艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)時空一致性研究

王永潔，吳金平，周佳玉，邵作浩

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199)

1 引言

在艦艇實裝中嵌入訓(xùn)練系統(tǒng)是艦艇作戰(zhàn)仿真訓(xùn)練的重要手段，為了不改變艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)已有的功能和性能，嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)與作戰(zhàn)系統(tǒng)采用松耦合連接[1-2]。嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)與艦艇實裝時空一致是開展艦艇仿真訓(xùn)練的必要條件。采用Windows+RTX是提高仿真系統(tǒng)實時性的常用方法[3-4]，文獻[5]探討了減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時延的方法，文獻[6]分析了數(shù)據(jù)的時延補償法和武器交火數(shù)據(jù)時延處理方法，文獻[7]分析了影響仿真系統(tǒng)時空一致性的因素和解決框架，文獻[8]研究了測試數(shù)據(jù)空間和時間一致性處理的數(shù)學(xué)方法。針對訓(xùn)練系統(tǒng)嵌入艦艇實裝后與作戰(zhàn)系統(tǒng)保持時空一致性的問題，分析了嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)與艦艇實裝時空不一致的具體原因，提出了具體的解決方法，經(jīng)過工程實踐驗證了本文所提方法的有效性。

2 艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)

2.1 艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)由導(dǎo)演臺、藍方臺和接口裝置組成，并與艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)連接，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

導(dǎo)演臺、藍方臺采用便攜式計算機，接口裝置內(nèi)含工控機固定安裝在艦艇上，各設(shè)備之間采用網(wǎng)線連接。導(dǎo)演臺主要功能是生成仿真訓(xùn)練態(tài)勢，把目標信息發(fā)送至艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，驅(qū)動艦艇實裝訓(xùn)練，獲取作戰(zhàn)系統(tǒng)的實時訓(xùn)練數(shù)據(jù)，進行作戰(zhàn)過程仿真[9]。藍方臺主要功能是模擬藍方兵力對抗行為，接收導(dǎo)演臺的訓(xùn)練態(tài)勢信息和紅方兵力(本艦艇)信息，把藍方兵力動態(tài)控制信息發(fā)送至導(dǎo)演臺。接口裝置是嵌入艦艇專用設(shè)備，有多個對外接口，接口裝置1號線連接到作戰(zhàn)系統(tǒng)交換機監(jiān)聽作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交互信息，對交互信息進行過濾后，把實時訓(xùn)練信息轉(zhuǎn)發(fā)至導(dǎo)演臺。接口裝置2號線連接到作戰(zhàn)系統(tǒng)傳感器的模擬器，把導(dǎo)演臺模擬生成的傳感器目標信息發(fā)送至傳感器顯控臺，接口裝置3號線連接到通信系統(tǒng)交換機，把導(dǎo)演臺模擬生成的數(shù)據(jù)鏈目標信息,經(jīng)過通信系統(tǒng)發(fā)送至作戰(zhàn)系統(tǒng)。

2.2 艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)工作流程

艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)工作流程如下：

1)導(dǎo)演臺設(shè)定仿真訓(xùn)練內(nèi)容，生成訓(xùn)練態(tài)勢和虛擬目標信息。

2)訓(xùn)練開始后，導(dǎo)演臺周期性連續(xù)向傳感器發(fā)送傳感器目標信息，定期向通信系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)鏈目標信息。

3)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)接收到目標信息后，開展艦艇作戰(zhàn)攻防行動，進行作戰(zhàn)訓(xùn)練。

4)接口裝置監(jiān)聽到作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)部交互信息后，過濾后轉(zhuǎn)發(fā)至導(dǎo)演臺。導(dǎo)演臺根據(jù)作戰(zhàn)系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)，模擬本艦運動，根據(jù)作戰(zhàn)系統(tǒng)武器發(fā)控參數(shù)，模擬魚雷、導(dǎo)彈等武器作戰(zhàn)過程。

5)藍方臺獲取訓(xùn)練初始信息后，模擬藍方兵力作戰(zhàn)對抗行為，把藍方兵力動態(tài)控制信息發(fā)送至導(dǎo)演臺。

6)導(dǎo)演臺進行艦艇作戰(zhàn)過程仿真，并進行訓(xùn)練評估。

3 艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)時空不一致原因分析

艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)與艦艇實裝時空不一致的主要原因是由于數(shù)據(jù)傳輸時間延遲，導(dǎo)致仿真實體空間位置不一致。根據(jù)艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能和信息流程，訓(xùn)練系統(tǒng)與艦艇實裝時空不一致的主要原因包括以下幾個方面。

3.1 時間基準不同

嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)是在已有的艦艇實裝上加裝，為了盡量減少對艦艇實裝的影響，嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)并沒有納入到艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)中，而是獨立運行的系統(tǒng)。

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)根據(jù)天文時間向作戰(zhàn)系統(tǒng)各分系統(tǒng)發(fā)布時間基準信息，從而實現(xiàn)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一時間基準。嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)采用Windows操作系統(tǒng)，以計算機時間作為時間基準，2個系統(tǒng)的時間基準不同，造成時鐘不同步，進而導(dǎo)致仿真實體空間位置不一致，影響到作戰(zhàn)仿真精度。時間基準不同帶來的主要影響體現(xiàn)在目標信息注入，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)獲取目標信息存在滯后性。

3.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸固有時延

為了不影響艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)部信息交互，嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)采用專門的接口裝置來監(jiān)聽艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)部交互的數(shù)據(jù)報文，因此，接口裝置會監(jiān)聽到大量無用報文。

數(shù)據(jù)報文在艦艇實裝和訓(xùn)練系統(tǒng)之間傳輸存在固有時延。網(wǎng)絡(luò)報文傳輸總時延tz可以分為4個部分：

tz=tbc+txc+tjp+tjc

(1)

式(1)中：tbc為報文傳輸時延，即傳輸一個報文需要的時間；txc為信號傳輸時延；tjp為交換機排隊時延；tjc為交換機處理報文時間，一般可以忽略。

tbc為報文傳輸時延，其大小為：

(2)

txc為信號傳輸時延，其大小為：

(3)

由于嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)與實裝系統(tǒng)物理距離非常近，因此信號傳輸時延可以不計。

tjp是交換機排隊時延，當(dāng)流入交換機的通信量大于流出交換機的通信量時，會出現(xiàn)報文排隊時延，多出的報文會在交換機緩沖區(qū)中排隊[5]。

tjc是交換機處理報文時間，一般可以忽略。

通過以上分析，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸固有時延主要取決于傳輸報文的數(shù)量和大小，當(dāng)實裝作戰(zhàn)系統(tǒng)出現(xiàn)大量報文時，接口裝置監(jiān)聽處理報文會出現(xiàn)一定的時延。

3.3 Windows操作系統(tǒng)的非實時性

VXworks 操作系統(tǒng)是一種應(yīng)用廣泛的實時操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用在航空、航天、軍工、工業(yè)控制等領(lǐng)域[10]，但存在開發(fā)成本高、調(diào)試困難、硬件可移植性差等缺點，所以艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)中導(dǎo)演臺和藍方臺均采用Windows操作系統(tǒng)。由于Windows操作系統(tǒng)不是一個實時操作系統(tǒng)，不能提供時間確定性，具有不確定的中斷響應(yīng)時間，因此windows系統(tǒng)的報文處理具有不可預(yù)測的執(zhí)行時間，可能每次的處理時延都不一樣。在訓(xùn)練系統(tǒng)仿真過程中，涉及到高速武器彈道仿真時，可能會出現(xiàn)武器運動位置偏差。

4 艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)時空一致解決方法

4.1 目標信息注入時間補償

導(dǎo)演臺通過接口裝置向艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)注入目標信息，是驅(qū)動艦艇實裝作戰(zhàn)訓(xùn)練的關(guān)鍵，由于目標注入數(shù)據(jù)時延的存在，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)獲取目標信息存在滯后性。導(dǎo)演臺通過接口裝置監(jiān)聽，可以獲取到作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)送的統(tǒng)一時間基準，建立異構(gòu)系統(tǒng)節(jié)點時間補償模型，確保訓(xùn)練系統(tǒng)與作戰(zhàn)系統(tǒng)的時間基準一致。

導(dǎo)演臺向艦艇傳感器發(fā)送模擬傳感器目標信息，需要通過專用接口裝置、傳感器模擬器發(fā)送至傳感器顯控臺。由于傳感器顯控臺與訓(xùn)練系統(tǒng)導(dǎo)演臺需要采用統(tǒng)一時間基準，為了保持目標信息統(tǒng)一的時間基準，采取將目標時間信息向前預(yù)推的時間補償機制。導(dǎo)演臺的傳感器目標信息時間補償算法為：

Δts=Δtj+Δtm+Δtx

(4)

式(4)中:Δts為補償時間;Δtj為導(dǎo)演臺至接口裝置數(shù)據(jù)傳輸時間;Δtm為接口裝置至傳感器模擬器數(shù)據(jù)傳輸時間;Δtx為傳感器模擬器至傳感器顯控臺數(shù)據(jù)傳輸時間。

導(dǎo)演臺向艦艇通信系統(tǒng)發(fā)送模擬數(shù)據(jù)鏈目標信息,需要通過專用接口裝置、通信系統(tǒng)交換機發(fā)送至通信系統(tǒng)顯控臺，導(dǎo)演臺的數(shù)據(jù)鏈目標信息時間補償算法為：

Δtt=Δtj+Δtw+Δtc

(5)

式(5)中:Δtt為補償時間;Δtj為導(dǎo)演臺至接口裝置數(shù)據(jù)傳輸時間;Δtw為接口裝置至通信系統(tǒng)交換機數(shù)據(jù)傳輸時間;Δtc為通信系統(tǒng)交換機至通信系統(tǒng)顯控臺數(shù)據(jù)傳輸時間。

通過測量獲取各設(shè)備之間數(shù)據(jù)平均傳輸時延[11]，計算目標注入的信息時間補償，進而分別計算預(yù)推時刻的傳感器目標信息和數(shù)據(jù)鏈目標信息，確保艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)目標注入信息時間統(tǒng)一。

4.2 武器命中目標的邏輯預(yù)判處理

導(dǎo)演臺在作戰(zhàn)仿真過程中需要模擬武器彈道，在獲取艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的武器發(fā)控信息后，導(dǎo)演臺模擬導(dǎo)彈、魚雷等武器的飛行(航行)過程。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)是按照天文時間步長運行，嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)為了和艦艇實裝保持時間一致，也按照天文時間步長推進仿真。對于高速武器而言，一個時間步長產(chǎn)生的距離可能大于目標艦艇的尺寸，會造成武器命中目標的位置誤差過大，導(dǎo)致命中誤判。比如，2倍音速反艦導(dǎo)彈1 s的飛行距離約為700 m[12]，而一般水面艦艇目標的長度不超過150 m，在仿真過程中，容易造成命中誤判。這里通過邏輯預(yù)判的方法來處理，根據(jù)武器速度和導(dǎo)演臺仿真時間步長t，實時動態(tài)推算武器的命中目標邏輯預(yù)判距離D為：

D=v×t

(6)

在武器飛行(航行)過程中，根據(jù)武器對目標的入射角度實時動態(tài)推算武器的命中點，計算武器與目標命中點的距離，當(dāng)武器與目標命中點的距離小于等于命中目標邏輯預(yù)判距離D時，即判定武器命中目標。

4.3 訓(xùn)練系統(tǒng)接口裝置報文過濾

嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)為了不影響艦艇實裝原有的功能和性能，采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)聽的方式獲取作戰(zhàn)系統(tǒng)交互報文，在監(jiān)聽到的網(wǎng)絡(luò)報文中，有大量的無用報文和重復(fù)報文。由前文已知，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸固有時延主要取決于報文數(shù)量和大小，接口裝置在監(jiān)聽到作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)報文后，要對監(jiān)聽到的報文數(shù)據(jù)進行過濾，濾除對導(dǎo)演臺訓(xùn)練仿真的無用報文和重復(fù)報文。

在以太網(wǎng)中，幀(數(shù)據(jù)包)作為組成數(shù)據(jù)的基本單位來進行數(shù)據(jù)交換，以太網(wǎng)幀格式見文獻[13]。接口裝置監(jiān)聽到作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)包后，進行識別數(shù)據(jù)庫查詢，根據(jù)報文的目的IP地址和源IP地址進行第1次過濾，濾除與訓(xùn)練仿真不相關(guān)設(shè)備間的報文信息，然后根據(jù)報文信息標識進行第2次過濾，獲取訓(xùn)練仿真需要的報文信息，并且對該報文信息進行標記，進而根據(jù)報文的目的IP地址、源IP地址和信息標記，判斷是否為重復(fù)信息[14]，若不為重復(fù)信息則發(fā)送該報文至導(dǎo)演臺。報文過濾流程如圖2所示。

圖2 報文過濾流程框圖

通過接口裝置的報文過濾，可以有效減少無用報文的數(shù)量，進而減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延。

4.4 訓(xùn)練系統(tǒng)建模仿真優(yōu)化

仿真模型如果過于復(fù)雜，會導(dǎo)致計算機系統(tǒng)不能在給定的采樣時間內(nèi)完成仿真計算，增加模型計算時延，所以要優(yōu)化仿真模型設(shè)計。首先，要簡化模型設(shè)計，根據(jù)仿真訓(xùn)練精度要求，合理確定仿真模型精度，減少模型計算時間。比如，魚雷和導(dǎo)彈的彈道仿真采用運動學(xué)模型就可以滿足仿真訓(xùn)練精度要求，不需要建立信號級動力學(xué)模型。其次，通過計算機生成兵力多分辨率建模，實現(xiàn)藍方兵力CGF的聚合-解聚[15]，在仿真運行過程中，運行低分辨率仿真實體模型，當(dāng)需要更多細節(jié)時，觸發(fā)解聚，執(zhí)行高分辨率仿真實體模型。聚合-解聚在仿真訓(xùn)練過程中動態(tài)發(fā)生，可以減少不必要的模型計算時間。

優(yōu)化仿真軟件架構(gòu)，合理分配計算任務(wù)，可以減少網(wǎng)絡(luò)通信量，提高分布式仿真的同步性。采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)(SOA)，所有仿真模型計算都部署在導(dǎo)演臺(相當(dāng)于服務(wù)器)上，包括藍方兵力和武器的仿真計算，仿真計算模塊以組件化形式部署。藍方臺軟件進行藍方兵力的控制調(diào)用，實現(xiàn)客戶端應(yīng)用。導(dǎo)演臺接受藍方臺的服務(wù)請求，并將服務(wù)結(jié)果返回藍方臺，從而實現(xiàn)組件共享的服務(wù)，提高軟件仿真的運行效率。

4.5 訓(xùn)練系統(tǒng)采用Windows+RTX 操作系統(tǒng)

由于Windows是非實時操作系統(tǒng)，在Windows中嵌入實時擴展模塊RTX來解決仿真平臺的實時性問題是常用方法。在Windows+RTX平臺下進行軟件開發(fā)，難度小、周期短、調(diào)試方便、可維護性和可移植性好[4]。RTX和Windows進程之間可通過共享內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，通過實時信號量進行同步和通訊。RTX實時擴展模塊是一整套庫的集合，實時子系統(tǒng)RTSS作為一種Windows內(nèi)核驅(qū)動程序和擴展的HAL實現(xiàn)實時性，提供了一套RTXwinAPI用于對實時對象的訪問。這樣既可以充分利用Windows平臺已有的資源，又可以將實時任務(wù)放入實時環(huán)境RTX中執(zhí)行。導(dǎo)演臺軟件在RTX 和 Windows下的運行流程如下：

1)在RTX下導(dǎo)演臺軟件啟動后，首先創(chuàng)建RTX與Windows的共享內(nèi)存，對時鐘板和功能板卡進行初始化，初始化正常后，等待仿真線程啟動的信號量和時序脈沖信號，接收到脈沖信號后，進行作戰(zhàn)仿真，并將作戰(zhàn)仿真更新數(shù)據(jù)放入共享內(nèi)存中。

2)在Windows下導(dǎo)演臺軟件啟動后，首先創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)進程用于仿真節(jié)點通信，然后進行作戰(zhàn)仿真數(shù)據(jù)初始化，接到仿真開始命令后，Windows進程通知 RTX 啟動作戰(zhàn)仿真線程，開始進行作戰(zhàn)訓(xùn)練仿真，在仿真過程中，Windows通過共享內(nèi)存與 RTSS 進程進行數(shù)據(jù)信息交互，其工作流程如圖3所示。

圖3 導(dǎo)演臺軟件工作流程

5 工程實踐驗證

在實驗室某艦艇仿真系統(tǒng)中開發(fā)嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)，采用Windows+RTX操作系統(tǒng)和面向服務(wù)的軟件架構(gòu)(SOA)提高訓(xùn)練系統(tǒng)的實時性，采用監(jiān)聽報文過濾技術(shù)減小網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時延，嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)發(fā)送虛擬目標數(shù)據(jù)至艦艇仿真實裝時，采用時間補償算法彌補目標注入數(shù)據(jù)的時延。在上述方法的共同作用下，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)測試軟件在實際環(huán)境下測量統(tǒng)計分析表明，數(shù)據(jù)傳輸時延滿足艦艇實裝仿真訓(xùn)練時間一致性要求，部分測試項目數(shù)據(jù)傳輸時延測量結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)傳輸時延測量結(jié)果

嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)在進行反艦導(dǎo)彈攻擊模擬訓(xùn)練時，采用武器命中目標的邏輯預(yù)判處理方法，避免了訓(xùn)練誤判，滿足了反艦導(dǎo)彈命中目標空間一致性要求。如圖4所示,在某次仿真訓(xùn)練中，本艇(紅方潛艇)發(fā)射1枚某型反艦導(dǎo)彈攻擊03號目標(藍方水面艦艇)，該型反艦導(dǎo)彈飛行速度300 m/s，由于此時嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)與艦艇仿真系統(tǒng)仍有信息交互，因此嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)按照天文時間步長推進仿真，在該反艦導(dǎo)彈對目標入射方向上，距離目標命中點195 m時，判定反艦導(dǎo)彈命中目標，結(jié)束該反艦導(dǎo)彈的飛行仿真。

圖4 反艦導(dǎo)彈命中目標仿真過程

6 結(jié)論

1)用時間補償目標注入信息時延，通過接口裝置報文過濾降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時延，可以有效降低艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)與實裝之間的信息時延，提高仿真訓(xùn)練精度。

2)用實時動態(tài)計算方法預(yù)判武器命中目標邏輯距離，能夠避免武器命中目標誤判，提高艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真逼真度。

3)通過訓(xùn)練系統(tǒng)建模仿真優(yōu)化，并采用Windows+RTX操作系統(tǒng),可以提高艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)仿真的實時性。

工程實踐表明，綜合采用上述方法可以滿足艦艇實裝嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)時空一致性的要求，對其他作戰(zhàn)平臺嵌入式訓(xùn)練時空一致性具有重要的參考價值。