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基于HLA的一体化仿真训练平台李卿【摘要】对于工作在海洋环境下的某大型测量装备,其特点是数量多、体积大、造价高、分布零散、工作环境特殊,日常的操作难以展开.基于高层体系结构(HLA)联邦仿真思想,针对特殊测量装备的任务需求和装备特点,建立了基于HLA的分布式仿真训练平台,实现了虚拟环境下测量装备的分布式多人实操训练.根据HLA联邦仿真开发步骤,设计了一体化仿真训练体系框架,并对联邦仿真训练平台开发步骤、剧情设计、RTI软件设计及联邦成员的实现方法进行了初步研究.实际应用结果表明,设计的仿真体系符合HLA标准和离散事件动态系统标准,具有层次化和模块化的特点;建立的仿真平台符合实际训练过程和训练场景,具有较好的实时性和交互性.【期刊名称】《大连工业大学学报》【年(卷),期】2010(029)006【总页数】4页(P465-468)【关键词】高层体系结构(HLA);测量装备;训练;仿真【作者】李卿【作者单位】大连91550部队,辽宁大连,116023【正文语种】中文【中图分类】TP391.90 引言某大型测量任务由多套测量系统共同完成。
这些测量系统涵盖了光学、声学、机械、电子以及数据处理等多项技术，技术密集度高，操作使用过程复杂，装备之间协同交互性强，要求操作手对装备基本操作规程熟练掌握，并能够在紧急情况下对装备故障迅速排除。
由于实际装备只能工作在海洋环境下，日常的实操训练难以展开，迫切需要一种贴近实战、易操作的训练方法来提高装备训练工作的真实性和有效性。
解决这一训练突出矛盾的方法是建立扩展性好、成本低、可多次重复和无风险的分布交互式仿真训练平台[1]。
目前，开发分布交互式仿真平台通常采用3种仿真支撑环境[2]：(1)自定义数据传输标准的共享内存方式；(2)基于DIS标准的仿真体系；(3)基于HLA标准的仿真体系。
第1种方法简便易行，但系统扩展性差，主要用于代理人数目较少的系统；第2种和第3种方法实现复杂，但扩展性好，适合建立多代理人的复杂仿真系统。
Science &Technology Vision科技视界0引言近年来几场著名战争表明:综合电子战技术的运用直接关系到战争的主动权和胜负,但现实的战争是不可重复和预见的,因此作战过程的模拟仿真就成为人们研究战争的重要方法[1]。
目前国内大多数雷达和电子战仿真模型都是采用仿真语言或者高级语言编制的。
受仿真语言和仿真体系结构的局限,传统的综合电子战仿真软件难以适应综合电子战系统和作战样式的多样化和复杂化,表现在可重用性差、用户接口手段贫乏、模型参数与实验参数混淆、模型层次不清、扩展性差等方面。
高层体系结构仿真HLA(High Level Architecture)是在美国国防建模和仿真办公室(DMSO)的指导下建立的支持构造仿真(Constructive Simulation)、虚拟仿真(Virtual、Simulation)和实况仿真(Reality Simulation)的综合建模仿真环境,能提供一种集成各种仿真系统和功能模块的接口标准和设计规范[2-3]。
HLA 是综合电子战仿真系统的首选仿真体系。
本文基于HLA 建立一套综合电子战仿真系统,进行攻防对抗演示验证。
1系统总体设计1.1系统功能1.1.1空空对抗环境构建系统能提供空战环境,可以选择双击或机群对抗模式,二维电子地图和三维视景仿真场景能实时显示战场态势,空战战场要素全面。
1.1.2性能指标论证装备性能参数数据库提供了人机接口,可以方便地修改性能参数,系统通过与数据库集成接口验证各种性能参数,从而为性能指标论证提供依据,做到性能参数与战术参数相结合、战术参数确定性能参数的目的。
1.1.3验证综合航电系统使用调度准则仿真系统能够提供综合航电系统、机载武器系统、飞行控制系统以及与战场环境的闭环仿真环境,通过想定编辑和数据记录,分析航电系统的调度策略和战场使用准则。
在装备性能参数确定的情况下,仿真系统通过与想定数据库的接口加载想定进行航电系统使用策略仿真推演,记录实时数据事后分析讲评,确定多样化作战环境下航电系统使用准则。
基于HLA的分布交互仿真数据收集系统的研究在科技的广阔海洋中，基于HLA（High Level Architecture）的分布交互仿真数据收集系统犹如一艘精密的航船，其设计之巧妙、功能之强大，不禁让人赞叹。
这项技术的核心在于其高效的数据处理能力和卓越的交互性能，它能够在复杂的仿真环境中稳定运行，为科研人员提供准确的数据支持。
首先，让我们来探讨这个系统的数据处理能力。
正如一台强大的引擎能够推动航船破浪前行，基于HLA的数据收集系统拥有出色的数据整合和处理功能。
它能够将来自不同仿真节点的数据进行汇总、分析和存储，就像一个巧手园丁精心修剪枝叶，使得信息的流动更加有序和高效。
这种能力在大型仿真项目中尤为重要，因为它能够确保数据的一致性和完整性，避免信息孤岛的出现。
其次，我们不得不提的是这个系统的交互性能。
在这个系统中，各个仿真节点之间的通信就像一场精心编排的交响乐，每个部分都在和谐地协作，共同创造出美妙的旋律。
基于HLA的架构允许各个仿真节点之间进行实时的数据交换和更新，这就好比是一群舞者在舞台上同步起舞，每一个动作都精确无误，每一次转身都恰到好处。
这种高度的交互性不仅提高了仿真的效率，也增强了结果的可信度。
然而，尽管这个系统如此优秀，但它并非没有挑战。
正如航船在海上航行时可能会遇到风浪和暗礁，基于HLA的分布交互仿真数据收集系统在实施过程中也可能面临兼容性和扩展性的问题。
这就要求我们在设计和实施时必须谨慎行事，确保系统的稳定性和可靠性。
同时，随着技术的不断进步，我们也需要不断地对系统进行升级和维护，以适应不断变化的需求。
此外，安全性也是我们不能忽视的一个重要方面。
在这个信息时代，数据的安全性就如同航船上的救生设备一样重要。
我们必须确保所有的数据传输都是加密的，防止任何未经授权的访问和篡改。
这不仅是对用户负责的表现，也是维护系统声誉的必要措施。
综上所述，基于HLA的分布交互仿真数据收集系统是一项令人瞩目的技术成就。
AbstractUnmanned Aerial Vehicle(UAV)flight simulation systems play an important role in the military and aviation field,which is widely used in UAV’s development, performance analysis and flight exercises.Not only can the simulation system greatly shorten the UAV development time and decrease the cost,but also can verify the feasibility of UAV tactics.In this paper,High Level Architecture(HLA)simulation technology is adopted to the UAV simulation system platform.HLA which is a new generation of simulation system architecture provides a common technical support frame for complex systems and modeling.HLA can effectively figure out the reusability and interoperability of simulation system.The main innovative point of the paper is that integrating HLA architecture with simulation technology,confirming the frame of flight simulation system.The modular design is used by the functions of the simulation system,which are HLA frame system and three-dimensional visual module,so as to improve the reusability of the simulation platform.In this paper,the constitution of the HLA technology and the architecture of Run-Time Infrastructure(RTI)are discussed firstly.A scheme of the software design for flight attitude and trajectory of the UAV simulation system based on HLA is proposed. According to the analysis of the Federation Development and Execute Process Model (FEDEP)to design the federate of the simulation system,including flight simulation federate、manager federate、data management federate、flight playback federate and three-dimensional visual display system.The dissertation detailed overview of the implementation of the function of federate.All of interactive information among every module is managed by RTI.The data communication between modules through the corresponding federate is achieved.This dissertation researches the flight dynamics of the UAV.According to some basic parameter indexes,some corresponding mathematical models of the UAV are established.The implementation of the UAV’s turning movement is described in detail. To complete the UAV’s flight effect,linear interpolation algorithm is applied to realize smooth processing of flight destinations.In this system,the visual display module which is developed in the environment of modeling tool(Creator)、scene driving tool(Vega Prime)and VS2003,can finish the flight according to the specified path viathe control of the network command.Keywords:Flight Simulation,High Level Architecture,Creator/Vega Prime,Visual Simulation目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (IV)第1章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2课题研究的目的及意义 (3)1.3国内外发展及研究现状 (4)1.4本文研究的主要内容 (5)1.5论文组织与安排 (5)1.6本章小结 (6)第2章无人机飞行姿态航迹仿真系统框架 (7)2.1基于HLA仿真系统的基本结构 (7)2.2HLA的概述 (7)2.3HLA组成 (8)2.3.1HLA规则 (8)2.3.2HLA对象模型模板 (9)2.3.3HLA接口规范 (10)2.4运行支撑环境RTI (11)2.4.1RTI概述 (11)2.4.2RTI组成 (12)2.4.3RTI配置文件 (13)2.5基于HLA无人机飞行姿态航迹仿真设计方案 (13)2.5.1系统软硬件平台 (13)2.5.1.1硬件平台 (13)2.5.1.2软件平台 (14)2.5.1.3三维显示技术 (15)2.5.2系统功能需求分析 (15)2.5.3系统总体结构 (16)2.5.4设置标准数据结构 (17)2.6本章小结 (18)第3章基于HLA的底层框架设计与实现 (19)3.1飞行仿真系统用例设计 (19)3.1.1用例概念 (19)3.1.2软件开发流程 (19)3.1.3仿真管理用例 (20)3.1.4系统联邦成员用例图 (22)3.2联邦开发和成员设计 (22)3.2.1联邦开发过程 (22)3.2.2系统模型模板设计 (24)3.2.3FED文件设计 (25)3.2.4系统的程序流程 (27)3.3数据分发管理 (29)3.3.1数据过滤机制 (30)3.3.2动态网格法 (30)3.4飞行仿真系统平台的实现 (32)3.4.1管理者模块 (32)3.4.2飞行仿真模块 (34)3.4.3回放飞行模块 (36)3.4.4数据管理模块 (37)3.5本章小结 (38)第4章无人机的飞行动力学分析 (39)4.1飞行动力学介绍 (39)4.2飞行坐标系之间的转换 (39)4.2.1坐标系的定义 (39)4.2.2坐标系间的变换 (40)4.3无人机的控制量与被控制量 (42)4.4无人机动力学仿真模型 (43)4.4.1动力学方程组 (44)4.4.2气动力系统模型 (45)4.4.3无人机飞行姿态控制 (46)4.4.4航迹仿真中插值算法 (47)4.5本章小结 (51)第5章基于Vega Prime的三维视景显示仿真系统 (52)5.1三维视景仿真开发工具介绍 (52)5.1.1Vega Prime视景仿真软件 (52)5.1.2Multigen Creator仿真建模软件 (53)5.1.3仿真开发软件对比 (54)5.2三维视景仿真的框架设计 (55)5.2.1三维视景仿真的总体结构 (55)5.2.2三维视景系统的驱动流程 (56)5.3三维视景仿真系统的具体实现 (59)5.3.1三维视景系统的功能模块 (59)5.3.2三维视景系统的运行实现 (65)5.4本章小结 (69)第6章总结和展望 (70)6.1论文总结 (70)6.2工作展望 (71)参考文献 (72)发表论文和参加科研情况说明 (75)致谢 (76)第1章绪论1.1引言无人机(Unmanned Air Vehicle,UAV)是一种由程序遥控设备或无线电遥控装置操作的不载人飞机[1]。
基于HLA的仿真系统模型研究
李海林;郭义喜
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2006()z2
【摘要】在基于HLA的仿真系统开发中,设计和建立HLA仿真系统的各种模型是促进仿真互操作和仿真组件重用的关键过程,模型问题是整个HLA联邦开发的核心问题。
在提炼了HLA仿真系统建模过程的基础上,提出了改进的基于HLA的仿真系统开发模型体系,并总结了概念模型、对象模型和仿真模型的开发方法和过程,为各模型的快速、规范化开发打下了基础,并能够缩短基于HLA的仿真系统的开发周期,提高建模与仿真的效率。
【总页数】3页(P308-310)
【关键词】高层体系结构;模型体系;概念模型;对象模型;仿真模型
【作者】李海林;郭义喜
【作者单位】信息工程大学电子技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于MDA的HLA仿真系统的VV & A过程模型 [J], 张祥林;柏彦奇;李胜宏
2.基于HLA的物流仿真系统对象模型研究 [J], 黄超;费奇
3.基于HLA的器材保障物流系统仿真模型研究 [J], 于双双;王铁宁;刘洪水
4.基于Matlab模型的HLA仿真系统设计 [J], 李占丽; 史晓萌; 高琳
5.基于HLA分布式仿真系统的模型驱动设计方法 [J], 贾丽;张和明
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—256—基于HLA 和Vega 的空空对抗演练仿真系统王须刚1，刘世前2，胡士强2(1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240；2. 上海交通大学空天科学技术研究院，上海 200240)摘 要：根据基于高层体系结构和Vega 的虚拟战场空空对抗演练分布式仿真系统的设计需求，在扩展的PRP FOM 基础上，使用VR-Link 的API 工具开发系统联邦和联邦成员。
采用VR-Link 技术设计并实现联邦成员间的同步和仿真进程控制方法。
设计Vega 导航器，完成导弹目标跟踪仿真演示并验证系统性能。
关键词：高层体系结构；Vega 技术；VR-Link 技术；同步；导航器Simulation System of Air-to-air Fight DrillingBased on HLA and VegaWANG Xu-gang 1, LIU Shi-qian 2, HU Shi-qiang 2(1. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240;2. Institute of Aerospace Science and Technology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240)【Abstract 】According to the design requirement of distributed simulation system based on High Level Architecture(HLA) and Vega for virtual field air-to-air fight drilling, this paper develops federation and federates by the VR-Link API tools based on extended PRP FOM. It designs and realizes the method of synchronization between federates and simulation course control by using VR-Link technology. The Vega navigator is designed to demonstrate simulation of target tracking for a missile and validate the system performance.【Key words 】High Level Architecture(HLA); Vega technology; VR-Link technology; synchronization; navigator计 算 机 工 程Computer Engineering 第35卷 第15期Vol.35 No.15 2009年8月August 2009·开发研究与设计技术·文章编号：1000—3428(2009)15—0256—03文献标识码：A中图分类号：N945.131 概述高层体系结构(High Level Architecture, HLA)作为多个仿真间的通信标准，解决了国防领域内各类模型的互操作和可重用性问题，减少了网络冗余数据传输[1-2]。
１９０基于HLA的空天地一体化通信仿真系统
潘堤，费海涛，张成，敬明旻
（中国石化石油工程技术研究院信息所，北京100101）
摘要：基于HLA/RTI架构设计了一个空天地一体化的分布式通信仿真系统。
该系统可根据实际问题的需要灵活搭建仿真网络，便捷地接入实物、半实物设备参与仿真，动态实时展示仿真过程。
分析了该系统实现中采用的关键技术。
关键词：一体化；通信仿真；HLA；VRNET
中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1673-1131（2013）03-0190-02
0引言
已有的通信仿真系统应用往往针对特定的问题开展研究，如地面通信仿真应用、航空通信网络仿真，缺乏一体化、可扩展性的设计考虑，导致面临新的通信仿真问题时需要开发新的仿真系统，浪费了大量人力物力。
此外，各种系统在进行仿真过程展示、仿真结果分析时缺乏统一而生动的展示手段，严重影响了通信仿真系统的应用效果。
为了解决上述问题，基于HLA设计了一个空天地一体化的分布式通信仿真系统，可根据实际问题的需要灵活搭建仿真网络，便捷地接入实物、半实物设备参与仿真，动态实时展示仿真过程。
1系统设计
1.1总体设计
系统总体结构如图1所示，由参考模型库、通信网络仿真开发子系统、通信网络仿真应用子系统、三维态势演示子系统、卫星轨迹规划子系统、实物装备子系统在分布式仿真运行环境中组成。
各子系统之间依托分布式仿真运行环境相互实时地交互信息达到协同仿真的目的，并且为了便于管理，系统引入分布式仿真主控平台，利用分布式仿真主控平台统一地管理系统内的各个子系统。
引入三维态势演示工具，提供动态实时的仿真过程展示。
图1空天地一体化通信仿真系统总体结构系统采用基于HLA/RTI的分布式仿真架构[1][2]，提供不同层次业务需求的软硬件数据接口和协议，保证系统在完成现有需求的基础上具备一定的扩展能力：
能够在现有基础上有针对性地修改设计细化各类模型，完善系统功能；
能够增加新的联邦成员从而能够增加新的系统功能；
能够和其他的信息系统互联互通，可作为后台支撑也可作为前台显示和输入。
1.2分系统设计
1.2.1参考模型库和通信网络仿真开发子系统
参考模型库采用VRNET NetLib[3]提供的模型库，包括高级通信网络参考模型库、电台参考模型库、卫星通信参考模型库、精确无线传播模型库和计算引擎等，各级模型库具有良好的开放性，能支撑在有线和无线网络领域的各种仿真需求。
仿真通信网络开发子系统依托VRNET Developer[3]平台完成，在此平台下根据需求，可以在参考模型库的基础上，进行针对性的开发，完成网络模型、平台模型、设备模型、路由协议等，供仿真应用系统使用。
依托VRNET Developer可以将所有模型和场景导入通信网络仿真应用子系统，既可以直接使用这些模型库，也可以在提供的模型上进行修改或者重新开发相应的模型后再进行导入。
1.2.2空天地通信网络仿真应用子系统
空天地通信网络仿真子系统是整个应用方案的核心，依托VRNET NetEmula[3]提供大规模或超大规模实物、半实物实时仿真网络性能的模拟试验平台，支持构建空天地一体化的通信仿真网络，具有良好的人机交互界面和丰富的接口，并能提供仿真参数分析，根据指标体系的划分，对仿真系统进行评估。
1.2.3卫星轨迹规划子系统
卫星轨迹规划子系统[4]由STK工具完成，STK的核心能力是产生卫星位置和姿态数据、获取时间、遥感器覆盖分析。
通过其卫星轨道预报算法、姿态定义、坐标类型和坐标系统等功能可以完成卫星轨道的规划设计，并将其计算结果提供给网络仿真应用子系统，完成对整个通信网络的规划。
1.2.4三维态势演示子系统
三维态势演示子系统主要依托战场三维视景仿真器（VBS）结合仿真应用子系统进行二次开发完成。
三维态势演示子系统基于OpenGL API实现三维视景开发，通过采用专业的视景技术和多数据库集成技术，构建一个三维的数字化地球，提供从航天航空、陆地海洋、到水底世界的全球所有地域的视景仿真开发平台。
三维态势演示子系统以HLA联邦成员的方式加入通信仿真过程可立体、逼真反映当前仿真场景对应的具体地形实景和仿真网络的状态。
1.2.5分布式仿真运行环境和分布式主控平台
分布式主控平台是整个分布式仿真系统的控制平台，依托VRNET提供的分布式主控平台DPC实现。
分布式主控平台是人机交互的主要界面，负责整个分布式仿真系统从仿真
2013年第3期（总第125期）
2013
（Sum.No125）信息通信
INFORMATION&COMMUNICATIONS
１９１
前的想定配置，到仿真初始化过程，到仿真运行阶段的管理控制，直至仿真结束后的结果收集分析和仿真过程回放。
为处于不同物理位置的分布式仿真成员提供集中式的管理，实现仿真管理的集中一致和有效便捷。
1.3应用流程
基于空天地一体化通信仿真系统开展通信仿真问题研究时，可采用如图2
所示的流程开展仿真实验。
图2空天地一体化通信仿真系统应用流程首先，对通信仿真问题进行分析得到对通信仿真网络的需求。
而后通过对需求的分解得到必须重新开发的各类模型（包括模型的接口、协议、报文格式等需求），基于VRNET De-veloper 对模型进行设计开发；在此基础上，从VRNET Netlib 中选择已有的设备模型和协议，利用VRNET NetEmula 搭建通信仿真网络。
通过仿真输入并接受主控平台控制开始仿真运行，最终得到通信网络仿真的结果。
表1对空天地一体化通信仿真系统使用的软件工具及其发挥作用进行了总结，除了后两个软件外，其它均采用VRNET 产品系列。
表1
空天地一体化通信仿真系统使用的软件工具
2关键技术
基于HLA 的空天地一体化通信仿真系统在设计实现中采用了多种关键技术，确保系统高效、稳定地达成仿真目的。
2.1四层仿真建模机制
系统为实现对通信仿真网络的建模，采用四层建模机制：协议模型、设备模型、平台模型、网络模型。
协议模型：最小建模单元，定义一个具体的协议（或一个具体的功能）的实现流程、与其它协议模型的连接关系、需要配置的参数、提供的对外接口等；设备模型：最小的具有独立通信功能的仿真模型，由协议模型和辅助模型（位置管理、故障模拟等），如电台、路由器、交换机、终端设备等；平台模型：由通信设备构成，包括车载平台、机载平台、升空平台等；网络模型：对应一个具体的
仿真场景，由一组子网模型和平台模型，即其连接关系构成，网络模型自身包含一定的属性，如地址位置、覆盖范围、采用何种坐标系等。
2.2半实物仿真技术
系统支持接入实物设备参与仿真，其核心是采用半实物
仿真技术实现实物系统和仿真系统提供转接功能。
半实物仿真技术在系统实现中体现为提供一系列半实物接口，一方面处理实物数据，转换为HLA 数据包，发往对应的仿真节点；另一方面解析HLA 数据，构建相应的接口数据格式，发送给实物设备。
目前，系统提供两种半实物仿真模式：控制模式和数据交互模式。
数据交互模式主要用于外部设备、终端与仿真模型的协议级交互。
包括透传模式和交互模式：透传模式中，实物设备需要在仿真中设置映射点，通过半实物接口模块接入仿真，找到映射源节点，在整个过程中，仿真并不解析实际的数据内容；交互模式中每个实物设备也都需要指定一个映射节点，但仿真会解析接收到的实物数据，并根据数据构建对应的仿真报
文或根据仿真报文构建出真实的数据流。
2.3并行仿真技术
系统支持空天地一体化通信网络仿真，需考虑参与仿真的模型规模和复杂度，为实现高效的仿真需提供并行仿真技术支持。
并行仿真可用于解决大规模仿真时单台主机的性能瓶颈问题。
在并行仿真中，仿真模型会被划分为多个逻辑进程，每个逻辑进程维护自身的仿真时间推进和未来事件列表。
系统通过通信仿真应用子系统的仿真内核提供的并行仿真系统，可以对仿真模型进行并行仿真，仿真模型并不需要直接与并行仿真系统进行交互。
是否采用并行仿真，由仿真内核通过参数配置来决定，对仿真模型的开发是透明的。
在底层的并行通信确保机制上，支持MPI 、HLA 、SOCKET 等多种方式。
3结语
空天地一体化通信仿真系统基于HLA/RTI 架构，具有较好的扩展性，通过半实物接口可接入多种实物设备参与分布式仿真，通过三维态势演示子系统可直观、逼真反映当前仿真场景对应的具体地形实景和仿真网络的状态。
下一步将结合不同背景下的通信网络仿真需求，基于空天地一体化通信仿真系统开展通信网络保障能力和通信网络使用研究。
参考文献：[1]
余晓刚,张玉冰,姚富强.基于HLA 的通信电子战平台设计[J ].电子对抗技术,2002,16(1):32-34
[2]李军,张亮,张文明.基于HLA/Simulink 的通信对抗链路仿
真系统开发[J ].系统仿真学报,2006,18(8):2166-2169[3]
邓晶,张明智,李志强等.基于STK 的信息作战态势三维可视化表现方法研究[J ].系统仿真学报,2010,22(11):2654-2659
作者简介：潘堤（1982-），男，江西上饶人，研究方向为石油工程信息化技术。
信息通信
潘堤等：基于HLA 的空天地一体化通信仿真系统。
