趙志高, 張曙光, 孫金標

(1.北京航空航天大學 交通科學與工程學院, 北京 100191;2.空軍指揮學院 科研部, 北京 100097)

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一種多任務仿真系統(tǒng)及其在過失速評估中的應用

趙志高1, 張曙光1, 孫金標2

(1.北京航空航天大學 交通科學與工程學院, 北京 100191;2.空軍指揮學院 科研部, 北京 100097)

為研究新一代戰(zhàn)機的過失速特性、作戰(zhàn)效能和空戰(zhàn)戰(zhàn)法等不同需求,提出了能夠靈活適應多任務需求的柔性仿真系統(tǒng)?；诿艚莘抡嫦到y(tǒng)概念和框架,將仿真系統(tǒng)中的各模型單元設計為一系列自治的服務模型。通過描述契約定義可重用的仿真資源,亦即“服務”,并可被機器處理。仿真系統(tǒng)被描述成系統(tǒng)層面上描述契約的組合。根據該開發(fā)方法實現(xiàn)多任務柔性仿真系統(tǒng),支持研究飛行品質、空戰(zhàn)戰(zhàn)法和多機空戰(zhàn),并且易于擴展和適配后續(xù)變化的需求。利用該系統(tǒng)進行了戰(zhàn)機過失速的作戰(zhàn)效能評估,得出了最大迎角與捕獲時間的定量關系。仿真結果表明,所開發(fā)的系統(tǒng)具有預期的仿真開發(fā)的快速適應性。

面向服務; 多任務; 柔性仿真; 框架; 過失速

0　引言

新一代戰(zhàn)機具有超機動性、超聲速巡航、隱身能力、高信息優(yōu)勢、短距起降和多目標攻擊等特點,空戰(zhàn)方式也發(fā)生了變化:空戰(zhàn)距離向近距和遠距兩極發(fā)展;超聲速巡航時導彈攻擊區(qū)范圍增大;超機動能力可快速轉變空戰(zhàn)中的攻防態(tài)勢;實現(xiàn)全向攻擊;多目標攻擊方式增多;多機信息協(xié)同和將更多時間在夜間作戰(zhàn)等[1]。其中超機動性要求戰(zhàn)機具有良好的過失速能力和飛行品質。新的空戰(zhàn)方式也需要有對應的單機和多機空戰(zhàn)戰(zhàn)術策略,而使用真實戰(zhàn)機進行過失速飛行試驗和新戰(zhàn)法演練風險高、組織實施難度大、費用昂貴、各項保障復雜。針對上述新一代戰(zhàn)機的需求,需要開發(fā)同時支持大迎角飛行品質和敏捷性試驗及參數(shù)測取、人-機空戰(zhàn)戰(zhàn)法仿真試驗及多機空戰(zhàn)研究的多任務仿真系統(tǒng),實現(xiàn)柔性易于擴展、低成本、無破壞、安全、可重復、受環(huán)境約束較少等特點[2-3]。

面向對象建模、面向組件建模以及基于HLA(High Level Architecture)高層體系結構開發(fā)的技術已經在三代機等為主的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中得以應用[4-5]。這些技術使仿真系統(tǒng)應用單一、維護與擴張困難、應變能力不足[6-7]。而面向服務的建模思想是將模型設計為服務成為自治的資源模型,并且服務可以被計算機可處理的服務描述完全定義,從而使服務模型之間能夠根據需要即時地靈活組合以構建更加松散耦合的應用[8-9]。根據面向服務的建模方法,2009年焉彬[10]提出了敏捷空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)框架,該框架目標是提高系統(tǒng)適配多方面仿真需求的能力,其中主要是建立一種高度自治的可重用服務,且這些服務可以被機器可處理的描述契約完全定義。

本文在敏捷空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)框架的基礎上,研究了共用一個平臺,支持大迎角飛行品質和敏捷性試驗及參數(shù)測取、人-機空戰(zhàn)戰(zhàn)法仿真試驗及多機空戰(zhàn)研究等多任務仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)問題。

1　多任務仿真系統(tǒng)的體系架構

1.1仿真系統(tǒng)框架

對于大迎角飛行品質和敏捷性仿真任務,需要仿真系統(tǒng)具備快速接入并配置駕駛桿操縱、靈活替換動力學模型、快速配置設計參數(shù)和設置目標機機動動作的能力;對于人-機空戰(zhàn)戰(zhàn)法研究仿真任務,需要具備快速接入空戰(zhàn)戰(zhàn)法和靈活切換不同戰(zhàn)法的能力;對于多機空戰(zhàn)研究仿真任務,則需要具備快速創(chuàng)建和配置多架戰(zhàn)機、靈活設置編隊和接入并切換多機空戰(zhàn)戰(zhàn)法的能力。其中技術核心是根據任務需求,編制對應的描述契約定義任務的功能、結構、組成要素、控制指令信息和關鍵參數(shù),描述契約采用XML文檔編寫既可閱讀又能被計算機讀取識別,然后依據標準的服務模型模版開發(fā)相應任務的服務模型,服務模型是松耦合的,即可獨立運行并被對應的描述契約定義,最后在運行集成時通過加載特定任務的描述契約調用需要的參數(shù)和服務模型。

根據敏捷仿真系統(tǒng)的開發(fā)方法[10],建立了多任務仿真系統(tǒng)框架,如圖 1 所示。每個任務需求對應于具體的描述契約,各服務也有相應的描述契約,系統(tǒng)中的所有模型單元被組織為服務。基于這些描述契約,在運行時仿真引擎加載任務描述契約進而調用需要的服務模型和參數(shù),這些服務模型之間則進行持續(xù)的交互、連結以及釋放、分離等活動，以構建動態(tài)的仿真系統(tǒng)從而靈活地適應仿真的需要。

該框架在邏輯上分為應用服務層和管理服務層,其中應用服務層又分為領域具體服務層和跨領域服務層。領域具體服務層主要由空戰(zhàn)仿真領域所涉及的各種專業(yè)服務模型構成?？珙I域服務層主要包括一系列通用的中間件服務。管理服務層是整個空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的仿真引擎,它通過提供一個靈活、智能的綜合性支撐“容器”使得應用層各服務模型的建模工作以及它們之間的交互通信的復雜程度顯著降低,這有利于仿真系統(tǒng)的快速搭建、更新以及維護。

圖1　多任務仿真系統(tǒng)框架Fig.1　Multi-task simulation system architecture

1.2仿真引擎

仿真引擎是系統(tǒng)框架的核心,是一個動態(tài)的一體化仿真服務集成環(huán)境,在此基礎上各種空戰(zhàn)仿真應用能夠被動態(tài)地創(chuàng)建和管理。同樣,仿真引擎也由一系列(管理)服務模型動態(tài)組合而成,這些管理服務提供服務過濾、服務發(fā)現(xiàn)、綁定、動態(tài)創(chuàng)建以及運行時監(jiān)控等核心功能。主要的管理服務模型如下:

(1)“服務注冊中心”提供系統(tǒng)級的服務描述管理服務,所有服務模型將描述信息注冊到該模塊,并通過該模塊進行動態(tài)地發(fā)現(xiàn)、綁定相關的依賴。此外,該模塊還支持動態(tài)的服務模型加入、退出通知機制。

(2)“部屬管理服務”主要負責分析空戰(zhàn)仿真任務的特征及系統(tǒng)的當前狀態(tài),將各個服務模型動態(tài)部屬到相關的復合域和仿真結點。

(3)“描述契約管理服務”主要負責管理所有服務模型的描述契約文檔。在運行時,根據特定的過濾規(guī)則信息,該模塊動態(tài)地初始化相關服務模型的描述信息。

(4)“創(chuàng)建工廠管理服務” 主要負責管理和維護各服務模型的創(chuàng)建工廠。在運行時,根據特定的服務描述信息,相關的創(chuàng)建工廠被動態(tài)裝載用于創(chuàng)建所需求的服務模型。

(5)“組件管理服務”主要負責管理和維護中小粒度的組件模型,這些組件模型能夠根據任務需要靈活、動態(tài)地組合構建較大粒度的服務模型。

(6)“運行時管理服務”主要負責管理仿真系統(tǒng)中運行的各個服務模型,并且該模塊可以根據運行時特定的仿真需要和相關服務模型的可獲得性動態(tài)地重構仿真系統(tǒng)。

(7)“應用管理服務”主要負責裝載指定的仿真應用描述腳本,綜合協(xié)調其他各管理服務動態(tài)創(chuàng)建并管理相關仿真應用。

2　多任務仿真系統(tǒng)的開發(fā)方法

基于前述框架,仿真系統(tǒng)的開發(fā)分為兩部分:編制描述契約、服務模型建模。因此,本節(jié)首先討論描述契約的編制,然后概要介紹仿真系統(tǒng)中服務模型的組織結構。

2.1編制描述契約

描述契約將現(xiàn)實世界中的相關模型映射為一種虛擬的功能模型,并對實現(xiàn)該契約的各種仿真模型的功能邏輯與依賴邏輯在語法、語義以及行為上進行完全定義并可被計算機自動識別。編制契約的具體步驟如下:

(1)根據特定的專業(yè)背景知識,對現(xiàn)實世界中的特定模型(例如某戰(zhàn)機)進行嚴格分析,并提取出相關的領域功能邏輯(例如飛行動力學邏輯),以便定義具體仿真服務所應實現(xiàn)的相關輸出接口;

(2)根據具體仿真服務的領域功能邏輯定義信息,進一步解析出該仿真服務的各種邏輯需求,自動地通過描述契約管理服務查詢適當?shù)倪壿嬏峁┓?定義了相關邏輯輸出的描述契約);

(3)根據仿真服務的功能邏輯定義和各種適當?shù)倪壿嬏峁┓?描述契約),并利用已經提供好的契約模板,將功能邏輯和依賴邏輯快速地映射為規(guī)范化的描述信息,接下來將這些描述信息進一步適當?shù)亟M合編制,即可得到相應仿真服務的契約草案;

(4)在得到仿真服務的契約草案后,服務管理框架提供服務描述模式文檔對該契約草案進行驗證;

(5)在保證描述契約為合法的前提下,向描述契約管理服務注冊該契約,并將其存儲到描述契約倉庫中。

2.2服務模型的組織結構

服務模型是特定描述契約的具體實現(xiàn),它完全遵守描述契約所定義的功能邏輯和依賴邏輯,但可以根據不同的仿真需要按相關的技術指標和實現(xiàn)策略靈活建模,即同樣的描述契約可以對應于多個仿真服務模型。在此空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中,服務模型由一系列組件模型適當組合裝配而成,因而服務模型的建模本質上是挑選合適的組件模型并制定相應的裝配規(guī)則。本節(jié)以系統(tǒng)中的某飛行動力學服務模型為例,概要闡述服務模型的基本組織結構,見圖2。

“服務接口集合”定義了服務可提供的各種操作;“服務請求管理”是一個服務請求的托管層,主要提供請求許可、安全確認以及線程控制等方面的管理;“有效性管理”用于維護服務模型的有效性狀態(tài)信息;“依賴代理”管理該服務模型與其各依賴服務之間的通信;“核心協(xié)調”負責綜合協(xié)調服務模型的其他各個模塊,執(zhí)行相關的服務請求,避免導致模型各模塊之間的緊耦合;“底層專業(yè)邏輯組件”封裝了特定服務背景下的各個專業(yè)邏輯組件,這種背景可能是某個飛行器的動力學方程、一個碰撞檢測算法或者一個基于發(fā)布/訂購模式的HLA RTI數(shù)據總線等。

3　多任務仿真系統(tǒng)實現(xiàn)

基于前述仿真框架和開發(fā)方法建立的仿真系統(tǒng)運行示例見圖3。該系統(tǒng)主要支持研究飛行品質和敏捷性試驗、驗證各種空戰(zhàn)戰(zhàn)術策略和多機空戰(zhàn)。

圖3　多任務仿真場景Fig.3　Scenarios of multi-task simulation

多任務仿真系統(tǒng)中的三種任務需求共用的服務包括飛行動力學、飛行控制、發(fā)動機、操縱輸入、環(huán)境、大氣、數(shù)據總線、系統(tǒng)時鐘、配置服務等,不同之處是飛行品質需要程序指令服務和空戰(zhàn)決策服務,人機空戰(zhàn)任務需要空戰(zhàn)決策服務,多機空戰(zhàn)任務需要空戰(zhàn)決策和編隊服務。共同需要的硬件包括駕駛手柄、腳蹬和監(jiān)視屏幕。

4　基于仿真的過失速機動效能評估

多任務仿真系統(tǒng)支持過失速作戰(zhàn)效能評估、單機或多機空戰(zhàn)戰(zhàn)法研究,本節(jié)以過失速的作戰(zhàn)效能評估為例提供仿真系統(tǒng)的應用示例。

4.1過失速機動能力模型

多任務仿真系統(tǒng)的優(yōu)點是能柔性集成各種精確度的仿真模型,模型的精確要求視仿真任務而定,如飛行品質仿真需要高精度的模型,而效能評估需要反映待評估目標能力的模型。對于過失速機動在作戰(zhàn)中的效能,這里建立代表其能力的等效模型作為仿真的基礎。目前四代機典型過失速機動控制通常采用控制量為迎角、滾轉角、油門(αcom,φwcom,ηTcom)的指令模式[11-12],其預期響應模型為:

(1)

當啟動過失速模式時,縱向操縱指令為迎角(大于αL),橫向操縱指令為繞速度矢量的滾轉角,航向操縱指令為側滑角(一般期望保持零側滑)。這里,根據目前四代機響應特性,迎角響應取二階模型,滾轉和油門響應取一階模型?？v向響應頻率ωsp、阻尼比ζsp、滾轉通道時間常數(shù)τR、最大滾轉角φwmax等參數(shù)一般隨迎角而變化,與最大迎角αmax、油門通道時間常數(shù)τT等都是飛機可達能力和在空戰(zhàn)中效能需求的綜合體現(xiàn)。

4.2評價方法

下面評估可達最大迎角αmax對作戰(zhàn)效能的影響。采用F-16的氣動數(shù)據和推力數(shù)據[13],設定:ωsp=3 rad/s,ζsp=0.8,τR=0.67,τT=1。采用的方法是改變單一參數(shù)αmax、執(zhí)行固定任務,得出αmax對評價指標的影響。

執(zhí)行的固定任務是從高度5 km起始,操縱駕駛桿使飛機(任務機)捕獲后方直線平飛的目標(目標機)。實施此任務時,任務機將進入Herbst機動[14-16],可以體現(xiàn)飛機從被尾追態(tài)勢轉化為攻擊態(tài)勢的能力。任務機和目標機都以0.2 km/s的速度同向平飛,任務機在目標機后方5 km處,駕駛員急拉桿使任務機的迎角達最大迎角αmax,維持住最大迎角并隨后在過失速狀態(tài)下繞速矢滾轉,力圖以最小半徑、最快速度改變機頭方向以指向后方目標機。評價指標是捕獲時間tcap,即任務機從開始機動到任務機對目標機的指向角小于5°的完成時間。

4.3示例仿真

根據上述的評價方法,進行仿真系統(tǒng)評價試驗,設置最大迎角為20°～90°。其中為減小駕駛員對飛機操縱能力的分散度對結果的影響并趨近最小的捕獲時間,在設置的每個最大迎角下進行了至少6次試驗,結果如圖4所示。由試驗結果可以看出,從20°～35°失速迎角前升力系數(shù)增加,捕獲時間減少,而在35°～70°范圍的過失速區(qū),捕獲時間呈先增加后減少的趨勢,35°和70°的捕獲時間相近,從70°～90°捕獲時間繼續(xù)減少,在90°的最大迎角下,捕獲時間小于10 s。

為了進一步分析形成圖4趨勢的機理,繪出不同迎角的指向角φ隨機動時間的變化,見圖5。由圖5可知,指向角減少的時間受迎角和滾轉角的影響。迎角越大,在前幾秒有指向角減少越快的優(yōu)勢,在之后加入滾轉運動;當迎角大于35°時,會有幾秒的過渡時間指向角不改變;當迎角小于35°時并沒有這個過渡時間,指向角隨機動時間一直在減少。迎角50°與35°相比，過渡時間多于迎角帶來的優(yōu)勢,而迎角70°與35°的捕獲時間相近的原因是70°的過渡時間正好抵消了迎角更大的優(yōu)勢。而90°的過渡時間更少,同時迎角導致的時間也最小,所以指向角減少得最快。不同迎角的能量高度隨機動時間的變化見圖6。由圖6可知,迎角越大,能量耗散越多,飛機所能做的過失速機動的最大迎角受能量高度約束。因此,只有當過失速迎角大于70°才能發(fā)揮出過失速機動指向更快的效果,而在35°～70°飛機的指向效果和能量耗散情況不如在迎角35°。

圖6　不同迎角的能量高度隨機動時間的變化Fig.6　Energy heights of different AOAs with maneuvering time

通過本節(jié)示例,提供了多任務仿真系統(tǒng)在過失速作戰(zhàn)效能評估研究中的應用,并得出了系統(tǒng)中參數(shù)對過失速作戰(zhàn)效能的影響趨勢。

5　結束語

本文開發(fā)了一種柔性的多任務仿真系統(tǒng),其核心設計目標是使相應的仿真系統(tǒng)具有較高水平的自適應性和擴展能力,從而靈活適應多任務的仿真需求?；诜抡婵蚣芎烷_發(fā)方法,建立的多任務仿真系統(tǒng)支持人-機閉環(huán)大迎角飛行品質和敏捷性試驗及參數(shù)測取、空戰(zhàn)戰(zhàn)法仿真試驗和多機空戰(zhàn)研究,并針對過失速機動的作戰(zhàn)效能評估采用等效系統(tǒng)模型執(zhí)行Herbst機動捕獲任務,得出了最大迎角對捕獲時間的定量影響。當過失速迎角大于一定角度時,才能發(fā)揮出過失速更快指向的能力。

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(編輯：姚妙慧)

Application of multi-task simulation system in post stall assessment

ZHAO Zhi-gao1, ZHANG Shu-guang1, SUN Jin-biao2

(1.School of Transportation Science and Engineering, BUAA, Beijing 100191, China;2.Scientific Research Department, Air Force Command College, Beijing 100097, China)

In order to research post stall characteristics, air-combat effectiveness and air combat tactics of the new generation fighters, a flexible simulation system is required to adapt to multi-task demand in this paper. Based on the concept and framework of agile simulation system, the model unit of the simulation system is designed as a series of autonomous service model. The reusable simulation resources are defined by description contracts, known as "service", and can be machine-processing. The simulation system can be described as an abstract composition of description contracts. The development method is used to achieve the multi-task flexible simulation system, support the research of flying qualities, combat tactics and multi-aircraft air combat. The system is used to assess the closed-loop post-stall air-combat effectiveness, and the quantitative relationship between the maximum angle of attack and capture time is obtained. The results show that the system has expected rapid adaptability of the simulation development.

service-oriented; multi-task; flexible simulation; architecture; post-stall

2015-10-12;

2016-03-28; 網絡出版時間:2016-04-22 09:52

趙志高(1986-)，男，河南開封人，博士研究生，研究方向為飛行仿真。

V271.4; TP391.9

A

1002-0853(2016)05-0012-05