制终端、载荷终端等。

（1）集群任务节点弹载任务计算硬件功能软件化

以软件线程来模拟弹载任务计算机的开放式总线架构。线程数量nThd与RTNet网络控制器nNet的关系为nThd=127nNet。

（2）RTNet网络协议类型选择

弹载任务计算机作为BC（总线控制器），驱动多型总线消息的接收和发送，包括：BC到RT的数据发送消息、查询矢量字消息、RT到BC的发送消息、广播消息等。BC端作为总线消息控制终端，需建立BC与RT的握手及消息收发链接，因此相比于UDP协议，模拟器的RTNet网络选择TCP/IP协议更为合适。

（3）线程竞争问题的解决

多线程RTNet存在消息等待、进程间交叉耦合，针对该问题，借鉴TDMA技术，在精度0.1ms的时间片内，插入nNet的消息负载。为了及时交出网络的控制权，同时加入了线程锁和消息强制退出控制机制。

1.2基于两级内存管理的进程拷贝技术

将硬件功能抽象为软件进程，并由调度中心根据进程配置表实现进程拷贝和进程启动。

分布式两级内存管理（DDMC），实现内存的细粒度管理，将内聚的功能节点软件进程由进程软件和内存空间构成。顶层级的内存由调度区、VMIC区、集中控制区、一级总线区、二级总线区、实时通信区、集群节点区（255个）组成。终端层的内存进一步细分为飞行模拟区、态势显示区、飞行参数配置区等。多核实时网络架构的细粒度刻画，将多显示终端控制中心的8个CPU核划分为非实时和实时两部分，将功能相近的软件进程节点分配给不同的CPU核。

借助DDMC技术，实现软件进程内存空间分布式管理，进而通过进程拷贝技术实现模拟器节点的轻量化快速部署。

1.3结合样条插值实现的飞行航迹发生器

由于需要解决速度矢量和目标航迹点夹角大于90°，甚至接近180°时，航弹无法直接完成大机动的问题，本文设计了利用样条实现平滑过渡的飞行航迹发生器［11］。

样条曲线可以由三次多项式构造。将三次多项式构造成在xj和xj+1处为零，就不会破坏在终点xj和xj+1处与列表函数值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为待解多项式系数。

设a=1－t/T，b=t/T，其中T表示步长，T=xj+1－xj，t与Hn有关，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，将其代入式（2）中，进一步展开得

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）

将式（3）的左右两端相减得到

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）可以改写为标准一元三次方程：

a3+k2·a2+k1·a+k0+b=0（5）

通常一元三次方程的表达式为a·x3+b·x2+c·x+d=0，令a=y－k2/3，其中y为定义的变量，而上面的y为x的函数。因此将式（5）转化成标准方程y3+p·y+q=0。

求解一元三次方程，求根判别式Δ>0时，唯一实根为

y=－q2+Δ13+－q2－Δ13（6）

求根判别式Δ≤0时，三个实根为

y1=2r13·cosθ

y2=－2r13·sinθ+π6

y3=2r13·sinθ－π6（7）

式中：r=－p33；θ=13arccos－q2r。

因方程的根要满足在区间［0，1］上单调递减，且距离ak最近，故可得到一个实根。因此，式（5）变为

z=（a3+k2·a2+k1·a+kb·z1）/kb（8）

式（8）对a的一阶导数为

z′=（3a2+2k2·a+k1）/kb（9）

a对t的一阶导数为a′=－1/T，进而可得

z′t=（3a2+2k2·a+k1）/（－T·kb）（10）

由式（10）的速度函数，可得速度和轨迹的映射关系：

Vz=z′（11）

对于航弹而言，载体的前向速度在发动机推力近似平稳和风场近似平稳的条件下，前向速度不做规划。最后，根据式（8）和（11）的侧向位置和速度约束完成对飞行航迹的约束，航迹追踪采用速度作为反馈项的简易循迹控制。

样条轨迹发生器的测试曲线如图3所示。为提高测试系统的容差能力，以及更为接近真实导航数据，本文设计了均匀分布和高斯分布相结合的定位误差模型，误差呈现慢周期的游走特性，如图4所示。

1.4分布式进程级图像数据介入

图像制导柔性仿真系统通过构建仿真沙盘，设计了相机伺服系统和实时图像采集系统［10］。为了提高仿真的真实性，系统针对侦察图像模拟需求，设计数据回放形式和实时图像采集传输两种模式。其中实时图像采集传输模式，利用无人机实时采集图像并回传至模拟器，然后完成图形加工和数据分发。数据回放模式由航迹模拟器解算得到弹目相对距离，进而通过在图像序列中查找到指定图像，然后进行图形加工和数据分发。

巡飞侦察目标成像会发生相面旋转、平移、尺度的变换，甚至出现模糊化。目前模拟器暂不考虑仿射变换［12-15］。

在图像中加入图像尺度变换，其中δλ为加入的尺度变换噪声，λ为尺度因子，由实际的机目距离与成像时刻的机目距离计算可得，λ=dRT/dTgt。

uv1=λ+δλ000λ+δλ0001xy1（12）

同時，在图像中增加旋转，则有

uv1=cosθ－sinθ0sinθcosθ0001xy1（13）

將图像噪声分为两类：随机噪声和固定图案噪声。其中随机噪声模拟部分由高斯噪声和泊松噪声实现；固定图案噪声由乘性噪声和椒盐噪声实现。

前端光电转换的入射光子噪声VPh和信号读出电路中的弹散噪声Vsh等可以映射为泊松噪声，其概率分布密度为

P（x=m）=λme－λm！（14）

式中：m=0，1，2，…，λ。

探测器噪声中的热噪声、温度噪声、AD量化噪声、输出噪声等混叠后，由于其幅值符合高斯分布，因此可以建立此类噪声的高斯白噪声模型，即

P（x）=e－（x－μ）2/（2σ2）/2πσ（15）

式中：x为成像噪声灰度值；μ为期望；σ为方差。

此外，比利时学者认为盲元在图像中的表现类似图像椒盐噪声，因此本文将凝视成像中的盲元映射为椒盐噪声。

在目标侦察的图像序列中加入噪声后，进一步增加了模拟器仿真测试的真实性，如图5所示。

2试验验证

针对集群航弹飞行场景，模拟器目前完成了八机协同飞行模拟测试。任务遂行假定在某试验场，载荷类型由光电、雷达、干扰等构成，飞行速度为100m/s，位置误差为10m，仿真步长为1ms。仿真测试界面如图6～7所示，给出了八机协同飞行试验的弹型配比、各航弹的飞行状态。作为态势重要组成的多弹协同飞行航迹如图8所示。为提高仿真的真实性，在飞行轨迹中增加了样条航迹追踪部分，从起飞到协同航迹规划终端交接（样条追踪段1）以及航迹偏离后切入安全航路（样条追踪段2），执行的是与真实飞行过程一致的样条航迹。

由测试结果可知，在8节点的集群飞行测试过程中，实现了飞行模拟测试、指令交互、图像数据更新，完成了多机协同飞行模拟功能。

3结论

针对集群航弹战训需求的协同飞行模拟器，本文提出软件化的分布式实时柔性系统设计理念，基于两级内存管理的进程拷贝技术，将硬件完成的系统级功能模块，抽象为内存颗粒和软件进程，同时提出结合样条插值实现飞行航迹发生器、分布式进程级图像数据介入，能够更为逼真地复现飞行场景。

立足提升系统实训意义，可进一步丰富协同控制终端模拟功能，如加入实际的风场模型以及扩展SAR图信息等。

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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

基金项目：总装预研项目（100038）

作者简介：米长伟（1975-），男，内蒙古赤峰人，博士，研究员。

*通信作者：吴旭（1986-），男，河南南阳人，博士，工程师。