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虚拟现实飞行仿真器综合火控仿真系统研究
2010年8月2日    评论:    分享:

    来源:第三维度

    作者:张山, 王行仁(北京航空航天大学先进仿真技术航空科技重点实验室,北京100083)

 

    1 引言

 

    随着现代航空火控系统综合化、自动化、智能化的不断发展,对仿真技术从方法到内容上都提出了更高的要求。一方面,传统的简单仿真器独立运行的仿真模式已不能满足现代航空火控系统先进性和复杂性的客观要求,从而促使仿真技术向网络化和交互式的方向发展;另外.计算机科学和信息技术的迅猛发展,也使得将先进仿真技术贯穿产品研制开发的全生命周期成为可能,从而大大减少开发费用.提高开发效率,缩短开发周期。近年来蓬勃兴起的虚拟样机(vPVirtual Prototype)技术恰好就满足了现代航空综合火控系统仿真在上述两方面的客观需求。

 

    2  VP的基本设计思想

 

    所谓VP技术,就是一种基于仿真的设计(SimulationBased Deign)技术,它包括了几何外形、传动和联接关系、物理特性、动力学特性以及功能特性等的建模与仿真。通过全生命周期的建模和仿真技术的应用.vP为我们提供了一个能够对产品反复设计、测试、验证和评估的开发平台,并且这一开发平台应具有系统透明性、协同性和并发性、互操作性和可重用性、分布性、交互性、灵活性及可视化等特点。进行动态性能仿真或有较高模拟应用和沉浸感等。

 

    VP技术最初的成功应用,更多的还是体现在以CADCAM技术为基础的虚拟制造方面.如美国波音公司在渡音777飞机的设计开发过程中采用vP技术,获得了无图纸、无物理样机设计和生产的成功。

 

    然而.在现代武器系统的研制与开发当中,特别是对于象航空综台火控系统这样有着复杂性、分布性、耦台性以及强烈动态特性仿真需求的系统来说,如何将先进仿真技术在系统动态性能的设计、建模、试验及评估等方面都能加以充分的应用就显得格外重要和迫切。传统的仿真手段虽然也能完成对系统动态性能的仿真,但它们一般都是针对单个系统独立进行的,还缺乏多系统强耦台情况下的处理能力,因而无法实现象有人在回路这样实时在线的综台仿真器开发平台,更不必说在更为复杂的综合仿真系统中来验证和评价整个系统的综合效能。而vP技术恰恰在这方面显示出其不可替代的独特优势。通过整合所有必要子系统和功能模块的仿真模型,并辅之以模拟座舱、3D视景系统以及立体声音响系统等硬件外部设备,我们便可以初步构成一个基于VP技术的有人在回路的实时在线仿真器开发平台。而通过采用DISHLA技术将VP联人到古有多武器平台的,由有人驾驶仿真器、计算机生成兵力(CGF)以及半实物仿真系统等构成的综合仿真系统中,我们便可以进行通过作战模拟来评估整个系统在体系对抗条件下的综舍作战效能的相关研3 IFCSS的体系结构设计首先,在功能层次上是以规定的系统执行飞行作战任务为核心进行仿真系统的顶层设计的。即按照依作战飞行任务对原形系统进行的功能划分,保持其各子系统相互之间的耦舍关系,通过数学建模,实现IFCSS各子系统在功能层次上对原形系统的数字仿真 依作战飞行任务的各实施阶段的不同所划分的航空综合火控系统(Ire S)的工作状态见图1

 

根据航空综舍火控系统的功能需求和任务划分,IFCSS的基本组成一般包括了以下一些分系统功能模块:火控雷达模块FCR、光电瞄准模块OES、综合显示模块ID、火控计算机模块FCC、电子战模块EW、外挂管理模块OHM、惯导模块IN、大气数据计算机模块ADC、通讯导航模块CN、记录检测模块R&D以及外部信号接口模块等。此外,IFCSS还包括仿真任务管理计算机SMC及相应的接口单元等。

 

   

图一 航空综台火控系统的主要工作状态和信息流交联的接口管理。
图一 航空综台火控系统的主要工作状态和信息流交联的接口管理。

 

 

    为了明确系统各主要子系统模块的操作及相互问的依存关系,从而落实系统控镧的具体操作,对应于图1所示IFCS的工作状态,以飞行员的操作顺序为依据,我们对IF℃一ss的系统控镧可以进行如下的功能性划分:管理火控系统:由火控计算机模块执行对系统状态的控镧、子模态的控镧、系统故障管理及与飞行员操作问的接口;搜索、截获与跟踪:由火控雷达或光电瞄准模块完成对空目标的自动截获和对地目标的观测等输出信息任务;攻击火控计算:由火控计算机模块执行攻击过程中的火控参数计算和火控指示信息的计算任务;飞行计算:由大气数据计算机模块执行飞行参数计算和传感信息的转换:

 

    导航:由惯导模块完成惯性平台对准、导航修正与导航操纵量计算等任务;

 

    综舍显示:由平显(HOD)和下显(HDD)显示相关的导航与火控信息;

 

    操纵火控系统:根据飞行员的操作顺序,由火控与导航控制面板来完成;

 

    管理外部信号:由接口组件完成IFCSS各种IO信号的转换并对信息流进行管理;

 

    管理武器:由外挂管理模块执行武器的装载与投放过程、武器接口的管理与计算,以确保武器的发射;

 

    仿真任务管理:由仿真任务管理计算机执行对仿真进程的监控与管理以及IFCSS与飞行仿真器其它分系统控镧流究。而这一仿真研究,对于那些将要应用于的现代战争条件下的高技术兵器的研制来说,将是不可或缺的重要一环。因此,可以预言,VP技术必将是21世纪高技术兵器研镧开发的重要手段。

 

    下面,我们就基于VP的基本设计思想,进行综合火控仿真系统(IFCSSIntegrated Fire Control Simulation Syst~q)体系结构的方案研究。

 

    其次,在逻辑层次上,IFCSS通过采用集中控制分布式总线型计算机网络构型来整舍各仿真子系统的功能模块,并围绕火控计算机FCC来构筑整个系统的体系框架,其网络体系的拓扑结构如图2所示。

 

 

   

 图2 IFCSS罔络系统框图
图2 IFCSS罔络系统框图

 

    4 主要关键技术

 

    IFCS8的设计中,应注重体现与其功能相联系的一些特点,如系统透明性、实时性、分布性、交互性、协同性、灵活性及可视化等。IFCSS的实现涉及诸多关键技术,主要包括:

 

    仿真环境舶设计与开发技术

 

    IFCS8的设计当中,sE不同于传统的单仿真器仿真的系统支持和管理机制,而是以交互为核心 注重提供仿真环境的透明性,设法模糊仿真系统的设计人员与仿真工程师的界限。sE通过采用分布交互仿真(DS)技术 建立起结构分布与节点交互的仿真体系,从而提供一个与人们感知及行为相一致的、结合了时空概念并能满足仿真协同性、并发性工作需求的综台环境。而这一互联则是通过为每个仿真节点提供实时网络通信服务、数据互换协议、高速动态仿真算法及数据库等来具体实现的。

 

    与此同时,SE这种分布控制、节点自治的结构特点还决定了整个仿真系统开发的灵活性和可扩展性。我们对sE的开发通常是在两个不同层次上并行进行的,一个层次是从系统的角度关注SE本身功能的技术实现,而另一个层次便是从应用的角度关注不同应用系统对SE可能的不同需求。也正是基于这样统筹考虑,综台设计的仿真开发环境,仿真应用系统才得以实现结构与功能的灵活剪裁与扩展。

 

    综合建模技术

 

    建模是仿真的基础与核心。在IFcSS的设计当中,通过采用面向对象的软件开发技术和数据库的生成与管理技术等,构建仿真应用系统的模型库和开发高速动态仿真算法,并保证其运行的互操作性和可重用性。

 

    计算机网络技术

 

    计算机网络结构与互联协议的选择,其出发点是由应用对象的仿真特点所决定的。就IFcSS而言,这一特点就是:针对航空综合火控系统的机动平台,面向高速运动的机动对象以及支持有人在回路(m皿一inloop)的在线仿真等。因此,计算机网络结构首先就应满足很高的实时性要求。此外,还应综台考虑技术先进性、工程可实现性以及可靠性等方面的具体要求。而在网络通讯方面,应考虑采用网络传输信息流量的压缩技术(DR算法等),以实现在不增加仿真节点存储能力和计算能力的条件下提高网络的通信能力。

 

    先进人机接口技术等。

 

    包括动态视景生成与指控信息表示技术以及虚拟现实(vR)技术等。其主要功能是通过提供三维实体模型、环境模型、立体声音响效果等为开发人员提供一个可视化的、人机交互的仿真设计与开发环境,从而更为直观、形象、逼真地展示仿真应用系统的工作状态和特性。

 

    5  IFCss的应用实现

 

    我们在一个综合仿真系统当中,实现了一个基于VPIFCSS的应用实现。其系统集成环境采用了如图3所示的分层次体系结构。其中,在仿真环境的不同层次当中,其任务与功能的侧重是有所区别的。

 

   

 图3 综合仿真系统体系结构
图3 综合仿真系统体系结构

 

    在独立进行的IFcSS的仿真研究当中,IFCSS将主要完成目标的搜索探测、自动截获与跟踪、导弹武器对空攻击、非制导武器的对空与对地攻击以及电子干扰等航空综台火控系统不同工作状态下的性能仿真。

 

    而在飞行仿真器这一层次的仿真研究当中,IFcSS将通过与飞行、导航、飞控以及发动机推力控制等子系统功能模块的整合,一道构成飞行仿真器的仿真模型库。在此基础上,通过飞行仿真器仿真管理软件的统一调度与管理,并与模拟座船、视景系统、音响系统等硬件外部设备通过内部局域网相互联,便构成了一个初步的人在回路的飞行仿真器仿真开发环境。在这一仿真平台上,各子系统既可相对独立运行,叉可以并发工作,并在集成环境中通过相互之间的信息交互完成飞行器虚拟样机系统在概念设计、初步设计层次上的设计开发、仿真测试以及验证评估。

 

    最终,我们通过采用DISHLA技术,将上述飞行仿真器系统与其它的人在回路仿真器、计算机生成兵力CGF、半实物仿真系统等一道,构成一个广泛互联、分布交互、实时在线的多武器平台综合仿真系统。而只有在这一层次的仿真当中,通过在体系对抗条件下逼真的作战仿真模拟,我们才可以最终实现对各级仿真应用系统(包括IFcSS在内)的综台作战技能的验证与评估,从而为现有系统的改型与完善以及更新系统的设计与开发等提供重要的依据和保障。这也是我们进行IFCSS仿真研究的最终目标。

 

    6 结束语

 

    现代航空综台火控技术的发展,对仿真技术从方法到内容上都提出了更高的要求。vP技术作为一项可以覆盖从设计、测试到验证、评估的应用系统开发全生命周期的仿真技术,完全可以满足新型综合火控系统研制与开发在任务与功能上的客观需求。本文基于vP的设计思想,通过对IFCSS体系结构的方案研究和关键技术的分析.给出了一个在综合仿真系统当中基于飞行仿真器环境集成的IFCSS的应用实现,从而初步验证了其方案实施的可行性。

 

    参考文献:

 

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    [4] 王锦等分布式交互仿真技术综述[J] 系统仿真学报,19968(3)1-5

 

    [5] 汪成为灵境(虚拟现实)是建立人机和谐仿真系统的关健技术[J] 系统仿真学报,19957(4)16-21

 

标签:飞行仿真模拟器火控仿真
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