半實(shí)物仿真的一個(gè)新趨勢是從單武器平臺仿真向多武器平臺仿真方向發(fā)展,為了將不同功能、不同地點(diǎn)的仿真試驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),組成分布式一體化的綜合仿真試驗(yàn)室 (DIS)，仿真技術(shù)開始向仿真的高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)發(fā)展。HLA是促進(jìn)所有類型仿真之間互操作、仿真模型組件重用的**協(xié)議。

我國軍用仿真技術(shù)的發(fā)展已有四十年的歷史。建成了射頻、紅外仿真系統(tǒng)服務(wù)于各類新型導(dǎo)彈，20世紀(jì)90年代我國開始對分布交互仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等**仿真技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行研究，由單個(gè)武器平臺的性能仿真發(fā)展為多武器平臺在作戰(zhàn)環(huán)境下的對抗仿真。我國國防科技大學(xué)研制的YHF4仿真計(jì)算機(jī) ,達(dá)到了****水平，但總的技術(shù)水平，特別是應(yīng)用水平與發(fā)達(dá)**相比還有差距。本文就建立一種適用于主動(dòng)尋的末制導(dǎo)雷達(dá)多種型號、多種信號接口形式的半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行了研究。概述了仿真系統(tǒng)的組成及功能，解決了數(shù)據(jù)**傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)問題；并對系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試，實(shí)現(xiàn)了基于單發(fā)導(dǎo)彈、單個(gè)目標(biāo)多種干擾及組合方式的導(dǎo)彈攻擊過程的可視化作戰(zhàn)仿真。

1  仿真暗室設(shè)備組成及功能

1.1  系統(tǒng)簡介

適用于多種型號制導(dǎo)武器的半實(shí)物仿真微波暗室，由實(shí)時(shí)和以太雙網(wǎng)絡(luò)組成，將連接到網(wǎng)絡(luò)中的每臺計(jì)算機(jī)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈空中姿態(tài)、目標(biāo)環(huán)境特性模擬，全彈道數(shù)學(xué)模型解算等功能。就系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，導(dǎo)彈彈體、穩(wěn)定控制系統(tǒng)、舵機(jī)和捷聯(lián)慣導(dǎo)組件等導(dǎo)彈控制系統(tǒng)模塊以仿真模型方式參與仿真制導(dǎo)回路試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，需要實(shí)時(shí)解算彈道仿真模型的工作狀態(tài)，并管理和控制回路中其它仿真節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)有序工作。考慮其通用性和可擴(kuò)展性，系統(tǒng)采用高性能通用計(jì)算機(jī)，配置多樣化的數(shù)據(jù)**手段。

各仿真模塊接口與導(dǎo)彈實(shí)體相對應(yīng)，使其適應(yīng)多個(gè)型號的仿真試驗(yàn)。全彈道半實(shí)物仿真微波暗室設(shè)備組成如圖1所示。

1.2  主要設(shè)備及功能

制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真暗室主要設(shè)備包括高性能通

用計(jì)算機(jī)，SGI圖形工作站，仿真接口控制柜等相關(guān)仿真設(shè)備。其中，實(shí)時(shí)網(wǎng)作用是為仿真試驗(yàn)提供各設(shè)備間的高速通信鏈路，以滿足節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互要求。而全彈道數(shù)學(xué)仿真模型的準(zhǔn)確性，戰(zhàn)場態(tài)勢設(shè)置的合理性，則需要在應(yīng)用前加以驗(yàn)證。以太網(wǎng)就是出于這種目的而設(shè)立，同時(shí)也被用于試驗(yàn)準(zhǔn)備階段的軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)控制計(jì)算機(jī)之間的信息交互和資源共享。出于對被試品實(shí)時(shí)性的考慮，半實(shí)物仿真實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)采用基于VMIC-5565實(shí)時(shí)網(wǎng)卡的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過冗余光纖Hub（VMIACC-5595）與各仿真設(shè)備相連。與環(huán)型結(jié)構(gòu)相比，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消除了單點(diǎn)失效、實(shí)現(xiàn)了故障隔離，通過對節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級的設(shè)置使其具有更小的延時(shí)[2]。

1）仿真主控計(jì)算機(jī)：是整個(gè)系統(tǒng)的管理和控制核心，具有仿真資源配置、仿真試驗(yàn)前的態(tài)勢下發(fā)、全彈道仿真模型校驗(yàn)、情報(bào)參數(shù)裝訂，仿真進(jìn)程控制功能，同時(shí)完成實(shí)時(shí)網(wǎng)閉環(huán)前自檢、系統(tǒng)授時(shí)，對仿真節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；

2）三軸飛行轉(zhuǎn)臺：作用是把彈道解算計(jì)算機(jī)解算出的導(dǎo)彈姿態(tài)運(yùn)動(dòng)量,轉(zhuǎn)換為三個(gè)方向的角位置和角速度,從而形成逼真的模擬飛行器姿態(tài)變化；

3）目標(biāo)環(huán)境生成系統(tǒng)：由射頻信號源分系統(tǒng)，陣列及饋電分系統(tǒng)組成。主要功能是在微波暗室內(nèi)，模擬導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)過程中導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)所遭遇到的電磁信號環(huán)境，生成有源和無源干擾信號、雷達(dá)目標(biāo)回波模擬信號、目標(biāo)視線角位置及運(yùn)動(dòng)軌跡；

4）彈道解算計(jì)算機(jī)：實(shí)時(shí)解算制導(dǎo)武器運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制系統(tǒng)模型，生成彈目相對距離、彈體姿態(tài)以及導(dǎo)彈位置等其它仿真設(shè)備的控制指令，協(xié)調(diào)有序的完成全系統(tǒng)半實(shí)物仿真。它既能用數(shù)學(xué)模型對制導(dǎo)武器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真，又能和接入仿真回路的實(shí)物一起構(gòu)成半實(shí)物仿真系統(tǒng)；

5）視景仿真計(jì)算機(jī)：在接近實(shí)戰(zhàn)的環(huán)境下，以導(dǎo)彈姿態(tài)、位置及彈目相對位置等信息為參數(shù)，將導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的過程以三維動(dòng)畫方式直觀顯示，形象、直觀的形式實(shí)時(shí)顯示飛行器半實(shí)物仿真的全仿真過程。

6）數(shù)據(jù)**傳輸系統(tǒng)：主要完成遠(yuǎn)端被試導(dǎo)引頭的數(shù)據(jù)**和測試操作，同時(shí)將**到的制導(dǎo)信息，通過反射內(nèi)存?zhèn)魉徒o彈道解算計(jì)算機(jī)；并回傳控制指令實(shí)時(shí)控制導(dǎo)引頭工作狀態(tài)。

7）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：對系統(tǒng)所需要的情報(bào)資源和仿真資源信息等進(jìn)行管理，并在仿真試驗(yàn)過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和存儲；

1.3  仿真軟件及功能

操作系統(tǒng)：Windows2000 + 實(shí)時(shí)軟件包 ；系統(tǒng)總體開發(fā)平臺：Visual C++ 6.0；仿真建模軟件：YHSIM；三維視景軟件： Multigen Creator 3.0和**可視化仿真軟件包完成Vega Prime 2.0；數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具：SQL Sever 2005。

由于HILS的各仿真節(jié)點(diǎn)運(yùn)行不同的仿真軟件用以實(shí)現(xiàn)不同的功能，為確保各節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)通訊和仿真同步，仿真軟件總體上汲取windows操作系統(tǒng)消息、事件驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)方法，采用客戶/服務(wù)器運(yùn)行機(jī)制，服務(wù)器程序通過VMIC網(wǎng)絡(luò)向各仿真節(jié)點(diǎn)發(fā)送仿真驅(qū)動(dòng)消息，并對各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)消息查詢，驅(qū)動(dòng)各客戶機(jī)節(jié)點(diǎn)控制軟件運(yùn)行。仿真軟件從頂層設(shè)計(jì)角度出發(fā)，將各節(jié)點(diǎn)的仿真軟件分為三大類：主控機(jī)軟件、同步機(jī)軟件和非同步機(jī)軟件。在導(dǎo)彈閉環(huán)仿真試驗(yàn)中，彈道解算計(jì)算機(jī)、目標(biāo)環(huán)境生成系統(tǒng)、三軸飛行轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)執(zhí)行同步機(jī)軟件運(yùn)行機(jī)制[3]。

基于反射內(nèi)存API動(dòng)態(tài)鏈接庫技術(shù)是獨(dú)立于應(yīng)用程序的分布式仿真系統(tǒng)應(yīng)用程序接口。它是基于VMIC-5565內(nèi)存通信協(xié)議的即時(shí)通信服務(wù)，與各仿真節(jié)點(diǎn)程序并行開發(fā)，自行調(diào)試，各節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序以API的動(dòng)態(tài)鏈接庫形式調(diào)用，程序之間無須進(jìn)行通信調(diào)試。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)依據(jù)查詢狀態(tài)位或發(fā)硬中斷方式實(shí)現(xiàn)，各節(jié)點(diǎn)仿真主程序不參與各類信息的網(wǎng)絡(luò)間傳輸。必須注意的是，對于每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的反射內(nèi)存，其地址是本地主機(jī)內(nèi)存的一部分；通過內(nèi)存映射機(jī)制，用戶對本地節(jié)點(diǎn)內(nèi)存的讀寫相當(dāng)于對網(wǎng)間各節(jié)點(diǎn)相同地址內(nèi)存進(jìn)行讀寫,從而實(shí)現(xiàn)了分布節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信[4]。

因此，在控制關(guān)系明確的基礎(chǔ)上，彈道解算計(jì)算機(jī)與各節(jié)點(diǎn)之間的通信協(xié)議，包括傳輸參數(shù)、數(shù)據(jù)格式、VMIC內(nèi)存地址分配等；都應(yīng)采用相同的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，否則將引發(fā)內(nèi)存地址沖突，以致仿真試驗(yàn)失敗。制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真微波暗室通過應(yīng)用“YH-Astar”仿真工作站以及運(yùn)行其上的YHSIM實(shí)時(shí)仿真軟件，采用實(shí)時(shí)的Runge-Kutta積分算法和基于VMIC-5565反射內(nèi)存的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，**確保了半實(shí)物仿真的實(shí)時(shí)性[5]。

2  半實(shí)物仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1  實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)**傳輸系統(tǒng)

2.1.1  系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及硬件配置

數(shù)據(jù)**和傳輸系統(tǒng)是為減輕彈道解算計(jì)算機(jī)解算負(fù)載以保證實(shí)時(shí)性的前提下設(shè)計(jì)的。其主要功能是在末制導(dǎo)雷達(dá)閉環(huán)仿真試驗(yàn)?zāi)Ｊ街?，?shí)時(shí)**末制導(dǎo)雷達(dá)輸出的相關(guān)制導(dǎo)與指令信息，并通過VMIC實(shí)時(shí)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳送到彈道解算計(jì)算機(jī)參與全彈道解算；同時(shí)，向被試末制導(dǎo)雷達(dá)發(fā)送控制指令，實(shí)時(shí)控制末制導(dǎo)雷達(dá)的工作狀態(tài)。其組成如圖2所示。

為適應(yīng)數(shù)字雷達(dá)導(dǎo)引頭的仿真試驗(yàn)的需求，**系統(tǒng)在原有的基礎(chǔ)上增加了串行數(shù)字量**通道，該通道接口形式包括有：RS232、RS422、RS485；其與TTL電平相互轉(zhuǎn)換由信號調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)，離散量的**、量化、編碼采用的是包括基于PCI總線的時(shí)統(tǒng)部件I/O控制卡。

串行數(shù)字量**通道硬件部分主要由上、下位機(jī)構(gòu)成，上位機(jī)為高性能工控機(jī)。以DMA查詢的方式與下位機(jī)進(jìn)行通信,接收下位機(jī)的數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)時(shí)地顯示控制變量的狀態(tài)。同時(shí)根據(jù)彈道解算控制信息，向下位機(jī)發(fā)送指令。由單片機(jī)和A/D芯片組成的下位機(jī)將傳感器**到的離散信號進(jìn)行DCB編碼，同時(shí)根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的控制指令控制導(dǎo)引頭執(zhí)行相應(yīng)的操作；上位機(jī)通過數(shù)字I/O控制板卡可擴(kuò)展出m≤ 8個(gè)串口。采用VC++6.0環(huán)境下調(diào)用Windows API函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)串口通信[6]。系統(tǒng)通過被稱為設(shè)備控制塊DCB 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對串行口和串口通信驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行配置串口設(shè)備屬性的配置由以下 API 函數(shù)完成: Setup2Comm() 設(shè)置串行通信端口的輸入和輸出緩沖區(qū)的大小;通過設(shè)備控制塊 DCB 修改和設(shè)置串口工作狀態(tài)的參數(shù)。

2.1.2  創(chuàng)建讀寫線程，實(shí)現(xiàn)串行通信

如圖3所示，首先打開并配置完串口后開啟讀、寫線程。主線程主要負(fù)責(zé)將所有串口接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示以及各個(gè)子線程的調(diào)度和管理，讀線程負(fù)責(zé)讀取m個(gè)串口的數(shù)據(jù)，寫線程負(fù)責(zé)向需要控制的串口寫入數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中向串口寫人數(shù)據(jù)的操作只是有限的控制指令，所以寫線程在創(chuàng)建時(shí)即被掛起，當(dāng)需要向串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)激活寫線程；寫操作完成后，即被掛起，以減少系統(tǒng)開銷，提高程序的執(zhí)行效率[7]。

以下是用Windows API函數(shù)編寫的關(guān)鍵部分的代碼。

1）添加全局變量：

HANDLE hCom[m];

DCB dcb[m];

HANDLE m_hThreadWrite;

2）創(chuàng)建讀寫線程：

//創(chuàng)建讀線程

m_hThreadRead=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_

ROUTINE)ThreadRead,NUEL,0,NULL);

//創(chuàng)建寫線程

m_hThreadWrite=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_

ROUTINE)

3）在讀寫線程函數(shù)中添加相應(yīng)的處理信息：

首先在讀線程中調(diào)用CreateEvent函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)事件,其次調(diào)用WaitCommEvent函數(shù)等待該窗口事件，當(dāng)檢測到EV_RXCHAR事件發(fā)生時(shí)，再調(diào)用ReadFile函數(shù)將數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)內(nèi)，并進(jìn)行顯示處理。因?yàn)閷懢€程創(chuàng)建的時(shí)候即被掛起，故要重新調(diào)用寫線程函數(shù)時(shí)，必須要先調(diào)用ResumeThread函數(shù)恢復(fù)線程，然后調(diào)用WfiteFile函數(shù)向串口寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送成功時(shí)，調(diào)用SuspendThread函數(shù)掛起寫線程。數(shù)據(jù)**軟件控制界面如圖4所示。

運(yùn)用在次納米層面的**實(shí)驗(yàn)科學(xué)，比如探測電子物質(zhì)結(jié)構(gòu)。微型化水平層面中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)便是同步輻射光，它電磁輻射的一種表現(xiàn)形式。

同步輻射光在許多科研與工業(yè)領(lǐng)域已成為理想工具，比如蛋白晶體學(xué)、Ｘ線斷層照相術(shù)、照相平版印刷、 X 光技術(shù)、殘余應(yīng)力測定，并應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)藥、材料學(xué)、分子環(huán)境科學(xué)、石油化學(xué)等領(lǐng)域。 反射內(nèi)存應(yīng)用于同步加速器應(yīng)用中，以便在同步加速器儲存環(huán)中控制粒子抖動(dòng)。當(dāng)這些粒子在軌道上的運(yùn)動(dòng)由于受到磁場力的作用發(fā)生微小改變時(shí)，它們便會出現(xiàn)抖動(dòng)。反射內(nèi)存應(yīng)用于控制抖動(dòng)的系統(tǒng)中，以便確保粒子始終沿軌道運(yùn)行。由于顆粒高速運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)須實(shí)時(shí)且快速地做出反應(yīng)。