基于LVC的联合模拟训练系统关键技术研究

基于LVC的联合模拟训练系统关键技术研究

吕建红,冯少冲，刘琼瑶

（陆军工程大学石家庄校区 装备模拟训练中心，石家庄 050000）

摘  要: 在装备信息化飞速发展时代，联合模拟训练被正式运用到装备的日常训练中。LVC可以将模拟训练中的实、虚、构三种仿真资源有效结合，实现虚实结合、联合实验的目的，是既贴近实战又节约经费的一种模拟训练方式。本文首先介绍某基于LVC的联合模拟训练系统的仿真节点，提出了联合模拟训练系统需要解决的问题，在此基础之上，深入研究联合模拟训练系统的时间管理、空间管理与异构子系统间的互操作三个关键技术，并在原型系统中验证证实了以上技术的可行性、正确性。为下一步实现系统提供了相关依据。

关键词:  模拟训练；LVC；互操作；TENA；

近年来，伴随着我军装备信息化的飞速发展,基于信息系统的体系作战能力建设和武器装备也进入了一个新的发展时期。仿真技术被定位到武器装备的“三全”应用，即：全寿命、全系统和全方位。使得武器装备的试验突破依赖实装的限制，向虚实结合、联合模拟试验的方向发展。 LVC训练综合了实兵训练、虚拟模拟器训练和推演模拟训练三者的优点，是一种既贴近实战又节约经费的训练方式[1-3]。

采用分布式仿真体系结构，将分散在不同地域的实兵系统和模拟系统互联起来进行LVC训练，是解决当前信息化条件下联合作战训练诸多问题的有效手段。本文对联合模拟训练系统的关键技术时间管理、空间管理及互操作技术进行了研究，在原型系统中对关键技术进行验证。

1基于LVC的联合模拟训练系统

1.1 仿真节点

某联合仿真模拟训练系统的典型仿真节点设置如图1所示。

图1 联合仿真模拟训练系统典型仿真节点示意图

该系统是一个典型的LVC（ Live Virtual Constructive）系统。其中，无人机训练场的发射站和某炮训练场的炮车是实装，即真实（Live）的仿真资源；各单装模拟器，如三级指挥控制模拟单元是虚拟（Virtual）的仿真资源；各类计算机兵力生成系统，如某炮炮车CGF等是构造（Constructive）的仿真资源。该系统可根据需要支持多级的试验训练模式，包括单装训练、单元训练、系统训练以及综合训练等.

其中，无人机子系统中，通过高层体系结构（High Level Architecture，HLA）将无人机仿真系统内场仿真资源连接。三级指挥控制模拟单元通过武器装备一体化指挥平台（Integrated Command Platform，ICP）相互通信。指挥单元与无人机子系统间通过试验与训练使能体系结构（TENA）中间件互联互通。因此这是一个异构多体系结构系统。

1.2 联合模拟训练系统需要解决的问题

LVC即同时包含了真实的（Live）、虚拟的（Virtual）、构造的（Construct）三类仿真成员的仿真系统，以上3类仿真成员各有特点，如何将这3类仿真成员无缝、一致地整合到一个系统中[4]，实现系统内分散的、异构的各仿真资源互联互通是需要解决的主要问题。主要体现在以下几个方面：

1）如何保证系统内各子系统的时间一致性。联合模拟训练系统在实施过程中，需要各单装模拟器在统一的时空环境下运行。在此前提下，一方面实际操作人员操作模拟器进行训练，相当于构成了人在回路的仿真系统，要求模拟训练系统是一个实时或者近实时的仿真系统；另一方面，对于炮兵装备，训练过程当中涉及大量的装备机动及阵地转移过程，为了节省时间，往往要求仿真系统能够根据需要加速仿真过程，或者直接进行仿真时间的跳跃。因此联合模拟训练系统需提供时间管理服务，保证各子系统的时间一致。

2）如何保证系统内各子系统的空间一致性。在联合模拟训练系统中，不同的单装涉及不同的坐标系，定义互也不一致；另一方面，模拟战场地域范围较大，受地球曲率影响，直接利用坐标平移的方法生成无人机航迹的办法误差过大。联合模拟训练系统需提供空间管理服务，保证整个仿真环境的空间一致性。

3）如何实现系统内部各异构子系统间的信息交互。系统内部包含HLA、ICP等体系结构。不同的体系结构的元数据的定义各不相同，为了实现异构系统间的互操作，必须实现异构系统的元数据模型的相互转化，保证整个联合模拟系统的信息一致性。

2联合仿真模拟训练系统关键技术研究

2.1异构子系统间的信息交互

联合模拟训练系统内的互联互操作旨在解决包含武器装备一体化指挥平台、高层体系结构HLA、试验与训练使能体系结构TENA等体系结构间的互操作问题。其中网关为不同仿真节点定制专用的交互内容，如具体的数据结构/内容，实际的装备坐标系及转换需求，指定的时间管理方式等。即不同仿真节点各异的交互能力都是通过相应的网关向总线定制的。在实际工程中，定制是通过配置文件实现的。是针对特定体系结构开发的，所以针对每种体系结构仅需开发一种网关，避免了网关种类随体系结构数量增加而呈现级数增长的问题。

1.基础支撑层

基础支撑层包括TENA、地球物理模型、各类工作坐标系定义等基础概念和基本工具。

2.公共服务层

在基础支撑层之上，屏蔽复杂的基础概念和工具使用方法，提供简洁、友好的数据传输、时间管理和空间管理三类公共服务；

1）数据发送、接收接口：利用分布交互平台提供的事件类信息通信服务、消息类通信服务和网络状态监控服务接口进行二次开发完成，主要实现各类信息的传输；

2）时间获取接口：利用分布交互平台提供的高精度时间实时推进服务、快速时间定位服务实现，主要为各仿真节点提供统一的精确全局时钟；

3）时间跳跃接口：利用分布交互平台提供的快速时间定位服务实现，主要满足各节点的跨时段同步仿真需求；

4）初始化设置接口：利用总线初始化模块提供的TENA、HLA初始化和SOCKET初始化服务实现，完成底层网络通信中间件的初始化；

5）通信状态反馈接口：利用分布交互平台提供网络状态监控服务和高精度时间推进服务实现，用于实时监控分布交互装置的运行状态。

2.2时间管理

时间一致性解决两类问题，一是仿真系统内各节点仿真时间同步；二是仿真系统内各节点的仿真时间按需跳跃。HLA体系结构中，时间管理是可选的服务，只定义了所需服务的最小集合，目的是尽量减少时间管理服务对消息传递的延迟[7]，但是这些措施不足以满足模拟训练的要求。本文中仿真资源全部采用“外接时钟”的时间管理方式，统一采用一体化指挥平台提供的时统服务。针对这种机制，按照一体化指挥平台中的网络时钟同步协议，为其他体系结构的资源系统构建时间管理系统，并设置时间获取服务接口。

HLA/RTI中的事件和消息，采用相应的时间管理策略以及恰当的时间同步机制来保证系统节点事件的接收和处理顺序的正确性。本文使用一种基于定步长判断的全局一致性时间管理算法（Fixed Step Estimation based Global Consistent Time Management Algorithm，FSEGCA），基于HLA保守时间管理方法，采用严格的全局同步策略，通过在每个仿真周期中各节点任务执行完毕后的尝试性时间推进，达到保证各仿真节点内部联邦成员的时间同步的目的。同时将联邦成员仿真时间推进与ICP实时时钟推进绑定，利用多线程技术减少实际仿真负载对仿真推进的影响。即ICP为每个HLA仿真节点提供了一个实时的统一时钟，该时钟的时刻值是HLA联邦的逻辑时间。同时，设置专门的时间推进性能监控节点。自动接收各节点的时间推进关键参数，并分析其时间推进性能，判断异常节点。

2.2.1. 组成结构

时间管理服务提供时间请求和时间通知两类功能，涉及到HLA对象管理、时间管理以及联邦和声明管理四类基本服务，具体包括策略设置、仿真时间管理、性能参数发送以及时间推进请求四个核心模块。

①策略设置模块：设置联邦成员的时间策略为既时间调节（Time Regulating）又时间受限（Time Constrained），保证联邦内各成员仿真时间同步推进，并设置仿真步长；

②仿真时间管理模块：完成周期性的仿真时间推进，并实时获取每个仿真周期当中的关键时间性能参数。可接受仿真节点的时间请求查询，返回当前的仿真时间信息；

③时间推进请求模块：完成保守的定步长时间推进；

④性能参数发送模块：发送仿真周期内的关键时间性能参数。

2.2.2 仿真时间管理模块

仿真时间管理模块是总线时间管理服务的核心模块。该模块作为一个独立的线程自动运行，循环推进仿真时间。

a)启动仿真时间推进运行；

b)获取本节点当前的ICP实时时钟信息T(n)；

c)调用RTI服务接口，采用步进式的保守时间推进方法，将仿真时间推进到下一个周期；

d)获取本节点当前的ICP实时时钟信息 ，计算Tw= -T(n)，该值为完成本次仿真时间推进所用物理时间，也即该节点等待完成该次仿真任务的时间，简称为等待时间（Waiting Time, WT）；

e)获取本节点当前的墙上时钟时间T(n+1)；

f)判断T(n+1)与T(n)的差值是否超过了m（设定的仿真步长）。如果没有满足条件，则执行步骤g；如果满足条件则计算Ts=T(n+1)- ，该值称为同步时间（Synchronizing Time, ST），即该节点任务执行完毕达到同步状态后距离仿真步长结束的时间。然后执行步骤b，开始新的仿真周期；

g)延时1ms，进而执行步骤e。

2.2.3  结果验证

上述过程中，ICP实时时钟信息与推进步长的映射是整个时间管理服务实时性的基础。根据构建的联合仿真模拟训练系统原型作为试验对象，在特定时间推进参数下，将各节点正常运行时与某炮模拟器节点负载过重两种试验结果作了对比，得出以下结论：

①各节点均正常运行时，每个成员的仿真周期耗时基本相同，均为40ms，即全系统能保持25次/s的周期性步进速度，这满足了人在回路仿真系统的基本实时性要求；

②统计正常情况下多个时间段的物理时间仿与真时间推进比值，均≥95%；

③当某炮模拟器节点过载时，各个成员的仿真周期均增加，为是62~63ms，其中故障成员GaopaoSys的同步时间短，等待时间长，而其他正常成员的等待时间短，同步周期长。导调人员可直观的定位故障节点。

2.3空间管理

为了保证各分系统中，同一实体的位置信息描述相一致，必须对同一属性在不同空间表示下进行转换[8]，本文采用WGS-84地心坐标系统作为世界坐标系，该坐标系以地球质心为坐标原点，具有空间直角坐标和经纬度坐标两种具体形式，分别称为大地直角坐标系和空间大地坐标系（又叫经纬度坐标系）以地球物理模型。本文使用空间大地坐标系。

2.3.1 大地直角坐标系

以地球质心为坐标原点，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极CTP（Conventional Terrestrial Pole）方向，X轴指向BIH10984.0零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。

2.3.2 空间大地坐标系（经纬度坐标系）

空间大地坐标系也以地球质心为坐标原点，但采用大地经度L、大地纬度B和大地高度H来描述空间位置。地面上P点的大地子午面NP'S与起始大地子午面所构成的二面角L称为P点的大地经度，由起始大地子午面算起，向东为正，向西为负。P点对于椭球的法线PQ与赤道面的夹角B为P点的大地纬度，由赤道面算起，向北为正，向南为负。P点沿法线到椭球面（PP'）的距离H为大地高，从椭球面起算，向外为正，向内为负。

3 结  论

本文设计了基于LVC的联合模拟试验训练系统的体系结构框架，提出了该系统主要面对的问题，并对解决这些问题的关键技术进行了研究，并利用原型系统对关键技术进行验证，证实了以上技术的可行性。

参考文献：

[1] Phil Harvey, Steven Hatter, Michael Davis. Joint Training: Live,Virtual, and Constructive (L-V-C) [R]. Kirtland, NM, USA: Air Force Distributed Mission Operation Center, Nov 2008

[2] Duncan W A, Patterson S P, Graves B R, et al. Gain generator optimization for hydrogen fluoride overtone and fundamental chemical lasers[C]//Proc of SPIE. 1993, 1871: 123-134.{会议文集}

[3] John F. Arrays in sisal[R]. UCRL-JC-106081, 1990.{报告}

[4] Ying Chuntong. Transport theory and application of gas[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1990.{英文专著}

[5] 周传明, 刘国治, 刘永贵, 等. 高功率微波源[M]. 北京: 原子能出版社, 2007. (Zhou Chuanming, Liu Guozhi, Liu Yonggui, et al. High-power microwave sources. Beijing: Atomic Energy Press, 2007){中文专著，原书无英文形式的可自行翻译}