摘 要：為了實現(xiàn)對機載訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真，采用1553B總線、以太網(wǎng)兩種接口的設(shè)計方法，基于總線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的機載訓(xùn)練系統(tǒng)，可以達到高度的信息綜合和資源共享。首先給出系統(tǒng)設(shè)計思想和功能。然后運用結(jié)構(gòu)化、模塊化、功能化的思想，建立系統(tǒng)總體模型，并對其中的顯示控制仿真、環(huán)境仿真、火控解算、通信管理和數(shù)據(jù)庫進行詳細建模，為了提升1553B總線系統(tǒng)性能，進行了總線系統(tǒng)消息傳輸方案優(yōu)化。最后完成了系統(tǒng)仿真，驗證了此系統(tǒng)的可行性和正確性。



關(guān)鍵詞：機載訓(xùn)練系統(tǒng)； 顯示控制； 通信管理； 消息分配

中圖分類號：

TN91934

文獻標識碼：A

文章編號：1004373X(2012)05

0029

03



Simulation of airborne combat training system



SHAO Fan

(China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China)



Abstract：

In order to carry out the simulation of airborne combat training system， the methods of 1553B bus and Ethernet network were adopted. A high level of resource integration and information sharing through the bus networking technology to build the airborne combat training system was achieved. Firstly， the method and function are analyzed. Secondly， the system total model which used the thought of structure， modular and standardized is established， and the display control simulation， environment simulation， fire control simulation， communication management simulation and data management simulation are built up. Message communication of bus system is optimized for advancing system capability. Finally， the simulation is completed which shows its feasibility and correctness are validated.



Keywords： airborne combat training system; display control; communication management; message distribution



收稿日期：20110914

0 引 言

機載訓(xùn)練系統(tǒng)是指在所使用的裝備自身上完成訓(xùn)練的系統(tǒng)，是在作戰(zhàn)系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備上嵌入或增加的能夠使操作人員更加熟練地掌握各項技能提供的訓(xùn)練系統(tǒng)。其本質(zhì)是嵌入在裝備內(nèi)部或增加到裝備上的功能所提供的訓(xùn)練系統(tǒng)，用來提高并維持操作和維修裝備所必需的技能［12］。機載訓(xùn)練系統(tǒng)具有節(jié)能、經(jīng)濟、安全、不受場地和氣象條件的限制、縮短訓(xùn)練周期、提高訓(xùn)練效率等特點，這對于真實場景模擬、培訓(xùn)操作人員、新功能測試等方面有重要意義。

基于總線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的機載訓(xùn)練系統(tǒng)可以達到高度的信息綜合和資源共享，從而有效實現(xiàn)機載訓(xùn)練系統(tǒng)的顯示和控制功能。機載訓(xùn)練系統(tǒng)仿真采用1553B總線標準與武器外掛、數(shù)據(jù)處理等系統(tǒng)之間進行串行通信，采用以太網(wǎng)進行主仿真系統(tǒng)與飛行控制仿真系統(tǒng)之間通信［3］，對飛行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，對其他子系統(tǒng)進行功能仿真，并且為了平衡總線負載和消息延遲時間兩個指標，進行總線系統(tǒng)消息傳輸方案優(yōu)化，提升了總線性能。整個系統(tǒng)設(shè)計具有高可靠性和實時性。

1 機載訓(xùn)練系統(tǒng)總體設(shè)計

機載訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真采用自上而下的系統(tǒng)設(shè)計方法，構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，包含顯示控制系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、任務(wù)機系統(tǒng)、外掛管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中飛行控制系統(tǒng)駐留在飛行仿真計算機中；顯示控制系統(tǒng)和任務(wù)機系統(tǒng)駐留在主仿真計算機中；武器外掛管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)駐留于嵌入式計算機中。主仿真計算機通過以太網(wǎng)接口與飛行仿真計算機進行數(shù)據(jù)交互，通過1553B總線與嵌入式計算機交聯(lián)，嵌入式計算機作為總線上的一個RT，主仿真計算機進行1553B總線控制，控制總線上的信息接收、傳輸以及信息處理，將系統(tǒng)關(guān)鍵信息反饋給操作人員。

2 機載訓(xùn)練系統(tǒng)功能

按照仿真系統(tǒng)設(shè)計思想，機載訓(xùn)練系統(tǒng)分為五個部分：顯示控制仿真模塊、環(huán)境仿真模塊、火控解算模塊、通信管理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊。環(huán)境仿真模塊將系統(tǒng)需要的各種飛行參數(shù)，通過1553B傳遞給顯示控制仿真模塊，通信管理模塊進行數(shù)據(jù)的分發(fā)，數(shù)據(jù)庫模塊進行數(shù)據(jù)的存儲和管理，最終在顯示控制仿真模塊界面進行顯示。

機載訓(xùn)練系統(tǒng)通過虛擬周邊按鍵，模擬飛行員觸摸屏，實現(xiàn)觸摸控制和畫面切換。畫面更新通過以太網(wǎng)UDP協(xié)議發(fā)送至主仿真計算機，主仿真計算機控制數(shù)據(jù)實時驅(qū)動。機載訓(xùn)練系統(tǒng)的顯控系統(tǒng)包含多功能顯示器和平顯仿真器。多功能顯示器通過周邊鍵操作，可改變工作狀態(tài)，完成相關(guān)任務(wù)，進行相應(yīng)畫面驅(qū)動，包含自檢畫面顯示、導(dǎo)航顯示、雷達顯示、導(dǎo)彈參數(shù)顯示、敵我態(tài)勢顯示等；平顯仿真器主要用于顯示高度、速度、航向、姿態(tài)等飛行數(shù)據(jù)，對飛行數(shù)據(jù)進行監(jiān)控［4］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

機載訓(xùn)練系統(tǒng)軟件采用物理仿真，主要包含顯示控制仿真、環(huán)境仿真、火控解算、通信管理仿真、數(shù)據(jù)庫。由于采用模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)可靠性、可維護性和可擴展性。機載訓(xùn)練系統(tǒng)軟件仿真結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.1 顯示控制仿真

顯示控制仿真主要進行多功能顯示器仿真、平顯畫面的仿真、任務(wù)分配與管理。按照模塊化思想，分為初始化模塊、控制模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。

初始化模塊：完成硬件初始化和軟件初始化，主要包含板卡的打開與加載，數(shù)據(jù)通道的打開等。

控制模塊：該模塊主要完成系統(tǒng)狀態(tài)控制、通信控制以及顯示控制，即根據(jù)子系統(tǒng)的相應(yīng)狀態(tài)以及虛擬鍵的相關(guān)操作，確定系統(tǒng)運行狀態(tài)與工作方式的控制與切換。

顯示模塊：包括多功能顯示器顯示和平視顯示器顯示。系統(tǒng)發(fā)送給多功能顯示器畫面信息，多功能顯示器通過周邊鍵切換完成不同任務(wù)界面的顯示，包含自檢畫面顯示、導(dǎo)彈參數(shù)顯示等；平視顯示器實時顯示飛行數(shù)據(jù)以及飛機的狀態(tài)變化。

數(shù)據(jù)處理模塊：對將要發(fā)送的數(shù)據(jù)根據(jù)系統(tǒng)相應(yīng)的ICD協(xié)議，進行實時編碼；對接收到的有關(guān)數(shù)據(jù)塊根據(jù)ICD協(xié)議，進行實時解碼，根據(jù)系統(tǒng)人員的操作，完成信息實時處理和圖形字符的產(chǎn)生。

3.2 環(huán)境仿真

環(huán)境仿真包含載機模塊、目標模塊、地理地貌模塊。載機模塊建立載機模塊模型，生成相應(yīng)航跡數(shù)據(jù)，仿真中可以設(shè)置、監(jiān)控飛行參數(shù)，控制飛機飛行。目標模塊建立目標運動相關(guān)參數(shù)，控制目標的飛行方式。地形地貌模塊建立地形地貌數(shù)據(jù)，其每一個基本單元都包含有特定地理特性，生成相關(guān)地理地貌模塊。

3.3 火控解算

機載訓(xùn)練系統(tǒng)火控解算主要是空對空的武器瞄準發(fā)射計算，根據(jù)雷達跟蹤目標參數(shù)以及本機參數(shù)，完成相應(yīng)方式武器攻擊區(qū)的計算［56］，控制武器的發(fā)射，將相應(yīng)結(jié)果輸出給平顯、多功能區(qū)域顯示。

3.4 通信管理

信息傳輸?shù)目煽啃詫τ谙到y(tǒng)的總體運行至關(guān)重要，通信管理仿真包含以太網(wǎng)模塊和1553B數(shù)據(jù)總線管理模塊。以太網(wǎng)模塊包含數(shù)據(jù)發(fā)送模塊與數(shù)據(jù)接收模塊。因為UDP通信協(xié)議的實時性比較高，因此采用UDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r高效。1553B數(shù)據(jù)總線管理模塊包含總線驅(qū)動、總線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、總線數(shù)據(jù)接收模塊，控制1553B總線上信息的傳輸，監(jiān)控1553B總線上的數(shù)據(jù)。

機載訓(xùn)練仿真系統(tǒng)在顯示控制系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)之間采用以太網(wǎng)通信，并且可以對飛行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，對相關(guān)功能模塊仿真，在顯示控制系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)之間采用1553B總線進行串行通信。1553B總線通信系統(tǒng)的性能可以用總線負載和消息延遲時間率這兩個指標來評價?？偩€負載是傳輸消息所需時間與通信系統(tǒng)總的激活時間的比值，它反映了系統(tǒng)的可擴充性；延遲時間率是消息的實際傳輸時間與最大允許的延遲時間的比值，它反映了系統(tǒng)傳輸消息的效率和實時性［7］。

為了合理平衡這兩個重要指標，對總線上傳輸?shù)南⑦M行優(yōu)化分配。優(yōu)化消息分配為合理地安排總線上的各類消息，使得總線消息傳輸達到總線均衡，即是在滿足每條消息最大延遲時間要求的前提下，合理確定每條消息的相位，使得總線各處消息的延遲時間率達到均衡，并以此生成最優(yōu)效率的總線通信系統(tǒng)傳輸層軟件。優(yōu)化消息分配法的處理過程分為兩步：排序處理和機制插入處理。排序處理是為了整理隨機排列的消息塊文件，排序的原則是：按消息塊最大允許延遲時間由小到大進行排序；具體相同最大允許延遲時間的消息塊以消息量大小由大到小排序。機制插入處理是依據(jù)總線控制協(xié)議更新檢測傳輸?shù)臋C理，通過發(fā)送矢量字方式指令檢測數(shù)據(jù)是否更新。機制插入處理完成將矢量字方式指令插入到需檢測的消息或消息塊之前的操作［89］。優(yōu)化的消息分配表如圖2所示。

依照圖2的優(yōu)化消息分配法，每條消息的傳輸相位總是安排在用于消息傳輸時間最小的小周期中，從而各個小周期用于消息傳輸時間的差異不會超過一條消息的傳輸時間，總線的平均延遲時間率是均衡的，而且此優(yōu)化方案的解是惟一的。

優(yōu)化的消息分配法，相對于簡單的消息分配，有一個重要特征就是取消了簡單分配法下的每個小周期的寂靜期，傳輸周期是變化的，一個周期完成之后并沒有寂靜期，而是馬上開始新的周期［10］。優(yōu)化的消息分配法是對周期性消息傳輸方式的一種合理改進，它的消息安排來源于后者，只是在消息數(shù)量上有所增加，增加了對消息更新與否的矢量查詢。

4 系統(tǒng)仿真

機載訓(xùn)練系統(tǒng)仿真首先通過FLSIM軟件進行飛行數(shù)據(jù)的獲取，然后根據(jù)UDP協(xié)議，通過發(fā)送程序，把數(shù)據(jù)分發(fā)給各個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)需求進行相關(guān)處理和分配，主程序在1553B總線信息管理下，最終把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到各個視景界面，通過虛擬按鍵的操作，進行視景畫面驅(qū)動。

其中系統(tǒng)仿真界面如圖3所示，整個仿真主界面成品字型，符合真實飛機應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)包含20個虛擬按鍵，通過按鍵操作，進行實時動態(tài)顯示，及時反映飛行狀態(tài)。武器外掛信息顯示畫面如圖4所示，對飛行數(shù)據(jù)的實時顯示與監(jiān)控畫面如圖5所示。由飛行數(shù)據(jù)查看界面可知，飛行數(shù)據(jù)實時準確，符合仿真技術(shù)要求。

系統(tǒng)給操作人員提供飛行視景模擬，使操作人員更加感性地認識整個機載訓(xùn)練系統(tǒng)的工作原理，對相關(guān)設(shè)計提出要求，從而進行系統(tǒng)性能和功能改進，達到更好地為操作人員提供訓(xùn)練的目的。

5 結(jié) 語

本文給出了機載訓(xùn)練系統(tǒng)的功能和組成，按照機載訓(xùn)練系統(tǒng)的頂層設(shè)計和系統(tǒng)模塊化建模的思想，進行了系統(tǒng)仿真，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，達到設(shè)計技術(shù)指標要求。此系統(tǒng)運用到相關(guān)操作人員訓(xùn)練和保障中，在實際工程應(yīng)用中收到良好的效果。

參 考 文 獻

［1］樊世友，朱元昌.嵌入式仿真研究［J］.計算機仿真，2005，22(12):1013.



［2］羅志強.航空電子綜合化系統(tǒng)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1990.



［3］樊會濤，呂長起，林忠賢，等.空空導(dǎo)彈系統(tǒng)總體設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1997.



［4］劉興堂.空中飛行模擬器［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2003.



［5］趙鋒.基于面向?qū)ο蟮耐鈷旃芾砗蛯?dǎo)彈模擬器仿真系統(tǒng)的設(shè)計［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005.



［6］劉代軍，高曉光.中遠程空空導(dǎo)彈允許攻擊區(qū)的快速模擬算法［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999，17(4):530533.



［7］李彬，袁博.一種適合于使命計算的航空電子總線應(yīng)用研究［J］.計算機應(yīng)用技術(shù)，2008(14):6366.



［8］李宗金.1553B總線系統(tǒng)技術(shù)指標分析［J］.電訊技術(shù)，1998(4):3034.



［9］侯朝建.1553B總線通信信道負載和效率評估［D］.成都：電子科技大學(xué)，2007.



［10］王世奎.航空電子通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題的淺析［J］.航空計算機技術(shù)，2001(4):3639.



作者簡介：

邵 帆 男，1983年出生，河南濮陽人，碩士，助理工程師。主要研究方向為空空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的總體設(shè)計。