基于SIMBox平臺的分布式空戰訓練系統設計

摘 要:為滿足空戰訓練的實際需要，基于SIMBox平臺設計并開發了一套分布式空戰仿真訓練系統，設計和開發了系統組件，設計了訓練管理系統的架構。依據HLA聯邦模型的開發規則，設計開發了聯邦和仿真對象模型，給出了仿真流程圖。用SIMBox的通信接口和顯示引擎實現了分布式訓練仿真，與其他模擬訓練系統相比，訓練模擬和人員管理方面效能都得到顯著加強。

關鍵詞:高層體系架構; 空戰訓練; 分布式仿真; SIMBox

中圖分類號:TP391.9 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0035-04

Design of Distributed Air-combat Training System Based on SIMBox Platform

WANG Zhong， YANG Ren-nong， ZHAO Jin-ping

(Engineering College， Air Force Engineering University， Xi’an 710038， China)

Abstract: In order to meet actual demands of the air-combat training， a distributed air-combat simulation system was designed and developed on the basis of SIMBox platform， the system assembly of the training management system were designed. Based on developmental rules of HLA federate model， FOM/SOM were designed. The flow chart of the simulation system is given. The distributed training simulation is implemented with SIMBox communication interface and display engine. Comparing with other training systems， it is distinctly improved in the aspects of the simulation training and staff management efficiency.

Keywords: high level system framework; air-combat training; distributed simulation; SIMBox

0 引 言

現代各國空軍大量換裝高技術武器裝備。新裝備技術復雜，造價昂貴。飛行員日常訓練若全部采用實裝訓練，不僅花費巨大，而且很多時候受設備、經費、維護保障條件的限制，不能滿足大規模作戰訓練需求。地面模擬訓練是解決這一問題的有效途徑。目前在訓練仿真領域已經存在許多切實可行的架構和仿真平臺[1-6]。然而這些方法和平臺只注重了對作戰的仿真，缺乏對參訓人員的管理。SIMBox平臺在管理與仿真兩個方面同時加強，提供許多訓練相關的開發接口和功能模塊，不僅可以開發分布式視景仿真系統，而且可以實現對人員和資源的管理和訓練進度追蹤，提高訓練針對性和效率。該平臺采用組件化的建模思想，提高模型的精確程度和重用性。另外提供地形地貌數據的導入功能提高了訓練系統的仿真能力。

1 SIMBox平臺簡介

SIMBox是SimiGon公司開發的基于PC環境的仿真訓練軟件平臺。美國本國F-35訓練系統、加拿大飛行員仿真訓練系統，葡萄牙F-16空戰訓練系統以及以色列空軍的空中管制系統，都部分或全部采用SimBox仿真平臺的技術，是目前惟一的一套集訓練系統管理、訓練效果追蹤、視景仿真、建模開發等功能于一體的綜合性訓練平臺。

利用SIMBox開發接口可開發出適合實際需要的個性化的訓練系統。SIMBox內建先進的圖形引擎，能顯示出逼真的三維訓練場景和精確的實體模型。具有完備的系統配置管理應用和仿真應用開發接口。如圖1所示，SIMBox從功能上分為:SIMBox ToolKit，SIMBox Server，SIMBox RunTime三個部分。分別負責仿真訓練系統的開發、管理、運行支撐。

圖1 SIMBox平臺結構功能圖

SIMBox的開發環境 ToolKit 提供開發接口，供開發人員和來開發模型組件，開發HLA聯邦，配置實體3D模型和聲音，提供工具制作仿真實體、訓練課件等。Server提供用于系統管理的應用模塊，包括賬戶管理系統、學習管理系統(LMS)和學習內容管理系統(LCMS)。LMS提供任務分配和追蹤學員訓練進度的功能。LCMS維護仿真系統的一致性，負責進行版本的控制和客戶端的更新等工作。RunTime是仿真任務的運行環境，為組件的功能實現提供支撐。

2 仿真系統設計過程

2.1 總體規劃和系統管理

為了讓仿真訓練按訓練組織者的計劃進行并讓訓練組織者能夠掌握訓練進度，將人員和資源進行統一管理，采取 “服務器/客戶端”的組建結構，資源和人員由服務器集中管理。同時服務器負責對客戶端的驗證和升級，維護各客戶端的一致性。

系統結構如圖2所示，訓練組織者根據訓練大綱，制作包含任務信息的課件并通過服務器，有選擇的分配給參訓人員進行訓練。參訓人員登陸服務器，收到這些任務，并開始訓練。訓練結果和訓練回放會通過服務器反饋給組織者，并根據訓練進度調整訓練計劃。

本系統可進行基于HLA的分布式仿真訓練，每個終端都可以建立聯邦，服務器并不直接參與仿真過程，只負責提供建立聯邦的終端的地址和在訓練完畢后接收訓練數據。訓練組織者可以監視參訓人員的訓練情況，進行毀傷的評判;可以指定參訓人員控制的實體名稱，并可將實體控制權收回并轉交給自己或其他參訓人員控制。

圖2 系統結構圖

2.2 組件開發

系統采用基于組件的模塊化建模方式，對象屬性由組成它的組件的屬性進行描述。組件結構如圖3所示。每個模型組件模擬出事物的特性，并通過屬性接口提供事物的屬性，用這些屬性值來描述事物所處的狀態。組件操作接口完成與人的交互，將人的輸入對模型的影響解算出來，并反映在對象屬性值上，達到仿真的效果。參數接口用于設置模型的性能指標、初始狀態，或完成組件的初始化。如雷達組件，設置不同的性能參數可模擬出不同型號不同性能的雷達。組件行為接口為系統提供設置接口或為AI提供支持，AI做出決策并發出行為命令，組件接收行為命令后產生一系列虛擬操作，實現實體的人工智能，例如水平轉彎、爬升、降落、鎖定目標等。組件開發時確定了可在FOM/SOM中發布/訂閱的對象類屬性。組件控制顯示引擎來實現視景中物體的顯示，驅動三維場景里的物體。組件顯示接口接受外部屬性源的信息輸入并利用組件顯示引擎指令進行顯示。

圖3 模型組件結構

為本系統開發的組件在VC++2005環境下利用Tool Kit開發包完成開發。組件所作用的飛機導彈等三維顯示模型用3DS Max 8軟件制作。主要有以下幾個:

PlaneMotion組件是整個飛機模型的核心。它負責飛機模型的氣動解算，計算人的操作對模型的影響。控制實體三維模型在仿真場景中的運動和姿態的顯示，控制三維模型的附屬物體的運動(副翼、襟翼、升降舵、方向舵、起落架、減速版、螺旋槳)。可設置飛機的性能參數和輸入設備的配置。該組件提供的部分屬性和是否用于FOM的情況。

PlaneManeuver組件負責飛機行為。主要供AI模塊使用，完成一些機動動作。組件部分行為指令有:DO_HOLD_ATT，操縱飛機保持高度;DO_LEVEL_TURN，操縱飛機水平轉彎;DO_LANDING，操縱飛機降落;DO_TAKE_OFF，操縱飛機起飛DO_MISSILE_LAUNCH，發射導彈。

Radar組件負責對雷達的模擬，以及對雷達操作的響應，同時負責雷達信息在座艙顯示設備上的顯示規則。可設置雷達的性能參數。該組件提供的部分屬性有: TARGET_ID，主要目標;TARGET_INDEX，目標索引;SCAN_ATTR，掃描信息;TARGET_POSITION，主目標位置;CURSER_LOCATION，光標位置;RADAR_MODE，雷達模式。這些屬性全部為FOM對象類屬性。

Rwr組件負責雷達告警器的模擬以及在座艙內的顯示規則。該組件提供的部分屬性有:THREAT_LIST，威脅列表;THREAT_TYPE，威脅的類型;THREAT_ANGLE_ARRIVAL，威脅進入角;THREAT_DISTANCE，威脅距離。這些屬性全部為FOM對象類屬性。

MissileMotion組件類似于PlaneMotion組件，計算并提供導彈的運動屬性值，負責導彈在場景中的顯示。除了提供實體基本飛行參數以外還提供如下參數:TARGET_ID，導彈目標的名稱;MISSILE_AIR_BORN導彈是否已經發射;MISSILE_ENGINE_ON，導彈發動機是否開始工作;MISSILE_TIME_OF_FLIGHT，導彈飛行時間等屬性。

AAWeapon組件負責空空武器系統的操作界面的顯示規則，以及對操作的響應。包括HUD，MFD上的顯示規則;對武器按鈕的操作響應等。

Gun組件負責航炮武器系統的操作界面的顯示規則，以及對操作的響應。包括確定HUD上的光環的位置;對武器按鈕的操作響應等。可對射速進行設置，提供屬性GUN_FIRING，航炮是否正在開火。

Shell組件模擬炮彈在空中的彈道。提供炮彈的速度矢量和炮彈位置屬性。

DR(Dead Reckoning)組件完成實體屬性預測。飛機和導彈的相關組件發布的某些屬性值(如角速度矢量、線速度矢量、線加速度矢量、經緯度、位置等)是一些離散的值，若直接在場景中顯示會造成實體的跳躍式運動，通過DR算法進行屬性值的預測以較高的頻率發布，提高了仿真的保真度。

Camera組件負責場景中視角的切換和移動。

CockpitDisplay組件專門用于座艙顯示器和儀表的圖形文字顯示。該組件獲取相關設備組件的屬性值并通過儀表、HUD、MFD上的顯示表現給操作人員，實現座艙的模擬。

平臺本身的Virtual Instructor組件。Virtual Instructor(虛擬教官，VI)是一些命令腳本，通過判斷對象屬性來產生某種的行為。利用VI在仿真界面中以語音、文字圖形、鏡頭移動對用戶進行實時指導，監視實體參數來對操作者的訓練進行智能評判，也可實現場景中的實體行為的智能化。

2.3 訓練聯邦設計

根據HLA開發規則[7]，本系統聯邦由一個訓練組織者(Trainer)成員和若干參訓人員(Trainee_1~ Trainee_n)成員組成。對象類與交互類的功能都被封裝在組件中，對象類的屬性由相應的組件提供，成員間交互也由組件來完成。

FOM對象類有:Plane飛機類、Missile導彈類、Shell炮彈類。

成員之間的交互有:Controlshift，實體控制權轉移;Explode，范圍殺傷效果，在殺傷半徑內的實體將會被標記為“已摧毀”，停止其屬性更新，并從實體列表中刪除;Collide，指出發生碰撞的實體名稱;發生碰撞的實體將會被標記為“已摧毀”，停止其屬性更新，并從實體列表中刪除。Radiation，用于雷達與雷達告警器組件在聯邦成員間的交互。只有Trainer成員才能發布控制權的轉移指令。

3 系統實現

平臺提供地理信息數據導入工具，可將衛星照片、高程數據導入系統中生成仿真世界環境。利用平臺提供的LMS管理模塊，實現對訓練的一整套的監管。如圖4所示。

圖4 訓練流程圖

使用平臺提供的Content Tool課件開發工具，用組件和三維模型來建立實體類，設置組件參數，配置和調整座艙顯示規則，建立VI規則，編排作戰想定，完成課件制作。本系統的飛機類使用組件有:PlaneMotion，PlaneManeuver，AAWeapon，Gun，DR，Camera，Virtual Instructor，Radar，Rwr，CockpitDisplay;導彈類用到的組件有:MissileMotion，DR，Camera;炮彈類使用Shell組件。根據實體實際性能參數初始化組件的初始參數，配置輸入設備消息與控制指令間的對應關系。至此對象模型建立完畢。

系統仿真引擎將成員之間與作戰相關的交互封裝在組件里，如碰撞、爆炸等造成的實體摧毀、電波輻射等。實體所屬聯邦成員的轉移、實體屬性的更新也是由該組件具體實施。將交互結果在其屬性接口里表現出來如:是否碰撞、爆炸效果對實體的破壞程度等。利用這些信息清理被摧毀的實體。

每個客戶端都存有組件庫、地形數據庫、三維模型庫，讀取課件信息就可以建立仿真任務。訓練完成后向服務器上傳仿真數據，以便進行任務回放和訓練效果的追蹤。仿真流程如圖5所示。

圖5 仿真流程圖

4 結 語

給出了基于SIMBox平臺開發的仿真訓練系統的總體框架，對系統的組件進行設計和開發，建立了聯邦仿真對象模型，通過組件化的建模方式，實現了系統的管理和仿真訓練功能。不但提供完善的模擬訓練功能，

也為管理員進行系統維護提供了便利。目前該系統組

件量比較少，仿真訓練的范圍還比較窄，聯邦成員之間的交互比較少，功能不夠豐富，還需開發更多組件，拓展仿真訓練的范圍，提高仿真精度，設計出功能更加強大的仿真訓練聯邦。這也是今后的工作重點。

參考文獻

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