米長偉 吳旭 車灃竺 羅廣地

引用格式：米長偉，吳旭，車灃竺，等.集群航彈協(xié)同飛行模擬器的進程級分布式設計方法［J］.航空兵器，2023，30（1）：64-68.

MiChangwei，WuXu，CheFengzhu，etal.Process-LevelDistributedDesignMethodforClusteredAviationBombCollaborativeFlightSi-mulator［J］.AeroWeaponry，2023，30（1）：64-68.（inChinese）

摘要：針對長航時協(xié)同航彈戰(zhàn)訓使用的協(xié)同飛行模擬器小型化、便攜使用的需求，在借鑒傳統(tǒng)模擬器和仿真系統(tǒng)優(yōu)缺點的基礎上，本文提出軟件化的分布式實時柔性系統(tǒng)設計理念，通過RTX實時擴展操作系統(tǒng)實現RTNet對彈載1553B總線多路BC協(xié)同的模擬。基于兩級內存管理的進程拷貝技術，將硬件完成的系統(tǒng)級功能模塊抽象為內存顆粒和軟件進程，通過進程拷貝實現系統(tǒng)的分布式柔性設計，同時結合樣條插值實現飛行航跡發(fā)生器、分布式進程級圖像數據介入，能夠更為逼真地復現飛行場景。在模擬器的多機協(xié)同試驗測試中，系統(tǒng)功能性能均得到有效驗證。

關鍵詞：分布式;協(xié)同;戰(zhàn)訓;模擬器;1553B總線;進程拷貝;航彈

中圖分類號：TJ760

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5048（2023）01-0064-05

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0132

0引言

協(xié)同攻擊武器基于“集群”作戰(zhàn)思想，以空間分布的低成本單一功能載荷集中建立功能優(yōu)勢，該集群作戰(zhàn)形式是未來空戰(zhàn)的一個關鍵領域［1-3］。隨著各軍種關于協(xié)同攻擊武器的發(fā)展，協(xié)同功能測試、勤務訓練所需的集群協(xié)同飛行模擬器也提上日程［4-7］。

集群航彈協(xié)同飛行模擬器主要有兩種設計模式。第一類為實驗室模擬測試，可構建齊備的大型仿真測試系統(tǒng)。李景和商旭升等針對艦載機設計的多級協(xié)同飛行模擬器，提供了高度逼真的模擬飛行實驗環(huán)境，能配合完成戰(zhàn)術級和戰(zhàn)役級的作戰(zhàn)演練［6，8］，但系統(tǒng)龐大復雜，不適用于小型化、分布式、大集群的區(qū)域封控武器系統(tǒng)。周建平等設計了分布式架構的飛行器集群協(xié)同仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)以仿真計算機作為功能節(jié)點，共同模擬協(xié)同偵察、打擊等作戰(zhàn)任務，實現仿真測試及作戰(zhàn)任務推演，但該系統(tǒng)僅適用于實驗室場景，且系統(tǒng)主要內容均采用數學仿真模型，缺乏對實際系統(tǒng)的深度測試［9-10］。

第二類為采用嵌入式彈載任務計算機構建的小型化模擬系統(tǒng)。此類系統(tǒng)擴展性好，存在的問題是節(jié)點數增多，彈載任務計算機的數量及軟件維護成本增加。

綜上，相比于文獻［6，8，10］構建的協(xié)同飛行器節(jié)點與計算機節(jié)點數目一一對應的硬節(jié)點式大型協(xié)同仿真系統(tǒng)，本文提出了一種低成本軟件虛擬節(jié)點的集群航彈協(xié)同飛行模擬器?；谲浖x功能的設計理念，該系統(tǒng)將冗余的硬件功能內聚并軟件化，將復雜的計算機集群精簡為運行多進程任務軟件的多顯示終端控制中心。該控制中心基于多核處理器，提高了系統(tǒng)硬件利用率和集成度。此外，相比原有的數學仿真和半實物仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采用內聚的多級總線調度，實現了產品實物如數據鏈、協(xié)同航跡規(guī)劃、載荷探測終端（圖像處理單元）等的介入。

1基于RTX的分布式協(xié)同飛行模擬器

模擬器功能包括：參數配置、虛擬多總線模擬、開放式總線接口、多機協(xié)同飛行參數模擬、協(xié)同態(tài)勢顯示、總控、空地通訊、偵察圖像模擬、數據記錄。該實時模擬器擴展RTX實時操作系統(tǒng)，時鐘分辨率可達100ns，定時器設計為最低0.1ms，本系統(tǒng)配置為1ms［6-7］。系統(tǒng)架構如圖1所示。

系統(tǒng)采用分布式架構，由多屏顯示工業(yè)控制計算機和多任務信號管理系統(tǒng)組成，通過開放式接口介入分布式功能載荷和任務終端（包括協(xié)同控制終端、載荷探測終端等），完成協(xié)同飛行模擬。其中模擬的彈載GJB289A總線實現

了協(xié)同控制、載荷探測等終端的介入，使得模擬器可完成協(xié)同航跡、目標識別等功能的測試。

1.1軟件化的分布式柔性系統(tǒng)設計

節(jié)點分布：模擬測試系統(tǒng)、數據鏈終端、圖像采集系統(tǒng)、協(xié)同任務站等節(jié)點在物理空間上散布。

功能分布：將飛行模擬、態(tài)勢顯示、偵察圖像反演、通信管理等功能分散，將計算機功能節(jié)點抽象為軟件進程。

軟件分布：綜合調度及控制軟件；進程級子節(jié)點控制軟件；態(tài)勢軟件。

系統(tǒng)設計兩級總線架構（見圖2）：第一層為多顯示終端控制中心，通過實時以太網擴展出集群彈藥任務節(jié)點。借助RTXRTNet模擬彈載任務計算機實現BC總線控制器。第二層模擬BC（總線控制器）與多個RT終端構成的彈內總線，彈載RT終端包括數據鏈終端、協(xié)同控制終端、載荷終端等。

（1）集群任務節(jié)點彈載任務計算硬件功能軟件化

以軟件線程來模擬彈載任務計算機的開放式總線架構。線程數量nThd與RTNet網絡控制器nNet的關系為nThd=127nNet。

（2）RTNet網絡協(xié)議類型選擇

彈載任務計算機作為BC（總線控制器），驅動多型總線消息的接收和發(fā)送，包括：BC到RT的數據發(fā)送消息、查詢矢量字消息、RT到BC的發(fā)送消息、廣播消息等。BC端作為總線消息控制終端，需建立BC與RT的握手及消息收發(fā)鏈接，因此相比于UDP協(xié)議，模擬器的RTNet網絡選擇TCP/IP協(xié)議更為合適。

（3）線程競爭問題的解決

多線程RTNet存在消息等待、進程間交叉耦合，針對該問題，借鑒TDMA技術，在精度0.1ms的時間片內，插入nNet的消息負載。為了及時交出網絡的控制權，同時加入了線程鎖和消息強制退出控制機制。

1.2基于兩級內存管理的進程拷貝技術

將硬件功能抽象為軟件進程，并由調度中心根據進程配置表實現進程拷貝和進程啟動。

分布式兩級內存管理（DDMC），實現內存的細粒度管理，將內聚的功能節(jié)點軟件進程由進程軟件和內存空間構成。頂層級的內存由調度區(qū)、VMIC區(qū)、集中控制區(qū)、一級總線區(qū)、二級總線區(qū)、實時通信區(qū)、集群節(jié)點區(qū)（255個）組成。終端層的內存進一步細分為飛行模擬區(qū)、態(tài)勢顯示區(qū)、飛行參數配置區(qū)等。多核實時網絡架構的細粒度刻畫，將多顯示終端控制中心的8個CPU核劃分為非實時和實時兩部分，將功能相近的軟件進程節(jié)點分配給不同的CPU核。

借助DDMC技術，實現軟件進程內存空間分布式管理，進而通過進程拷貝技術實現模擬器節(jié)點的輕量化快速部署。

1.3結合樣條插值實現的飛行航跡發(fā)生器

由于需要解決速度矢量和目標航跡點夾角大于90°，甚至接近180°時，航彈無法直接完成大機動的問題，本文設計了利用樣條實現平滑過渡的飛行航跡發(fā)生器［11］。

樣條曲線可以由三次多項式構造。將三次多項式構造成在xj和xj+1處為零，就不會破壞在終點xj和xj+1處與列表函數值yj和yj+1的一致性，即

y=Ayj+Byj+1+Cy″j+Dy″j+1（1）

式中：A，B，C，D為待解多項式系數。

設a=1－t/T，b=t/T，其中T表示步長，T=xj+1－xj，t與Hn有關，故在［0，1］上得到

y=a·y（1）+b·y（2）+［（a3－a）·y″（1）+

（b3－b）·y″（2）］T2/6（2）

令y（1）=y0，y（2）=y1，y″（1）=y″0，y″（2）=y″1，y=yx，將其代入式（2）中，進一步展開得

yx=T2/6·（y″0－y″1）·a3+T2/6·y″1·a2－

T2/6·（2y″1+y″0）·a－（y1－y0）·a+y1（3）

將式（3）的左右兩端相減得到

a3+3y″1/（y″0－y″1）·a2+［6/T2（y1－y0）－

2y″1－y″0］/（y″0－y″1）·a+6/T2·y1/（y″0－y″1）－6/T2·yx/（y″0－y″1）=0（4）

式（4）可以改寫為標準一元三次方程：

a3+k2·a2+k1·a+k0+b=0（5）

通常一元三次方程的表達式為a·x3+b·x2+c·x+d=0，令a=y－k2/3，其中y為定義的變量，而上面的y為x的函數。因此將式（5）轉化成標準方程y3+p·y+q=0。

求解一元三次方程，求根判別式Δ>0時，唯一實根為

y=－q2+Δ13+－q2－Δ13（6）

求根判別式Δ≤0時，三個實根為

y1=2r13·cosθ

y2=－2r13·sinθ+π6

y3=2r13·sinθ－π6（7）

式中：r=－p33；θ=13arccos－q2r。

因方程的根要滿足在區(qū)間［0，1］上單調遞減，且距離ak最近，故可得到一個實根。因此，式（5）變?yōu)?/p>

z=（a3+k2·a2+k1·a+kb·z1）/kb（8）

式（8）對a的一階導數為

z′=（3a2+2k2·a+k1）/kb（9）

a對t的一階導數為a′=－1/T，進而可得

z′t=（3a2+2k2·a+k1）/（－T·kb）（10）

由式（10）的速度函數，可得速度和軌跡的映射關系：

Vz=z′（11）

對于航彈而言，載體的前向速度在發(fā)動機推力近似平穩(wěn)和風場近似平穩(wěn)的條件下，前向速度不做規(guī)劃。最后，根據式（8）和（11）的側向位置和速度約束完成對飛行航跡的約束，航跡追蹤采用速度作為反饋項的簡易循跡控制。

樣條軌跡發(fā)生器的測試曲線如圖3所示。為提高測試系統(tǒng)的容差能力，以及更為接近真實導航數據，本文設計了均勻分布和高斯分布相結合的定位誤差模型，誤差呈現慢周期的游走特性，如圖4所示。

1.4分布式進程級圖像數據介入

圖像制導柔性仿真系統(tǒng)通過構建仿真沙盤，設計了相機伺服系統(tǒng)和實時圖像采集系統(tǒng)［10］。為了提高仿真的真實性，系統(tǒng)針對偵察圖像模擬需求，設計數據回放形式和實時圖像采集傳輸兩種模式。其中實時圖像采集傳輸模式，利用無人機實時采集圖像并回傳至模擬器，然后完成圖形加工和數據分發(fā)。數據回放模式由航跡模擬器解算得到彈目相對距離，進而通過在圖像序列中查找到指定圖像，然后進行圖形加工和數據分發(fā)。

巡飛偵察目標成像會發(fā)生相面旋轉、平移、尺度的變換，甚至出現模糊化。目前模擬器暫不考慮仿射變換［12-15］。

在圖像中加入圖像尺度變換，其中δλ為加入的尺度變換噪聲，λ為尺度因子，由實際的機目距離與成像時刻的機目距離計算可得，λ=dRT/dTgt。

uv1=λ+δλ000λ+δλ0001xy1（12）

同時，在圖像中增加旋轉，則有

uv1=cosθ－sinθ0sinθcosθ0001xy1（13）

將圖像噪聲分為兩類：隨機噪聲和固定圖案噪聲。其中隨機噪聲模擬部分由高斯噪聲和泊松噪聲實現；固定圖案噪聲由乘性噪聲和椒鹽噪聲實現。

前端光電轉換的入射光子噪聲VPh和信號讀出電路中的彈散噪聲Vsh等可以映射為泊松噪聲，其概率分布密度為

P（x=m）=λme－λm！（14）

式中：m=0，1，2，…，λ。

探測器噪聲中的熱噪聲、溫度噪聲、AD量化噪聲、輸出噪聲等混疊后，由于其幅值符合高斯分布，因此可以建立此類噪聲的高斯白噪聲模型，即

P（x）=e－（x－μ）2/（2σ2）/2πσ（15）

式中：x為成像噪聲灰度值；μ為期望；σ為方差。

此外，比利時學者認為盲元在圖像中的表現類似圖像椒鹽噪聲，因此本文將凝視成像中的盲元映射為椒鹽噪聲。

在目標偵察的圖像序列中加入噪聲后，進一步增加了模擬器仿真測試的真實性，如圖5所示。

2試驗驗證

針對集群航彈飛行場景，模擬器目前完成了八機協(xié)同飛行模擬測試。任務遂行假定在某試驗場，載荷類型由光電、雷達、干擾等構成，飛行速度為100m/s，位置誤差為10m，仿真步長為1ms。仿真測試界面如圖6～7所示，給出了八機協(xié)同飛行試驗的彈型配比、各航彈的飛行狀態(tài)。作為態(tài)勢重要組成的多彈協(xié)同飛行航跡如圖8所示。為提高仿真的真實性，在飛行軌跡中增加了樣條航跡追蹤部分，從起飛到協(xié)同航跡規(guī)劃終端交接（樣條追蹤段1）以及航跡偏離后切入安全航路（樣條追蹤段2），執(zhí)行的是與真實飛行過程一致的樣條航跡。

由測試結果可知，在8節(jié)點的集群飛行測試過程中，實現了飛行模擬測試、指令交互、圖像數據更新，完成了多機協(xié)同飛行模擬功能。

3結論

針對集群航彈戰(zhàn)訓需求的協(xié)同飛行模擬器，本文提出軟件化的分布式實時柔性系統(tǒng)設計理念，基于兩級內存管理的進程拷貝技術，將硬件完成的系統(tǒng)級功能模塊，抽象為內存顆粒和軟件進程，同時提出結合樣條插值實現飛行航跡發(fā)生器、分布式進程級圖像數據介入，能夠更為逼真地復現飛行場景。

立足提升系統(tǒng)實訓意義，可進一步豐富協(xié)同控制終端模擬功能，如加入實際的風場模型以及擴展SAR圖信息等。

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Process-LevelDistributedDesignMethodforClustered

AviationBomb

CollaborativeFlightSimulator

MiChangwei，WuXu*，CheFengzhu，LuoGuangdi

（AviaticAmmunitionInstituteCo.，LTDofChinaNorthIndustriesGroupCorporationLimited，Harbin150036，China）

Abstract：Aimingattheminiaturizationandportabilityrequirementsofthecollaborativeflightsimulatorusedinlong-endurancecollaborativeaerialbombardmenttraining，thedesignconceptofsoftware-baseddistributedreal-timeflexiblesystemisproposedbasedontheadvantagesanddisadvantagesoftraditionalsimulatorsandsimulationsystems.Thebomb-borne1553BbusissimulatedwithcompletionofRTNetbyRTXreal-timeoperatingsystem.Basedontheprocesscopytechnologyfortwo-levelmemorymanagement，thesystem-levelfunctionalmodulescompletedbyhardwareisabstractedtomemoryparticlesandsoftwareprocessestorealizethedistributedflexibledesignofthissystem.Meanwhile，theflighttrackgeneratorrealizedbythesplineinterpolationandthedatainterventionofdistributedprocess-levelimageareproposedtobeabletoreproducetheflightscenemorerealistically.Finally，thefunctionalityandperfor-manceofthesimulatorhavebeeneffectivelyverifiedinthemulti-levelcollaborativetest.

Keywords：distributed;collaboration;combattraining;simulator;1553Bbus;processcopy;aviationbomb

收稿日期：2022-06-14

基金項目：總裝預研項目（100038）

作者簡介：米長偉（1975-），男，內蒙古赤峰人，博士，研究員。

*通信作者：吳旭（1986-），男，河南南陽人，博士，工程師。