張兵強 方 偉 王 萌

(海軍航空大學信息融合研究所 山東 煙臺 264001)

0 引 言

隨著通用和軍用航空技術、計算機圖形/圖像技術、VR/AR/MR仿真技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，基于分布式仿真的飛行模擬訓練在軍用、民用等領域獲得越來越廣泛的應用。早期的飛行模擬器主要是提供單機模擬訓練，為人體感受提供全面和逼真的仿真環(huán)境，從而使飛行員獲得培訓和親身體驗。隨著技術的發(fā)展和應用需求的改變，人們需要將不同地域的多臺單機飛行模擬器互聯(lián)，多臺飛行模擬器分別扮演紅藍方，形成跨地域的多臺飛行模擬器的組網(wǎng)訓練，完成諸如編隊飛行、空中對抗、協(xié)同作戰(zhàn)等更加復雜的訓練課目[1-6]。這就要求飛行模擬器由單機性能仿真發(fā)展到多臺模擬器在作戰(zhàn)環(huán)境下的聯(lián)網(wǎng)對抗仿真，對飛行模擬器提出了新的技術要求。

目前，大部分的飛行模擬器采用基于分布式交互仿真(Distributed Interactive Simulation，DIS)技術或者高層體系結構(High Level Architecture，HLA)協(xié)議來開發(fā)的分布式仿真系統(tǒng)[1]，仿真時鐘的同步性將對分布式仿真系統(tǒng)產(chǎn)生時序顛倒、抖動等多方面的問題。如飛行模擬器的編隊飛行、加油飛行、大機動飛行等訓練課目，非同步仿真的時鐘，人為感受最強烈的影響就是視景系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的抖動或撕裂。因此，需要通過多種機制解決飛行模擬器組網(wǎng)訓練中的同步仿真問題[6-7]。

文獻[2]和文獻[3]主要討論了飛行模擬器聯(lián)網(wǎng)仿真中同步問題對于視景圖像抖動的影響，采用對幀加入時間戳的方法實現(xiàn)了軟時鐘同步，并針對視景解算幀步長和飛行模擬器解算幀步長不一致的情況，采用了加權滑動平均或直線擬合的平滑方法來解決相鄰實體的視點坐標轉換。該方法主要考慮的是單機模擬器內部的仿真數(shù)據(jù)同步處理問題，組網(wǎng)訓練時需要對已有的模擬器進行較大的軟件升級改造。文獻[4]和文獻[6]則直接采用了HLA協(xié)議中的“時間管理”機制來控制飛行仿真系統(tǒng)的同步狀態(tài)，主要采用了保守同步和樂觀同步兩種同步機制，并不能夠確保嚴格的時鐘同步和仿真步長的一致性，其中文獻[6]通過基于HLA的網(wǎng)絡將導調控制等分系統(tǒng)和經(jīng)過聯(lián)網(wǎng)改造的飛行模擬器進行聯(lián)網(wǎng)整合，構建了飛行模擬器聯(lián)網(wǎng)訓練系統(tǒng)，僅在本地實現(xiàn)了多機聯(lián)合訓練功能。文獻[8]則基于時鐘同步卡實現(xiàn)了單個直升機模擬器中多個分系統(tǒng)之間的同步，選取其中一個作為時鐘源，其他分系統(tǒng)作為同步方，無法適用于異地模擬器之間的同步。文獻[9]提出將飛行模擬器中各仿真節(jié)點的數(shù)據(jù)分發(fā)和仿真解算剝離開來，單獨設立流程控制和數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點計算機，文獻[9]和文獻[10]均采用基于反射內存網(wǎng)絡的同步機制，來解決大規(guī)模組網(wǎng)演練中的模擬器實時和同步要求。該方案可以支撐大規(guī)模的本地組網(wǎng)訓練，但對于跨地域的組網(wǎng)訓練則面臨構建復雜、成本昂貴、實現(xiàn)困難、系統(tǒng)擴展性差的缺點[6]。

傳統(tǒng)的飛行模擬器常采用軟同步算法，同步的工作量大且同步偏差容易積累。本文針對飛行模擬器跨地域聯(lián)網(wǎng)訓練中的同步仿真問題，重點研究了多飛行模擬器同步仿真的構建方案，采用基于全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)的硬件同步和軟件平滑預測處理的混合同步機制。以GPS或北斗導航衛(wèi)星的精確授時同步脈沖作為跨地域同步仿真的觸發(fā)信號，并以同步信號的恒定正負頻寬來確保仿真步長的一致性，同時以導航衛(wèi)星的授時數(shù)據(jù)為跨地域的模擬器提供時統(tǒng)服務；并通過聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理軟件對接收的數(shù)據(jù)依據(jù)仿真步長進行平滑處理和預測，克服網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳遞時延的影響，從而構建了適用于跨地域模擬飛行的有序正確的同步機制。

1 異地同步仿真基本思路

飛行模擬器的跨地域組網(wǎng)訓練是將多臺異地的飛行模擬器聯(lián)網(wǎng)構成一個虛擬的戰(zhàn)場環(huán)境，使參訓人員在虛擬的戰(zhàn)場環(huán)境中進行多機種聯(lián)合對抗訓練。實現(xiàn)多臺模擬器的聯(lián)網(wǎng)，不僅要求模擬器內部的實時性，同時要求模擬器之間的實時性。多模擬器聯(lián)網(wǎng)中的實時仿真時間包括幀計算時間和幀發(fā)送時間[10]。

考慮到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳遞的延遲，還應包括幀接收時間。幀計算時間即為仿真周期或稱為仿真時間步長；幀發(fā)送時間即為發(fā)送幀數(shù)據(jù)的時刻；幀接收時間則為幀數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸后被仿真節(jié)點接收到的時刻。

為了保證異地聯(lián)網(wǎng)飛行仿真的實時性，應解決兩個技術問題：仿真時間同步控制和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸延遲補償[11]。根據(jù)異地同步仿真需求，本文采用硬件同步觸發(fā)和軟件平滑預測處理的混合同步仿真機制，基本思路如下：

(1) 在聯(lián)網(wǎng)的單機飛行模擬器中增設基于GNSS的硬件時鐘同步裝置，提供精確的同步脈沖信號作為仿真計算的觸發(fā)信號，其上升沿對應幀接收時間，其恒定正負頻寬對應幀計算時間，以保證異地精確的仿真時間同步控制。對于反射內存網(wǎng)構建的本地飛行模擬器，硬件同步脈沖通過反射內存網(wǎng)迅速地通知模擬器的飛行仿真等子系統(tǒng)；對于以太網(wǎng)構建的本地飛行模擬器，硬件同步脈沖則通過串口或者PCI卡以事件中斷處理的方式直接通知模擬器的飛行仿真等子系統(tǒng)。飛行仿真子系統(tǒng)收到同步信號后首先接收數(shù)據(jù)，然后開始仿真計算，并向外發(fā)布解算后的結果?；贕NSS的硬件時鐘同步裝置除了完成上述的時序同步外，還同時提供時間同步，即對時服務。以周期性廣播的方式為局域網(wǎng)內的計算機提供基于衛(wèi)星時間的網(wǎng)絡授時和時間脈沖觸發(fā)下的串口精確授時服務，并提供支持NTP標準的網(wǎng)絡授時服務。串口精確授時服務可用于異地聯(lián)網(wǎng)訓練的同時刻啟動。

(2) 在聯(lián)網(wǎng)的單機飛行模擬器中增設聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點計算機，負責聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收處理，完成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的格式轉換、平滑和預測處理等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸延遲補償，以克服廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳遞時延的不確定性對飛行實時仿真的影響。發(fā)送的每幀聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)均加入時間戳，進行數(shù)據(jù)幀的標識。接收方收到聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)時檢查幀標識和幀計數(shù)，根據(jù)幀計數(shù)來決定當前數(shù)據(jù)是否錯幀，以決定是否對數(shù)據(jù)進行平滑和預測處理。同時，對異地聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)更新策略進行優(yōu)化，分為高頻度更新數(shù)據(jù)和低頻度更新數(shù)據(jù)[7]。對數(shù)據(jù)變量在發(fā)送前與前次數(shù)據(jù)內容進行對比，若數(shù)據(jù)未發(fā)生變化或在容忍誤差范圍內，則不進行傳輸，僅通過接收方的DRM(Dead Reckoning Model)進行預測，以降低對廣域網(wǎng)絡帶寬的需求。

2 同步仿真的系統(tǒng)結構

2.1 聯(lián)網(wǎng)訓練的同步仿真框圖

飛行模擬器本身是一個復雜的系統(tǒng)，單臺飛行模擬器大部分采用多節(jié)點、多網(wǎng)段、集中控制的網(wǎng)絡結構，所有節(jié)點都連在以太網(wǎng)上，或者部分節(jié)點連接在反射內存網(wǎng)上，構成了一個集現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)和反射內存網(wǎng)于一體的混合型網(wǎng)絡系統(tǒng)，即采用分布式仿真的方法，通過混合型網(wǎng)絡進行各個仿真解算節(jié)點間的通信[3,9-10]。

飛行模擬器中對各節(jié)點計算機的實時性要求是不一樣的，具有強實時性要求的計算機主要包括進行狀態(tài)量解算的飛行、武器火控、機載航電、視景仿真和數(shù)據(jù)采集等計算機；非強實時性要求的計算機一般包括與界面顯示和控制管理相關的計算機。因此，同步仿真的關鍵是實現(xiàn)具有強實時性要求節(jié)點的同步計算，確保它們的時序和邏輯的正確性。

飛行模擬器異地聯(lián)網(wǎng)訓練中采用的同步仿真系統(tǒng)結構如圖1所示。采用基于GPS或北斗導航衛(wèi)星的硬件時鐘同步方案，基于反射內存網(wǎng)的飛行模擬器中，直接將硬件時鐘同步裝置的同步信號接入反射內存網(wǎng)；而對于基于以太網(wǎng)的飛行模擬器，則將硬件時鐘同步裝置的同步信號直接引入到強實時仿真的計算節(jié)點。通過聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點實現(xiàn)廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收處理。

圖1 飛行模擬器異地聯(lián)網(wǎng)訓練的同步仿真結構

基于GPS或北斗導航衛(wèi)星的同步仿真原理為：由高精度晶振構成的振蕩器經(jīng)過分頻能產(chǎn)生滿足仿真周期要求的同步信號，它每隔1 s被導航衛(wèi)星的秒脈沖(PPS)信號同步一次，保證振蕩器輸出的同步信號的前沿與衛(wèi)星PPS信號同步，并確保同步信號正負頻寬(對應仿真計算周期)的穩(wěn)定性。同時，導航衛(wèi)星信號接收機經(jīng)標準串口輸出的時間信息可用于給聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)以“時間標簽”，以用于廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收處理。

由于導航衛(wèi)星系統(tǒng)具有授時精度高、信號覆蓋范圍廣的特點，利用導航衛(wèi)星實現(xiàn)的同步仿真，可保證各地域飛行模擬器的高精度同步仿真計算，其同步信號精度可以達到1 μs甚至更高[12]，能夠較好地解決異地飛行模擬器時鐘同步和高精度授時問題。

2.2 同步仿真數(shù)據(jù)流的時序劃分

對于異地聯(lián)網(wǎng)訓練的飛行仿真系統(tǒng)，時間管理和同步是實現(xiàn)正確仿真邏輯的關鍵和難點，需要確保異構網(wǎng)絡環(huán)境下分布式仿真的嚴格同步和實時性，就需要對仿真數(shù)據(jù)的時序處理進行優(yōu)化設計。

在飛行模擬器中，飛行仿真節(jié)點的實時性要求最高，聯(lián)網(wǎng)訓練時接收數(shù)據(jù)的一致性要求也很高。為此，基于GNSS實現(xiàn)異地模擬器的仿真主時鐘的硬同步，并將每個仿真周期分為接收(R)、處理(C)、發(fā)送(T)等三個階段，實現(xiàn)異地模擬器的正確交互時序和同步推進。同步仿真數(shù)據(jù)流的時序如圖2所示。

圖2 同步仿真數(shù)據(jù)流時序示意圖

以衛(wèi)星PPS信號為基準的同步信號采用雙邊沿觸發(fā)，其占空比為50%，具有相同的正負頻寬，作為飛行模擬器仿真的周期。在同步信號的觸發(fā)邊沿，首先接收聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點平滑預測處理過的數(shù)據(jù)，然后進行仿真解算處理，最后將計算結果通過聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點發(fā)送出去。

穩(wěn)定的同步信號觸發(fā)邊沿可以確保異地接收數(shù)據(jù)的同步性和仿真周期的恒定性，專設的聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點是模擬器的唯一聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)出入口，可以保證單個模擬器內部接收到數(shù)據(jù)的一致性。因受廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)長距離傳輸?shù)挠绊?，網(wǎng)絡傳輸?shù)牟环€(wěn)定容易引發(fā)信息延遲和數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象，但不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)時序邏輯的混亂。聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點會將預測的數(shù)據(jù)發(fā)布到本地模擬器的內部其他仿真節(jié)點，以保證實時數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

2.3 基于GNSS的硬件時鐘同步方案

異地聯(lián)網(wǎng)訓練同步仿真的關鍵是設置了基于GNSS同步的硬件時鐘，可根據(jù)實時性約束要求，選擇反射內存網(wǎng)或者專門的同步信號線來傳遞統(tǒng)一的外部時序信號。該時序信號可以直接驅動實時仿真系統(tǒng)的通信引擎，通信引擎設計時同時將硬件和軟件時鐘同步模型進行集成，引擎依據(jù)實際環(huán)境配置，優(yōu)先選用硬件同步方式，若硬件同步出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)自動轉入軟同步方式處理，以保證系統(tǒng)的同步性[7]。

硬件同步時鐘的模塊劃分如圖3所示，包括GNSS模塊、微處理器模塊、同步信號選擇模塊、同步信號輸出模塊、外同步信號調理模塊、級聯(lián)模塊和電源模塊等。

圖3 基于GNSS的硬件同步時鐘模塊劃分

GNSS模塊內部采用硬件鎖相環(huán)實現(xiàn)仿真主時鐘的硬同步，輸出秒脈沖PPS信號和衛(wèi)星同步信號，并通過串口輸出授時數(shù)據(jù)；微處理器模塊是整個硬件時鐘同步的控制核心，實現(xiàn)對衛(wèi)星同步信號的監(jiān)測，并根據(jù)輸入的同步源信號產(chǎn)生自同步信號，實現(xiàn)控制裝置的同步信號輸出切換控制，根據(jù)接收的網(wǎng)絡控制數(shù)據(jù)實現(xiàn)控制裝置輸出的同步信號頻率設置、授時數(shù)據(jù)時間間隔設置和GNSS模塊工作狀態(tài)控制等。

外同步信號調理模塊則用于本地脈沖觸發(fā)式或邊沿觸發(fā)式同步信號的接收和調理。外同步信號可以是視景系統(tǒng)輸出視頻幀的場信號或者專業(yè)顯卡配套的同步子卡輸出的同步信號，并可以輸出TTL同步信號給專業(yè)顯卡的同步子卡，實現(xiàn)仿真計算與視頻刷新的同步。此工作模式可以實現(xiàn)本地飛行模擬器的仿真節(jié)點與視景圖像刷新率的同步計算。

該硬件時鐘同步方案可以通過主控制器和從控制器的級聯(lián)實現(xiàn)多個仿真節(jié)點計算機的同步，具有衛(wèi)星同步、從同步、外同步和定時同步四種同步時序觸發(fā)信號的生成方式，并通過多個同步口輸出給計算機RS-232C串口或者具有RS-485接口的PCI定時卡，實時仿真系統(tǒng)的通信引擎以事件中斷處理的方式來實現(xiàn)周期性計算的同步信號觸發(fā)。

另外，可以基于衛(wèi)星時間，通過網(wǎng)絡或串口提供授時間隔可調的周期性授時服務，并可作為NTP授時服務器，提供滿足NTP標準的授時服務，實現(xiàn)異地聯(lián)網(wǎng)訓練的時戳校時、數(shù)據(jù)記錄對準和訓練過程管理。

基于GNSS的硬件時鐘同步方案為異地聯(lián)網(wǎng)的各仿真節(jié)點計算機提供了一種同源、高精度的同步時序觸發(fā)信號和接收一致性時間的方法，同時支持網(wǎng)絡授時和單串口精確授時，并具有基于GNSS的異地組網(wǎng)條件下的時序觸發(fā)信號的同步能力。

2.4 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)平滑和預測處理

上述基于硬件時鐘的同步仿真方案提高了模擬器聯(lián)網(wǎng)的物理時間同步精度，時鐘偏移量可低至納秒級，但還面臨著兩個問題：

(1) 廣域網(wǎng)環(huán)境中網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G幀和延遲問題。受模擬器互聯(lián)網(wǎng)絡帶寬和長距離傳輸?shù)挠绊?，模擬器間交互的數(shù)據(jù)會存在丟包和延遲現(xiàn)象。通常千兆網(wǎng)絡中，模擬器互聯(lián)在局域網(wǎng)的網(wǎng)絡延遲不大于1 ms，廣域網(wǎng)環(huán)境中測試的網(wǎng)絡延遲可達120 ms以上。因此，相對于飛行模擬器10 ms的解算周期，廣域網(wǎng)中接收的數(shù)據(jù)將會不連續(xù)或不能實時更新，對于飛行模擬器，延遲達到100 ms以上將會有明顯的卡頓現(xiàn)象，影響飛行訓練品質。同時，廣域網(wǎng)中較大的延遲和長距離傳輸，也將對高頻度飛行數(shù)據(jù)的同步更新帶來更大的丟包率影響，在不同幀長和流量大小下的丟包率大于1%。

(2) 仿真周期內不能及時完成解算處理(C)階段或仿真周期不一致的問題。若在某個仿真周期內，某臺模擬器的仿真節(jié)點因解算負載太重而未能將計算結果發(fā)送出去，也將導致其他模擬器在下一幀仿真啟動時，其數(shù)據(jù)不能實時更新。

上述的兩個問題可以歸結為大規(guī)模分布式仿真中的時空不一致性問題[13-15]，可以通過聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點的軟件平滑預測處理加以解決。在異地互聯(lián)網(wǎng)絡通信引擎的設計時，采用優(yōu)化的數(shù)據(jù)更新策略[7]，并結合數(shù)據(jù)的平滑預測模型(DRM)，可以實現(xiàn)各模擬器內部仿真節(jié)點接收數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

仿真節(jié)點的數(shù)據(jù)更新流程和聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點的DRM接收處理流程如圖4所示，它們的流程均在穩(wěn)定的硬件同步信號的觸發(fā)下進行處理。

(a) 仿真節(jié)點數(shù)據(jù)更新 (b) 聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點接收圖4 仿真節(jié)點數(shù)據(jù)更新和聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點接收處理流程

仿真節(jié)點的本地實體維護一個高精度仿真模型和一個簡化的DRM，當高精度模型解算出的位置、姿態(tài)等實體狀態(tài)數(shù)據(jù)與DRM解算出的實體狀態(tài)數(shù)據(jù)的差值超過設定的門限時，仿真節(jié)點才通過聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點向外發(fā)送實體狀態(tài)更新數(shù)據(jù)，以降低網(wǎng)絡帶寬的需求。

聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點則采用DRM對遠端的仿真實體狀態(tài)進行平滑預測，其DRM分為兩個部分，一個是DRM預測處理，另一個是DRM平滑處理。當發(fā)生網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸延遲、丟包、實體狀態(tài)未更新等情況，在下一幀仿真同步信號觸發(fā)時，DRM預測處理則可以利用實體前期的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)，推算出當前實體狀態(tài)的近似值，對延遲或者丟失的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行彌補；當收到更新的實體狀態(tài)數(shù)據(jù)時，肯定與前期預測的數(shù)據(jù)存在誤差，為了避免實體狀態(tài)數(shù)據(jù)的較大抖動，基于實體更新數(shù)據(jù)的時戳，采用DRM平滑處理算法對實體的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行處理，使實體狀態(tài)靠近并到達下一個更新狀態(tài)。

DRM的核心在于如何設計外推預測模型和平滑處理模型。對于飛行仿真系統(tǒng)而言，考慮到人在回路對系統(tǒng)實時性的要求，DRM的選擇上須在精度和效率間進行折中。仿真中，主要采用一階和二階外推算法進行姿態(tài)和位置預測[7,16]。

位置預測采用二階空間位置外推方法，t0+Δt時刻位置P=[x,y,z]T為：

(1)

式中：t0時刻，實體位置P0=[x0,y0,z0]T；速度V0=[vx0,vy0,vz0]T；加速度A0=[ax0,ay0,az0]T。

姿態(tài)角預測采用基于四元數(shù)法的一階姿態(tài)角外推計算方法，t0+Δt時刻姿態(tài)R=[φ,θ,φ]T為：

(2)

t0+Δt時刻四元數(shù)值E′為：

(3)

t0時刻的初始四元數(shù)值E為：

(4)

t0時刻，平臺角速度ω0=[p,q,r]T；姿態(tài)角R0=[φ0,θ0,φ0]T；仿真步長為Δt。

使用位置外推式(1)時，若實際位置與推算出的位置的差值超過某一設定值d時，才需要更新實體狀態(tài)數(shù)據(jù)。假設由實體高精度模型解算出的位置為P′=[x′,y′,z′]T，則位置更新門限判斷條件為：

(x′-x)2+(y′-y)2+(y′-y)2≥d2

(5)

使用姿態(tài)角外推式(2)時，同樣設置姿態(tài)角誤差門限β，假設由實體高精度模型解算出的姿態(tài)角按照式(4)對應的四元數(shù)為Q，DR模型外推的姿態(tài)角對應的四元數(shù)為式(3)，則姿態(tài)更新門限判斷條件為[16]：

(6)

式中：α為Q與E′之間的旋轉角。當滿足兩個上述門限條件之一時，仿真節(jié)點需通過聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點向外發(fā)送該實體的更新狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括位置和姿態(tài)信息；若聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)節(jié)點在同步信號觸發(fā)時，仍未收到實體狀態(tài)更新數(shù)據(jù)，則采用同樣的位置和姿態(tài)角外推公式進行預測處理。

當接收到實體的更新狀態(tài)數(shù)據(jù)后，需要校正接收節(jié)點中的該實體位置和姿態(tài)，來使仿真中的實體被描述得盡量精確。如果這個更新的位置和姿態(tài)被立即放入飛行模擬器的視景顯示系統(tǒng)中，就會在顯示圖像中造成抖動，尤其是對編隊飛行和近距格斗時的影響更大。因此，更好的方法是逐漸校正實體狀態(tài)數(shù)據(jù)，這就是所謂的平滑處理。

依據(jù)文獻[2]中的測試情況，當兩個實體的相對距離大于500 m時，視景圖像的抖動可以忽略不計。因此，對于距離本地模擬器相對距離小于500 m的實體更新狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用類似加滑動平均的處理方法，以克服前一時刻外推狀態(tài)數(shù)據(jù)與當前時刻接收的更新狀態(tài)數(shù)據(jù)較大的跳動。

假設前n-1個時刻實體的狀態(tài)數(shù)據(jù)為Xi，i=0,1,…,n-1，則接收到當前時刻更新狀態(tài)數(shù)據(jù)Xn之后，采用的加權平滑處理模型為：

(7)

式中：Yn為平滑處理的結果，n為滑動平均數(shù)據(jù)寬度；λi是Xi對應的權值，對當前時刻的更新狀態(tài)Xn賦予較大的權值，對于時刻越早的數(shù)據(jù)賦予的權值越小。

DRM算法考慮的出發(fā)點首先是算法的實時性，然后才是算法的精確性。采用DRM預測和平滑處理技術在一定程度上降低了對當前數(shù)據(jù)的依賴性，達到了降低網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸量、補償網(wǎng)絡延遲、彌補數(shù)據(jù)丟包、解決仿真周期不一致等目的，可保障異地聯(lián)網(wǎng)模擬訓練的時空一致性。

3 同步仿真的測試分析

為了驗證上述基于GNSS的硬件同步觸發(fā)和軟件平滑預測的混合同步機制的有效性，主要從硬件觸發(fā)和軟件DRM處理兩個方面進行測試。

3.1 硬件同步觸發(fā)測試

對不同硬件同步裝置產(chǎn)生的觸發(fā)信號邊沿和正負頻寬的一致性，同步觸發(fā)的時間誤差等方面進行測試和分析。

測試用的硬件時鐘同步裝置為兩個自研的同類型同步控制器，采用了u-blox推出的LEA-M8T精密授時模塊，分別通過不同的天線接收導航衛(wèi)星信號，產(chǎn)生正負頻寬均為16.67 ms的RS-232C同步信號，在導航時間鎖定后，用泰克示波器測量的兩通道波形如圖5所示。

圖5 同步信號的觸發(fā)邊沿和正負頻寬測量波形

由圖5可以測量出兩個同步信號的觸發(fā)邊沿誤差約100 ns，正負頻寬誤差約10 μs，具有相當高的精度、穩(wěn)定性和一致性。同樣，對于異地的硬件時鐘同步，其精度主要取決于GNSS系統(tǒng)的時鐘精度，由于GNSS系統(tǒng)的授時精度可以達到1 μs甚至更高，比如采用的LEA-M8T模塊授時精度可達20 ns。因此，基于GNSS的硬件時鐘同步完全可以滿足模擬器的同步仿真要求。

仿真節(jié)點上位機運行Windows 7操作系統(tǒng)，通過RS-232C串口的CTS管腳直接接收控制器輸出的同步信號，上位機程序采用多線程技術，根據(jù)CTS信號的上升沿和下降沿產(chǎn)生高優(yōu)先級中斷觸發(fā)事件EV_CTS，以實現(xiàn)頻率為60 Hz的仿真解算調用。上位機用高精度時鐘測量觸發(fā)間隔，測試時間為10 min，統(tǒng)計硬件同步信號在上位機中觸發(fā)中斷的時間間隔誤差，測量結果如圖6所示。測量的觸發(fā)周期最大值16.768 2 ms，最小值16.554 9 ms，平均值16.666 2 ms，方差0.026 4 ms2。將10 min內的3.6萬個測試數(shù)據(jù)按照組距1.122 5 μs進行分組，結果如圖7所示。

圖6 同步觸發(fā)中斷周期與標準仿真周期的時間誤差

圖7 時間誤差的統(tǒng)計分布

由圖6可以看出，硬件同步信號觸發(fā)的仿真周期時間誤差約為-0.11 ms～0.10 ms，相比文獻[8]中的仿真周期精度提高了約10倍，滿足飛行模擬器對仿真周期的精度要求。由圖7可以看出，仿真周期時間誤差的波動呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，約30 μs的間隔會出現(xiàn)一個峰值，這與Windows操作系統(tǒng)的非實時性和中斷響應間隔時間有關。

由上述的測試結果可以看出，基于GNSS的硬件時鐘同步方案能夠為異地的模擬器提供穩(wěn)定和一致的同步仿真觸發(fā)和周期，確保了一致的幀接收時間和幀計算時間，可實現(xiàn)異地精確的仿真時間同步控制。

3.2 軟件平滑預測處理測試

結合模擬器的機動飛行數(shù)據(jù)對軟件DRM平滑預測的同步性進行測試。模擬器的仿真步長與硬件同步的觸發(fā)周期一致，即仿真步長為16.67 ms，仿真時間長度為49.37 s；設置的DRM參數(shù)為：位置誤差門限d=2，姿態(tài)角誤差門限β=0.5°，滑動平均數(shù)據(jù)寬度n=10，權值為λ={10,9,8,7,6,5,4,3,2,1}，即對越新的狀態(tài)賦予越大的權值。采用二階空間位置外推方法和四元數(shù)一階姿態(tài)角外推方法，記錄飛機從起飛至機動飛行的姿態(tài)角和高度的數(shù)據(jù)，繪制的精確模型解算數(shù)據(jù)、DRM同步預測數(shù)據(jù)和平滑處理數(shù)據(jù)曲線如圖8和圖9所示。

圖8 姿態(tài)角預測平滑數(shù)據(jù)

圖9 飛行高度預測平滑數(shù)據(jù)

為更加清楚看出DRM預測平滑結果與精確模型數(shù)據(jù)的差別，圖10和圖11分別是圖8和圖9中18.29 s～18.77 s時間段內的局部放大圖，顯示了該時間段內的航向和橫滾姿態(tài)角及高度數(shù)據(jù)的變化對比情況。

圖10 局部姿態(tài)角預測平滑數(shù)據(jù)對比

圖11 局部高度預測平滑數(shù)據(jù)對比

測試用計算機的CPU為E5-2687W v2 @ 3.4 GHz，8 GB內存，DRM平均計算時間為4.387 μs，相對于16.67 ms的仿真步長，其計算時間可忽略不計，可有效克服網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸延遲的影響，具有較高的仿真計算同步性；由17 s～20 s內的測試結果可以看出，采用DRM處理后，實體狀態(tài)的最大更新間隔約為450 ms，大于廣域網(wǎng)中120 ms以上的網(wǎng)絡延遲，飛機狀態(tài)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量減少了95%以上，有效減少了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)擁堵，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的丟包率小于0.01%。

由測試曲線圖可以看出，飛機狀態(tài)的預測和平滑數(shù)據(jù)與飛機精確模型解算的數(shù)據(jù)具有較好的擬合程度，其誤差的大小取決于位置誤差門限和姿態(tài)角誤差門限的選取；平滑處理后的飛機狀態(tài)變化更加平滑，克服了飛機狀態(tài)更新時的位置和姿態(tài)角突然較大的跳動現(xiàn)象，更有利于飛行模擬器中視景的連續(xù)平滑顯示。

因此，基于聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的時戳信息，采用DRM模型軟件的預測和平滑處理，可以實現(xiàn)在異地聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)延遲、丟包等遠端實體狀態(tài)信息未更新的情況下，本地模擬器中遠端實體狀態(tài)信息的實時同步外推更新，從而實現(xiàn)飛行模擬器異地聯(lián)網(wǎng)訓練中的同步仿真。

4 結 語

對于異地組網(wǎng)條件下的飛行模擬訓練實時仿真系統(tǒng)來說，時間管理和時序同步是實現(xiàn)正確仿真邏輯的關鍵和難點，必須保證各仿真節(jié)點計算時序的同步性和時間的一致性，才能實現(xiàn)各仿真模型的正確交互和同步推進，避免諸如武器攻擊效果評判、大機動飛行視景顯示抖動等問題。

本文提出的“GNSS硬件同步+DRM軟件預測平滑處理”混合同步方法，采用GNSS同步異地的仿真主時鐘，并將每個仿真周期分為接收、處理、發(fā)送等階段，實現(xiàn)了各仿真模型的正確交互和同步推進；并采用軟件DRM實現(xiàn)遠端實體狀態(tài)信息的預測和平滑處理，以克服異地聯(lián)網(wǎng)飛行模擬訓練交互中存在的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸延遲、丟包和不同模擬器仿真步長不一致等問題。測試結果驗證了本文方法的有效性，實現(xiàn)了異地聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下飛行模擬訓練的嚴格同步仿真計算。