CN101382968A - 一种先进综合式航空电子仿真系统及其仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种先进综合式航空电子仿真系统及其仿真方法，该系统中的综合射频系统仿真器、综合光电系统仿真器、综合飞行器管理系统仿真器、外挂系统仿真器模拟机载设备的工作过程，产生系统的激励信息；而该系统中的航空电子统一网络仿真器负责传输系统中的信息流，综合核心处理仿真器实现对接收数据的融合、接收任务的计算，座舱仿真器实现对飞机状态的综合显示，并接收飞行员的控制指令，监控显示设备以图形化的形式对仿真过程进行显示。通过把这些分系统有机地组合在一起来模拟航电系统的运行过程，从而完成对航电系统的定量仿真分析。通过本发明可以仿真不同的机载网络拓扑结构，因此本发明有很好的通用性。

Description

一种先进综合式航空电子仿真系统及其仿真方法

技术领域

本发明属于先进综合式航空电子系统结构下信息处理的仿真技术领域，具体涉及一种航空电子仿真系统及其仿真方法，用于模拟航空电子系统信息流的产生、传输、处理、显示过程。

背景技术

航空电子系统结构的发展经历了分离式、联合式、综合式，现在已发展到先进综合式。美国的联合先进攻击计划(JAST)被认为是先进综合航空电子系统的研究计划。JAST的主要特点是采用了航空电子统一网络代替第三代结构多种单一的互联网，采用具有超高计算、处理能力的综合核心处理器实现数据融合、任务计算和综合信号处理，与之前的系统相比，在信息传输和任务处理能力上都有很大提高。然而联合式的航电系统结构是我国目前航电系统结构的主流，离高度综合化系统目标还有很远。我国正面临着航电综合系统研究的战略性转变，对先进综合航电系统的性能进行评价分析，对确立我国航空电子技术的发展重点和发展方向具有重要的指导意义。

美国在第一代航空电子综合化结构设计中就采用了计算机仿真建模的方法，并开发了相应的软件工具，如针对1553B总线的BusTools/1553TM，国内利用计算机对航空电子综合化系统进行辅助设计的工作是从GJB289A在老机改型和新机研制中大量应用开始的。机载电子设备种类繁多，航空电子系统是一个结构和功能都十分复杂的大系统，用真实系统投资极大，又有相当的风险，而仿真技术可以用较小的投资换取风险上的大幅度降低，得到很高的效费比。真实系统的研究不仅费时费钱，并且很难做到，用计算机仿真技术则可化繁为简，大大节省人力物力。

目前，国内外针对航空电子系统结构的仿真研究有对射频系统综合性的模拟，机载总线网络的模拟，有综合核心处理器实时调度算法的模拟计算，这些仿真研究大多是针对先进综合航空电子系统结构数据流传输或处理的某一阶段，只针对系统信息交互的某一方面，对先进综合航电系统的性能进行系统、全面的评价分析有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种先进综合式航空电子仿真系统及其仿真方法，模拟机载信息流的产生和先进综合式航电系统的运行过程，反应了各个分系统之间的相互协作与信息交互。发明主要对综合核心处理器和航空电子统一网络进行建模，实现了仿真系统的通用性。该系统不仅可以仿真各种复杂的网络拓扑形式，还可以测试不同处理能力的综合核心处理器采用不同实时调度策略的效果。仿真过程能够跟踪任一信息在任何阶段的数据延迟，计算系统的信息处理能力和系统实时性，从而对先进综合航电系统进行性能评价。

本发明是一种先进综合航空电子仿真系统，包括：综合核心处理仿真器、航空电子统一网络仿真器、综合射频系统仿真器、综合光电系统仿真器、综合飞行器管理系统仿真器、外挂系统仿真器、座舱仿真器、监控显示设备。其中综合射频系统仿真器、综合光电系统仿真器、综合飞行器管理系统仿真器、外挂系统仿真器实现对先进综合航空电子系统设备的仿真，模拟机载设备的工作过程，产生系统的激励信息；航空电子统一网络仿真器与所述综合射频系统仿真器、综合光电系统仿真器、综合飞行器管理系统仿真器、外挂系统仿真器相连接，负责传输系统中的信息流，是各个设备之间通信的桥梁；综合核心处理仿真器与所述航空电子统一网络仿真器相连接，是一多处理器系统，实现对接收数据的融合、接收任务的计算；座舱仿真器与所述航空电子统一网络仿真器相连接，实现对飞机状态的综合显示，并接收飞行员的控制指令；监控显示设备与所述航空电子统一网络仿真器相连接，以图形化的形式对仿真过程进行显示。

从功能上讲，本发明模拟综合射频系统、综合光电系统、综合飞行器管理系统、外挂系统等机载电子系统产生飞机各种状态信息，通过高速、大容量的航空电子统一网络传输给综合核心处理器，综合核心处理器按照某种划分和调度策略对这些信息进行处理。处理完成之后，将处理结果通过航空电子统一网络发送给座舱，在座舱进行综合显示，飞行员根据显示信息，输入相应的控制指令。这些指令通过航空电子统一网络再传输给综合核心处理器，综合核心处理器处理之后，把信息传给相应的综合射频系统，综合光电系统，综合飞行器管理系统，外挂系统，改变其相应的状态。整个系统由此形成一个有机的整体。

综合射频系统仿真器主要包括通信、导航、识别、雷达、电子战等系统仿真。模拟产生航空通信中传输的语言和数据信息，导航所依赖的飞机位置信息，雷达探测所获取的目标反射回波信号，电子战使用的电磁能和电磁频谱等信息的产生和对其变化的跟踪和管理；综合光电系统仿真器模拟产生不同光电环境参数下，侦查、探测到的目标图像信息并对其状态变化进行跟踪和管理；综合飞行器管理系统仿真器模拟产生各飞行阶段即起飞、爬高、改平、巡航、下降和进近各阶段，飞机导航、动力、气动力等参数并对各阶段状态变化进行跟踪和管理；外挂系统仿真器模拟产生攻击目标和本机飞行姿态的参数并对其状态变化进行跟踪和管理。

航空电子统一网络仿真器模拟了数据的网络传输，包括网络配置模块、发送处理模块、缓冲队列模块、路由转发模块、接收处理模块。用户根据实际需要，通过网络配置模块设定或选择数据库已有的网络设备数量种类、网络的拓扑结构和系统参数。发送处理模块对需要发送的应用数据进行封装处理。缓冲队列模块模拟到达数据交换设备内缓冲的数据包排队情况，缓冲队列模块中待发出的数据包通过查询路由转发模块中的路由表进行转发。路由转发模块根据用户提供的路由转发策略或者直接加载已有的路由转发算法动态库，实现数据包的路由转发。数据包到达目的地后，接收处理模块对接收到的数据包进行拆封处理，得到应用数据。

综合核心处理仿真器是一多处理器系统，模拟对航空电子统一网络仿真器传输过来的数据和信号的调度、处理，完成数据融合、任务计算和综合信号处理。包括：处理器设备参数模块、划分算法模型库、任务属性参数模块、任务管理模块、调度算法模型库、调度器。用户可根据实际需要，通过处理器设备参数模块设定或选择数据库已有的处理器设备参数和处理器设备个数，将设备参数和个数信息传给调度器。划分算法模型库保存了各种划分算法，该模型库对各种算法模型进行统一管理，模型可灵活替换，任务属性参数可以根据不同的情况使用不同的算法模型，将所有任务划分成适当的任务集。任务属性参数模块定义所有任务的属性，选择划分算法模型库中合适的划分算法将所有任务划分成适当的任务集，并将定义好的任务属性传给调度器。任务管理模块以任务集为单位，对任务集中的等待任务、就绪任务、运行任务和完成任务分别进行排队，并将任务的执行状态传输给调度器。调度算法模型库保存了各种调度算法，该模型库对各种调度算法模型进行统一管理，模型的可替换性可使系统方便地使用第三方提供的模型来提高系统实时性。调度器可以根据不同的情况使用不同的算法模型，模拟不同的调度过程。调度器接收处理器设备参数模块、任务属性参数模块、任务管理模块提供的信息，并选择调度算法模型库中的调度算法实现任务的调度和抢占切换。处理完成之后，把计算的数据结果发送到航空电子统一网络仿真器。

座舱仿真器模拟实现飞行员与机上各类设备进行交互的界面接口。它包括：综合信息显示模块和指令发布模块。综合信息显示模块模拟了对综合核心处理仿真器处理完成传输过来的数据的图形化显示，综合了大量信息显示输出。指令发布模块模拟飞行员通过驾驶杆、油门杆、中央控制面板、触敏显示键盘等装置输入控制指令，并抽象这些控制指令定义了一系列消息。

监控显示设备提供了先进综合航空电子系统实时性仿真的可视化界面。包括：执行过程跟踪模块、时钟管理模块、日志模块。执行过程跟踪模块实现了对信息处理的跟踪、对信息处理的延迟进行分阶段的分析统计。时钟管理模块实现在时间轴上推进系统的运行，维护仿真时钟。日志模块记录仿真过程发生的主要事件。

本发明还提供一种先进综合式航空电子系统的仿真方法，包括如下过程：

第一步：仿真系统初始化；

第二步：信息产生；

第三步：航空电子统一网络仿真器进行信息传输；

第四步：综合核心处理仿真器进行信息处理；

第五步：座舱仿真器显示和发布指令；

第六步：综合射频系统仿真器、综合光电系统仿真器、综合飞行器管理系统仿真器、外挂系统仿真器根据消息改变相应系统仿真器的状态。

上述仿真系统初始化按照如下过程进行：

(1)选择需要仿真的系统仿真器并设定仿真时间；

(2)设定处理器设备参数；

(3)定义任务集和任务属性；

(4)网络配置；

(5)激活所选择的系统仿真器。

上述航空电子统一网络仿真器进行信息传输，按照如下过程进行：

(1)消息封装；

(2)消息缓存；

(3)消息路由；

(4)消息接收。

上述综合核心处理仿真器进行信息处理，按照如下过程进行：

(1)消息激活相应的任务；

(2)任务移到就绪队列；

(3)任务移到运行队列；

(4)判断任务是否执行完成；

(5)任务移到完成队列；

(6)判断任务集的所有任务是否执行完成。

上述座舱仿真器显示信息和指令发布，按照如下过程进行：

(1)在座舱仿真器中显示信息；

(2)判断是否需要发布指令。

本发明的优点在于：

1.本发明是一种先进综合航空电子系统，模拟了机载信息流的产生过程和先进综合航电系统的运行过程，对系统的信息处理能力和实时性进行计算评估。

2.通过对综合核心处理器建模，把不同设备的差异部分转变为可输入的参数，例如处理器的主频大小、处理器的内存大小等，可以仿真具有不同处理能力、不同内存大小的异构处理器系统。通过对航空电子统一网络建模，可以仿真不同的网络拓扑结构，因此本发明有很好的通用性。

3.在航电系统复杂的信息处理过程中，某一任务的执行往往依赖于其他任务的数据处理结果。本发明针对这一特性，支持任务之间具有相互关联性的仿真。

4.航电系统是强实时系统，本发明可以用来测试在不同的调度策略和路由策略下，任务执行所需的时间开销。可用于为实际系统寻找最佳的实时调度策略和路由策略，以此来提高系统的实时性。

附图说明

图1是本发明所述的先进综合式航空电子仿真系统的结构示意图；

图2是本发明所述的航空电子统一网络仿真器的结构示意图；

图3是本发明所述的综合核心处理仿真器的结构示意图；

图4是本发明中任务集中各项任务间的相互关系描述图；

图5是本发明中任务管理的结构示意图；

图6是本发明先进综合式航空电子仿真系统工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种先进综合航空电子仿真系统，包括：综合核心处理仿真器10、航空电子统一网络仿真器20、综合射频系统仿真器30、综合光电系统仿真器40、综合飞行器管理系统仿真器50、外挂系统仿真器60、座舱仿真器70、监控显示设备80。用户首先从综合射频系统仿真器30，综合光电系统仿真器40，综合飞行器管理系统仿真器50，外挂系统仿真器60中选择仿真所需要的系统设备，并且设定仿真需要的时间；通过综合核心处理仿真器10的处理器设备参数模块11，设定或选择数据库已有的处理器设备参数和处理器设备个数；通过航空电子统一网络仿真器20的网络配置模块21，设定或选择数据库已有的网络设备数量种类、网络的拓扑结构和系统参数，系统参数包括各设备的地址，及路由策略，使已选定的设备按一定形式的计算机网络相连。

根据用户的选择，分别激活相应的系统开始工作。若激活的是综合射频系统30，则模拟实现航空通信中传输的语言和数据信息，导航所依赖的飞机位置的经度、纬度、海拔高度，飞机速度、飞机航迹角、偏航距、待飞距离、航迹角误差，雷达探测所获取的目标反射回波信号，电子战使用的电磁能和电磁频谱等信息的产生和对其变化的跟踪和管理。

若激活的是综合光电系统40，则模拟实现不同光电环境参数下，侦查、探测到的目标图像信息的产生和对其状态变化的跟踪和管理。包括：不同频段的紫外信号、可见光信号、红外信号，以及这些信号不同密度、辐射照度条件下，在同一时间获得同一目标场的图像信息。

若激活的是综合飞行器管理系统50，则模拟实现对各飞行阶段即起飞、爬高、改平、巡航、下降和进近各阶段，飞机导航、动力、气动力等的信息产生及各阶段状态变化的跟踪和管理。包括：各阶段的飞机全重、发动机转速、飞机推力等。

若激活的是外挂系统60，则模拟实现对攻击目标和本机飞行姿态的信息产生并对其状态变化的跟踪和管理，包括目标方向、目标位置、目标距离、目标速度、目标变化速率、本机速度、本机加速度、本机航向、本机姿态、本机高度等。

这些信息发送给航空电子统一网络仿真器20。它包括：网络配置模块21、发送处理模块22、缓冲队列模块23、路由转发模块24、接收处理模块25。航空电子统一网络仿真器模拟了数据的网络传输，即数据的封装、缓存、路由、转发和拆装过程。航空电子统一网络的结构示意图如图2所示。发送处理模块22是将需要转发的应用数据按航空电子统一网络协议分成一定长度的数据段，并加上含有目的地址和源地址信息的帧头、校验码、帧尾。以航空电子统一网络的首选协议标准——航空电子环境的光纤通道(FC-AE)为例，一帧应该有一个有序集帧头，它占有4个字节，作为分隔符。其后是一组24字节的帧头，它里面包含有目的地址和源地址信息，以及帧内容的控制字段和其在一组帧中的位置信息。帧头之后是长度为0—2112字节的数据段。数据段之后是一组32位的CRC(循环冗余校验)。CRC后面是4个字节的有序集帧尾。把封装好的数据包加入缓冲队列模块23。缓冲队列模块23模拟到达数据交换设备内缓冲的数据包排队情况，采用对时延敏感的流量制定较高的优先级，对没有服务质量要求的流量制定较低的优先级，按优先级的高低来排队。路由转发模块24根据用户提供的路由转发策略或者直接加载已有的路由转发算法动态库，通过检查帧头信息和查询路由表，决定数据包的输出链路。数据包达到目的地后，接收处理模块25对数据包进行拆装、排序和拼接，对拼接后的数据进行校验，从而得到最终的应用数据。监控显示设备80的执行过程跟踪模块81对信息流的传输过程进行跟踪，对网络吞吐率、链路的平均占有率、数据帧的平均延迟、节点的丢包率进行检测、显示、统计、分析。

这些应用数据传给综合核心处理仿真器10，综合核心处理仿真器10会启动多个线程也就是任务，来处理这些信息。如图3所示，综合核心处理仿真器包括：处理器设备参数模块11、任务属性参数模块12、任务管理模块13、调度算法模型库14、调度器15、划分算法模型库16。处理器设备参数模块11，基于用户设定或选择数据库已有的处理器设备参数和处理器设备个数，将设备参数和个数信息传给调度器15。任务属性参数模块12，基于用户设定或选择数据库已有的任务，定义任务的属性。并选择划分算法模型库16中的划分算法，将所有任务划分成适当的任务集。任务属性包括：任务的ID号，任务名称，任务所在任务集的ID号，该任务的前驱任务，该任务的后继任务，任务的最大允许延迟，任务的计算量，执行任务所需的内存大小，任务所订购的消息序号。将定义好的任务属性传给调度器15。任务管理模块13以任务集的ID号为序，分别对每个任务集中的任务状态进行排队，并将任务的执行状态传输给调度器15。任务状态包括：等待状态、就绪状态、运行状态和完成状态。调度器15接收来自处理器设备参数模块11、任务属性参数模块12、任务管理模块13的信息，选择调度算法模型库14中的调度算法，按调度算法选取就绪队列里合适的任务获得CPU使用权，实现任务的调度和抢占切换。

以火力控制任务集，即对外挂系统传过来的信息进行处理的任务集为例。任务集包括：对脉冲多普勒雷达采集的目标数据处理任务A、对红外激光雷达采集的目标数据处理任务B，与友机间的数据链获得的目标数据处理任务C，对所有目标动态数据进行相关性处理任务D，对载机的飞行参数数据处理任务E，对目标数据与载机飞行参数数据融合的任务F，对最佳攻击时间判断任务G，对最佳攻击角度判断任务H，对最佳攻击方式判断任务I。

任务集中所有任务的前驱、后继关系如图4所示，对脉冲多普勒雷达采集的目标数据处理任务A、对红外激光雷达采集的目标数据处理任务B、与友机间的数据链获得的目标数据处理任务C是对所有目标动态数据进行相关性处理任务D的前驱任务，对所有目标动态数据进行相关性处理任务D只有在对脉冲多普勒雷达采集的目标数据处理任务A、对红外激光雷达采集的目标数据处理任务B、与友机间的数据链获得的目标数据处理任务C都执行完成之后才能开始执行。对所有目标动态数据进行相关性处理任务D的后继任务是对目标数据与载机飞行参数数据融合的任务F。任务集中的其他任务都按照定义好的前驱、后继关系进行处理。

任务管理模块13的结构示意图如图5所示，描述了任务状态队列之间的转换关系。如对所有目标动态数据进行相关性处理任务D只有在它所有的前驱任务执行完成之后，并且获得所需的内存等资源，才由等待队列变到就绪队列。根据选择的调度算法模型库14中的调度算法，调度器15选取就绪队列里的任务获得CPU使用权，任务变成运行状态，则移到运行队列。若根据调度策略，运行中的任务被抢占，则释放CPU使用权，返回等待队列。若无抢占，则一直运行，直到执行完成，任务移到完成队列。任务集的所有任务重复上述过程，直到全部完成，并在完成队列里显示。任务执行完成之后，把计算的数据结果，发送到航空电子统一网络仿真器20。监控显示设备80的执行过程跟踪模块81对任务集执行过程进行跟踪，对任务集的执行时间和CPU占有率、内存占用率进行检测、显示、统计、分析。

座舱仿真器70模拟实现飞行员与机上各类设备进行交互的界面接口。它包括：综合信息显示模块71和指令发布模块72。综合信息显示模块71实现了对综合核心处理仿真器10处理完成，通过航空电子统一网络仿真器20传输过来的数据的图形化显示，综合了大量信息的显示输出。为飞行员提供了飞机的各种状态参数，火控，态势感知，告警等信息。飞行员快速掌握这些信息之后，要做出正确的判断并完成准确控制。指令发布模块72模拟实现飞行员通过驾驶杆、油门杆、中央控制面板、触敏显示键盘等装置输入的控制指令，并抽象这些控制指令定义了一系列消息。把这些消息通过航空电子统一网络仿真器20传输给相应的综合射频系统仿真器30，综合光电系统仿真器40，综合飞行器管理系统仿真器50，外挂系统仿真器60，改变其相应的状态。

整个系统运行过程中，时钟管理模块83实现在时间轴上推进系统的运行，维护仿真时钟。日志模块82记录各个信息流的开始、结束，以及在设备之间的传输情况，执行过程跟踪模块81对飞机上信息流的产生、传输、处理、显示等各个过程进行跟踪并统计各阶段的延迟时间，记录CPU占有率、内存占用率、网络的链路占有率以及网络吞吐率。由此得出系统的信息处理能力和系统实时性。并将以上统计结果以可视化的图形显示给用户。

参照图6，先进综合式航空电子仿真系统仿真的方法包括以下步骤：

第一步：仿真系统的初始化

(1)选择需要仿真的系统仿真器并设定仿真时间：从综合射频系统仿真器30，综合光电系统仿真器40，综合飞行器管理系统仿真器50，外挂系统仿真器60中选择仿真所需要的系统仿真器。并设定好整个系统运行的仿真时间。仿真时钟控制仿真时间的推进，一旦初始化设定的仿真时间到，则结束整个仿真系统的运行。

(2)设定处理器设备参数：设定或选择数据库已有的处理器设备参数和处理器设备个数。处理器设备参数包括：易失存储器大小，非易失存储器大小，CPU主频，网卡互连速率，网卡互连方式。

(3)定义任务集和任务属性：利用任务属性参数模块12设定或选择数据库已有的任务，并定义任务的属性。每个任务的属性包括：任务的ID号，任务名称，任务所在任务集的ID号，该任务的前驱任务，该任务的后继任务，任务的最大允许延迟，任务的计算量，执行任务所需的内存大小，任务所订购的消息序号。并选择划分算法模型库16中的划分算法，将所有任务划分成适当的任务集。

(4)网络配置：用户可以自定义网络拓扑结构和网络设备，使已选定的设备按一定形式的计算机网络相连。对于系统中的各项网络参数从数据库中进行设定或选择，需要设定和选择的网络参数主要有各设备的IP地址，同时对于路由器的路由策略也要有相应的设定。

(5)激活所选择的系统仿真器：根据各种选择和设定的信息，把所选择的系统仿真器调整到就绪状态，准备运行。

第二步：信息产生

所选择的系统仿真器开始产生信息输入。此时系统仿真器按既定的程序运行，周期性地产生信息输入。

第三步：航空电子统一网络仿真器进行信息传输

航空电子统一网络仿真器20对输入的信息进行传输。包括以下几步：

(1)消息封装：将需要转发的应用数据按航空电子统一网络协议分成一定长度的数据段，并加上含有目的地址和源地址信息的帧头、校验码、帧尾。以航空电子统一网络的首选协议标准——航空电子环境的光纤通道(FC-AE)为例，一帧应该有一个有序集帧头，它占有4个字节，作为分隔符。其后是一组24字节的帧头，它里面包含有目的地址和源地址信息，以及帧内容的控制字段和和其在一组帧中的位置信息。帧头之后是长度为0—2112字节的数据段。数据段之后是一组32位的CRC(循环冗余校验)。CRC后面是4个字节的有序集帧尾。封装好的消息的属性的数据结构如下所示：

class CMessage

{

 CString     SourceIP；        发送节点IP地址

 CString     DesIP；       目的节点IP地址

 CArray<CString＊，CString＊>m_Content；消息内容

 double      CycleRate；    消息刷新率

 double      StartTime；    消息开始时间

 long        BytesCount；   消息长度

 BOOL        CycleOrEvent；   消息类型：0-周期消息，1-触发消息

 double      MaxDelay；       消息的最大允许延迟

 int         MessageSeriesNo； 消息序号

 }

(2)消息缓存：模拟到达交换机、路由器等数据交换设备内缓冲的数据包排队情况。根据消息的最大允许延迟MaxDelay的值来进行排队。MaxDelay的值越小，优先级越高，最先进行处理。

(3)消息路由：通过检查帧头信息和查询路由表，决定数据包的输出链路。

(4)消息接收：接收处理模块按照FC-AE协议，去掉4个字节的有序集帧头和一组24字节的帧头，取出数据包，进行排序、拼接，得到最终的应用数据。消息路由根据路由表将数据发送到相应的仿真器中。根据路由器转发数据的目的地址不同，消息的接收分为三种情况：

1)综合核心处理仿真器10接收消息，详细步骤见第四步，

2)座舱仿真器70接收消息，详细步骤见第五步，

3)综合射频系统仿真器30、综合光电系统仿真器40、综合飞行器管理系统仿真器50、外挂系统仿真器接收消息60，详细步骤见第六步。

第四步：综合核心处理仿真器进行信息处理

(1)消息激活相应的任务：每一个任务都包括“任务所订购的消息序号”这个属性，所以综合核心处理仿真器10接收消息后，如果这个消息的序号与任务所订购的消息序号相匹配，就会激活相应的任务。

(2)任务移到就绪队列：任务被激活之后，就从等待队列，移到就绪队列。

(3)任务移到运行队列：根据用户选择的调度算法模型库14中的调度算法，调度器选取就绪队列里的任务获得CPU使用权，任务变成运行状态，移到运行队列。

(4)判断任务是否执行完成：根据调度策略，运行中的任务被抢占，则释放CPU使用权，返回等待队列，此时任务没有执行完成。任务在等待队列中，当它所有的前驱任务执行完成之后，并且获得所需的内存等资源，才由等待队列变到就绪队列，即回到(2)步继续执行。

(5)任务移到完成队列：任务执行完成之后，移到完成队列。

(6)判断任务集的所有任务是否执行完成：在完成队列中查看是否任务集中的所有任务都已经在完成队列中。如果不是，则根据选择的调度算法模型库14中的调度算法，选取就绪队列中的任务移到运行队列，即回到(3)步继续执行，直到任务集中的所有任务都执行完成。任务集中的所有任务执行完成之后，把计算的数据结果，发送到航空电子统一网络仿真器20。即回到第三步，航空电子统一网络仿真器20进行信息传输。

第五步：座舱仿真器显示信息和发布指令

(1)在座舱仿真器中显示信息：座舱仿真器70接收消息后，取出消息中的应用数据，并把应用数据在座舱仿真器70中显示出来。

(2)判断是否需要发布指令：部分任务集处理完成之后的结果在座舱仿真器70显示就可以了，不再需要用户发布指令，例如：雷达信号处理任务集。至此，信息一次产生的仿真过程结束，但由于信息是周期性产生的，所有又会有新的信息产生，即回到第二步，开始往下继续执行；部分任务集处理完成之后的结果在座舱仿真器70显示后，是必须要发布指令的，例如：火力控制任务集等。这种任务集就需要用户发布一个指令，航空电子统一网络仿真器20把指令封装成消息，通过判断指令的类型，传输给相应的系统仿真器。即回到第三步，航空电子统一网络仿真器20进行信息传输。

第六步：综合射频系统仿真器、综合光电系统仿真器、综合飞行器管理系统仿真器、外挂系统仿真器根据消息改变状态

根据消息路由转发的目的地址，相应的目的地址系统仿真器接收消息，并取出消息中所包含的指令，根据指令改变系统仿真器的相应状态。

整个仿真系统根据是否需要发布指令，按照两种方式进行循环：如果不需要用户发布指令，则按照第一步->第二步->第三步->第四步->第三步->第五步->第二步循环运行。如果需要用户发布指令，则按照第一步->第二步->第三步->第四步->第三步->第五步->第三步->第六步->第二步循环运行。一旦设定的仿真时间到，结束整个仿真系统的运行。整个仿真过程中，监控显示设备80的日志模块82记录各个信息流的开始、结束，以及在设备之间的传输情况，执行过程跟踪模块81对信息流的产生、传输、处理、显示进行跟踪并统计各阶段的延迟时间，记录CPU占有率、内存占用率、网络的链路占有率以及网络吞吐率。

下面对其主要工作过程进行详细描述：

仿真系统启动后，用户首先从综合射频系统仿真器30，综合光电系统仿真器40，综合飞行器管理系统仿真器50，外挂系统仿真器60中选择仿真所需要的系统设备，本实施例中选择外挂系统仿真器60。并设定仿真的时间。用户通过综合核心处理仿真器10的处理器设备参数11，设定或选择数据库已有的处理器设备参数和处理器设备个数，本实施例中选择3台处理器。利用任务属性参数模块12设定或选择数据库已有的任务，并定义任务的属性，选择划分算法模型库16中的划分算法，所有任务划分成适当的任务集。

本实施例中定义攻击目标探测任务集包括：正交解调任务W、固定目标对消任务X、动目标检测任务Y、恒虚警任务Z。W的后继任务是X，X的后继任务是Y，Y的后继任务是Z。每个任务的属性包括：任务的ID号，任务名称，任务所在任务集的ID号，该任务的前驱任务，该任务的后继任务，任务的最大允许延迟，任务的计算量，执行任务所需的内存大小，任务所订购的消息序号。

通过航空电子统一网络仿真器20的网络配置模块21设定各个设备的IP地址，如综合核心处理仿真器10包含的3台名称为hostl、host2、host3的处理器、外挂系统仿真器60、座舱仿真器70、监控显示设备80等，并选择数据库中已有的交换式网络拓扑和路由器等网络设备，及路由策略。连接关系为处理器host1、host2、host3直接与交换机相连，交换机与路由器相连，此路由器还分别与外挂系统仿真器60、座舱仿真器70、监控显示设备80相连。

激活外挂系统仿真器60后，本实施例中模拟产生雷达探测所获取的目标反射回波信号。首先产生二相编码雷达信号，只需先确定载频和二相编码的编码方式，用码元信息“1”或“0”来控制载波相位是“0°”或“180°”，编程可实现。然后产生热噪声，用rand函数来产生服从(0，1)单位均匀分布的随机噪声序列。再产生杂波信号，也就是产生同时具有特定的概率密度和功率谱密度的随机序列，用瑞利分布加高斯谱模拟产生。二相编码雷达信号、热噪声和杂波信号一起组成了目标回波信号，通过脉冲编码调制将目标回波信号这个模拟信号数字化，编成一个二进制码组输出到航空电子统一网络仿真器20。

航空电子统一网络仿真器20对目标回波信号的二进制码组进行封装、缓存、路由、拆封。发送处理模块22按照FC-AE协议，对目标回波信号的二进制码组进行封装，封装好的消息的数据结构如下所示：

class CMessage

{

 CString     SourceIP；      发送节点IP地址

 CString     DesIP；        目的节点IP地址

 CArray<CString＊，CString＊>m_Content；消息内容

 double     CycleRate；       消息刷新率

 double     StartTime；       消息起始时间

 long       BytesCount；      消息长度

 BOOL       CycleOrEvent；      消息类型：0-周期消息，1-触发消息

 double      MaxDelay；         消息的最大允许延迟

 int         MessageSeriesNo；  消息序号

 }

缓冲队列模块23模拟到达交换机、路由器等数据交换设备内缓冲的数据包排队情况。根据消息的最大允许延迟MaxDelay的值来进行排队。MaxDelay的值越小，优先级越高。最先进行处理。路由转发模块24通过检查帧头信息和查询路由表，决定数据包的输出链路。接收处理模块25按照FC-AE协议，去掉4个字节的有序集帧头和一组24字节的帧头，取出数据包，进行排序、拼接，得到目标回波信号的二进制码组输出到综合核心处理仿真器10。

任务属性中包括任务所订购的消息序号，所以当订购的消息到达综合核心处理仿真器10时，就会激活相应的任务。调度器15选择调度算法模型库14中的调度算法，使正交解调任务W获得host l，host2，host3中某一个的CPU使用权开始执行，正交解调任务W首先对二进制码组进行D/A转换，并产生I、Q两路本振信号，然后分别与回波信号相乘，得到零中频的I、Q两路正交信号。再将I、Q两路信号通过低通滤波函数

BOOL LowPassFilter(LPSTR lpDIBBits，LONG nWidth，LONG nHeight，intnRadius)，

LPSTR lpDIBBits  指向需要滤波的图像像素指针；

int nWidth  数据宽度；

int nHeight  数据高度；

int nRadius  理想低通滤波的滤波半径；

滤除高频分量，以获得最终的检波结果。

正交解调任务W执行完成之后，任务管理模块13会记录正交解调任务W的任务状态为完成状态，调度器15就会使就绪状态中的固定目标对消任务X获得CPU使用权。固定目标对消任务X采用是二次对消法，其时域表达为:y(n)＝x(n)-2x(n+1)+x(n+2)。固定目标对消任务X执行完成之后，任务管理模块13记录固定目标对消任务B的任务状态为完成状态，调度器15就会使就绪状态中的动目标检测任务Y获得CPU使用权。动目标检测任务Y就是在固定对消处理后接一窄带多普勒滤波器组，利用快速傅立叶变换在频域实现此滤波器组，覆盖整个重复频率的范围，以达到动目标检测的目的。动目标检测任务Y执行完成之后，任务管理模块13记录动目标检测任务Y的任务状态为完成状态，调度器15就会使就绪状态中的恒虚警任务Z获得CPU使用权。运用均值类恒虚警进行仿真，实现方式为两侧单元平均选大，参考单元数为32，并通过自适应门限判决，将大于门限的点输出，小于等于门限的点置为零，得到最终处理的输出结果。

最终处理的输出结果再通过航空电子统一网络仿真器20传输到座舱仿真器70进行显示。座舱仿真器70把检测出来的动态目标在坐标轴上显示出来。用户在座舱仿真器70观察到动态目标，通过座舱仿真器70的指令发布模块72选择武器瞄准目标的指令，这个指令通过航空电子统一网络仿真器20封装成消息，传输到外挂系统仿真器60后改变武器设备的状态。

监控显示设备80对整个过程进行跟踪，统计各阶段的延迟时间并记录CPU占有率、内存占用率、网络的链路占有率以及网络吞吐率等指标。

Claims (7)

1、一种先进综合式航空电子仿真系统，其特征在于，该仿真系统包括：综合核心处理仿真器、航空电子统一网络仿真器、综合射频系统仿真器、综合光电系统仿真器、综合飞行器管理系统仿真器、外挂系统仿真器、座舱仿真器、监控显示设备；其中综合射频系统仿真器、综合光电系统仿真器、综合飞行器管理系统仿真器、外挂系统仿真器实现对先进综合航空电子系统设备的仿真，模拟机载设备的工作过程，产生系统的激励信息；航空电子统一网络仿真器与所述综合射频系统仿真器、综合光电系统仿真器、综合飞行器管理系统仿真器、外挂系统仿真器相连接，负责传输系统中的信息流，是各个设备之间通信的桥梁；综合核心处理仿真器与所述航空电子统一网络仿真器相连接，是一个多处理器系统，实现对接收数据的融合、接收任务的计算；座舱仿真器与所述航空电子统一网络仿真器相连接，实现对飞机状态的综合显示，并接收飞行员的控制指令；监控显示设备与所述航空电子统一网络仿真器相连接，以图形化的形式对仿真过程进行显示。

2、根据权利要求1所述的一种先进综合航空电子仿真系统，其特征在于，所述的航空电子统一网络仿真器包括：网络配置模块、发送处理模块、缓冲队列模块、路由转发模块、接收处理模块；航空电子统一网络仿真器模拟了数据的网络传输，即数据的封装、缓存、路由、转发和拆装过程；其中，所述网络配置模块，设定或选择数据库已有的网络设备数量种类、网络的拓扑结构和系统参数，系统参数包括各设备的地址及路由策略，使已选定的设备按一定形式的计算机网络相连；所述发送处理模块是将需要转发的应用数据按航空电子统一网络协议分成一定长度的数据段，并加上含有目的地址和源地址信息的帧头、校验码、帧尾；所述缓冲队列模块在模拟到达数据交换设备内缓冲的数据包排队情况时，对时延敏感的流量制定较高的优先级，对没有服务质量要求的流量制定较低的优先级，按优先级的高低来排队；所述的路由转发模块根据用户提供的路由转发策略或者直接加载已有的路由转发算法动态库，通过检查帧头信息和查询路由表，决定数据包的输出链路；数据包达到目的地后，接收处理模块对数据包进行拆装、排序和拼接，对拼接后的数据进行校验，从而得到最终的应用数据。

3、根据权利要求1所述的一种先进综合航空电子仿真系统，其特征在于，所述的综合核心处理仿真器包括：处理器设备参数模块、任务属性参数模块、任务管理模块、划分算法模型库、调度算法模型库、调度器；其中，所述处理器设备参数模块，基于用户设定或选择数据库已有的处理器设备参数和处理器设备个数，将设备参数和个数信息传给调度器；划分算法模型库保存了各种划分算法，该模型库对各种算法模型进行统一管理；任务属性参数模块基于用户设定或选择数据库已有的任务，定义任务的属性，并选择划分算法模型库中合适的划分算法将所有任务划分成适当的任务集，并将定义好的任务属性传给调度器；任务管理模块以任务集为单位，对任务集中的任务状态进行排队，并将任务的执行状态传输给调度器；调度算法模型库保存了各种调度算法，该模型库对各种调度算法模型进行统一管理，模型的可替换性使系统方便地使用第三方提供的模型来提高系统实时性；调度器接收处理器设备参数模块、任务属性参数模块、任务管理模块提供的信息，并选择调度算法模型库中的调度算法实现任务的调度和抢占切换，处理完成之后，把计算的数据结果发送到航空电子统一网络仿真器。

4、根据权利要求3所述的一种先进综合航空电子仿真系统，其特征在于，所述的任务属性包括：任务的ID号，任务名称，任务所在任务集的ID号，该任务的前驱任务，该任务的后继任务，任务的最大允许延迟，任务的计算量，执行任务所需的内存大小，任务所订购的消息序号。

5、根据权利要求1所述的一种先进综合航空电子仿真系统，其特征在于，所述的监控显示设备包括时钟管理模块、日志模块、执行过程跟踪模块；其中，时钟管理模块实现在时间轴上推进系统的运行，维护仿真时钟；日志模块记录各个信息流的开始、结束，及在设备之间的传输情况；执行过程跟踪模块对飞机上信息流的产生、传输、处理、显示各阶段的延迟时间进行统计，记录综合核心处理仿真器CPU、内存的占用率、航空电子统一网络的链路占有率以及网络吞吐率，并将以上统计结果以可视化的图形显示给用户。

6、根据权利要求1所述的一种先进综合航空电子仿真系统，其特征在于，所述的座舱仿真器包括综合信息显示模块和指令发布模块；其中，综合信息显示模块实现对综合核心处理仿真器处理完成传输过来的数据的图形化显示；指令发布模块模拟飞行员通过驾驶杆、油门杆、中央控制面板、触敏显示键盘类装置输入控制指令，并抽象这些控制指令，将其封装成不同的消息。

7、一种应用权利要求1所述的先进综合式航空电子仿真系统的仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步：仿真系统初始化

(1)选择需要仿真的系统仿真器并设定仿真时间：从综合射频系统仿真器、综合光电系统仿真器、综合飞行器管理系统仿真器、外挂系统仿真器中选择仿真所需要的系统仿真器，并设定好整个系统运行的仿真时间，仿真时钟控制仿真时间的推进，一旦设定的仿真时间到，则结束整个仿真系统的运行；

(2)设定处理器设备参数：设定或选择数据库已有的处理器设备参数和处理器设备个数，处理器设备参数包括：易失存储器大小，非易失存储器大小，CPU主频，网卡互连速率，网卡互连方式；

(3)定义任务集和任务属性：利用任务属性参数模块设定或选择数据库已有的任务，并定义任务的属性；每个任务的属性包括：任务的ID号，任务名称，任务所在任务集的ID号，该任务的前驱任务，该任务的后继任务，任务的最大允许延迟，任务的计算量，执行任务所需的内存大小，任务所订购的消息序号；并选择划分算法模型库中的划分算法，将所有任务划分成相应的任务集；

(4)网络配置：用户通过自定义网络拓扑结构和网络设备，使已选定的设备按一定形式的计算机网络相连，对于系统中的各项网络参数从数据库中进行设定或选择，需要设定和选择的网络参数主要有各设备的IP地址，同时对于路由器的路由策略也相应地进行设定；

(5)激活所选择的系统仿真器：根据各种选择和设定的信息，把所选择的系统仿真器调整到就绪状态，准备运行；

第二步：信息产生

所选择的系统仿真器开始产生信息输入，此时系统仿真器按既定的程序运行，周期性地产生信息输入；

第三步：航空电子统一网络仿真器进行信息传输

航空电子统一网络仿真器对输入的信息进行传输，包括以下几步：

(1)消息封装：将需要转发的应用数据按网络协议分成一定长度的数据段，并加上含有目的地址和源地址信息的帧头、校验码、帧尾；封装好的消息属性包括：发送节点的IP地址，目的节点的IP地址，消息内容，消息刷新率，消息开始时间，消息长度，消息类型，消息的最大允许延迟，消息序号；

(2)消息缓存：模拟到达交换机、路由器等数据交换设备内缓冲的数据包排队情况，根据消息属性中“消息的最大允许延迟”的值来进行排队，值越小，优先级越高，最先进行处理；

(3)消息路由：通过检查帧头信息和查询路由表，决定数据包的输出链路；

(4)消息接收：接收处理模块按照网络协议取出数据包进行排序、拼接，得到最终的应用数据，消息路由根据路由表将数据发送到相应的仿真器中，根据路由器转发数据的目的地址不同，消息接收分为三种情况：

1)综合核心处理仿真器接收消息，

2)座舱仿真器接收消息，

3)综合射频系统仿真器、综合光电系统仿真器、综合飞行器管理系统仿真器、外挂系统仿真器接收消息；

第四步：综合核心处理仿真器进行信息处理

(1)消息激活相应的任务：每一个任务都包括“任务所订购的消息序号”这个属性，所以当消息到达综合核心处理仿真器时，如果这个消息的序号与任务所订购的消息序号相匹配，就会激活相应的任务；

(2)任务移到就绪队列：任务被激活之后，就从等待队列，移到就绪队列；

(3)任务移到运行队列：根据用户选择的调度算法模型库中的调度算法，调度器选取就绪队列里的任务获得CPU使用权，任务变成运行状态，移到运行队列；

(4)判断任务是否执行完成：根据调度策略，运行中的任务被抢占，则释放CPU使用权，返回等待队列，此时任务没有执行完成，任务在等待队列中，当它所有的前驱任务执行完成之后，并且获得所需的内存资源，才由等待队列变到就绪队列，即回到(2)步继续执行；

(5)任务移到完成队列：任务执行完成之后，移到完成队列；

(6)判断任务集的所有任务是否执行完成：在完成队列中查看是否任务集中的所有任务都已经在完成队列中，如果不是，则根据用户选择的调度算法模型库中的调度算法，调度器选取就绪队列中的任务移到运行队列，即回到(3)步继续执行，直到任务集中的所有任务都执行完成；任务集中的所有任务执行完成之后，把计算的数据结果，发送到航空电子统一网络仿真器，即回到第三步，航空电子统一网络仿真器进行信息传输；

第五步：座舱仿真器显示信息和发布指令

(1)在座舱仿真器中显示信息：座舱仿真器接收消息后，取出消息中的应用数据，并把应用数据在座舱仿真器中显示出来；

(2)判断是否需要发布指令：部分任务集处理完成之后的结果在座舱仿真器显示就行了，不再需要用户发布指令，至此，信息一次产生的仿真过程结束，但由于信息是周期性产生的，所有又会有新的信息产生，即回到第二步，开始往下继续执行；部分任务集处理完成之后的结果在座舱仿真器显示后，是必须要发布指令的，这种任务集就需要用户发布一个指令，这个指令通过航空电子统一网络仿真器封装成消息并进行传输，即回到第三步，航空电子统一网络仿真器进行信息传输；

第六步：综合射频系统仿真器、综合光电系统仿真器、综合飞行器管理系统仿真器、外挂系统仿真器根据消息改变状态

根据消息路由转发的目的地址，相应的目的地址系统仿真器接收消息，并取出消息中所包含的指令，根据指令改变系统仿真器的相应状态；

整个仿真系统根据是否需要发布指令，按照两种方式进行循环：如果不需要用户发布指令，则按照第一步->第二步->第三步->第四步->第三步->第五步->第二步循环运行，如果需要用户发布指令，则按照第一步->第二步->第三步->第四步->第三步->第五步->第三步->第六步->第二步循环运行。

Images