張 楊，石 川

（中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003）

基于反射內(nèi)存網(wǎng)的復(fù)合導(dǎo)引頭聯(lián)合仿真試驗設(shè)計?

張 楊，石 川

（中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003）

聯(lián)合仿真試驗同時具備實裝試驗、數(shù)學(xué)仿真試驗和半實物仿真試驗的優(yōu)點，可構(gòu)建全面逼真的試驗環(huán)境，其中實時算法和通信技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)?；诜瓷鋬?nèi)存網(wǎng)技術(shù)，進行了復(fù)合導(dǎo)引頭聯(lián)合仿真試驗總體方案設(shè)計，對試驗中的時間同步、數(shù)據(jù)同步等關(guān)鍵問題進行了研究，解決了聯(lián)合仿真試驗中各仿真系統(tǒng)協(xié)同及實時通信問題，對聯(lián)合仿真試驗的開展有一定的應(yīng)用價值。

聯(lián)合仿真試驗，反射內(nèi)存網(wǎng)，時間同步，數(shù)據(jù)同步

0 引言

在體系對抗條件下的信息化戰(zhàn)爭中，信息占有與信息利用的水平極大影響著攻防雙方作戰(zhàn)能力的發(fā)揮。信息的占有和利用需以先進的電子信息裝備為基礎(chǔ)，并配合戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法的合理運用才能達到預(yù)想的目的［1-2］。而電子信息裝備的技術(shù)性能和效能的考核需要在復(fù)雜的逼近實際的環(huán)境背景下進行，構(gòu)建這樣的環(huán)境有兩種途徑，一是構(gòu)建真實環(huán)境，這種途徑參試裝備多，規(guī)模大，不可控；二是構(gòu)建聯(lián)合仿真試驗環(huán)境，這種途徑采用虛實結(jié)合的方式構(gòu)造類似逼近實際的環(huán)境背景，實現(xiàn)環(huán)境可塑可控可復(fù)現(xiàn)。聯(lián)合仿真試驗同時具備實裝試驗、數(shù)學(xué)仿真試驗和半實物仿真試驗的優(yōu)點，是開展體系對抗條件下的試驗評估的重要手段。

聯(lián)合仿真試驗是一個龐大的系統(tǒng)工程，需在指揮信息系統(tǒng)支持下，實現(xiàn)散布在廣域空間中大量傳感器與作戰(zhàn)指揮中心的信息交聯(lián)［3］。因此，它是時間約束非常強的過程，是高精度的硬實時系統(tǒng)，其計算、數(shù)據(jù)通信和關(guān)鍵信號處理如果出現(xiàn)超時將可能導(dǎo)致整個仿真試驗的失敗。聯(lián)合仿真試驗系統(tǒng)中實時性要求高的信息需要通過強實時網(wǎng)絡(luò)傳輸，反射內(nèi)存網(wǎng)具備信息傳輸確定、可靠和傳輸延遲穩(wěn)定的優(yōu)點，是目前構(gòu)建強實時網(wǎng)絡(luò)的主要選擇。本文進行了基于反射內(nèi)存網(wǎng)的復(fù)合導(dǎo)引頭聯(lián)合仿真試驗設(shè)計，解決了聯(lián)合仿真試驗中的實時通信問題，并有很強的通用性。

1 反射內(nèi)存網(wǎng)通信原理

反射內(nèi)存網(wǎng)（Reflective memory network）是一種基于高速網(wǎng)絡(luò)的共享存儲器技術(shù)的實時網(wǎng)絡(luò)。相比傳統(tǒng)以太網(wǎng)，具備以下優(yōu)點［4-6］：

（1）傳輸確定性：可保證數(shù)據(jù)可達；

（2）傳輸延遲穩(wěn)定性：傳輸延遲抖動為微秒級；

（3）可靠性：通過讀寫校對，確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性；

（4）支持跨平臺：支持通用計算機、嵌入式計算機等平臺。

反射內(nèi)存網(wǎng)是在每臺被連接的計算機里安裝一塊反射內(nèi)存卡，對每塊板卡的內(nèi)存操作都會像鏡子一樣，反射到與之相連的其他板卡上。各計算機上的反射內(nèi)存卡通過光纖或者同軸電纜進行連接，板卡間通過光纖HUB連接或直接串行連接，形成星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)或環(huán)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，圖1所示為星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。環(huán)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是成本低，只需在每個節(jié)點配備一塊板卡即可，缺點是網(wǎng)絡(luò)中一個節(jié)點故障會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，另外由于數(shù)據(jù)需要串行傳遞，從而造成時間延遲；星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是可靠性高，傳輸時效高，個別節(jié)點故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)，缺點是由于需要光纖HUB，成本較環(huán)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)要高。

圖1 反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)星形結(jié)構(gòu)

反射內(nèi)存網(wǎng)中存在兩種映射關(guān)系，一種是計算機內(nèi)存到反射內(nèi)存卡內(nèi)存的映射，一種是每塊反射內(nèi)存卡內(nèi)存到全局共享內(nèi)存的映射，其中全局共享內(nèi)存是所有反射內(nèi)存卡內(nèi)存組成的一個邏輯上的存儲器。使用中只需像訪問普通內(nèi)存一樣訪問計算機內(nèi)存，即可映射到反射內(nèi)存卡，進而映射到全局共享內(nèi)存，被網(wǎng)絡(luò)中其他計算機所感知。

反射內(nèi)存卡之間通過自定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行通信，由于采用了簡化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以具有非常高的傳輸速度，一般在微秒量級上。對反射內(nèi)存網(wǎng)中的計算機而言，根本不用考慮反射內(nèi)存卡之間的傳輸問題，從而極大地減輕了計算機的工作負擔。一旦反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)中的任何一臺計算機向反射內(nèi)存寫數(shù)據(jù)，改寫的數(shù)據(jù)立刻以很高的速度，通過高速光纖或同軸電纜傳輸?shù)狡渌W(wǎng)絡(luò)節(jié)點的共享內(nèi)存區(qū)域。也就是說，數(shù)據(jù)的傳輸物理上完全獨享高速專用網(wǎng)絡(luò)。整個數(shù)據(jù)復(fù)制過程沒有總線沖突，沒有耗時的協(xié)議開銷，也沒有不可確定的數(shù)據(jù)破壞。各處理器之間的通信速度和訪問內(nèi)存的速度一樣快，從而保證了整個系統(tǒng)的實時性。

2 復(fù)合導(dǎo)引頭聯(lián)合仿真試驗系統(tǒng)設(shè)計集成

2.1 聯(lián)合仿真試驗系統(tǒng)構(gòu)成

以雷達電視復(fù)合導(dǎo)引頭試驗為例，試驗過程中需要應(yīng)用雷達和光電兩個專業(yè)的仿真試驗系統(tǒng)，為使兩種仿真試驗系統(tǒng)在復(fù)合導(dǎo)引頭的測試中有機地結(jié)合，需要使用軟件中間件、接口網(wǎng)關(guān)和通信基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建聯(lián)合仿真試驗系統(tǒng)。聯(lián)合仿真試驗系統(tǒng)集成的運行架構(gòu)如下頁圖2所示。通過管控模塊實現(xiàn)對整個試驗系統(tǒng)集中管理，時鐘同步模塊進行時間節(jié)拍下發(fā)和系統(tǒng)同步管理，公共劇情模塊生成并實時下發(fā)試驗所需劇情，試驗監(jiān)視與控制模塊監(jiān)控仿真系統(tǒng)各部分運行情況，并及時調(diào)整工作狀態(tài)，試驗信息記錄與顯示模塊根據(jù)任務(wù)需求進行結(jié)果記錄及可視化輸出，試驗評估模塊對結(jié)果數(shù)據(jù)進行實時評估和反饋，公共計算服務(wù)為系統(tǒng)試驗過程中的目標電磁散射特性計算、目標及其環(huán)境光學(xué)特性計算和信號的處理分析等提供高效的計算服務(wù)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

仿真試驗系統(tǒng)中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)采用高速以太網(wǎng)技術(shù)，用于傳輸仿真控制信息和仿真應(yīng)用信息等弱實時交互信息。激勵網(wǎng)采用反射內(nèi)存網(wǎng)技術(shù)，用于傳輸對傳輸時間延遲有苛刻要求的信息。分布式聯(lián)合仿真網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如下頁圖3所示。

圖2 聯(lián)合仿真運行架構(gòu)示意圖

圖3 分布式聯(lián)合仿真網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

3 基于反射內(nèi)存網(wǎng)的復(fù)合導(dǎo)引頭聯(lián)合仿真試驗設(shè)計

3.1 復(fù)合導(dǎo)引頭聯(lián)合仿真試驗中反射內(nèi)存網(wǎng)設(shè)計應(yīng)用

3.1.1 時間同步

實時仿真系統(tǒng)是按仿真周期的節(jié)拍來工作，并對各計算機之間的同步要求很高［7-8］。反射內(nèi)存網(wǎng)的實時同步更新特性可很好地滿足這一要求。為此在聯(lián)合仿真試驗中需設(shè)置時間同步服務(wù)器，其任務(wù)就是利用反射內(nèi)存網(wǎng)向全系統(tǒng)發(fā)送時間節(jié)拍。如向系統(tǒng)提供50 ms、5 ms和1 ms的時間節(jié)拍（只要按時間間隔把節(jié)拍寫入到反射內(nèi)存卡內(nèi)存中即可），供各系統(tǒng)選擇使用。各節(jié)點只要在相應(yīng)的發(fā)布時間節(jié)拍的節(jié)點卡地址上設(shè)置寫中斷使能，就可以得到所需的時間節(jié)拍，從而使整個系統(tǒng)工作在同一的時間節(jié)拍上。

3.1.2 數(shù)據(jù)同步

進行聯(lián)合仿真試驗時，為了更好地控制寫入共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)，將反射內(nèi)存網(wǎng)共享內(nèi)存區(qū)域劃分為控制字區(qū)、同步字區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)區(qū)是由某一節(jié)點寫入的性質(zhì)相同的一批數(shù)據(jù)組成，對一個數(shù)據(jù)區(qū)的寫權(quán)限須做出明確的界定，即一個區(qū)只有一個節(jié)點有寫權(quán)限，但對該數(shù)據(jù)區(qū)的讀權(quán)限無法作限制。對讀節(jié)點在某個數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)置了寫中斷，該數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)更新后，要求寫中斷響應(yīng)節(jié)點立刻讀取數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)讀寫同步。

控制字區(qū)只能由試驗監(jiān)視與控制計算機寫入；同步字區(qū)只能由時鐘同步服務(wù)器寫入。仿真試驗系統(tǒng)在各網(wǎng)仿真節(jié)點，主要在同步字時序和控制字驅(qū)動下（寫中斷）開始協(xié)同仿真運行，并從數(shù)據(jù)區(qū)中交換數(shù)據(jù)。

3.1.3 讀寫沖突

參加聯(lián)合仿真試驗的計算機節(jié)點雖然可以同時響應(yīng)時間節(jié)拍開始工作，但由于反射內(nèi)存機制的特殊性，在各自執(zhí)行任務(wù)工作量不同、完成任務(wù)時間不同的情況下，不同仿真節(jié)點有可能對同一地址進行操作，發(fā)生讀寫沖突。如果強求寫入時機一致的話，不僅給軟件設(shè)計和編程帶來更多的任務(wù)，也會給網(wǎng)絡(luò)帶寬在某一時間造成壓力。研究發(fā)現(xiàn)，同時的寫入動作可能造成網(wǎng)絡(luò)沖突，但同時從共享內(nèi)存區(qū)域讀取數(shù)據(jù)卻不會給網(wǎng)絡(luò)帶來任何影響。因此，為了避免讀寫沖突，當某一時間節(jié)拍到來時，首先要做的事情就是從共享內(nèi)存區(qū)域中讀取所需的數(shù)據(jù)，而不是寫入，然后再開始一個周期的運算，運算結(jié)束后把結(jié)果寫入共享內(nèi)存區(qū)域。在運行的前幾幀時，要根據(jù)數(shù)據(jù)幀的時序決定是否進行數(shù)據(jù)讀取。

3.2 仿真試驗設(shè)計實例

基于反射內(nèi)存網(wǎng)的復(fù)合導(dǎo)引頭聯(lián)合仿真試驗設(shè)計中，主要使用射頻目標及干擾模擬系統(tǒng)、光電半實物目標模擬系統(tǒng)，飛行運動模擬系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)等［9-10］。系統(tǒng)組成和信息交互如圖4所示。

圖4 復(fù)合導(dǎo)引頭聯(lián)合仿真試驗系統(tǒng)組成

射頻目標及干擾模擬系統(tǒng)包括射頻信號生成系統(tǒng)和天線陣列與微波饋電系統(tǒng)，射頻信號生成系統(tǒng)用于生成模擬的雷達導(dǎo)引頭目標回波信號、各種干擾信號，天線陣列與微波饋電系統(tǒng)用于將模擬的雷達目標回波信號和各種干擾信號按照要求的位置向雷達導(dǎo)引頭進行輻射。

光電半實物目標模擬系統(tǒng)包括光電目標模擬控制系統(tǒng)和視頻信號生成系統(tǒng)。主要用來生成目標及背景圖像信號。

飛行運動模擬系統(tǒng)包括飛行轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)、舵機負載模擬器等。導(dǎo)引頭安裝在飛行轉(zhuǎn)臺上，用來復(fù)現(xiàn)被試裝備的偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)3個飛行姿態(tài)。

計算機控制系統(tǒng)包括實時仿真系統(tǒng)和射頻計算機控制系統(tǒng)。實時仿真系統(tǒng)主要用來實時解算被試裝備運動、目標運動、被試裝備與目標相對運動的數(shù)學(xué)模型。射頻計算機控制系統(tǒng)生成距離、角度、能量等控制信號，饋送到射頻信號生成系統(tǒng)生成目標回波及干擾環(huán)境。

整個系統(tǒng)可以按照對實時性的要求分為強實時部分和弱實時部分。強實時部分包括對時間要求嚴格的時間同步節(jié)拍的發(fā)布，動態(tài)劇情的更新，運動姿態(tài)、位置等實時參數(shù)的數(shù)學(xué)仿真、信號中頻處理以及信號射頻放大部分；而弱實時部分包括對時間不敏感的數(shù)據(jù)記錄、離線分析、人機交互等部分。根據(jù)設(shè)計，強實時部分之間的通信由反射內(nèi)存網(wǎng)完成；而弱實時部分之間的通信由傳統(tǒng)的以太網(wǎng)完成。

仿真試驗階段工作流程如下頁圖5所示。

①根據(jù)試驗任務(wù)需求進行席位配置和相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

②在仿真系統(tǒng)內(nèi)各席位中部署成員監(jiān)視服務(wù)和數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，仿真試驗準備完畢。

③完成電子信息裝備參數(shù)配置，初始劇情想定，下達初始化命令。各席位的成員監(jiān)視服務(wù)接收仿真初始化命令后，通過數(shù)據(jù)訪問服務(wù)讀取本席位的仿真任務(wù)，并下載和啟動相應(yīng)的模擬器程序，調(diào)用數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，讀取自身的裝備性能參數(shù)、工作參數(shù)、交互關(guān)系和指揮關(guān)系等信息，完成初始化工作。

圖5 試驗工作流程

④根據(jù)仿真時鐘推進，進行仿真試驗。更新下發(fā)實時劇情，導(dǎo)引頭進行空域搜索，雷達仿真試驗實時仿真系統(tǒng)生成各裝備的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，寫入到反射內(nèi)存網(wǎng)中。射頻信號生成系統(tǒng)和視頻信號生成系統(tǒng)同時讀取導(dǎo)引頭發(fā)射信號和位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生相應(yīng)的目標模擬及干擾信號，寫入反射內(nèi)存網(wǎng)，并饋送入天線陣列。

⑤雷達導(dǎo)引裝置達到觸發(fā)門限后，導(dǎo)引頭從搜索轉(zhuǎn)為跟蹤狀態(tài)。雷達仿真試驗實時仿真系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)引頭接收到的信號，解算出平臺姿態(tài)控制信息傳給轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)和反射內(nèi)存網(wǎng)，完成雷達仿真試驗系統(tǒng)中導(dǎo)引頭的姿態(tài)變化。同時，光電仿真試驗系統(tǒng)根據(jù)反射內(nèi)存網(wǎng)中的平臺姿態(tài)控制信息，完成光電試驗系統(tǒng)中導(dǎo)引頭的姿態(tài)變化。

⑥導(dǎo)引頭根據(jù)雷達試驗仿真系統(tǒng)輸出的控制信號，實時調(diào)整飛行姿態(tài)，實現(xiàn)對目標的穩(wěn)定跟蹤。

⑦當光電導(dǎo)引裝置達到觸發(fā)門限后，導(dǎo)引頭根據(jù)光電試驗仿真系統(tǒng)輸出的控制信號，實時調(diào)整飛行姿態(tài)，實現(xiàn)對目標的穩(wěn)定跟蹤。

⑧達到攻擊門限，下達攻擊命令，完成目標攻擊并上報結(jié)果。

⑨仿真過程中通過試驗監(jiān)視與控制計算機獲取的實時信息監(jiān)控仿真系統(tǒng)各部分工作情況，以便進行狀態(tài)調(diào)整等工作。試驗信息記錄與顯示計算機根據(jù)需求實時記錄仿真結(jié)果并顯示仿真態(tài)勢。試驗評估計算機根據(jù)試驗信息和狀態(tài)結(jié)果，實時評估試驗情況并反饋給試驗監(jiān)視與控制計算機，完成試驗的實時評估。

4 結(jié)論

本文針對反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)在聯(lián)合仿真試驗中的應(yīng)用進行了研究，結(jié)合輻射式雷達仿真試驗系統(tǒng)和光電仿真試驗系統(tǒng)，進行了基于反射內(nèi)存網(wǎng)的復(fù)合導(dǎo)引頭聯(lián)合仿真試驗系統(tǒng)設(shè)計?；诜瓷鋬?nèi)存網(wǎng)的聯(lián)合仿真試驗，通信實時性好，數(shù)據(jù)傳輸速度快，傳輸可靠性高，便于升級、移植，可以為以后聯(lián)合仿真試驗提供借鑒。

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Design for Joint Simulation Test of Combined Seeker Based on Reflective Memory Network

ZHANG Yang，SHI Chuan
（Luoyang Electronic Equipment Test Center，Luoyang 471003，China）

Joint simulation test has the advantage of live test，digital simulation test and hardwarein-the-loop simulation test，which can build the lifelike test environment.The key techniques of joint simulation test are real-time algorithmic and communication technology.In this paper，based on reflective memory network，the design for joint simulation test of combined seeker will be carry on.And the key problems such as time synchronization and data synchronization are also be researched.The issues about system collaboration and real-time communication joint simulation test in are resolved，which can provide a certain value in carrying out joint simulation test.

joint simulation test，reflective memory network，time synchronization，data synchronization

TP391

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.07.038

1002-0640（2017）07-0175-05

2016-05-10

2016-06-26

國家自然科學(xué)基金（61301236）；國家社科基金資助項目（13QJ004-119）

張 楊（1981- ），女，河南鞏義人，碩士，助理研究員。研究方向：雷達及雷達對抗仿真。