CN104281060B - 一种飞行器半实物接入试验测控系统 - Google Patents

Abstract

一种飞行器半实物接入试验测控系统，采用面向对象的设计思想，使用实时时钟为全系统统一时钟，并采用光纤反射内存作为通信网络，提升了全系统的实时性能。可应用于飞行器半实物仿真。实现了多个分布式节点的百微秒级实时调度与通信，具备RS422、1553B和光纤反射内存网通用接口，可用于接入飞行器探测、制导、控制等设备，实现了不同步长和时间约束的设备和模型的互操作。

Description

一种飞行器半实物接入试验测控系统

技术领域

本发明涉及一种飞行器半实物接入试验测控系统，属于航天器试验测控技术领域。

背景技术

航天系统的复杂程度和现代化程度的不断提高，使得其设计、研制和维护日益依赖于先进的试验、测试与试验手段。当前，许多大型复杂的航天试验与测试系统都集成了若干子系统、部件或设备，并且其构成方式也正在向分布式、网络化和基于通用计算机组成的方向发展。因此，为了构造性能优异的试验、测试系统，必须应用先进的系统集成技术。

本发明适用于不同实体间的攻防对抗半实物仿真的通信管控，可应用于飞行器半实物仿真。实现了多个分布式节点的百微秒级实时调度与通信，具备RS422、1553B和光纤反射内存网通用接口，可用于接入飞行器探测、制导、控制等设备，实现了不同步长和时间约束的设备和模型的互操作。

根据国内外有关文献检索，所查文献中有6篇与本项专利申请相关，包括：

文献1：国内文献：火力与指挥控制，2008年10期，“导弹攻防对抗评估系统方案设计”；

文献2：国内文献：兵工学报，2007年05期，“空地导弹攻防对抗仿真系统研究”；

文献3：国内文献：系统仿真学报，2006年06期，“基于HLA和反射内存网的半实物卫星对抗仿真系统”；

文献4：国内文献：微计算机信息，2007年19期，“半实物仿真系统中数据传输与采集系统设计”；

文献5：国内文献：微计算机信息，2008年01期，“基于HLA的导弹攻防仿真系统的设计与实现”；

文献6：国外文献：ICACTE 2010，“Design and implementation of electro-optical countermeasure hardware-in-the-loop simulation system based on HLA”。

其中，文献1、文献2和文献5都是针对导弹攻防的仿真系统，用途与该课题相同；但均采用了HLA架构，文献2和文献5采用全数学模型，文献2采用了基于UML的概念模型，都不是实时仿真，解决不了实时半实物仿真互联互通互操作，与本发明的实时半实物仿真的形式和采用的技术不同；文献3为HLA和反射内存网联合半实物仿真，由于采用了桥接方式导致了实时性不强，难以满足高速飞行器的攻防对抗半实物仿真的测控问题，文献6则是基于HLA的一种半实物仿真，采用的是HLA和实时通信相结合的方法，与该课题采用的时间机制和消息传递方式不同。文献4提出了一种多路实时数据传输与采集系统的设计方法，能够解决半实物仿真中的实时数据传输问题，但采用了FPGA和USB2.0接口芯片实现与主机的接口，与本发明采用光纤反射内存技术不同，本发明则是基于RS422、1553B和光纤反射内存网的探测、制导、控制等设备通用接口。

综上所述，目前在航天器试验测控技术领域，还没有相关技术方法实现。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，提出了一种飞行器半实物接入试验测控系统，该系统实现了大型复杂航天试验中涉及多个子系统、部件或设备的分布式集成，具有主流接口丰富(具备RS422、1553B和光纤反射内存网通用接口)、实时性能优良(百微秒级实时调度与通信)、总控协调方便(实现了不同步长和时间约束的设备和模型的互操作)等优点。

本发明的技术解决方案是：一种飞行器半实物接入试验测控系统，包括主控计算机和多个仿真计算节点，主控计算机包括试验场景设置模块、实时半实物接口模块、实时调度模块和数据实时收集模块、数据库；

试验场景设置模块，先根据用户需求判断使用已编辑好的场景文件还是重新编辑场景文件，若使用已编辑好的场景文件，则直接打开已编辑好的场景文件，根据该已编辑好的场景文件，完成试验场景的战场态势的恢复；若选择重新编辑场景文件，则试验场景设置模块读取预存在多个仿真计算节点中的可参与试验的全部试验场景的战场模型，形成可参与本次试验的模型列表，供用户选择使用；根据可参与本次试验的模型列表，在二维GIS地图上对试验场景进行标绘，将作战双方、作战部队编制、武器装备、重点目标这些作战实体作为标绘对象，以形成多个试验场景的战场模型；多个试验场景的战场模型组成试验场景的战场态势，作为试验运行的数据基础；试验场景设置模块对多个试验场景的战场模型进行参数设定，储存成场景文件，该场景文件包括参与试验的试验场景的战场模型、试验场景的战场模型参数和试验场景的战场模型的接口关系；

实时半实物接口模块，结构上分为上层和底层，上层是通讯协议层，底层是通讯抽象层，通讯抽象层对主控计算机和多个仿真计算节点的反射内存卡的驱动程序进行二次封装，以实现通讯协议层的读写，通讯协议层对反射内存卡进行地址动态分配和初始数据写入，实现多个仿真计算节点中试验场景的战场模型之间的通信；通讯协议层开发了兼容RS422、1553B和光纤反射内存网通用接口，使得具备RS422、1553B和光纤反射内存网接口的模型和设备均可接入飞行器半实物接入试验测控系统；

实时调度模块设定飞行器半实物接入试验测控系统的主控计算机为时钟同步服务器，采用实时操作系统RTX(Real-Time Extension for Control of Windows，美国Ardence公司开发的实时操作系统)的定时时钟为飞行器半实物接入试验测控系统的统一时钟，实现飞行器半实物接入试验测控系统的同步控制；在飞行器半实物接入试验测控系统的同步状态下，实时调度模块根据场景文件中的试验场景的战场模型的接口关系调用实时半实物接口模块，建立仿真计算节点中的试验场景的战场模型之间的连接；实时调度模块通知飞行器半实物接入试验测控系统的各个仿真计算节点启动仿真计算节点中的试验场景的战场模型，并读取场景文件中的试验场景的战场模型参数，实现模型参数的初始化；初始化结束后，各个仿真计算节点对试验场景的战场模型进行解算，解算完成后，实时调度模块查询时钟同步服务器的同步控制字，根据同步控制字实现飞行器半实物接入试验测控系统的仿真时钟的时间推进，直到飞行器半实物接入试验结束；

数据实时收集模块，实时收集试验场景的战场模型进行解算过程中试验场景的战场模型的输入输出数据，并将该输入输出数据保存在数据库中；飞行器半实物接入试验结束后，数据实时收集模块能够从数据库中读取试验场景的战场模型的输入输出数据，并以曲线方式显示，实现飞行器半实物接入试验过程的回放。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明的实时半实物接口模块屏蔽了飞行器探测、制导、控制等设备和防御方数学模型等异构环境对虚拟试验的差异，使得具备RS422、1553B和光纤反射内存网通用接口的设备试验实体可以无需修改的运行在仿真试验环境中，相比传统的测控系统增强了通用性，减少了开发复杂度；

(2)本发明采用光纤反射内存网实现微秒级实时通信，并设计了实时调度模块克服了基于以太网系统实时性能差的缺点，实现了基于反射内存实时网络的分布式仿真试验实时软总线及其支撑环境，实现了不同步长和时间约束的设备和模型的互操作。

(3)本发明的数据实时收集模块具有对全系统传输的所有试验数据实时存储的能力，能够以曲线等方式显示试验数据，并具有试验测试数据记忆、试验过程回放功能，相比其他系统具有可追溯性强的优点。

附图说明

图1为本发明的系统功能模块关系总图；

图2为本发明运行流程图。

具体实施方式

本发明的基本思路：本发明采用面向对象的设计思想，软件设计采用模块化、组件化设计，满足一定的可扩展性、维护性和升级功能。使用VS2005结合Codejock在Windows+RTX的环境下来开发软件系统。系统包括试验场景设置模块、实时半实物接口模块、实时调度模块和数据实时收集模块；采用RTX系统下时钟为系统统一时钟，并采用光纤反射内存作为通信网络，提升了全系统的实时性能。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种飞行器半实物接入试验测控系统包括主控计算机和多个仿真计算节点，主控计算机包括试验场景设置模块、实时半实物接口模块、实时调度模块、数据实时收集模块及数据库。试验场景设置模块主要是完成试验场景及战情的设置、试验场景的保存与查看解析等试验场景设置的工作；实时调度模块主要完成半实物仿真试验系统试验运行阶段的时间同步、时间推进等任务；实时半实物接口模块由通讯协议层和通讯抽象层组成，通讯协议层主要是完成反射内存网通讯协议的设计、反射内存网内存地址的动态分配等任务。通讯抽象层完成半实物仿真试验过程中各个仿真成员对反射内存卡的读写操作；数据实时收集模块在仿真过程中采集需要的试验数据，以曲线方式显示数据变化过程。具体实现方式如下。

(1)试验场景设置模块

主要实现探测制导控制在回路突防半实物试验的场景设置、各类实体与设备监控、输入输出管理，完成全系统的集成。试验场景设置模块的流程分为如下几步：

(a)先根据用户需求判断使用已编辑好的场景文件还是重新编辑场景文件，若使用已编辑好的场景文件，则直接打开已编辑好的场景文件，根据该已编辑好的场景文件，完成试验场景的战场态势的恢复；

(b)若选择重新编辑场景文件，则试验场景设置模块读取预存在多个仿真计算节点中的可参与试验的全部试验场景的战场模型，形成可参与本次试验的模型列表，供用户选择使用；

(c)根据可参与本次试验的模型列表，在二维GIS地图上对试验场景进行标绘，将作战双方、作战部队编制、武器装备、重点目标这些作战实体作为标绘对象，以形成多个试验场景的战场模型；

(d)完成场景标绘后，进行参试模型实例输入输出关系的确定，提供模型接口查询功能，通过列表的形式提供所有模型的输入输出参数及事件，用户通过连接功能实现输入输出关系的确定。对于模型输入输出关系中的错误给出相应的提示。

(e)完成参试模型参数设定，提供模型参数设置界面，实现初始参数配置，可以通过界面直接设定，也可通过参数初始化文件的方式实现。

(2)实时半实物接口模块

实现动力学/运动学仿真机、制导控制仿真机、弹道预报与数据融合仿真机、主动反拦截器模型、弹载探测半实物系统、防御方仿真系统以及三维显示系统的通信接口定制开发，制定基于GE VMIC接口的通信协议，并保证调度和通信的实时性满足半实物仿真要求。

实时半实物接口模块的结构上分为上层和底层，上层是通讯协议层，底层是通讯抽象层，通讯抽象层对主控计算机和多个仿真计算节点的反射内存卡的驱动程序进行二次封装，以实现通讯协议层的读写，通讯协议层对反射内存卡进行地址动态分配和初始数据写入，实现多个仿真计算节点中试验场景的战场模型之间的通信。通讯协议层开发了兼容RS422、1553B和光纤反射内存网通用接口，使得具备RS422、1553B和光纤反射内存网接口的模型和设备均可接入飞行器半实物接入试验测控系统。

(3)实时调度模块

负责管理半实物仿真试验系统的所有模型的时钟同步，仿真推进，确保各模型之间的逻辑顺序的正确性以及仿真时间和真实时间的一致性。本系统采用以下方式实现实时调度：

(a)设定飞行器半实物接入试验测控系统的主控计算机为时钟同步服务器，采用实时操作系统RTX的定时时钟为飞行器半实物接入试验测控系统的统一时钟，实现飞行器半实物接入试验测控系统的同步控制；

(b)在飞行器半实物接入试验测控系统的同步状态下，实时调度模块根据场景文件中的试验场景的战场模型的接口关系调用实时半实物接口模块，建立仿真计算节点中的试验场景的战场模型之间的连接；

(c)实时调度模块通知飞行器半实物接入试验测控系统的各个仿真计算节点启动仿真计算节点中的试验场景的战场模型，并读取场景文件中的试验场景的战场模型参数，实现模型参数的初始化；

(d)初始化结束后，各个仿真计算节点对试验场景的战场模型进行解算，解算完成后，实时调度模块查询时钟同步服务器的同步控制字，根据同步控制字实现飞行器半实物接入试验测控系统的仿真时钟的时间推进，直到飞行器半实物接入试验结束。

(4)数据实时收集模块

将试验实时数据采集分类，存储于数据库计算机，并提供试验后试验数据分析对比工具。该模块具有对全系统传输的所有试验数据实时存储的能力，能够以曲线等方式显示试验数据，并具有试验测试数据记忆、试验过程回放功能。

本发明的系统运行试验流程如图2所示，具体步骤如下：

(a)试验工程设计：

编辑试验目的、试验时间地点、试验参与模型和设备。

(b)试验场景设置

形成初始战场态势，编辑试验大纲。

(c)试验输入输出设置

配置试验模型和设备的属性、事件的输入输出。

(d)场景解析

解析试验场景，并根据解析到订购发布的信息动态分配反射内存网内存地址，并按照数据协议将相关信息写入反射内存卡。

(e)试验初始化

发出初始化指令，配合各节点完成各自的初始化任务。

(f)试验运行

根据配置好的场景开始分布式试验，推进仿真计算节点，进行数据交互，传达控制命令，响应控制命令，记录试验过程数据，监控网络状态。

(g)试验结果数据的入库与检索

完成对试验数据的入库、提取、转换及显示。

(h)试验结果数据分析

验证试验有效性。

Claims (1)

1.一种飞行器半实物接入试验测控系统，其特征在于：包括主控计算机和多个仿真计算节点，主控计算机包括试验场景设置模块、实时半实物接口模块、实时调度模块和数据实时收集模块、数据库；

试验场景设置模块，先根据用户需求判断使用已编辑好的场景文件还是重新编辑场景文件，若使用已编辑好的场景文件，则直接打开已编辑好的场景文件，根据该已编辑好的场景文件，完成试验场景的战场态势的恢复；若选择重新编辑场景文件，则试验场景设置模块读取预存在多个仿真计算节点中的可参与试验的全部试验场景的战场模型，形成可参与本次试验的模型列表，供用户选择使用；试验场景设置模块根据可参与本次试验的模型列表，在二维GIS地图上对试验场景进行标绘，将作战双方、作战部队编制、武器装备、重点目标这些作战实体作为标绘对象，以形成多个试验场景的战场模型；多个试验场景的战场模型组成试验场景的战场态势，作为试验运行的数据基础；试验场景设置模块对多个试验场景的战场模型进行参数设定，储存成重新编辑场景文件，该重新编辑场景文件包括参与试验的试验场景的战场模型、试验场景的战场模型参数和试验场景的战场模型的接口关系；

实时半实物接口模块，结构上分为上层和底层，上层是通讯协议层，底层是通讯抽象层，通讯抽象层对主控计算机和多个仿真计算节点的反射内存卡的驱动程序进行二次封装，以实现通讯协议层的读写，通讯协议层对反射内存卡进行地址动态分配和初始数据写入，实现多个仿真计算节点中试验场景的战场模型之间的通信；通讯协议层开发了兼容RS422、1553B和光纤反射内存网通用接口，使得具备RS422、1553B和光纤反射内存网接口的模型和设备均可接入飞行器半实物接入试验测控系统；

实时调度模块设定飞行器半实物接入试验测控系统的主控计算机为时钟同步服务器，采用实时操作系统RTX的定时时钟为飞行器半实物接入试验测控系统的统一时钟，实现飞行器半实物接入试验测控系统的同步控制；在飞行器半实物接入试验测控系统的同步状态下，实时调度模块根据场景文件中的试验场景的战场模型的接口关系调用实时半实物接口模块，建立仿真计算节点中的试验场景的战场模型之间的连接；实时调度模块通知飞行器半实物接入试验测控系统的各个仿真计算节点启动仿真计算节点中的试验场景的战场模型，并读取场景文件中的试验场景的战场模型参数，实现模型参数的初始化；初始化结束后，各个仿真计算节点对试验场景的战场模型进行解算，解算完成后，实时调度模块查询时钟同步服务器的同步控制字，根据同步控制字实现飞行器半实物接入试验测控系统的仿真时钟的时间推进，直到飞行器半实物接入试验结束；

数据实时收集模块，实时收集试验场景的战场模型进行解算过程中试验场景的战场模型的输入输出数据，并将该输入输出数据保存在数据库中；飞行器半实物接入试验结束后，数据实时收集模块能够从数据库中读取试验场景的战场模型的输入输出数据，并以曲线方式显示，实现飞行器半实物接入试验过程的回放。