CN102981415A - 一种飞行仿真框架系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行仿真框架系统，该系统由主控制台、仿真子系统和图形系统构成；主控制台用于整个仿真过程的控制、系统配置的设计与分发、仿真框架内时间同步；仿真子系统进行飞行功能模块的仿真，能够加载一个或者多个功能仿真模块，提供网络通讯功能、时序控制功能、任务调度功能和时间同步功能；图形系统用于图形的3D显示。该系统是一套用于联网飞行仿真系统，具有高度可重用、可叠加扩展、可灵活部署的功能模块，只需作简单的配置即可快速构建一套飞行仿真系统；同时提供与之配套的用于功能组件联网运行的嵌入式计算机及数据采集系统。

Description

一种飞行仿真框架系统

技术领域：

本发明属于飞行控制与仿真技术领域，涉及一种具有高实时性的飞行仿真系统，尤其是一种飞行仿真框架系统。

背景技术：

对于民机来说，仅飞行性能、操控等数据是保密的，因此，民机的训练模拟器技术至今非常成熟，国际间的合作也越来越深入，我们在工程模拟器、训练模拟器的竞争优势几乎没有，乘务培训器(设备使用、逃生撤离等)有专门的公司设计制造，其产值与利润相对较低，没有竞争的必要；与训练模拟器配套用于飞行员理论培训的设备如CBT、FTD可作为大力发展的产品；在目前，空、地勤训练器在国内尚属空白，一台进口的空、地勤训练器约在200到300万元人民币，而且一台训练模拟器需配套多台该训练器，可作为一个产品发展方向而大力发展。

目前的运动系统中，三轴或五轴转台能满足战斗机的各种机动飞行动作要求，但其承重量较小(最大6吨左右)，如果能开发出低于500kg的视景系统，将使战斗机的训练模拟器能完全复现真实飞行。

因此，新型的视景系统、战斗机训练/工程模拟器及与之相关联的空、地勤培训器、CBT、FTD可作为产品的研发方向。

无论是民机还是军机的工程模拟器，其飞行控制律参数整定器尽管量不大，但由于是在软件开发过程中附带出的一个功能组件，其开发成本不高，而且该设备不仅可体现设计能力，亦可借助此设备提高参与工程模拟器研制的竞争机会。因此亦有必要作为一个产品来发展。

现代战争都是多兵种协同作战，战斗机作战过程仿真、空中格斗仿真、作战效能评估等是飞行仿真的重要应用领域和发展方向，在国内还没有成熟的联合作战仿真软件平台，因此，开发联合仿真软件平台对今后在模拟器行业中的发展是非常必要的。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种飞行仿真框架系统，该系统是一套用于联网飞行仿真系统，具有高度可重用、可叠加扩展、可灵活部署的功能模块，只需作简单的配置即可快速构建一套飞行仿真系统；同时提供与之配套的用于功能组件联网运行的嵌入式计算机及数据采集系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种飞行仿真框架系统，该系统由主控制台、仿真子系统和图形系统构成；主控制台用于整个仿真过程的控制、系统配置的设计与分发、仿真框架内时间同步；仿真子系统进行飞行功能模块的仿真，能够加载一个或者多个功能仿真模块，提供网络通讯功能、时序控制功能、任务调度功能和时间同步功能；图形系统用于图形的3D显示；主控制台与仿真子系统之间通过仿真内部网进行通信，仿真内部网是一个利用集线器连接的千兆以太网；主控制台与图形系统之间通过图形显示网进行通信，图形显示网是一个利用交换机连接的千兆以太网。

所述主控制台包括系统配置模块、仿真控制模块、高精度时钟模块、网络通讯模块和用户界面模块；高精度时钟设置在一个CPU上，网络通讯模块设置在一个CPU上，系统配置模块、仿真控制模块和用户界面模块设置在一个CPU上；系统配置模块用于进行仿真框架的配置，包括对子系统信息、仿真模块信息、各个模块所属子系统、各个仿真模块的任务调度时刻表、网络时间片分配表和全局数据表进行配置；全局数据表记录了当前仿真框架内各个仿真模块所产生的所有数据，由id、类型和数据3个字段组成，每个仿真子系统都在本地维护一个全局数据表的副本，当底层网络通信层接收到其他系统的仿真应用数据时，更新本地全局数据表，仿真调度模块根据每个仿真模块的配置从全局数据表中获取仿真输入数据，按照调度发送给各个仿真模块，并获取仿真模块的运行结果，更新全局数据表，按照配置在指定时间片段内将本子系统维护的仿真应用数据发送给其他子系统。

所述仿真控制模块进行仿真框架的控制，进行系统配置的分发、初始化各个仿真子系统、飞行仿真的开启与终止、时钟同步控制；

系统配置的分发：在仿真控制开始前，通过UDP协议进行系统配置的分发，按照子系统IP，轮番发送子系统的配置信息，直到收到全部子系统的配置成功确认信息后，才能使能仿真控制功能；对每个子系统发送3次后仍然没有反馈则报警提示；

仿真框架的控制：系统配置分发成功后，可进行飞行仿真，开启仿真过程的时刻为仿真0时刻，将发送的时间同步帧中的仿真过程位设为仿真开始，表示仿真的开启；整个仿真内部网将按照已设置的网络通信调度表进行通信，同时各个仿真模块按照其调度表开始运行；停止仿真通过指定时间同步帧中标记的仿真过程位为仿真结束来停止仿真；停止仿真后主控制台将通过UDP接口回收各个子系统的运行中间记录，以便于分析整个仿真过程；

时钟同步控制：时间同步帧中包含2个字段：仿真时刻，仿真过程位；仿真时刻记录主控制台的从仿真开始以来高精度时钟记录的us；仿真过程位标记仿真控制字段；每当到达主控制台的网络时间窗口，则读取当前仿真时刻，通过时间同步帧发送给各个子系统；

图像数据分发：根据全局数据表中图形相关数据，以及从外网中接收到的其他模拟器信息，组成图像数据包定时发送给主控台，由主控台控制进行图形的仿真显示。

所述高精度时钟模块主要用于产生高精度时钟，并按照网络时间调度表，在主控制台的时间窗口通过网络通讯模块发送时钟同步信号；为了实现时间进度达到100us-200us级的高精度时钟，由仿真控制启动后执行，利用SetProcessAffinityMask(设置亲缘性)函数将本程序设定到单独cpu上，并利用SetPriorityClass(子进程调用)函数提升优先级至实时级别，利用windows提供的QueryPerformanceFrequency(时间计数)函数来获得CPU的时钟频率，并死循环调用QueryPerformanceCounter(时间计时)函数来计算过去的震荡次数，达到1us级计时精度。

所述网络通讯模块提供链路层的数据收发接口，并实时接收各个子系统的数据报文更新全局数据表，发送主控制台的相关数据；利用winpcap包实现以太网链路层的数据收发功能，在网络同步时钟下，按照给定的数据发送时序将各个仿真应用的数据传送到指定的其他节点，并接收其他节点的仿真应用数据。

所述用户界面模块用于飞行仿真信息的部分可视化工作，包括全局数据表中的各个数据状态、各个子系统的状态。

所述仿真子系统包括网络通讯模块、高精度时钟、仿真调度模块、多个仿真模块组成；网络通讯模块主要提供链路层的数据收发接口，发送本子系统的相关数据，接收时间同步信号更新本地高精度实时时钟，接收其他子系统数据更新全局数据表；高精度实时时钟主要用于产生本地的高精度时钟，保持与主控制台的时间同步，细分时间片，调用线程间通信接口来调度仿真模块；根据配置的网络时刻调度表，发送本子系统相关数据；按照任务调度时刻表，通知仿真功能模块运行，维护全局数据表；

系统配置配置接收及初始化：接收主控制台发送的系统配置信息，并根据配置加载各个仿真功能模块；

时间同步：接收到主控台的时间同步帧后，更新本地时间，判断并更新调度状态。如果仿真功能模块已经在执行计算，而此时发生时间回滚，有可能再次触发调度，取消本次调度，记录本次信息，方便后续分析；

线程间通信：线程间通信采用共享内存的方法，将调度模块所需要的数据打入包中，由仿真功能模块取出数据，并将计算结果返回，同时更新全局数据表；

仿真模块运行由用户配置的仿真功能，获取输入参数，利用设定的仿真算法，计算并更新任务相关数据；

网络通信模块接收到其他子系统的数据更新信息，更新全局数据表中相关字段，仿真调度模块按照实时时钟定时从全局数据表中获取相关数据，发送给仿真模块，通知仿真模块运行，并获取仿真模块返回数据，更新全局数据表，同时调用网络通信接口将数据发送给其他子系统。

本发明的飞行仿真框架系统采用创建型设计模式，使用继承改变实例化的类，并将实例化的类委托给另一个对象，使实例化的类在运行时刻动态创建，从而使框架系统可保持独立性，在功能扩展或缩减时无需任何修改；采用对象复合的行为型设计模式实现功能模块的自由组合，使功能模块的物理位置布署具备高度的灵活性；采用信号-槽的内部通信机制实现内部线程通信、采用D-BUS(数据总线)通信机制实现同一计算机中内部进程间通信；采用实时以太网及任务分时调度实现同一模拟器各节点之间的通信及多模拟器之间的互联；采用MVD(模型-视图-代理)模式实现数据与视图的分离，同时使用视图复合技术来支持嵌套视图，使图形界面的设计既可与数据连接，又可高度扩展；采用单一CPU内核编程，支持多核多任务实时线程管理，提供微秒级实时精度；采用循环调度模式和逻辑时钟自适应同步管理模式，框架可在实时操作系统及非实时操作系统所组成的异构平台中自动同步。

本发明的飞行仿真框架系统是一套可适应最小模式(单一PC)的飞行仿真到多模拟器互联的大型飞行仿真系统。最小可保证在一台PC机上实现飞行仿真，最大数量模拟器互联只受硬件限制。

附图说明：

图1为本发明的系统整体结构示意图；

图2为本发明的主控制台模块结构示意图；

图3为本发明的仿真子系统模块示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-3,一种飞行仿真框架系统，该系统由主控制台、仿真子系统和图形系统构成；主控制台用于整个仿真过程的控制、系统配置的设计与分发、仿真框架内时间同步；仿真子系统进行飞行功能模块的仿真，能够加载一个或者多个功能仿真模块，提供网络通讯功能、时序控制功能、任务调度功能和时间同步功能；图形系统用于图形的3D显示；主控制台与仿真子系统之间通过仿真内部网进行通信，仿真内部网是一个利用集线器连接的千兆以太网；主控制台与图形系统之间通过图形显示网进行通信，图形显示网是一个利用交换机连接的千兆以太网。

所述主控制台包括系统配置模块、仿真控制模块、高精度时钟模块、网络通讯模块和用户界面模块；高精度时钟设置在一个CPU上，网络通讯模块设置在一个CPU上，系统配置模块、仿真控制模块和用户界面模块设置在一个CPU上；系统配置模块用于进行仿真框架的配置，包括对子系统信息、仿真模块信息、各个模块所属子系统、各个仿真模块的任务调度时刻表、网络时间片分配表和全局数据表进行配置；全局数据表记录了当前仿真框架内各个仿真模块所产生的所有数据，由id、类型和数据3个字段组成，每个仿真子系统都在本地维护一个全局数据表的副本，当底层网络通信层接收到其他系统的仿真应用数据时，更新本地全局数据表，仿真调度模块根据每个仿真模块的配置从全局数据表中获取仿真输入数据，按照调度发送给各个仿真模块，并获取仿真模块的运行结果，更新全局数据表，按照配置在指定时间片段内将本子系统维护的仿真应用数据发送给其他子系统。

所述仿真控制模块进行仿真框架的控制，进行系统配置的分发、初始化各个仿真子系统、飞行仿真的开启与终止、时钟同步控制；

系统配置的分发：在仿真控制开始前，通过UDP协议进行系统配置的分发，按照子系统IP，轮番发送子系统的配置信息，直到收到全部子系统的配置成功确认信息后，才能使能仿真控制功能；对每个子系统发送3次后仍然没有反馈则报警提示；

仿真框架的控制：系统配置分发成功后，可进行飞行仿真，开启仿真过程的时刻为仿真0时刻，将发送的时间同步帧中的仿真过程位设为仿真开始，表示仿真的开启；整个仿真内部网将按照已设置的网络通信调度表进行通信，同时各个仿真模块按照其调度表开始运行；停止仿真通过指定时间同步帧中标记的仿真过程位为仿真结束来停止仿真；停止仿真后主控制台将通过UDP接口回收各个子系统的运行中间记录，以便于分析整个仿真过程；

时钟同步控制：时间同步帧中包含2个字段：仿真时刻，仿真过程位；仿真时刻记录主控制台的从仿真开始以来高精度时钟记录的us；仿真过程位标记仿真控制字段；每当到达主控制台的网络时间窗口，则读取当前仿真时刻，通过时间同步帧发送给各个子系统；

图像数据分发：根据全局数据表中图形相关数据，以及从外网中接收到的其他模拟器信息，组成图像数据包定时发送给主控台，由主控台控制进行图形的仿真显示。

所述高精度时钟模块主要用于产生高精度时钟，并按照网络时间调度表，在主控制台的时间窗口通过网络通讯模块发送时钟同步信号；为了实现时间进度达到100us-200us级的高精度时钟，由仿真控制启动后执行，利用SetProcessAffinityMask函数将本程序设定到单独cpu上，并利用SetPriorityClass函数提升优先级至实时级别，利用windows提供的QueryPerformanceFrequency函数来获得CPU的时钟频率，并死循环调用QueryPerformanceCounter函数来计算过去的震荡次数，达到1us级计时精度。

所述网络通讯模块提供链路层的数据收发接口，并实时接收各个子系统的数据报文更新全局数据表，发送主控制台的相关数据；利用winpcap包实现以太网链路层的数据收发功能，在网络同步时钟下，按照给定的数据发送时序将各个仿真应用的数据传送到指定的其他节点，并接收其他节点的仿真应用数据。

所述用户界面模块用于飞行仿真信息的部分可视化工作，包括全局数据表中的各个数据状态、各个子系统的状态。

所述仿真子系统包括网络通讯模块、高精度时钟、仿真调度模块、多个仿真模块组成；网络通讯模块主要提供链路层的数据收发接口，发送本子系统的相关数据，接收时间同步信号更新本地高精度实时时钟，接收其他子系统数据更新全局数据表；高精度实时时钟主要用于产生本地的高精度时钟，保持与主控制台的时间同步，细分时间片，调用线程间通信接口来调度仿真模块；根据配置的网络时刻调度表，发送本子系统相关数据；按照任务调度时刻表，通知仿真功能模块运行，维护全局数据表；

系统配置配置接收及初始化：接收主控制台发送的系统配置信息，并根据配置加载各个仿真功能模块；

时间同步：接收到主控台的时间同步帧后，更新本地时间，判断并更新调度状态。如果仿真功能模块已经在执行计算，而此时发生时间回滚，有可能再次触发调度，取消本次调度，记录本次信息，方便后续分析；

线程间通信：线程间通信采用共享内存的方法，将调度模块所需要的数据打入包中，由仿真功能模块取出数据，并将计算结果返回，同时更新全局数据表；

仿真模块运行由用户配置的仿真功能，获取输入参数，利用设定的仿真算法，计算并更新任务相关数据；

网络通信模块接收到其他子系统的数据更新信息，更新全局数据表中相关字段，仿真调度模块按照实时时钟定时从全局数据表中获取相关数据，发送给仿真模块，通知仿真模块运行，并获取仿真模块返回数据，更新全局数据表，同时调用网络通信接口将数据发送给其他子系统。

飞行仿真框架提供一套用于联网飞行仿真的软件体系架构及一套高度可重用、可叠加扩展、可灵活部署的功能模块，只需作简单的配置即可快速构建一套飞行仿真软件；同时提供与之配套的用于功能组件联网运行的嵌入式计算机及数据采集系统。本飞行仿真框架可适应最小模式(单一PC)的飞行仿真到多模拟器互联的大型飞行仿真软件架构。最小可保证在一台PC机上实现飞行仿真，最大数量模拟器互联只受硬件限制。

整个仿真运行环境目前运行在windows系统下，需要提供多核、多CPU支持，可将相关实时或非实时进/线程绑定到指定的CPU内核中。同时提供进/线程的同步、通信、数据管理环境等。

开发环境选择Visual Studio 2008集成开发环境，开发语言选用C++，利用XML格式组织配置文件。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种飞行仿真框架系统，其特征在于：该系统由主控制台、仿真子系统和图形系统构成；主控制台用于整个仿真过程的控制、系统配置的设计与分发、仿真框架内时间同步；仿真子系统进行飞行功能模块的仿真，能够加载一个或者多个功能仿真模块，提供网络通讯功能、时序控制功能、任务调度功能和时间同步功能；图形系统用于图形的3D显示；主控制台与仿真子系统之间通过仿真内部网进行通信，仿真内部网是一个利用集线器连接的千兆以太网；主控制台与图形系统之间通过图形显示网进行通信，图形显示网是一个利用交换机连接的千兆以太网。

2.如权利要求1所述飞行仿真框架系统，其特征在于：所述主控制台包括系统配置模块、仿真控制模块、高精度时钟模块、网络通讯模块和用户界面模块；高精度时钟设置在一个CPU上，网络通讯模块设置在一个CPU上，系统配置模块、仿真控制模块和用户界面模块设置在一个CPU上；系统配置模块用于进行仿真框架的配置，包括对子系统信息、仿真模块信息、各个模块所属子系统、各个仿真模块的任务调度时刻表、网络时间片分配表和全局数据表进行配置；全局数据表记录了当前仿真框架内各个仿真模块所产生的所有数据，由id、类型和数据3个字段组成，每个仿真子系统都在本地维护一个全局数据表的副本，当底层网络通信层接收到其他系统的仿真应用数据时，更新本地全局数据表，仿真调度模块根据每个仿真模块的配置从全局数据表中获取仿真输入数据，按照调度发送给各个仿真模块，并获取仿真模块的运行结果，更新全局数据表，按照配置在指定时间片段内将本子系统维护的仿真应用数据发送给其他子系统。

3.如权利要求2所述飞行仿真框架系统，其特征在于：所述仿真控制模块进行仿真框架的控制，进行系统配置的分发、初始化各个仿真子系统、飞行仿真的开启与终止、时钟同步控制；

系统配置的分发：在仿真控制开始前，通过UDP协议进行系统配置的分发，按照子系统IP，轮番发送子系统的配置信息，直到收到全部子系统的配置成功确认信息后，才能使能仿真控制功能；对每个子系统发送3次后仍然没有反馈则报警提示；

仿真框架的控制：系统配置分发成功后，可进行飞行仿真，开启仿真过程的时刻为仿真0时刻，将发送的时间同步帧中的仿真过程位设为仿真开始，表示仿真的开启；整个仿真内部网将按照已设置的网络通信调度表进行通信，同时各个仿真模块按照其调度表开始运行；停止仿真通过指定时间同步帧中标记的仿真过程位为仿真结束来停止仿真；停止仿真后主控制台将通过UDP接口回收各个子系统的运行中间记录，以便于分析整个仿真过程；

时钟同步控制：时间同步帧中包含2个字段：仿真时刻，仿真过程位；仿真时刻记录主控制台的从仿真开始以来高精度时钟记录的us；仿真过程位标记仿真控制字段；每当到达主控制台的网络时间窗口，则读取当前仿真时刻，通过时间同步帧发送给各个子系统；

图像数据分发：根据全局数据表中图形相关数据，以及从外网中接收到的其他模拟器信息，组成图像数据包定时发送给主控台，由主控台控制进行图形的仿真显示。

4.如权利要求2所述飞行仿真框架系统，其特征在于：所述高精度时钟模块主要用于产生高精度时钟，并按照网络时间调度表，在主控制台的时间窗口通过网络通讯模块发送时钟同步信号；为了实现时间进度达到100us-200us级的高精度时钟，由仿真控制启动后执行，利用设置亲缘性函数将本程序设定到单独cpu上，并利用子进程调用函数提升优先级至实时级别，利用视窗系统提供的时间计数函数来获得CPU的时钟频率，并死循环调用时间计时函数来计算过去的震荡次数，达到1us级计时精度。

5.如权利要求2所述飞行仿真框架系统，其特征在于：所述网络通讯模块提供链路层的数据收发接口，并实时接收各个子系统的数据报文更新全局数据表，发送主控制台的相关数据；利用winpcap包实现以太网链路层的数据收发功能，在网络同步时钟下，按照给定的数据发送时序将各个仿真应用的数据传送到指定的其他节点，并接收其他节点的仿真应用数据。

6.如权利要求2所述飞行仿真框架系统，其特征在于：所述用户界面模块用于飞行仿真信息的部分可视化工作，包括全局数据表中的各个数据状态、各个子系统的状态。

7.如权利要求2所述飞行仿真框架系统，其特征在于：所述仿真子系统包括网络通讯模块、高精度时钟、仿真调度模块、多个仿真模块组成；网络通讯模块主要提供链路层的数据收发接口，发送本子系统的相关数据，接收时间同步信号更新本地高精度实时时钟，接收其他子系统数据更新全局数据表；高精度实时时钟主要用于产生本地的高精度时钟，保持与主控制台的时间同步，细分时间片，调用线程间通信接口来调度仿真模块；根据配置的网络时刻调度表，发送本子系统相关数据；按照任务调度时刻表，通知仿真功能模块运行，维护全局数据表；

系统配置配置接收及初始化：接收主控制台发送的系统配置信息，并根据配置加载各个仿真功能模块；

时间同步：接收到主控台的时间同步帧后，更新本地时间，判断并更新调度状态。如果仿真功能模块已经在执行计算，而此时发生时间回滚，有可能再次触发调度，取消本次调度，记录本次信息，方便后续分析；

线程间通信：线程间通信采用共享内存的方法，将调度模块所需要的数据打入包中，由仿真功能模块取出数据，并将计算结果返回，同时更新全局数据表；

仿真模块运行由用户配置的仿真功能，获取输入参数，利用设定的仿真算法，计算并更新任务相关数据；

网络通信模块接收到其他子系统的数据更新信息，更新全局数据表中相关字段，仿真调度模块按照实时时钟定时从全局数据表中获取相关数据，发送给仿真模块，通知仿真模块运行，并获取仿真模块返回数据，更新全局数据表，同时调用网络通信接口将数据发送给其他子系统。

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