張偉龍，呂 娜，王 安，段 榮，李 媛

(1.空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安710077;2.94153部隊(duì)，陜西咸陽712200)

0 引言

航空數(shù)據(jù)鏈在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中的突出地位使其成為各國研究的熱點(diǎn)。建模和仿真作為一種重要的研究手段極大地推動(dòng)著航空數(shù)據(jù)鏈發(fā)展。隨著航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)模型的復(fù)雜性和仿真結(jié)果的高可靠性對(duì)仿真系統(tǒng)提出了更高的要求。

目前系統(tǒng)性能仿真和測試的主要方法有軟件仿真、硬件仿真和現(xiàn)場測試、半實(shí)物仿真。軟件仿真是利用OPNET，QualNet，NS2等網(wǎng)絡(luò)仿真軟件建立虛擬網(wǎng)絡(luò)場景模擬的網(wǎng)絡(luò)行為，采用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析的方法針對(duì)某層協(xié)議或者算法進(jìn)行仿真分析，以獲得特定的協(xié)議性能;硬件仿真和現(xiàn)場測試可以獲得更加客觀可靠的數(shù)據(jù)，但通常會(huì)大幅減小網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且靈活性差、效率低、費(fèi)用高，無法得到極限條件下系統(tǒng)的性能指標(biāo);半實(shí)物仿真是在軟件仿真基礎(chǔ)上將仿真系統(tǒng)中一部分模塊用外部物理模型或?qū)嶋H系統(tǒng)替代，實(shí)現(xiàn)實(shí)物應(yīng)用數(shù)據(jù)交互，仿真結(jié)果較軟件仿真可信度高，較硬件仿真和現(xiàn)場測試靈活性強(qiáng)［1-2］。

數(shù)據(jù)鏈作為一種數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，較難采用數(shù)學(xué)分析理論進(jìn)行精確建模，且規(guī)模變化大，設(shè)備差異大，信道、地形、氣象等差異大，使用軟件仿真及硬件仿真均存在一定局限性。而半實(shí)物仿真，既能利用軟件仿真實(shí)現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真，又能利用實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)達(dá)到真實(shí)業(yè)務(wù)的硬件接入，可同時(shí)滿足數(shù)據(jù)鏈性能的準(zhǔn)確驗(yàn)證需求以及測試的靈活性需求，并為數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的應(yīng)用研究提供條件［3-4］。

Exata在QualNet模擬內(nèi)核的基礎(chǔ)上增加了仿真內(nèi)核，支持半實(shí)物仿真，本文以Exata網(wǎng)絡(luò)仿真軟件為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種新型的航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)。

1 半實(shí)物仿真機(jī)制

1.1 半實(shí)物的必要性

文獻(xiàn)［5-6］對(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真分析，得到相應(yīng)系統(tǒng)性能指標(biāo)，然而，其仿真數(shù)據(jù)源是虛擬隨機(jī)產(chǎn)生，不能真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)需求，從系統(tǒng)性角度來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)鏈性能。為解決這個(gè)問題，本文引入半實(shí)物仿真(hardware in the loop，HITL)機(jī)制。

與其他類型仿真技術(shù)相比，半實(shí)物仿真具有實(shí)現(xiàn)更高真實(shí)度的可能性，是仿真技術(shù)中置信水平最高的一種方法［1，4，7］，主要應(yīng)用于以下情況。

1)仿真系統(tǒng)中存在較難準(zhǔn)確建立數(shù)學(xué)模型的模塊，非線性因素和隨機(jī)因素對(duì)仿真結(jié)果的影響，使得進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真十分困難或難以取得理想效果;

2)檢驗(yàn)已建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的正確性和數(shù)學(xué)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性;

3)檢驗(yàn)構(gòu)成真實(shí)系統(tǒng)的某些實(shí)物部件或整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)及可靠性。

1.2 Exata半實(shí)物仿真

Exata具有仿真和模擬2種內(nèi)核。模擬內(nèi)核可建立虛擬網(wǎng)絡(luò)場景模擬網(wǎng)絡(luò)行為，測試相應(yīng)的性能指標(biāo)。仿真內(nèi)核在模擬內(nèi)核功能的基礎(chǔ)上，采用實(shí)時(shí)的事件調(diào)度機(jī)制，提供高精度、實(shí)時(shí)的接口連接虛擬網(wǎng)絡(luò)和外部實(shí)際應(yīng)用設(shè)備，通過建立外部實(shí)物與Exata虛擬網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)映射關(guān)系及接口配置，實(shí)現(xiàn)外部實(shí)物與Exata的數(shù)據(jù)交互［8-10］。

Exata在仿真內(nèi)核下實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真時(shí)，一般將運(yùn)行Exata仿真軟件的計(jì)算機(jī)作為仿真服務(wù)器，對(duì)實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬，構(gòu)建相應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò);對(duì)實(shí)際各通信設(shè)備進(jìn)行模擬，作為虛擬網(wǎng)絡(luò)的部分仿真節(jié)點(diǎn);構(gòu)建半實(shí)物仿真接口，外部接入設(shè)備作為操作主機(jī)，并與虛擬網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射，實(shí)現(xiàn)實(shí)物操作，將實(shí)物數(shù)據(jù)流引入虛擬網(wǎng)絡(luò)或?qū)⑻摂M網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸出到實(shí)物主機(jī)。

在Exata半實(shí)物仿真中，將外部接入系統(tǒng)或設(shè)備統(tǒng)稱為真實(shí)網(wǎng)絡(luò)，而將模擬系統(tǒng)統(tǒng)稱為虛擬網(wǎng)絡(luò)。虛擬網(wǎng)絡(luò)映射接入外部設(shè)備的典型模式有3種:①真實(shí)網(wǎng)絡(luò)-虛擬網(wǎng)絡(luò)，如雷達(dá)映射虛擬網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，為虛擬網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)信息;②真實(shí)網(wǎng)絡(luò)-虛擬網(wǎng)絡(luò)-真實(shí)網(wǎng)絡(luò)，如指揮中心和作戰(zhàn)飛機(jī)分別接入同一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，通過虛擬網(wǎng)絡(luò)完成通信;③虛擬網(wǎng)絡(luò)-真實(shí)設(shè)備-虛擬網(wǎng)絡(luò)，如指揮中心同時(shí)接入2個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，指揮2種不同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)。

半實(shí)物仿真連接示意圖如圖1所示，Exata仿真中的虛擬節(jié)點(diǎn)可映射為外部的一臺(tái)實(shí)物操作主機(jī)，如操作主機(jī)1，此時(shí)操作主機(jī)上運(yùn)行的全部應(yīng)用程序相當(dāng)于運(yùn)行在仿真節(jié)點(diǎn)中，也可將虛擬節(jié)點(diǎn)直接映射為操作主機(jī)上運(yùn)行的一個(gè)應(yīng)用程序，如操作主機(jī)2上的2個(gè)應(yīng)用程序可映射為仿真網(wǎng)絡(luò)中2個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)。

圖1 Exata半實(shí)物仿真示意圖Fig.1 HITL simulation of Exata

為實(shí)現(xiàn)Exata半實(shí)物仿真，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和連接配置。網(wǎng)絡(luò)配置保證真實(shí)網(wǎng)絡(luò)與虛擬網(wǎng)絡(luò)通信可達(dá)，連接配置保證數(shù)據(jù)的成功交互。連接配置利用Exata的連接管理器(connection manager)對(duì)需要接入仿真網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)設(shè)備進(jìn)行連接管理。使用連接管理器配置時(shí)，連接管理器應(yīng)用程序運(yùn)行在操作主機(jī)上，負(fù)責(zé)管理操作主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接配置，建立操作主機(jī)與服務(wù)器之間的連接;當(dāng)操作主機(jī)不能安裝或執(zhí)行連接管理器時(shí)(無計(jì)算平臺(tái)的路由器、無標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)環(huán)境的實(shí)時(shí)系統(tǒng)等)，只能手動(dòng)配置連接到仿真服務(wù)器，此時(shí)必須配置外部設(shè)備映射參數(shù)，如IP、網(wǎng)關(guān)等［8-9］。

2 航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)半實(shí)物平臺(tái)設(shè)計(jì)

航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)備基本組成:戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)(tactical data system，TDS)、接口控制處理器、航空數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)備和無線收發(fā)設(shè)備等，如圖2所示。TDS一般為一臺(tái)計(jì)算機(jī)，與數(shù)據(jù)鏈所在作戰(zhàn)單元的主任務(wù)計(jì)算機(jī)相連，完成消息格式化處理，接收指揮和態(tài)勢信息;接口控制處理器完成對(duì)不同航空數(shù)據(jù)鏈接口和協(xié)議的轉(zhuǎn)換;航空數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)備主要完成信號(hào)調(diào)制解調(diào)、網(wǎng)絡(luò)控制、保密處理等［1-2］。

圖2 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)示意圖Fig.2 Data link system

數(shù)據(jù)鏈工作過程:首先，由作戰(zhàn)單元的主任務(wù)計(jì)算機(jī)將本單元欲發(fā)送的消息，通過TDS按照數(shù)據(jù)鏈消息標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為格式化消息，經(jīng)接口處理及轉(zhuǎn)發(fā)，再由終端設(shè)備按組網(wǎng)通信協(xié)議處理，最后，由無線設(shè)備發(fā)送。接收方由終端設(shè)備按組網(wǎng)通信協(xié)議進(jìn)行接收處理，經(jīng)接口轉(zhuǎn)換，由TDS進(jìn)行格式化消息解讀，最后，送主任務(wù)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和應(yīng)用，并通過圖形符號(hào)顯示給作戰(zhàn)單元。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，主要包括真實(shí)設(shè)備、接口模塊、虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)三大部分。真實(shí)設(shè)備對(duì)應(yīng)圖2中A區(qū)域所示作戰(zhàn)單元和戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)鏈用戶的相關(guān)應(yīng)用及消息產(chǎn)生或接收;接口模塊主要是在Exata機(jī)制下采用相應(yīng)的操作，將真實(shí)設(shè)備接入虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換交互;虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)圖2中B區(qū)域所示數(shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈相關(guān)設(shè)備模擬以及數(shù)據(jù)鏈信息處理、交互等組網(wǎng)通信過程的模擬。

圖3 仿真平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 System architecture of simulation platform

虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)模型、信道模型、環(huán)境模型、移動(dòng)模型、干擾模型、性能評(píng)估模塊組成。

1)節(jié)點(diǎn)模型。模擬不同的通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的波形及組網(wǎng)功能。虛擬網(wǎng)絡(luò)中仿真節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)交互需要通信協(xié)議的支撐，不同節(jié)點(diǎn)采用不同的協(xié)議類型，由節(jié)點(diǎn)所在數(shù)據(jù)鏈類型決定。

2)環(huán)境模型。包括干擾模型、移動(dòng)模型、信道衰落模型、場景地形模型等，模擬真實(shí)環(huán)境。干擾模型完成節(jié)點(diǎn)通信的環(huán)境干擾功能;移動(dòng)模型模擬節(jié)點(diǎn)移動(dòng)規(guī)律，可以使用從外部導(dǎo)入的移動(dòng)文件或手動(dòng)實(shí)現(xiàn);信道衰落模型實(shí)現(xiàn)通信信道的相關(guān)功能，不同通信環(huán)境模擬不同的信道特性;場景地形模型完成節(jié)點(diǎn)放置位置、相互距離、節(jié)點(diǎn)類型等設(shè)置，同時(shí)設(shè)定相應(yīng)的仿真地形環(huán)境，可使用外部導(dǎo)入的場景地形文件或手動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

3)性能評(píng)估模塊。完成一次仿真中各仿真節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交互的相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析功能。包括時(shí)延、丟包率、包數(shù)量、吞吐量等性能的分析統(tǒng)計(jì)，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的性能分析指標(biāo)。

選擇需要的外部作戰(zhàn)單元和戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)將其與仿真節(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射接入，戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)輸出的格式化消息經(jīng)接口模塊進(jìn)入仿真節(jié)點(diǎn)，在相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下，經(jīng)過各層協(xié)議模型處理，發(fā)往消息目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)圖2中B區(qū)域所示的功能，再由接口模塊進(jìn)入實(shí)裝設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的半實(shí)物仿真，最大程度的逼近真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境，保證仿真結(jié)果的真實(shí)可靠。

2.2 接口模塊設(shè)計(jì)

接口模塊實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真映射接入以及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等功能?？蓪⒍鄠€(gè)不同的真實(shí)設(shè)備映射為虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)，由于接入設(shè)備或設(shè)備所屬數(shù)據(jù)鏈不同，使用的消息格式不同，需要對(duì)進(jìn)/出虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換匹配。

對(duì)于無條件運(yùn)行連接管理器的設(shè)備，按以下3步建立圖3中外部實(shí)物設(shè)備的映射接入。

1)將仿真服務(wù)器與實(shí)物設(shè)備的操作主機(jī)連接到同一個(gè)子網(wǎng)，確保仿真服務(wù)器與操作主機(jī)可達(dá);

2)通過Exata為操作主機(jī)分配一個(gè)IP地址，實(shí)現(xiàn)虛擬節(jié)點(diǎn)與真實(shí)設(shè)備的IP地址映射;

3)將仿真服務(wù)器在操作主機(jī)上設(shè)為默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。

針對(duì)可運(yùn)行連接管理器的設(shè)備，按以下3步建立圖3中外部實(shí)物設(shè)備的映射接入。

1)確保仿真服務(wù)器與操作主機(jī)可達(dá)，在仿真內(nèi)核模式下運(yùn)行虛擬仿真場景;

2)在實(shí)物設(shè)備的操作主機(jī)上運(yùn)行連接管理器，通過輸入仿真服務(wù)器ID或IP地址進(jìn)行自動(dòng)配置，2臺(tái)操作主機(jī)上運(yùn)行的連接管理器如圖4所示。

3)連接成功后連接管理器將顯示虛擬網(wǎng)絡(luò)中的所有仿真節(jié)點(diǎn)，選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)并設(shè)為默認(rèn)接入節(jié)點(diǎn)，設(shè)置成功后仿真節(jié)點(diǎn)將以綠色三角形高亮顯示，仿真運(yùn)行過程中將以紫色三角形高亮顯示。

圖4 操作主機(jī)上運(yùn)行的連接管理器界面Fig.4 Connection manager on the host

2.3 節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)模型實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備的模擬功能以及節(jié)點(diǎn)之間通信組網(wǎng)功能?；?層協(xié)議模型的Exata，每一個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)都具有一個(gè)完整的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，其層次結(jié)構(gòu)依次為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體訪問控制(media access control，MAC)層和物理層。應(yīng)用層產(chǎn)生多種類型信息流以模擬各種不同應(yīng)用;傳輸層用以模擬傳輸控制協(xié)議(transmission control protocal，TCP)和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(user data protocal，UDP);網(wǎng)絡(luò)層模擬IP協(xié)議以及各種路由協(xié)議;MAC層模擬各種介質(zhì)訪問協(xié)議;物理層提供大量天線模型、模擬噪聲、接收模型等，也可使用跨層機(jī)制，模擬真實(shí)的物理設(shè)備［8-10］。

根據(jù)Exata仿真系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)，本文對(duì)航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的功能與其裝備如圖5所示的層次關(guān)系映射。

圖5 航空數(shù)據(jù)鏈與Exata分層模型對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5 Correspondences analysis of aviation data link and Exata layered model

1)應(yīng)用層。與航空數(shù)據(jù)鏈的終端用戶設(shè)備對(duì)應(yīng)，完成戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈用戶操作功能。

2)傳輸層。與航空數(shù)據(jù)鏈的消息處理器功能對(duì)應(yīng)，完成戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的有關(guān)功能。

3)網(wǎng)絡(luò)層與MAC層:與航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)管理器和網(wǎng)絡(luò)控制器的功能對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)格式化消息的組幀/分幀、差錯(cuò)控制以及節(jié)點(diǎn)通信組網(wǎng)。

4)物理層:與航空數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)設(shè)備對(duì)應(yīng)，完成數(shù)字信號(hào)編解碼、傳輸?shù)裙δ堋?/p>

根據(jù)上述映射關(guān)系，通過對(duì)Exata中應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和物理層的設(shè)計(jì)改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)模型需要的功能，模擬不同的數(shù)據(jù)鏈以及設(shè)備，保證仿真的真實(shí)性。

2.4 協(xié)議設(shè)計(jì)

Exata中的各層協(xié)議模型均是在C++環(huán)境下編譯調(diào)試，若要將開發(fā)的某層協(xié)議模型添加到Exata仿真平臺(tái)中，需要修改的文件有以下幾點(diǎn)(以MAC協(xié)議嵌入wireless模型庫中為例)。

1)將源文件名mac_example.cpp(根據(jù)需要設(shè)計(jì)的新協(xié)議)添加到wireless模型庫的Makefilecommon文件中。

2)在partition.cpp，mac.h和mac.cpp文件中包含輪詢協(xié)議模型的頭文件mac_example.h(配置相應(yīng)參數(shù))。

3)在api.h文件的枚舉變量中定義輪詢協(xié)議中所用到的消息事件變量。

4)在mac.cpp文件中包含輪詢協(xié)議中使用的API函數(shù)模塊。

完成以上修改，通過命令行或VC集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編譯調(diào)試即可得到符合要求的輪詢協(xié)議模型。其他各層協(xié)議模塊均可根據(jù)需要進(jìn)行模塊添加，以便在仿真中使用。

文獻(xiàn)［11］對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行仿真分析，文獻(xiàn)［12］能夠接入真實(shí)數(shù)據(jù)流，文獻(xiàn)［13-15］對(duì)網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議進(jìn)行仿真分析，然而，此類對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)各層模塊進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新的仿真案例都只是對(duì)某一層模塊進(jìn)行改進(jìn)，并沒有考慮其他層模塊對(duì)本層模塊的影響，忽略了系統(tǒng)的整體性，片面地強(qiáng)調(diào)單層協(xié)議的重要性。本文設(shè)計(jì)的仿真平臺(tái)，能夠?qū)?shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的各層模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)嵌入，保證最大限度的逼近真實(shí)作戰(zhàn)場景。

3 半實(shí)物仿真案例

3.1 案例設(shè)計(jì)

對(duì)指揮中心和作戰(zhàn)飛機(jī)間的航空數(shù)據(jù)鏈通信應(yīng)用場景進(jìn)行半實(shí)物仿真，構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)配置模式為“真實(shí)網(wǎng)絡(luò)－虛擬網(wǎng)絡(luò)－真實(shí)網(wǎng)絡(luò)”?；诤娇諗?shù)據(jù)鏈分層模型，應(yīng)用層采用半實(shí)物仿真，映射接入作戰(zhàn)單元和指揮中心，將消息送至虛擬網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn);虛擬網(wǎng)絡(luò)由運(yùn)行Exata的仿真服務(wù)器構(gòu)建，處理層使用Exata的傳輸層，采用標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)術(shù)消息處理模型，完成戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)模塊的功能處理;建鏈層和物理層采用Exata中開發(fā)的多跳自組網(wǎng)模型;移動(dòng)模型采用平行推進(jìn);信道模型及干擾模型簡化采用瑞利衰落信道;性能分析模塊對(duì)時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

設(shè)計(jì)相應(yīng)的作戰(zhàn)場景，將2臺(tái)操作主機(jī)和仿真服務(wù)器通過一個(gè)交換機(jī)連接構(gòu)成一個(gè)局域網(wǎng)，完成網(wǎng)絡(luò)配置，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物接入，保證真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的交互，運(yùn)行Exata仿真軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真，構(gòu)建航空數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真如圖6所示。

仿真平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真如下:指揮中心根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)需求產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包到達(dá)接口模塊進(jìn)行相應(yīng)處理，Exata仿真內(nèi)核直接加載真實(shí)數(shù)據(jù)包并發(fā)送給仿真節(jié)點(diǎn)1，經(jīng)過作戰(zhàn)環(huán)境下特定的各層協(xié)議模型，由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒抡婀?jié)點(diǎn)4，最后映射到作戰(zhàn)飛機(jī)。此過程中傳輸?shù)木钦鎸?shí)的數(shù)據(jù)包及其應(yīng)用，且采用戰(zhàn)場環(huán)境下數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)需求的各層協(xié)議模型［2-4］。

圖6 航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)半實(shí)物仿真Fig.6 HITL simulation of aviation data link

3.2 案例仿真分析

本文以指揮中心向作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)送監(jiān)控視頻模擬航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)地面站向飛機(jī)發(fā)送態(tài)勢及任務(wù)信息。服務(wù)器虛擬5個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)4對(duì)應(yīng)外部實(shí)物操作主機(jī)，節(jié)點(diǎn)2，3，5是服務(wù)器虛擬出的作戰(zhàn)飛機(jī)。完成半實(shí)物連接后，在實(shí)物設(shè)備的操作主機(jī)上選擇VLC軟件，右鍵以“Run on Exata node...”方式運(yùn)行，進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸/接收。半實(shí)物仿真效果對(duì)比如圖7所示。

圖7 半實(shí)物仿真效果對(duì)比Fig.7 Contrast effect of HITL simulation

考慮到現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有效傳輸距離有限，信息傳輸需要經(jīng)過其他節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)中繼才能到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)(見圖7a)。節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)4，由于距離及干擾原因不能正確接收，需要虛擬節(jié)點(diǎn)5進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)中繼，才能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸;指揮中心發(fā)送的監(jiān)控視頻與作戰(zhàn)飛機(jī)接收的監(jiān)控視頻一致，由于傳輸造成的時(shí)延為0.8 s，兩者視頻圖像基本同步。

如果節(jié)點(diǎn)5被擊毀或者信息阻塞等，數(shù)據(jù)不能順利中繼，1-5-4的數(shù)據(jù)傳輸將會(huì)中斷，網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)尋找最優(yōu)路徑，維持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸(見圖7b)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)5被擊毀，仿真中禁用虛擬節(jié)點(diǎn)5，此時(shí)數(shù)據(jù)傳輸中斷，指揮中心仍然持續(xù)發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，并且尋求新的傳輸路徑，但作戰(zhàn)飛機(jī)未收到數(shù)據(jù)，顯示界面定格于斷鏈前的視頻界面，兩者數(shù)據(jù)產(chǎn)生巨大差異。

經(jīng)過1.4 s，通過鏈路性能比較，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)建立新鏈路1-2-4(見圖7c)，恢復(fù)數(shù)據(jù)暢通，此時(shí)指揮中心和作戰(zhàn)飛機(jī)恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸，維持監(jiān)控視頻的同步顯示。

實(shí)驗(yàn)仿真說明，仿真平臺(tái)為航空數(shù)據(jù)鏈指揮引導(dǎo)作戰(zhàn)場景提供真實(shí)的數(shù)據(jù)流，模擬真實(shí)的作戰(zhàn)環(huán)境，根據(jù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)協(xié)議模型并導(dǎo)入仿真平臺(tái)，逼近真實(shí)應(yīng)用場景，且有效統(tǒng)計(jì)相關(guān)時(shí)延性能指標(biāo)，表明該方法構(gòu)建的半實(shí)物仿真平臺(tái)具有可行性和準(zhǔn)確性。

3.3 半實(shí)物仿真平臺(tái)應(yīng)用

數(shù)據(jù)鏈可以用于空-空、空-地、空-海、海-地、飛機(jī)-武器、地-武器等不同作戰(zhàn)環(huán)境，如圖8所示，接入數(shù)據(jù)鏈的平臺(tái)設(shè)備不盡相同，網(wǎng)絡(luò)需求的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)也不盡相同(包括已有或者需要開發(fā)的數(shù)據(jù)鏈)，甚至不同數(shù)據(jù)鏈之間的協(xié)同作戰(zhàn)也是現(xiàn)實(shí)需求。故而仿真平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備在不同數(shù)據(jù)鏈下的系統(tǒng)性作戰(zhàn)模擬。

圖8 數(shù)據(jù)鏈終端Fig.8 Data link terminal

本文設(shè)計(jì)的半實(shí)物仿真平臺(tái)，通過接口模塊的設(shè)計(jì)可映射接入任意需要的真實(shí)設(shè)備，如圖8中的各類作戰(zhàn)單元;通過節(jié)點(diǎn)模型的設(shè)計(jì)可模擬不同數(shù)據(jù)鏈(包括已有或開發(fā)中的數(shù)據(jù)鏈)功能以及設(shè)備功能，即設(shè)計(jì)路由協(xié)議、MAC協(xié)議等;通過環(huán)境模型的設(shè)計(jì)模擬任意的作戰(zhàn)場景，包括移動(dòng)模型、信道、地形等設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)任意情況下的數(shù)據(jù)鏈性能;通過性能評(píng)估模塊的設(shè)計(jì)，統(tǒng)計(jì)分析需要的性能參數(shù)，為作戰(zhàn)性能分析作數(shù)據(jù)支撐。通過各個(gè)模型的改進(jìn)，此平臺(tái)適用于各種類型的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)檢驗(yàn)以及數(shù)據(jù)鏈聯(lián)合應(yīng)用，最大限度的評(píng)估了作戰(zhàn)性能。

對(duì)于需要開發(fā)的新設(shè)備，可自主設(shè)計(jì)需要的應(yīng)用程序模擬設(shè)備功能，本文設(shè)計(jì)的半實(shí)物仿真平臺(tái)通過接口模塊設(shè)計(jì)，可將此應(yīng)用程序作為作戰(zhàn)單元進(jìn)行半實(shí)物仿真，設(shè)備研制階段不需進(jìn)行設(shè)備加工制造，即可檢驗(yàn)其性能。既使得半實(shí)物仿真中用戶的需求得到最大程度的滿足，同時(shí)避免設(shè)備設(shè)計(jì)不合理帶來的物資消耗，節(jié)省科研經(jīng)費(fèi)。

本文設(shè)計(jì)指揮中心以及作戰(zhàn)飛機(jī)的簡單應(yīng)用程序，均可發(fā)送/接受文電、態(tài)勢、語音等數(shù)據(jù)信息。將運(yùn)行這2個(gè)應(yīng)用程序的計(jì)算機(jī)按照案例要求進(jìn)行半實(shí)物仿真。

仿真效果如圖9、圖10所示，指揮中心向飛機(jī)4號(hào)發(fā)送油量文電信息，并且要求飛機(jī)進(jìn)行回復(fù);且能同步顯示文電發(fā)送及接收記錄，掌握指令執(zhí)行情況。飛機(jī)4號(hào)接收到指揮中心發(fā)送的油量信息，按要求及時(shí)進(jìn)行回復(fù)，并報(bào)告油量剩余;同時(shí)可以根據(jù)需要向其他作戰(zhàn)單元發(fā)送信息。

圖9 指揮中心應(yīng)用界面Fig.9 User interface of command center

4 結(jié)束語

航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的半實(shí)物仿真能夠?yàn)檠芯糠治銎湎到y(tǒng)提供更加可信的仿真結(jié)果?；贓xata實(shí)現(xiàn)的航空數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真結(jié)果表明，該方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性，不僅能夠解決系統(tǒng)研究過程中模型設(shè)計(jì)、裝備性能驗(yàn)證等問題［1-4］，同時(shí)能夠減少試飛造成的裝備損毀，使裝備盡快形成戰(zhàn)斗力。作為信息化戰(zhàn)爭中戰(zhàn)斗力提升的“倍增劑”，研究航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)半實(shí)物仿真具有重要意義。

圖10 飛機(jī)應(yīng)用界面Fig.10 User interface of aircraft

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