作者：山清，吳根水，王艷奎，胡渴望

摘要：空空導(dǎo)彈一體化仿真系統(tǒng)可為未來雷達(dá)型和紅外型空空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研究、開發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證提供一體化仿真環(huán)境，是未來武器裝備仿真試驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)。首先，從一體化仿真系統(tǒng)的適用對(duì)象范圍、試驗(yàn)?zāi)Ｊ胶湍芰Ω采w范圍三個(gè)方面進(jìn)行需求分析；其次，綜述了系統(tǒng)總體架構(gòu)兩個(gè)層面的特點(diǎn)，概述了基于仿真系統(tǒng)構(gòu)建的一體化仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)工作原理及各分系統(tǒng)功能原理；然后，針對(duì)包括遠(yuǎn)距離智能I/O接口技術(shù)、一體化仿真系統(tǒng)時(shí)鐘統(tǒng)一技術(shù)在內(nèi)的一體化仿真關(guān)鍵技術(shù)，分析梳理了其基本設(shè)計(jì)方法。最后，通過構(gòu)建典型的空空導(dǎo)彈武器一體化仿真系統(tǒng)驗(yàn)證了總體架構(gòu)可行性以及關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)的正確性。

關(guān)鍵詞：空空導(dǎo)彈；一體化仿真；仿真系統(tǒng)；全彈性能考核；總體架構(gòu)

1 引言

隨著科技發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)不再是單機(jī)對(duì)單機(jī)、編隊(duì)對(duì)編隊(duì)的對(duì)撞式戰(zhàn)爭(zhēng)，而利用信息技術(shù)將整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)的各種火力、平臺(tái)、控制、探測(cè)等節(jié)點(diǎn)有效集成的戰(zhàn)場(chǎng)體系，是體系與體系的對(duì)抗。以美國(guó)為首的西方國(guó)家在爭(zhēng)奪制空權(quán)方面具有傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，特別是近年來美國(guó)一直在努力整合賽博空間和電磁空間的優(yōu)勢(shì)，催生了集成度更高的制空作戰(zhàn)體系。在這種體系下，任何單個(gè)武器的挑戰(zhàn)均不會(huì)構(gòu)成威脅，只能是體系對(duì)抗體系。

在空空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研制中，導(dǎo)彈總體武器系統(tǒng)性能測(cè)試、制導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真、引戰(zhàn)配合仿真等都是重要的試驗(yàn)驗(yàn)證手段，分別用于武器系統(tǒng)性能測(cè)試、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)性能評(píng)定、引戰(zhàn)配合效果與毀傷效能評(píng)估。傳統(tǒng)的制導(dǎo)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室通常都是分布式的單彈制導(dǎo)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室，仿真與試驗(yàn)系統(tǒng)一般都是根據(jù)專業(yè)劃分為不同部分，試驗(yàn)系統(tǒng)之間無(wú)直接的交互，不利于對(duì)武器系統(tǒng)綜合性能進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。

根據(jù)武器裝備仿真試驗(yàn)“全系統(tǒng)、全流程、全剖面、一體化”的需求和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)上述主要仿真試驗(yàn)系統(tǒng)資源、設(shè)備進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，構(gòu)建出空空導(dǎo)彈武器一體化仿真系統(tǒng)，能夠?yàn)樵谘泻臀磥砝走_(dá)型和紅外型空空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研究、開發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證提供一體化仿真環(huán)境。將機(jī)載武器系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室、雷達(dá)制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室、紅外制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室和引戰(zhàn)配合仿真實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)分散、獨(dú)立的子系統(tǒng)進(jìn)行互連，實(shí)現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)一體化仿真。

針對(duì)構(gòu)建空空導(dǎo)彈武器一體化仿真系統(tǒng)的需求，以現(xiàn)有機(jī)載武器系統(tǒng)機(jī)彈數(shù)據(jù)交互模擬系統(tǒng)、雷達(dá)/紅外制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)及引戰(zhàn)配合仿真系統(tǒng)等試驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高精度時(shí)鐘同步系統(tǒng)，將多個(gè)分散、獨(dú)立的子系統(tǒng)進(jìn)行互連，通過時(shí)間和事件混合驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同工作，為空空導(dǎo)彈武器一體化仿真驗(yàn)證提供基礎(chǔ)，支撐復(fù)雜裝備一體化實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)。

2 需求分析

一體化仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與一般的仿真系統(tǒng)不同，一體化仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)具有針對(duì)性更強(qiáng)、系統(tǒng)復(fù)雜程度更高、規(guī)劃性更遠(yuǎn)的特點(diǎn)，對(duì)于仿真時(shí)間同步、信息傳輸實(shí)時(shí)性、遠(yuǎn)距離信息傳輸?shù)刃枨竺鞔_。為了做好系統(tǒng)的總體頂層設(shè)計(jì)，首先需對(duì)系統(tǒng)總體的任務(wù)和目標(biāo)進(jìn)行深入分析。本文從一體化仿真系統(tǒng)的適用對(duì)象范圍、試驗(yàn)?zāi)Ｊ胶湍芰Ω采w范圍三個(gè)方面進(jìn)行分析，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的和設(shè)計(jì)目標(biāo)融入系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，在滿足當(dāng)前需求的同時(shí)，具有更好的兼容性和擴(kuò)展性，便于未來仿真系統(tǒng)能力的提升和拓展。

2.1　適應(yīng)對(duì)象分析

一體化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，適用的武器系統(tǒng)發(fā)射平臺(tái)主要是機(jī)載發(fā)射平臺(tái)，同時(shí)可兼顧地面車載發(fā)射平臺(tái)，制導(dǎo)武器末制導(dǎo)方式主要包括雷達(dá)制導(dǎo)和紅外成像制導(dǎo)。

（1）適應(yīng)多武器發(fā)射平臺(tái)

地面車載發(fā)射平臺(tái)主要適用于由空空導(dǎo)彈派生而來的地空導(dǎo)彈系統(tǒng)。不同的武器發(fā)射平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的要求重點(diǎn)體現(xiàn)在火控系統(tǒng)、發(fā)控系統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)上。機(jī)載發(fā)射平臺(tái)的火控系統(tǒng)數(shù)字總線以1553B、ARINC429為主，地面車載發(fā)射平臺(tái)的火控系統(tǒng)數(shù)字總線以CAN、RS422為主，一體化仿真系統(tǒng)在信息接口的設(shè)計(jì)上要能夠兼顧多火控總線類型的模擬需求。同時(shí)在火發(fā)控時(shí)序控制上，不同的發(fā)射平臺(tái)差異較大，在火發(fā)控系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)時(shí)按武器發(fā)射平臺(tái)進(jìn)行分類，對(duì)相應(yīng)武器平臺(tái)的ICD文件進(jìn)行識(shí)別，以兼顧兩類典型發(fā)射平臺(tái)的時(shí)序及接口模擬需求。

（2）適應(yīng)多制導(dǎo)武器

為保證一體化仿真系統(tǒng)可適應(yīng)不同型號(hào)的制導(dǎo)武器，應(yīng)重點(diǎn)在供電特性、信息交互的實(shí)時(shí)性、信息交互形式、運(yùn)動(dòng)特性模擬、仿真周期、模型計(jì)算規(guī)模、仿真模式需求、目標(biāo)及環(huán)境特性模擬、信息接口通用化/模塊化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行綜合考慮。

（3）適應(yīng)多制導(dǎo)方式

當(dāng)前空空導(dǎo)彈的末制導(dǎo)方式主要為雷達(dá)制導(dǎo)與紅外成像制導(dǎo)。多制導(dǎo)方式的需求主要體現(xiàn)在對(duì)導(dǎo)彈中制導(dǎo)的仿真。目前空空導(dǎo)彈、地空導(dǎo)彈典型的中制導(dǎo)方式包括：衛(wèi)星導(dǎo)航+數(shù)據(jù)鏈+捷聯(lián)慣導(dǎo)方式、數(shù)據(jù)鏈+捷聯(lián)慣導(dǎo)方式、衛(wèi)星導(dǎo)航+捷聯(lián)慣導(dǎo)方式等，因此在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮沒有數(shù)據(jù)鏈模擬器和衛(wèi)星信號(hào)模擬器情況下中制導(dǎo)仿真的實(shí)現(xiàn)方式。目前制導(dǎo)武器中制導(dǎo)仿真一般有兩種，一種是中制導(dǎo)信息注入的方式，該方式的特點(diǎn)是成本低、系統(tǒng)構(gòu)建靈活、適應(yīng)性強(qiáng)；難點(diǎn)是注入信息的實(shí)時(shí)性及同步處理；另一種是采用數(shù)據(jù)鏈模擬器、衛(wèi)星信號(hào)模擬器來模擬數(shù)據(jù)鏈信息和衛(wèi)星導(dǎo)航信息，但需要專門研制相應(yīng)的模擬器。

2.2　試驗(yàn)?zāi)Ｊ椒治?/span>

為了一體化仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多彈協(xié)同制導(dǎo)仿真，可以重點(diǎn)考慮在制導(dǎo)半實(shí)物仿真內(nèi)采用基于導(dǎo)引頭模型的導(dǎo)引信號(hào)注入方式來實(shí)現(xiàn)。該方法在工程上的可實(shí)現(xiàn)性更強(qiáng)，技術(shù)成熟，成本也最低。但是在性能考核方面，受導(dǎo)引頭建模程度的限制，無(wú)法全面考核導(dǎo)引頭的性能，其中包括導(dǎo)引頭的探測(cè)、跟蹤、識(shí)別、抗干擾等性能。這種實(shí)現(xiàn)模式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)同制導(dǎo)算法的研究驗(yàn)證，對(duì)多彈道協(xié)同控制算法及信息融合算法的研究驗(yàn)證。

2.3　能力覆蓋范圍分析

一體化仿真系統(tǒng)能力覆蓋范圍包括：?jiǎn)螐椀木确抡妫ǖ湫秃蜆O限邊界條件、抗干擾性能仿真、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性仿真）、多彈的協(xié)同精度仿真（暫只考慮典型條件）等仿真能力。

（1）單彈精度仿真

單彈精度仿真是一體化仿真系統(tǒng)的典型應(yīng)用模式，這一需求對(duì)一體化仿真系統(tǒng)的要求就是如何將機(jī)載武器發(fā)射仿真系統(tǒng)、制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)及引戰(zhàn)配合仿真系統(tǒng)以一定形式結(jié)合起來，需要重點(diǎn)考慮試驗(yàn)系統(tǒng)互聯(lián)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)中間件技術(shù)及時(shí)鐘同步系統(tǒng)技術(shù)。

（2）多彈協(xié)同精度仿真

多彈協(xié)同精度仿真是基于單彈精度仿真設(shè)計(jì)，要求機(jī)載武器發(fā)射仿真系統(tǒng)、制導(dǎo)半實(shí)物仿真及引戰(zhàn)配合仿真系統(tǒng)具備多導(dǎo)彈仿真能力，具備多彈協(xié)同建模、多彈數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性交互技術(shù)。

3 一體化仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

一體化仿真系統(tǒng)架構(gòu)總體設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行指揮調(diào)度、仿真成員數(shù)據(jù)交互機(jī)制、高速實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)間統(tǒng)一等設(shè)計(jì)問題，設(shè)計(jì)空空導(dǎo)彈武器一體化仿真系統(tǒng)總體框架，滿足空空導(dǎo)彈武器一體化仿真系統(tǒng)的構(gòu)建需求。系統(tǒng)總體構(gòu)建可從兩個(gè)層面進(jìn)行：一方面是系統(tǒng)架構(gòu)層面，主要是以智能網(wǎng)關(guān)+實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)為系統(tǒng)總體組網(wǎng)架構(gòu)，基于中間件的數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱通訊機(jī)制，以此來組建一體化仿真系統(tǒng)；另一個(gè)方面是仿真系統(tǒng)的構(gòu)成層面，明確了系統(tǒng)由機(jī)載武器發(fā)射仿真系統(tǒng)、制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)、引戰(zhàn)配合仿真系統(tǒng)及時(shí)鐘同步系統(tǒng)組成。

基于智能網(wǎng)關(guān)+實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)總體組網(wǎng)架構(gòu)，采用基于中間件的數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱通訊機(jī)制，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。這種架構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)兼容性和擴(kuò)展性設(shè)計(jì)、構(gòu)建多粒度的組合仿真模式、便捷的系統(tǒng)信息交互及系統(tǒng)綜合指揮控制管理的關(guān)鍵。在這種系統(tǒng)總體物理架構(gòu)的基礎(chǔ)上，滿足系統(tǒng)具體應(yīng)用需求要考慮的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)仿真信息流交互的實(shí)時(shí)性、同步性、靈活性及可靠性。

基于仿真系統(tǒng)構(gòu)建總體架構(gòu)，從空空導(dǎo)彈全彈性能考核目的出發(fā)，確定好各個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)銜接，借助時(shí)鐘同步系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離智能I/O接口系統(tǒng)和智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)載武器仿真系統(tǒng)、制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)、引戰(zhàn)配合仿真系統(tǒng)間的同步、互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)一體化仿真。此架構(gòu)設(shè)計(jì)基于現(xiàn)有試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的更改較少，所需經(jīng)費(fèi)較少，本文針對(duì)此架構(gòu)進(jìn)行闡述。

基于仿真系統(tǒng)構(gòu)建的一體化仿真系統(tǒng)工作過程如下：首先采用空空導(dǎo)彈機(jī)載武器發(fā)射模擬系統(tǒng)，完成導(dǎo)彈在架狀態(tài)的功能測(cè)試，接受試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)下發(fā)的飛行任務(wù)，構(gòu)造出彈目之間的攻擊態(tài)勢(shì)，然后采用雷達(dá)/紅外空空導(dǎo)彈制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，以彈目之間攻擊態(tài)勢(shì)相關(guān)參數(shù)作為輸入，產(chǎn)生相應(yīng)的場(chǎng)景模型，驅(qū)動(dòng)仿真設(shè)備的運(yùn)行，完成導(dǎo)彈程控段+中制導(dǎo)段+末制導(dǎo)段響應(yīng)態(tài)勢(shì)的仿真，得到末端彈目交會(huì)仿真條件和態(tài)勢(shì)，最后采用空空導(dǎo)彈引戰(zhàn)配合仿真系統(tǒng)，以制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真結(jié)果作為交會(huì)仿真的輸入條件，完成導(dǎo)彈引戰(zhàn)配合模擬和戰(zhàn)斗損傷模擬，計(jì)算得到目標(biāo)損傷情況。在系統(tǒng)工作過程中，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距離智能I/O接口系統(tǒng)、智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，完成試驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵信號(hào)的高速、遠(yuǎn)距離交互以及多個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)組網(wǎng)互聯(lián)，采用高精度時(shí)鐘系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)鐘同步。

基于仿真系統(tǒng)構(gòu)建的一體化仿真系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　一體化仿真系統(tǒng)組成

3.1　武器發(fā)射模擬系統(tǒng)

為滿足現(xiàn)在和未來導(dǎo)彈系統(tǒng)研制需求，機(jī)載武器發(fā)射仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不針對(duì)某型飛機(jī)系統(tǒng)，而是采用通用化設(shè)計(jì)，由通用機(jī)載光電雷達(dá)模擬器、通用機(jī)載慣導(dǎo)模擬器、通用機(jī)載火控模擬器、通用機(jī)載大氣機(jī)模擬器、通用機(jī)載雷達(dá)模擬器和外掛物管理模擬器組成，形成通用化的ICD、POP以及詳細(xì)系統(tǒng)工作時(shí)序等頂層文件，能夠模擬完成飛機(jī)要求的各種導(dǎo)航、探測(cè)和攻擊任務(wù)，提供飛行員人機(jī)交互界面；同時(shí)通過啟動(dòng)不同的過程處理完成不同的任務(wù)和功能，模擬地面準(zhǔn)備工作模式、導(dǎo)航工作模式、空空格斗工作模式、空空攔截工作模式以及維護(hù)工作模式等。

針對(duì)一體化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，機(jī)載武器發(fā)射仿真系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行如下任務(wù)分配。

（1）火控信號(hào)模擬設(shè)計(jì)

火控信號(hào)模擬設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)一體化仿真的關(guān)鍵，方案設(shè)計(jì)中要考慮多種火控總線接口類型，主要包括1553B、ARINC429、CAN和RS422總線，同時(shí)控制時(shí)序設(shè)計(jì)上也要考慮多控制時(shí)序需求。可以按武器類型、接口類型、參試對(duì)象類型等進(jìn)行配置和選擇。

（2）下發(fā)飛行任務(wù)的實(shí)時(shí)性

為了適應(yīng)一體化仿真需求，機(jī)載武器發(fā)射模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮與其它子系統(tǒng)的信息交互接口。信息交互接口主要包括智能網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)距離智能I/O接口。設(shè)計(jì)中通過智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)大量實(shí)時(shí)光纖信息的交互，通過遠(yuǎn)距離智能I/O接口來實(shí)現(xiàn)飛行任務(wù)電信號(hào)的遠(yuǎn)距離交互。

3.2　制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)

制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)分為雷達(dá)型制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)和紅外型制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，主要包括：任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)、仿真計(jì)算平臺(tái)、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、毫米波/紅外目標(biāo)信號(hào)源以及衛(wèi)星信號(hào)模擬器等。為了在一套制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多彈協(xié)同制導(dǎo)仿真，可以采用基于導(dǎo)引頭模型的導(dǎo)引信號(hào)注入方式來實(shí)現(xiàn)。該方法技術(shù)成熟、工程上的可實(shí)現(xiàn)性更強(qiáng)、成本也最低。以紅外制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)為例，在仿真前端適配器的輸出端設(shè)計(jì)仿真部件模擬專用輸出接口，通過設(shè)計(jì)3組飛控部件模擬接口來覆蓋1主3從的多彈協(xié)同系統(tǒng)仿真能力，多彈系統(tǒng)制導(dǎo)仿真試驗(yàn)仿真資源分配情況如表1所示。在現(xiàn)有系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，基于系統(tǒng)仿真資源構(gòu)建多彈協(xié)同制導(dǎo)仿真系統(tǒng)，試驗(yàn)原理如圖2所示。

表1　多彈協(xié)同制導(dǎo)仿真試驗(yàn)仿真資源分配情況表

表2　參試仿真成員功能表

通過艙段閉環(huán)仿真專用電纜將主彈制導(dǎo)控制艙段接入仿真系統(tǒng)，通過飛控部件閉環(huán)仿真專用電纜將從彈飛控部件接入仿真系統(tǒng)，從彈的傳感器由數(shù)學(xué)模型來代替，協(xié)同仿真模式下各參試仿真成員的功能如表2所示。

在一套仿真系統(tǒng)內(nèi)采用基于目標(biāo)特性注入模式的多彈協(xié)同仿真，從性能考核逼真度方面相對(duì)于上述方法有了較大程度的提高。主要實(shí)現(xiàn)在性能考核方面，除了導(dǎo)引頭探測(cè)性能考核無(wú)法覆蓋外，全面覆蓋了對(duì)導(dǎo)引頭跟蹤、識(shí)別、抗干擾等性能的考核，對(duì)協(xié)同制導(dǎo)仿真能力有巨大提升。

圖2　多彈協(xié)同制導(dǎo)仿真系統(tǒng)的試驗(yàn)原理圖

3.3　引戰(zhàn)配合仿真系統(tǒng)

引戰(zhàn)配合仿真系統(tǒng)主要由以下系統(tǒng)構(gòu)成：引信交會(huì)仿真計(jì)算機(jī)、引信啟動(dòng)特性與引戰(zhàn)配合數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)、戰(zhàn)斗部殺傷效能仿真計(jì)算機(jī)。針對(duì)一體化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，引戰(zhàn)配合仿真系統(tǒng)在現(xiàn)有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上重點(diǎn)進(jìn)行如下適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

引戰(zhàn)配合仿真系統(tǒng)首先根據(jù)接收的末端彈目交匯態(tài)勢(shì)，分解制定引信對(duì)不同目標(biāo)的交會(huì)條件（脫靶量、脫靶方位、交會(huì)角、相對(duì)速度等）。通過引信交會(huì)仿真試驗(yàn)，獲得引信在不同交會(huì)條件下，對(duì)不同目標(biāo)的啟動(dòng)特性（引信作用點(diǎn)、啟動(dòng)概率、作用距離等）。交會(huì)仿真試驗(yàn)得到的引信啟動(dòng)特性數(shù)據(jù)，作為引信啟動(dòng)特性與引戰(zhàn)配合數(shù)字仿真中引信數(shù)字模型的修模與驗(yàn)?zāi)＃俳Y(jié)合引戰(zhàn)配合模型，引戰(zhàn)配合數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)可以計(jì)算出炸點(diǎn)坐標(biāo)。獲得了炸點(diǎn)坐標(biāo)以及交會(huì)條件后，戰(zhàn)斗部殺傷效能計(jì)算機(jī)通過目標(biāo)易損性模型和戰(zhàn)斗部殺傷模型，計(jì)算得到戰(zhàn)斗部條件殺傷概率，工作流程如圖3所示。

圖3　引戰(zhàn)配合仿真系統(tǒng)工作流程

上述引戰(zhàn)交會(huì)仿真系統(tǒng)適應(yīng)性更改是針對(duì)單枚導(dǎo)彈的殺傷概率計(jì)算而設(shè)計(jì)的，針對(duì)多彈協(xié)同情況下的殺傷概率計(jì)算，由于戰(zhàn)斗部殺傷效能模型比較復(fù)雜，同時(shí)輸入多枚導(dǎo)彈末端攻擊態(tài)勢(shì)進(jìn)行計(jì)算的時(shí)間較長(zhǎng)，可采用對(duì)一枚導(dǎo)彈進(jìn)行殺傷概率計(jì)算，其他導(dǎo)彈采用簡(jiǎn)化殺傷模型進(jìn)行仿真計(jì)算的方式。

3.4　遠(yuǎn)距離智能I/O接口

智能I/O接口單元的研究主要是解決目前武器系統(tǒng)仿真過程中面臨的仿真對(duì)象之間或仿真對(duì)象與仿真系統(tǒng)中各分布式節(jié)點(diǎn)間通訊及數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性問題、信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸問題及適應(yīng)仿真對(duì)象復(fù)雜的工作時(shí)序問題，通過完成智能I/O接口設(shè)計(jì)來滿足目前標(biāo)準(zhǔn)的分布式I/O接口越來越難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜仿真系統(tǒng)的構(gòu)建需求。

3.5　高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

一體化仿真系統(tǒng)中各子系統(tǒng)屬于不同專業(yè)的獨(dú)立試驗(yàn)系統(tǒng)，相互之間距離較遠(yuǎn)，因此實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通訊互聯(lián)是構(gòu)建一體化仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)。高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以智能網(wǎng)關(guān)為核心，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)光纖子網(wǎng)的遠(yuǎn)程或近距離實(shí)時(shí)互聯(lián)。由于智能網(wǎng)關(guān)中用于遠(yuǎn)程互聯(lián)的單模光纖接口采用SFP可拔插形式，可方便地更換為多模光纖SFP模塊，因此也支持近距離光纖子網(wǎng)的互聯(lián)或者級(jí)聯(lián)。智能網(wǎng)關(guān)是支撐整個(gè)一體化仿真系統(tǒng)各仿真子網(wǎng)互通互聯(lián)的關(guān)鍵。

3.6　時(shí)鐘同步系統(tǒng)

一體化仿真系統(tǒng)中各子系統(tǒng)是獨(dú)立的系統(tǒng)，同時(shí)各子系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)采用異步通訊。在進(jìn)行一體化仿真設(shè)計(jì)時(shí)，采用高精度時(shí)鐘同步系統(tǒng)，為各仿真設(shè)備的運(yùn)行提供時(shí)間基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)仿真系統(tǒng)之間的時(shí)間同步與時(shí)序協(xié)調(diào)控制。時(shí)鐘同步系統(tǒng)主要包括衛(wèi)星授時(shí)終端、時(shí)鐘卡等。

4 一體化仿真關(guān)鍵技術(shù)

4.1　遠(yuǎn)距離智能I/O接口設(shè)計(jì)

為了解決信號(hào)遠(yuǎn)距傳輸導(dǎo)致的信號(hào)完整性問題，智能I/O接口單元和仿真節(jié)點(diǎn)間的通訊通過光纖接口實(shí)現(xiàn)，在I/O接口板上設(shè)計(jì)高速光纖口。

信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性主要從兩個(gè)方面解決，一方面從I/O接口數(shù)據(jù)的獲取方式層面上采用光纖通訊方式，另一方面從信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)換層面避開Windows操作系統(tǒng)，通過FPGA直接實(shí)現(xiàn)信號(hào)邏輯時(shí)序控制和轉(zhuǎn)換。

智能I/O接口系統(tǒng)屬于強(qiáng)實(shí)時(shí)性嵌入式處理系統(tǒng)，涉及的電口形式多、接口類型多、數(shù)量多，同時(shí)技術(shù)需求對(duì)于處理時(shí)間、延時(shí)都有著比較苛刻的要求。因此智能I/O接口系統(tǒng)采用了基于FPGA的可擴(kuò)展技術(shù)思路，在具體處理技術(shù)手段上主要采用Verilog語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，以確保其快速性和低延時(shí)。

整個(gè)智能I/O接口設(shè)計(jì)包括母板、光纖轉(zhuǎn)換模塊以及子板1~4，其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　智能I/O接口結(jié)構(gòu)示意圖

智能I/O接口系統(tǒng)總體架構(gòu)采用了母板（載板）+子板的方式。母板用于實(shí)現(xiàn)反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通訊、數(shù)據(jù)分發(fā)以及1553B通道，各子板用于實(shí)現(xiàn)各類具體的電口功能。方案中借鑒了XMC的結(jié)構(gòu)，各個(gè)子板的結(jié)構(gòu)形式與尺寸均采用XMC子板的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

母板（載板）主要包括以下組成部分：

（1）主FPGA最小系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)光纖數(shù)據(jù)接收和發(fā)送、各子板和1553B通道高速串行數(shù)據(jù)的分發(fā)和匯總，是整板的核心。

（2）板載緩存單元：配合反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)共享內(nèi)存的工作。

（3）百兆以太網(wǎng)單元：用于對(duì)系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行配置和監(jiān)控。

（4）光纖接口單元：兼顧兼容性和擴(kuò)展性，本光纖接口單元設(shè)計(jì)了2.125G和高速兩個(gè)SFP接口通道。

（5）1553B通道單元：由于母板（載板）尺寸空間有限，擴(kuò)展的子板數(shù)量有限，因此將1553B通道設(shè)計(jì)布置在母板上。

（6）電源單元：為整板提供各種DC直流電源。

方案中通過母板上的4個(gè)子板接口擴(kuò)展了4種不同種類的子板，各子板通道功能劃分如表3所示。

表3　子板的通道功能劃分

該設(shè)計(jì)通過選擇單模光纖SFP器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，在控制信號(hào)傳輸延時(shí)設(shè)計(jì)上采用了優(yōu)化固件程序和多位寬FIFO流水操作的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜電信號(hào)的集成與融合，工程上可實(shí)現(xiàn)性較好，滿足了項(xiàng)目使用需求。

4.2　一體化仿真系統(tǒng)時(shí)鐘統(tǒng)一性設(shè)計(jì)

時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)可以接收GPS/北斗信號(hào)，解碼產(chǎn)生基準(zhǔn)絕對(duì)時(shí)間，也可以利用B碼輸入信號(hào)，產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)間，時(shí)統(tǒng)終端子系統(tǒng)可以通過IRIG-B碼傳輸實(shí)現(xiàn)與其它時(shí)統(tǒng)設(shè)備對(duì)時(shí)，輸出絕對(duì)時(shí)間碼及各種頻率同步脈沖信號(hào)，輸出給各個(gè)試驗(yàn)設(shè)備。

時(shí)鐘同步系統(tǒng)采取接口關(guān)系如圖5所示，時(shí)統(tǒng)終端子系統(tǒng)主要完成接收衛(wèi)星B碼信號(hào)，為系統(tǒng)提供絕對(duì)時(shí)間及同步觸發(fā)信號(hào)。

圖5　時(shí)鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

時(shí)統(tǒng)終端子系統(tǒng)包括時(shí)間服務(wù)器與嵌入式授時(shí)板卡兩種產(chǎn)品形態(tài)，其架構(gòu)如圖6所示，其中時(shí)間服務(wù)器負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星時(shí)間、對(duì)時(shí)間進(jìn)行保持與守時(shí)的工作，嵌入式授時(shí)板卡負(fù)責(zé)接收時(shí)間服務(wù)器送出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，處理后通過標(biāo)準(zhǔn)PCI-e接口為PC機(jī)、服務(wù)器等設(shè)計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

圖6　時(shí)間服務(wù)器架構(gòu)圖

5 當(dāng)前應(yīng)用驗(yàn)證情況

綜合考慮研制經(jīng)費(fèi)以及試驗(yàn)驗(yàn)證需求，在一體化仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)進(jìn)行項(xiàng)目驗(yàn)證時(shí)，研制了一套智能I/O接口樣機(jī)和若干套光纖轉(zhuǎn)換接口板，利用智能I/O接口樣機(jī)、光纖轉(zhuǎn)換接口板，基于現(xiàn)有的機(jī)載數(shù)據(jù)交互功能模擬分系統(tǒng)、引戰(zhàn)數(shù)據(jù)交互功能模擬分系統(tǒng)、雷達(dá)制導(dǎo)控制半實(shí)物仿真分系統(tǒng)和紅外制導(dǎo)控制半實(shí)物仿真分系統(tǒng)這四個(gè)分系統(tǒng)來構(gòu)建遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)交互鏈路。按照第3節(jié)中的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，以空空導(dǎo)彈一體化仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，根據(jù)接口驗(yàn)證需要將各接口分配到不同的分系統(tǒng)中來構(gòu)建一體化仿真模式，從而實(shí)現(xiàn)在空空導(dǎo)彈一體化功能模擬平臺(tái)上對(duì)智能I/O接口樣機(jī)不同接口的仿真驗(yàn)證，構(gòu)建的空空導(dǎo)彈一體化仿真接口驗(yàn)證系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7　空空導(dǎo)彈一體化仿真接口驗(yàn)證系統(tǒng)原理

5.1　仿真工程創(chuàng)建

通過機(jī)載數(shù)據(jù)交互功能模擬分系統(tǒng)創(chuàng)建空空導(dǎo)彈一體化仿真應(yīng)用工程文件，通過光纖向各仿真節(jié)點(diǎn)下發(fā)仿真任務(wù)部署信息。

5.2　試驗(yàn)過程控制

（1）任務(wù)設(shè)置

根據(jù)某紅外空空導(dǎo)彈和某雷達(dá)空空導(dǎo)彈工作周期，分別設(shè)定其仿真幀周期為0.625ms和1ms。部署完畢后，機(jī)載數(shù)據(jù)交互功能模擬分系統(tǒng)控制給紅外制導(dǎo)控制分系統(tǒng)和雷達(dá)制導(dǎo)控制分系統(tǒng)產(chǎn)品上電，并通過仿真實(shí)時(shí)總線、接口適配總線下發(fā)飛行任務(wù)信息，進(jìn)行仿真。

（2）仿真時(shí)序同步協(xié)調(diào)機(jī)制

要完成系統(tǒng)閉合驗(yàn)證試驗(yàn)，各參試設(shè)備必須進(jìn)行嚴(yán)格的仿真時(shí)序控制。以仿真系統(tǒng)運(yùn)行幀周期為時(shí)序控制步調(diào)，各參試設(shè)備按照設(shè)計(jì)的時(shí)序工作，所有數(shù)據(jù)交互通過實(shí)時(shí)仿真總線完成，仿真設(shè)備在幀周期的起始點(diǎn)讀取光纖數(shù)據(jù)并用于各設(shè)備控制（智能I/O作為光纖實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光電和電光信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)）。

（3）試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)基于導(dǎo)彈的工作時(shí)序完成，由機(jī)載數(shù)據(jù)交互功能模擬分系統(tǒng)控制將攻擊態(tài)勢(shì)信息、參試導(dǎo)彈數(shù)量、目標(biāo)信息等通過實(shí)時(shí)仿真總線下發(fā)，然后根據(jù)仿真起始指令，進(jìn)行仿真節(jié)點(diǎn)的時(shí)序控制和狀態(tài)反饋監(jiān)視。仿真過程中，雷達(dá)仿真分系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)仿真總線將目標(biāo)信息發(fā)送給紅外仿真系統(tǒng)，完成彈間數(shù)據(jù)鏈通信模擬；在每個(gè)仿真幀周期中，雷達(dá)仿真分系統(tǒng)將導(dǎo)彈位置、目標(biāo)位置、導(dǎo)彈姿態(tài)、目標(biāo)姿態(tài)等信息通過實(shí)時(shí)仿真總線發(fā)送給引戰(zhàn)數(shù)據(jù)交互功能模擬分系統(tǒng)，引戰(zhàn)數(shù)據(jù)交互功能模擬分系統(tǒng)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模型計(jì)算，在彈道末端給出引戰(zhàn)仿真結(jié)果。

在硬件資源有限的條件下，依據(jù)圖7構(gòu)建典型的簡(jiǎn)易空空導(dǎo)彈的一體化仿真系統(tǒng)，方案可行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一體化仿真中的關(guān)鍵內(nèi)容——遠(yuǎn)距離信息實(shí)時(shí)交互、集成化的I/O接口設(shè)計(jì)、彈間信息交互等的充分驗(yàn)證。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文依據(jù)復(fù)雜裝備實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)技術(shù)的技術(shù)需求，以現(xiàn)有的機(jī)載武器系統(tǒng)模擬系統(tǒng)、制導(dǎo)半實(shí)物仿真以及引戰(zhàn)配合仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了適應(yīng)空空導(dǎo)彈武器一體化仿真需求的仿真系統(tǒng)架構(gòu)，通過構(gòu)建典型的簡(jiǎn)易空空導(dǎo)彈一體化仿真系統(tǒng)，并通過戰(zhàn)術(shù)方案想定、試驗(yàn)條件設(shè)定、仿真模型部署、通訊協(xié)議調(diào)試、回路閉環(huán)仿真等過程，完成典型仿真系統(tǒng)的驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)過程及結(jié)果表明，空空導(dǎo)彈一體化仿真架構(gòu)設(shè)計(jì)可行，能夠滿足空空導(dǎo)彈一體化仿真過程中仿真模型實(shí)時(shí)解算及高速、遠(yuǎn)距離、多電氣接口格式的信息實(shí)時(shí)交互和彈間協(xié)同信息交互需求。

在典型一體化仿真系統(tǒng)驗(yàn)證時(shí)，由于經(jīng)費(fèi)有限，未將時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)引入系統(tǒng)閉環(huán)驗(yàn)證，后續(xù)條件允許的情況下，需研制時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)，為整個(gè)一體化仿真系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和同步觸發(fā)基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)完整的一體化仿真系統(tǒng)。

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