一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试平台及方法

技术领域

本发明涉及一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试平台及方法，属于仿真技术领域。

背景技术

随着通信、导航、控制和人工智能等技术的成熟和发展，以智能弹药为核心武器装备的集群作战概念逐渐涌现。这一概念由美国首次提出，在集群弹药协同作战系统中，多个弹药节点利用多体制传感器探测，通过自组网实时进行信息共享，并基于多源融合信息完成路径规划和任务分配决策，从而实现对目标的协同打击。集群弹药将目标侦察、战场监视、任务分配、精准打击、毁伤评估等功能通过双向战术数据链集于一身，反应快、杀伤力强、生存能力强、后勤保障简便，与传统火炮和战术导弹形成了良好互补。因此受到国内外研究人员的广泛研究。

集群弹药测试验证技术是促进集群弹药关键技术从理论迈向应用的重要桥梁。近年来，世界各国针对集群协同作战模式设计验证、智能协同技术研究验证和武器平台研发验证等方面已开展了一系列研究项目。其中，美国开展无人集群验证研究较早且相关项目数量最多，验证内容已逐渐从性能验证向更为成熟的作战验证过渡；其他国家则起步较晚，相关体系尚不完备。目前，我国开展的无人集群测试验证形式以飞行测试为主。但是集群弹药相比于传统弹药技术难度大、研制成本高，当集群组网规模较大时，采用飞行测试对其进行协同起爆控制测试成本较高且实验场地受限，进而可能导致研制周期较长，无法满足其测试需求。通过硬件在环仿真技术，搭建集群弹药协同作战仿真模型，并在仿真回路中引入实物设备，不仅可以降低测试成本，同时可以避免纯计算机仿真测试准确性低、模型构建复杂等问题，目前，硬件在环仿真技术已在军事领域获得了广泛应用。因此，通过硬件在环仿真实现对集群弹药协同起爆控制功能测试具有极高的可行性和应用价值。

发明内容

针对目前集群弹药协同起爆控制飞行测试成本高、场地局限、纯仿真测试建模复杂及准确性低的问题，本发明的主要目的是公开一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试平台及方法，基于集群弹药协作战仿真，通过虚实信息交互方法，实现真实网络和仿真网络的协同起爆控制信息交互；通过集群弹药动态测控方法，实现对集群弹药选定弹药节点的远程解保与恢复、远程多模起爆、自毁、自失能控制和实时监测功能的测试，提高大规模集群弹药协同起爆功能测试的精确性，降低投入成本、缩短研制周期。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试平台，包含待测试引信协同起爆控制模块、无线通信电台、仿真服务器、动态测控主机和示波器。仿真服务器和动态测试主机分别通过网线连接至同一路由器；路由器通过网口与一部无线通信电台连接；另外一部无线通信电台通过422串口与待测试引信协同起爆控制模块连接；待测试引信协同起爆控制模块通过高压探头连接示波器。两部无线通信电台间通过无线形式进行通讯。

所述待测试引信协同起爆控制模块包括高压起爆控制子模块和起爆点子模块，所述高压起爆控制子模块通过指令方式进行控制；所述起爆点子模块通过高压电容充放电模拟引信解保与起爆过程。

所述无线通信电台用于模拟真实应用环境中的无线通讯形式，配有rf射频、rj45网口以及422串口3种输入/出接口。

本发明公开的一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试方法，基于一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试平台实现，包括如下步骤：

步骤1：仿真服务器采用实时仿真模式运行集群弹药协同作战仿真场景，确保仿真网络和实物设备的时间一致性。

场景中各节点间均能够进行通信；各节点与仿真服务器均处于同一子网下。关闭仿真服务器路由转发和重定向功能，使动态测控主机与待测试引信协同起爆控制模块间的通信不能通过仿真服务器路由进行，而是必须进入集群弹药协同作战仿真网络。

场景中包含1个指挥控制中心节点、N个弹药节点和L个待打击目标节点；其中指挥控制中心节点和M(M＜＜N)个弹药节点配有映射实物设备，为木偶节点；其余节点无映射实物设备，为仿真节点。指挥控制中心节点的映射实物设备为动态测控主机，弹药节点的映射实物设备为待测试引信协同起爆控制模块。

木偶节点的MAC地址和IP地址设置与映射实物设备相同；木偶节点的网络层及上层协议仿真功能关闭，仅具备链路层及物理层工作能力；木偶节点某端口被指定用于与映射实物设备进行虚实数据报文交互，该端口配有一个libnet句柄和一个libpcap句柄声明。libpcap过滤器过滤条件设置为只接收来自映射实物设备的真实数据报文，而不接收其他实物设备的真实数据报文。

步骤2：向动态测控主机填入待测试引信协同起爆控制模块的IP地址，端口号及电台号，开始对待测试引信协同起爆控制功能进行测试。动态测控主机实时读取用户操作，将该操作对应的指令根据约定协议生成真实测控报文，并通过网线经路由器发送给仿真服务器。

步骤3：步骤2中的真实测控报文传输到仿真服务器后，与动态测控主机互为映射的木偶节点通过libpcap对其进行抓取并按照过滤条件过滤，过滤后将其存入libpcap缓存，等待读取。仿真服务器以T为周期定时读取所有木偶节点的libpacp句柄，取出其libpcap缓存中存放的真实测控报文。而后将真实测控报文重构成虚拟测控报文：在真实测控报文的基础上增加虚拟IP报头，其中源IP地址、目标IP地址及数据包生存时间字段，根据真实测控报文内容填写。

步骤4：步骤3中的虚拟测控报文经由集群弹药网络仿真场景中节点路由，到达目的木偶节点。

步骤5：目的木偶节点将虚拟测控报文在MAC层进行拦截，不再向上层协议递交，并丢弃其虚拟IP报头，以将其重构成真实测控报文。而后调用该目的木偶节点的libnet句柄，将其通过网口发送给所述无线通信电台1，测控报文离开仿真服务器。

步骤6：两部无线通信电台处于同一加密模式下；无线通信电台1接收到步骤5的真实测控报文后，将其以射频形式向外发送。无线通信电台2对该真实测控报文进行接收，而后通过422串口将其发送给待测试引信协同起爆控制模块。

步骤7：待测试引信协同起爆控制模块根据约定协议，对步骤6的真实测控报文进行解析响应并回复真实应答报文；

若指令为遥测指令，则仅回复包含待测试引信协同起爆控制模块状态信息的真实应答报文，不做其他响应；若指令为遥控指令，则待测试引信协同起爆控制模块根据解析结果做出相应响应动作；通过示波器观察待测试引信协同起爆控制模块起爆点子模块的电压；动作完成后回复包含待测试引信协同起爆控制模块状态信息的真实应答报文。

步骤8：将步骤7回复的真实应答报文通过422串口发送给无线通信电台2，无线通信电台2将该报文以射频形式发送给无线通信电台1，无线通信电台1通过网口继续将所述报文发送给仿真服务器。

步骤9：应答报文经“真实-虚拟-真实”转换过程后，从待测试引信协同起爆控制模块到达动态测控主机。

与待测试引信协同起爆控制模块互为映射的木偶节点，对步骤8中的真实应答报文通过libpcap进行抓取，并按照过滤条件过滤，过滤后将其存入libpcap缓存，等待读取。仿真服务器以T为周期，定时读取所有木偶节点的libpcap句柄，将真实应答报文取出；在其基础上增加虚拟IP报头，其中源IP地址、目标IP地址及数据包生存时间字段，根据真实应答报文内容填写，生成虚拟应答报文；该虚拟应答报文经由集群弹药网络仿真场景中节点路由，到达目的木偶节点，即动态测控主机对应的木偶节点；目的木偶节点将虚拟应答报文在MAC层进行拦截，不再向上层协议递交，并丢弃其虚拟IP报头以将其重构成真实应答报文，而后调用该目的木偶节点的libnet句柄，将其通过网口发送给动态测控主机。应答报文经上述“真实-虚拟-真实”转换过程后，成果从待测试引信协同起爆控制模块到达动态测控主机。

步骤10：动态测控主机根据预定协议对真实应答报文进行解析，将待测试引信协同起爆控制模块状态信息进行显示，并与示波器观察结果进行对比，验证动态测控主机解析的正确性。

若所述待测试引信协同起爆控制模块状态与步骤2中所发送指令期望状态相同，则证明在集群弹药协同作战场景下，待测试引信协同起爆控制模块该起爆控制功能完好；否则，读取动态测控主机工作日志，明确指令发送是否正确。若不正确，则将待测试引信协同起爆控制模块恢复初始状态，重新进行测试；若正确，则说明在集群弹药协同作战场景下待测试引信协同起爆控制模块该起爆控制功能无效，需要对其进行错误点确认及调试。

有益效果：

1、本发明公开的一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试平台，通过动态测控主机接入实现人在回路仿真，在测试过程中，作战人员能够对仿真过程进行实时动态控制与监测，不仅使仿真更为灵活，同时为集群弹药协同作战场景下作战人员演训提供有效途径。

2、本发明公开的一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试平方法，实现物理网络和仿真网络的协同起爆控制过程中，实时、可靠、高效的信息交互，耦合性低、接入速度快、可扩展性高，为实装接入测试与验证奠定技术基础。

3、本发明公开的一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试方法，通过将部分待测试引信协同起爆控制模块实物设备接入仿真网络，降低仿真建模复杂度，有效保证仿真精度，提高大规模集群弹药协同起爆功能测试效率和装备研制效率，降低测试投入成本。

4、本发明公开的一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试方法，用虚拟节点代替部分实物节点，解决集群弹药协同作战起爆控制功能测试飞行测试耗费大、耗时长、场地局限等问题，安全、方便、灵活，受环境条件约束少，便于开展集群弹药网络引信协同起爆控制性能评估、优化等研究。

附图说明

图1是本发明公开的一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试平台架构示意图；

图2是本实施例中待测引信协同起爆控制模块实物图；

图3是本实施例中起爆点模块实物图；

图4是本实施例中无线通信电台实物图；

图5是本发明公开的一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试方法的流程示意图

图6是本实施例中的集群弹药协同作战仿真场景；

图7是本实施例中集群弹药节点动态测控软件工作流程图；

图8是本实施例中集群弹药节点动态测控软件界面图；

图9是本实施例中重装甲远程起爆功能测试示波器监测结果图；其中，图(a)是待测引信协同起爆控制模块1、3起爆点触发信号及1起爆点电流，图(b)是待测引信协同起爆控制模块1、3起爆点触发信号及3起爆点电流；

图10是本实施例中重装甲远程起爆功能测试动态测控软件监测结果图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本实施例公开的一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试平台，如图1所示，包含待测试引信协同起爆控制模块、无线通信电台、仿真服务器、动态测控主机和示波器。仿真服务器和动态测试主机分别通过网线连接至同一路由器；路由器通过网口与一部无线通信电台连接；另外一部无线通信电台通过422串口与待测试引信协同起爆控制模块连接；待测试引信协同起爆控制模块通过高压探头连接示波器。两部无线通信电台间通过无线形式进行通讯。

所述待测试引信协同起爆控制模块包括高压起爆控制子模块和起爆点子模块，所述高压起爆控制子模块如图2所示，可通过指令方式进行控制；所述起爆点子模块如图3所示，通过高压电容充放电模拟引信解保与起爆过程。

所述无线通信电台如图4所示，用于模拟真实应用环境中的无线通讯形式，配有rf射频、rj45网口以及422串口3种输入/出接口。

本实施例公开的一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试方法，基于一种集群弹药协同起爆控制硬件在环仿真测试平台实现，其流程示意图如图5所示，包括如下步骤：

步骤1：仿真服务器采用实时仿真模式运行集群弹药协同作战仿真场景，确保仿真网络和实物设备的时间一致性，本实施例仿真场景如图6所示。场景中节点均能够进行通信；各节点与仿真服务器均处于同一子网下，本实施例设置子网地址为192.168.0.0；设置仿真服务器IP地址为192.168.0.100。关闭仿真服务器路由转发和重定向功能，使动态测控主机与待测引信协同起爆控制模块间的通信不能通过仿真服务器路由进行，而是必须进入集群弹药协同作战仿真网络。

场景中包含1个指挥控制中心节点、10个弹药节点和2个待打击目标节点；其中指挥控制中心节点和2个弹药节点配有映射实物设备，为木偶节点；其余节点无映射实物设备，为仿真节点。指挥控制中心节点的映射实物设备为动态测控主机，弹药节点的映射实物设备为所述待测试引信协同起爆控制模块。场景中具体节点含义描述如表1所示。

表1仿真场景中标志含义描述

木偶节点的MAC地址和IP地址设置为与映射实物设备相同，其中IP地址具体设置情况如表2所示。

表2木偶节点及映射实物设备IP设置情况

木偶节点的网络层及上层协议仿真功能关闭，仅具备链路层及物理层工作能力；木偶节点某端口被指定用于与映射实物设备进行虚实数据报文交互，该端口配有一个libnet句柄和一个libpcap句柄声明，libpcap过滤器过滤条件设置为只接收来自映射实物设备的真实数据报文，而不接收其他实物设备的真实数据报文。

步骤2：本实施例动态测控软件基于Qt Creator 4.5.1和Qt Designer实现，工作流程如图7所示；界面如图8所示，包含实时控制模块、动态监测模块和状态信息打印模块，。

所述实时控制模块包括受控节点信息、协同起爆控制功能选择和起爆模式选择。

本实施例所述待测引信协同起爆控制功能包括远程解保与恢复功能、远程多模起爆控制功能、自毁和自失能功能。

所述远程解保功能在基于弹道环境信息的解保控制功能基础上，增加了目标基指令式远程解保控制功能，通过所述远程解保功能，指挥控制中心在协同作战时可根据弹药集群的工作状态和待打击目标情况，适时下达远程解保指令，解除弹药节点引信最终保险。所述远程解保恢复功能用于针对解保但未起爆的弹药节点，将其引信恢复到解保前状态，以保证节点在二次巡飞或回收过程中的安全。

所述远程多模起爆控制功能通过控制战斗部内的不同起爆点以不同起爆时序起爆，可分别实现对轻装甲目标、重装甲目标和集群软目标的有效毁伤。三种起爆模式覆盖了多点同步起爆控制、顺序起爆控制以及两种起爆控制方式组合的复合起爆控制。

所述自毁功能用于起爆打击任务结束后已飞离安全区域边界的弹药节点。

所述自失能功能用于释放打击任务结束后尚在安全区域边界内的弹药节点储能，便于后续开展回收等处置工作。

所述起爆模式包括重装甲目标打击、轻装甲目标打击和集群软目标打击。

所述动态监测子模块可监测信息包括节点装置状态、一/二级保险安全状态、A/B/C通道三级保险安全状态、A/B/C通道电容电压、A/B/C通道阈值电压达到情况、A/B/C通道升压状态等信息。

所述状态信息打印模块会提示软件操作执行情况。

步骤2：向动态测控主机填入待测试引信协同起爆控制模块的IP地址192.168.0.194，端口号8001及电台号2，开始对待测引信协同起爆控制功能进行测试。本实施例对远程起爆功能进行测试：在所述待测引信协同起爆控制模块解除3级保险后，选择“远程起爆”模式为“重装甲”，执行遥控操作。动态测控主机实时读取用户操作，将该操作对应指令根据约定协议生成真实测控报文，通过网线经路由器发送给仿真服务器。

本实施例协议约定所述测控报文为11字节，所含字段包括帧头、版本号、帧计数、指令码、目的地址、通道号、备用字段及校验码。

所述帧头占用2个字节，设置为0xAA55。

所述版本号占用1个字节，设置为0x01。

所述帧计数占用1个字节，初始帧计数为00，之后在00-FF范围内连续递增，循环计数。连续发送测控帧的帧数总和达到对应指令要求时，引信协同起爆控制模块做出响应动作；否则指令无效。若接收方未能正确接收或解析测控报文要求重传时，发送方根据报文帧计数在测控报文缓存区进行查找，找到对应报文后根据该报文对应的重传计数器状态选择进行重传或其他相应处理。

所述指令码占用1个字节，可实现6类指令控制和1类监测指令；

所述指令码字段值为0xA1时，为远程解除3级保险控制指令码，连续发送8帧指令生效。

所述指令码字段值为0xA2时，为远程恢复3级保险控制指令码，连续发送4帧指令生效。

所述指令码字段值为0xB3时，为自毁控制指令码，连续发送6帧指令生效。

所述指令码字段值为0xB4时，为自失能控制指令码，连续发送6帧指令生效。

所述指令码字段值为0x5C时，为远程起爆控制指令码，连续发送8帧指令生效。

所述指令码字段值为0x6C时，为恢复远程起爆控制指令码，连续发送4帧指令生效。

所述指令码字段值为0xEE时，为监测指令码，当没有控制指令发送需求时，自动向引信协同起爆控制模块周期性发送该指令码，引信协同起爆控制模块接收后需返回应答报文。

所述目的地址占用1个字节，为目的节点所搭载的无线通信终端编号。

所述通道号占用1个字节，用于远程解除3级保险和远程起爆指令中指定通道，通过选择不同起爆通道可实现对轻装甲、重装甲和集群软目标3种不同目标类型的打击。遥测、远程恢复3级保险、自失能和恢复远程起爆指令中通道号无效，默认设置为“00000000”。

所述备用字段占用2个字节，默认设置为0，为后续的功能开发预留接口。

所述校验码占用2个字节，计算范围为第1至第9字节(包括帧头)共计9个字节，用于检验所数据在传输过程中是否产生误码。

步骤3：步骤2中的真实测控报文传输到仿真服务器后，1号木偶节点通过libpcap对其进行抓取并按照过滤条件过滤，过滤后将其存入libpcap缓存，等待读取。仿真服务器以2ms为周期定时读取所有木偶节点的libpacp句柄，取出其libpcap缓存中存放的真实测控报文。而后将真实测控报文重构成虚拟测控报文：在真实测控报文的基础上增加虚拟IP报头，其中源IP地址、目标IP地址、数据包生存时间等字段根据真实测控报文内容填写。

步骤4：步骤3中的虚拟测控报文经由集群弹药网络仿真场景中节点路由，到达3号目的木偶节点。

步骤5：3号目的木偶节点将虚拟测控报文在MAC层进行拦截，不再向上层协议递交，并丢弃其虚拟IP报头以将其重构成真实测控报文，而后调用该目的木偶节点的libnet句柄，将其通过网口发送给所述无线通信电台1，测控报文离开仿真服务器。

步骤:6：两部无线通信电台处于同一加密模式下；无线通信电台1接收到步骤5的真实测控报文后，将其以射频形式向外发送。无线通信电台2对该真实测控报文进行接收，而后通过422串口将其发送给待测试引信协同起爆控制模块。

步骤7：待测试引信协同起爆控制模块根据约定协议，对步骤6的真实测控报文进行解析；待测试引信协同起爆控制模块根据解析结果做出相应响应动作；本实施例通过示波器观察待测试引信协同起爆控制模块起爆点子模块的电压，示波器监测结果如图9的图(a)及图(b)所示，图9中的图(a)及图(b)中1、2号通道分别表示待测引信协同起爆控制模块1、3起爆点的触发信号，图9中的图(a)中3号通道表示1起爆点对应通道电流，图9中的图(b)中3号通道则表示3起爆点对应通道电流。示波器监测到1、3两起爆点触发信号同时发生且1、3起爆点对应通道存在电流，说明高压电容进行了释能。动作完成后回复包含待测试引信协同起爆控制模块状态信息的真实应答报文。

本实施例协议约定所述应答报文为16字节，所含字段包括帧头、版本号、帧计数、源节点、状态字、确认标志位、通道储能电压、备用及校验码。

所述帧头占用2个字节，设置为0XEB90。

所述版本号占用1个字节，设置为0x01。

所述帧计数占用1个字节，与被确认的测控报文帧计数相同。

所述源节点占用1个字节，为应答节点所搭载的电台编号。

所述状态字占用3个字节，分别为状态字0、状态字1、状态字2，其格式及含义分别如表3、表4和表5所示。

表3状态字0格式及含义

表4状态字1格式及含义

表5状态字2格式及含义

所述确认标志位占用1个字节，FF表示“肯定确认”，00表示“否定确认”。弹药节点作为接收方，收到测控报文后对其进行解析和CRC校验。若校验结果表明该数据报文在传输过程中未发生比特错误，则接收方将应答报文的确认标志位字段设置为FF，表示已正确接收到测控报文，向发送方进行“肯定确认”；若接收方对测控报文的解析或校验结果为异常，则将应答报文的确认标志位字段设置为00，表明该帧数据在传输过程中发生了错误，未能被正确解析。节点向发送方发送“否定确认”报文，请求发送方重传。

所述备用字段占用3个字节，各位默认设置为0，为后续的功能开发预留接口。

所述A、B、C通道储能电压字段占用3个字节，通过将高压探头测量值比例换算获得。

所诉校验码占用2个字节，具体作用和工作机理与控制报文校验码相同。

步骤8：该真实应答报文通过422串口发送给无线通信电台2，无线通信电台2将该报文以射频形式发送给无线通信电台1，无线通信电台1通过网口继续将该报文发送给仿真服务器。

步骤9：3号木偶节点对步骤8中的真实应答报文通过libpcap进行抓取并按照过滤条件过滤，过滤后将其存入libpcap缓存，等待读取。仿真服务器以2ms为周期定时读取所有木偶节点的libpcap句柄，将真实应答报文取出；在其基础上增加虚拟IP报头，其中源IP地址、目标IP地址、数据包生存时间等字段根据真实应答报文内容填写，生成虚拟应答报文；该虚拟应答报文经由集群弹药网络仿真场景中节点路由，到达目的木偶节点，即动态测控主机对应的木偶节点；目的木偶节点将虚拟应答报文在MAC层进行拦截，不再向上层协议递交，并丢弃其虚拟IP报头以将其重构成真实应答报文，而后调用该目的木偶节点的libnet句柄，将其通过网口发送给动态测控主机。应答报文经“真实-虚拟-真实”转换过程后成功从待测试引信协同起爆控制模块到达动态测控主机。

步骤10：动态测控主机根据预定协议对真实应答报文进行解析，将所述待测试引信协同起爆控制模块状态信息进行显示，并与示波器观察结果进行对比，验证动态测控软件解析的正确性。本实施例通过动态测控软件监测到待测引信协同起爆控制模块状态信息如图10所示：A、C两通道电压迅速降至为0V，B通道电压基本保持不变；状态信息打印模块提示“重装甲远程起爆指令发送成功”。待测试引信协同起爆控制模块状态与步骤2中所发送指令期望状态相同，在集群弹药协同作战场景下所述待测试引信协同起爆控制模块该起爆控制功能完好。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。