一种虚实结合的数据链路态势实时仿真系统及方法

技术领域

本发明属于数据链态势实时仿真技术领域，尤其涉及一种虚实结合的数据链路态势实时仿真系统及方法。

背景技术

数据链态势实时仿真主要应用于陆海空战场战术演练环境，仿真模拟战场中敌我双方目标态势信息，如目标类型、位置、速度、加速度、方向等，共享作战网络内目标态势信息，协同指挥作战。数据链态势实时仿真及到多个武器装备单元之间的相互通信、信息共享，以取得更高效的整体作战效能。数据链系统多体协同、多模复合的业务特性，已经高频率高带宽的传输特性，决定了数据链系统的仿真必然要求很高的实时性。若要做到完全意义上的数据链态势实时仿真，需要大量的数据链装备和真实的战场环境作为仿真条件，在人力物力的消耗极大。

传统的数据链态势仿真，一般通过虚拟样机代替数据链端机的功能，用软件的方式来模拟数据链端机的功能，用态势模拟软件模拟战场环境，从而形成一种全虚拟的数字仿真，但是这种仿真的缺点在于：

(1)、软件模拟的数据链端机，实时性很差，不能体现协调作战的高实时性特点；

(2)、软件模拟无法考虑实际传传输信道对通信质量的影响；

(3)、导致结果不能很好描述战场应用，与实测结果相距较大；

为了保证系统仿真的实时性，常常需要借助于部分硬件载体，将部分实物引入到仿真回路中，将部分高复杂度高精度的仿真用实物代替，对于非实物部分为了与实物的仿真匹配一方面需要通过分布式仿真和加速仿真手段，提高仿真速度，一方面要保持与实物仿真的同步一致性，

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种虚实结合的数据链路态势实时仿真系统及方法，解决了数据链路态势仿真真实性与实时性不足的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种虚实结合的数据链路态势实时仿真系统，包括：

分布式仿真环境框架子系统，用于提供态势展示及规划、态势推演、数据集中控制和数据链路设备接入网关，并构建Josim仓库、靶场数据档案和定时管理设备；

端机接入子系统，用于基于数据链设备接入网关和DDS中间件，构建分布式的数据链仿真环境，且通过代理的方式接入数据链端机，实现数据链路态势的实时仿真，其中，数据链端机包括虚拟端机和真实端机。

本发明的有益效果为：本发明提供的一种虚实结合的数据链路态势实时仿真系统，通过分布式仿真环境框架子系统将数据链真实端机接入到仿真系统中，并利用端机接入子系统以支持部分虚拟端机和部分真实端机相结合的方式，通过实现虚实结合的数据链态势实时仿真，在保证系统仿真能力的同时，也大大提高了系统的实时性和真实性。

进一步地，所述分布式仿真环境框架子系统包括：

态势推演模块，用于响应战场态势规划和实时仿真数据，实时推演战场态势，并将战场态势推演结果传输至态势展示及规划模块和数据集中控制模块；

态势展示及规划模块，用于创建战场态势场景，构建战场态势规划展示界面，并接收战场态势推演结果，展示战场态势推演仿真；

数据集中控制模块，用于接收战场情况推演结果，并基于战场情况推演结果控制所有数据链端机的工作状态和数据收发；

数据链设备接入网关模块，用于接入数据链真实端机或者数据链模拟端机；

Josim仓库模块，用于储存战场兵力模型、设备管理程序和状态响应程序；

靶场数据档案模块，用于储存战场态势规划、仿真数据和推演视图，记录战场仿真过程的传输数据和数据链端机工作日志，且提供查询战场态势规划、仿真数据、推演视图、战场仿真过程的传输数据和数据链端机工作日志；

定时管理设备模块，用于接入GPS，以秒脉冲的方式对所有数据链端机授时，并为态势推演模块、态势展示及规划模块、数据集中控制模块、数据链设备接入网关模块、Josim仓库模块以及靶场数据档案模块提供定时同步。

采用上述进一步方案的有益效果为：所述分布式仿真环境框架子系统能够实现根据场态势规划和实时仿真数据，实时推演战场态势，并创建战场态势场景，构建战场态势规划展示界面，展示战场态势推演仿真，基于战场情况推演结果控制所有数据链端机的工作状态和数据收发，提供战场兵力模型、设备管理程序和状态响应程序，以及储存战场态势规划、仿真数据和推演视图，记录战场仿真过程的传输数据和数据链端机工作日志。

进一步地，所述态势推演模块包括：

兵力推演子模块，用于对战场态势场景中的所有兵力部署进行推演建模，并创建任务管理视图，通过顺序图的方式描述任务执行过程；

兵力机动执行子模块，用于对战场态势场景中的所有兵力部署进行机动执行建模，并创建航迹控制视图，描述按照设定路径行动方式；

兵力信息处理子模块，用于对战场态势场景中的所有兵力部署进行信息处理建模，并创建侦查视图，描述在不同情报信息下的信息处理方式；

兵力交互关系子模块，用于对战场态势场景中的所有兵力部署的交互关系进行建模，创建相互行动视图，描述所有兵力部署单元间的行动关系；

态势推演子模块，用于基于任务管理视图、航迹控制视图、侦查视图和相互行动视图描述所有兵力部署单元间相互行动的方式、关系和执行过程，并进行战场态势推演，得到战场态势推演结果，且将战场态势推演结果传输至态势展示及规划模块和数据集中控制模块。

采用上述进一步方案的有益效果为：所述态势推演模块通过创建任务管理视图、航迹控制视图、侦查视图和相互行动视图实现描述认为执行过程、任务执行路径轨迹、不同情报信息下的信息处理方式以及兵力部署单元间的行动关系，并进行战场态势推演，得到战场态势推演结果，提供给态势展示及规划模块展示战场态势推演仿真过程，以及提供给数据集中控制模块进行信息交互。

进一步地，所述态势展示及规划模块包括：

态势场景创建子模块，用于创建战场态势场景，并导入战场态势场景的GIS地图，且载入各种战术场景的直接模型；

基础属性及步长子模块，用于设置战场态势场景的基础时间段属性，并设置战场态势仿真步长，其中，基础时间段属性包括开始Start、结束Stop和历元时刻Epoch；

部署及轨迹描述子模块，用于接收战场态势推演结果，向战场态势场景添加兵力部署，并设置战场态势场景内的关键设施，且描述战场任务执行轨迹，其中，战场任务执行轨迹包括经度、纬度、高度、速度和航向信息。

任务执行子模块，用于根据战场任务执行轨迹，通过动画的形式在战场态势规划展示界面展示战场态势的任务执行过程。

采用上述进一步方案的有益效果为：所述态势展示及规划模块能够创建战场态势场景，通过导入武器模型，添加兵力部署以及设置战场态势场景内的关键设施，通过动画的形式在在战场态势规划展示界面展示战场态势的任务执行过程。

进一步地，所述数据集中控制模块包括：

推演结果发布子模块，用于接收战场态势推演结果，并控制所有数据链端机执行状态，将需要发送的数据信息分发到各对应的数据链端机；

端机数据反馈子模块，用于接收各数据链端机的执行数据，并将执行数据融合进下一仿真步的推演过程，并持续监控各数据链端机的工作状态。

采用上述进一步方案的有益效果为：所述数据集中控制模块能够接收战场态势推演结果和各数据链端机的执行数据，并将执行数据融合进下一仿真步的推演过程，并持续监控各数据链端机的工作状态。

进一步地，所述数据链设备接入网关模块包括：

数据链端机子模块，用于通过若干个数据链端机组成数据链仿真网络；

态势推演子仿真模块，用于通过数据链仿真网络仿真战场态势推演环境。

采用上述进一步方案的有益效果为：通过真实数据链端机和虚拟数据链端机构成数据链仿真网络，并通过数据链仿真网络仿真战场态势推演环境，利用态势展示及规划模块展示战场态势推演过程。

进一步地，所述Josim仓库模块包括：

兵力模型库子模块，用于提供态势展示及规划模块各种飞机、车辆、舰船的外形结构模型；

设备管理程序子模块，用于提供数据集中控制模块若干种数据链端机的控制方法；

状态响应程序子模块，用于提供态势推演模块兵力部署的推演建模、机动执行建模、信息处理建模和交互关系建模方法。

采用上述进一步方案的有益效果为：所述Josim仓库模块能够实现提供态势展示及规划模块各种飞机、车辆、舰船的外形结构模型，提供数据集中控制模块若干种数据链端机的控制方法，以及提供态势推演模块兵力部署的推演建模、机动执行建模、信息处理建模和交互关系建模方法。

进一步地，各所述数据链端机与各数据链管理设备一一对应连接，各数据链管理设备均与控制网络连接，各数据链端机均与仿真网络连接。

采用上述进一步方案的有益效果为：数据链端机与数据链管理设备连接，数据管理设备连接到控制网络，数据链端机设备连接到仿真网络，数据链管理设备类似端机在控制网络中的代理设备。

本发明还提供一种虚实结合的数据链路态势实时仿真系统的仿真方法，包括如下步骤：

S1、创建战场态势场景，并构建战场态势规划展示界面；

S2、导入战场态势规划和实时仿真数据；

S3、根据战场态势规划和实时仿真数据，向战场态势场景添加兵力部署，并设置战场态势场景内的关键设施，且描述战场任务执行轨迹；

S4、基于任务管理视图、航迹控制视图、侦查视图和相互行动视图描述所有兵力部署单元间相互行动的方式、关系和执行过程；

S5、通过DDS中间件接入数据链真实端机和虚拟端机，并进行战场态势推演，得到战场态势推演结果；

S6、基于战场态势推演结果，执行战场态势推演仿真，且通过战场态势规划展示界面实时观测战场态势推演仿真；

S7、储存战场态势规划、仿真数据和推演视图，记录战场仿真过程的传输数据和数据链端机工作日志，完成虚实结合的数据链路态势实时仿真系统的仿真。

本发明的有益效果为：本发明提供的一种虚实结合的数据链路态势实时仿真系统的仿真方法为一种虚实结合的数据链路态势实时仿真系统利用虚拟数据链端机和真实数据链端机进行数据链路仿真战场态势时对应使用的仿真方法，用于实现虚实结合的数据链态势实时仿真，在保证系统仿真能力的同时，也大大提高了系统的实时性和真实性。

附图说明

图1为本发明实施例中一种虚实结合的数据链路态势实时仿真系统的系统结构框图。

图2为本发明实施例中分布式仿真环境框架子系统的结构框图。

图3为本发明实施例中态势推演模块的结构框图。

图4为本发明实施例中态势展示及规划模块的结构框图。

图5为本发明实施例中数据集中控制模块的结构框图。

图6为本发明实施例中数据链设备接入网关模块的结构框图。

图7为本发明实施例中Josim仓库模块的结构框图。

图8为本发明实施例中虚实结合的数据链路态势实时仿真系统的仿真方法的步骤流程图。

图9为本发明实施例中虚实结合的数据链路态势实时仿真系统架构图。

图10为本发明实施例中态势推演模块的视图模型示意图。

图11为本发明实施例中实时战场推演展示效果图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Josim中间件，支持类似HLA的信息发布/订阅方式，可跨广域网实现模型、数据、设备的统一管理和应用；本发明提供的分布式仿真环境框架基于JoSim构建，通过Josim可形成一个统一的框架控制，为所有的态势规范、态势推演和数据交互，提供一个统一的执行过程，且可为所有框架下的组件，提供管理服务和时间同步服务；

DDS中间件，数据分发服务DDS(DataDistributionService)是OMG对象管理组织在HLA及CORBA等标准的基础上制定的新一代分布式实时通信中间件技术规范，DDS采用发布/订阅体系架构，强调以数据为中心，提供丰富的QoS服务质量策略，能保障数据进行实时、高效、灵活地分发，可满足各种分布式实时通信应用需求。制定的新一代分布式实时通信中间件技术规范，DDS采用发布/订阅体系架构，强调以数据为中心，提供丰富的QoS服务质量策略，能保障数据进行实时、高效、灵活地分发，可满足各种分布式实时通信应用需求。

实施例1

如图1所示，在本发明的一个实施例中，本发明提供一种虚实结合的数据链路态势实时仿真系统，包括：

分布式仿真环境框架子系统，用于提供态势展示及规划、态势推演、数据集中控制和数据链路设备接入网关，并构建Josim仓库、靶场数据档案和定时管理设备；

如图2所示，所述分布式仿真环境框架子系统包括：

态势推演模块，用于根据战场态势规划和实时仿真数据，实时推演战场态势，并将战场态势推演结果传输至态势展示及规划模块和数据集中控制模块；

如图3所示，所述态势推演模块包括：

兵力推演子模块，用于对战场态势场景中的所有兵力部署进行推演建模，并创建任务管理视图，通过顺序图的方式描述任务执行过程；

兵力机动执行子模块，用于对战场态势场景中的所有兵力部署进行机动执行建模，并创建航迹控制视图，描述按照设定路径行动方式；

兵力信息处理子模块，用于对战场态势场景中的所有兵力部署进行信息处理建模，并创建侦查视图，描述在不同情报信息下的信息处理方式；

兵力交互关系子模块，用于对战场态势场景中的所有兵力部署的交互关系进行建模，创建相互行动视图，描述所有兵力部署单元间的行动关系；

态势推演子模块，用于基于任务管理视图、航迹控制视图、侦查视图和相互行动视图描述所有兵力部署单元间相互行动的方式、关系和执行过程，并进行战场态势推演，得到战场态势推演结果，且将战场态势推演结果传输至态势展示及规划模块和数据集中控制模块；

态势展示及规划模块，用于创建战场态势场景，构建战场态势规划展示界面，并接收战场态势推演结果，展示战场态势推演仿真；

如图4所示，所述态势展示及规划模块包括：

态势场景创建子模块，用于创建战场态势场景，并导入战场态势场景的GIS地图，且载入各种战术场景的直接模型；

基础属性及步长子模块，用于设置战场态势场景的基础时间段属性，并设置战场态势仿真步长，其中，基础时间段属性包括开始Start、结束Stop和历元时刻Epoch；

部署及轨迹描述子模块，用于接收战场态势推演结果，向战场态势场景添加兵力部署，并设置战场态势场景内的关键设施，且描述战场任务执行轨迹，其中，战场任务执行轨迹包括经度、纬度、高度、速度和航向信息。

任务执行子模块，用于根据战场任务执行轨迹，通过动画的形式在战场态势规划展示界面展示战场态势的任务执行过程；

数据集中控制模块，用于接收战场情况推演结果，并基于战场情况推演结果控制所有数据链端机的工作状态和数据收发；

如图5所示，所述数据集中控制模块包括：

推演结果发布子模块，用于接收战场态势推演结果，并控制所有数据链端机执行状态，将需要发送的数据信息分发到各对应的数据链端机；

端机数据反馈子模块，用于接收各数据链端机的执行数据，并将执行数据融合进下一仿真步的推演过程，并持续监控各数据链端机的工作状态；

数据链设备接入网关模块，用于接入数据链真实端机或者数据链模拟端机；

如图6所示，所述数据链设备接入网关模块包括：

数据链端机子模块，用于通过若干个数据链端机组成数据链仿真网络；

态势推演仿真子模块，用于通过数据链仿真网络仿真战场态势推演环境；

Josim仓库模块，用于储存战场兵力模型、设备管理程序和状态响应程序；

如图7所示，所述Josim仓库模块包括：

兵力模型库子模块，用于提供态势展示及规划模块各种飞机、车辆、舰船的外形结构模型，包括Airborne、Airbus、B-2A、Blimp、EA-18G、F-22等几十种类型；

设备管理程序子模块，用于提供数据集中控制模块若干种数据链端机的控制方法；

状态响应程序子模块，用于提供态势推演模块兵力部署的推演建模、机动执行建模、信息处理建模和交互关系建模方法；

靶场数据档案模块，用于储存战场态势规划、仿真数据和推演视图，记录战场仿真过程的传输数据和数据链端机工作日志，且提供查询战场态势规划、仿真数据、推演视图、战场仿真过程的传输数据和数据链端机工作日志；

定时管理设备模块，用于接入GPS，以秒脉冲的方式对所有数据链端机授时，并为态势推演模块、态势展示及规划模块、数据集中控制模块、数据链设备接入网关模块、Josim仓库模块以及靶场数据档案模块提供定时同步；

端机接入子系统，用于基于数据链设备接入网关和DDS中间件，构建分布式的数据链仿真环境，且通过代理的方式接入数据链端机，实现数据链路态势的实时仿真，其中，数据链端机包括虚拟端机和真实端机；

各所述数据链端机与各数据链管理设备一一对应连接，各数据链管理设备均与控制网络连接，各数据链端机均与仿真网络连接；

作为传输终端的数据链设备，提供了两种方式的模拟，一种是以计算机允许仿真模型的虚拟数据链端机，一种是研制的真实数据链端机，每个真实数据链端机提供一个代理计算机；

采用DDS中间件用于数据链仿真网络的控制信令和数据的交互，结合代理的方式最使用，在系统信息速率100MB/S下，测试网络性能较好，基本上满足所调研的数据链系统的接入要求。

实施例2

如图8所示，在本发明的一个另实施例中，本发明提供一种虚实结合的数据链路态势实时仿真系统的仿真方法，包括如下步骤：

S1、创建战场态势场景，并构建战场态势规划展示界面；

S2、导入战场态势规划和实时仿真数据；

S3、根据战场态势规划和实时仿真数据，向战场态势场景添加兵力部署，并设置战场态势场景内的关键设施，且描述战场任务执行轨迹；

S4、基于任务管理视图、航迹控制视图、侦查视图和相互行动视图描述所有兵力部署单元间相互行动的方式、关系和执行过程；

S5、通过DDS中间件接入数据链真实端机和虚拟端机，并进行战场态势推演，得到战场态势推演结果；

S6、基于战场态势推演结果，执行战场态势推演仿真，且通过战场态势规划展示界面实时观测战场态势推演仿真；

S7、储存战场态势规划、仿真数据和推演视图，记录战场仿真过程的传输数据和数据链端机工作日志，完成虚实结合的数据链路态势实时仿真系统的仿真。

本发明提供的一种虚实结合的数据链路态势实时仿真系统的仿真方法为一种虚实结合的数据链路态势实时仿真系统利用虚拟数据链端机和真实数据链端机进行数据链路仿真战场态势时对应使用的仿真方法，用于实现虚实结合的数据链态势实时仿真，在保证系统仿真能力的同时，也大大提高了系统的实时性和真实性，其有益效果与上述发明内容中虚实结合的数据链路态势实时仿真系统的有益效果描述相同，不再赘述。

实施例3

如图9所示，在本发明的一个实用实例中，本发明建立了一个具体的战场态势，共描述两个飞机作战集群，每个集群由4架飞机构成，集群内部采用Link11数据链体制，集群直接采用Link4A数据链体制。为了描述虚实结合的仿真，集群1采用虚拟的计算机仿真模型，集群2采用代理的方式接入实装设备；

利用态势展示及规划模块创建战场态势场景，从Josim仓库模块导入飞机模型，将集群1的飞机采用F-22模型，集群2的飞机采用EA-18G模型，并分别配置为1个长机和3个僚机的作战方式，配置好飞机的速度，装备配置等必要信息；

利用态势展示及规划模块设置两个集群的飞机作战范围和目标位置，初步确定集群1在海面作战，集群2在陆地上空作战，设定仿真事件为5分钟，数据更新速率为100ms，态势推演速率为1s；

如图10所示，利用态势推演模块通过4个任务管理视图、航迹控制视图、侦查视图和相互行动视图描述整个推演过程；

设定每个集群的飞机的详细航迹，使用航迹控制视图，通过曲线或者表格的形式，写入或者自动生成每个秒时间节拍每个飞机的经度、维度、高度、速度和航向形式；

设计每个集群中每个飞机的执行任务，通过任务管理视图，为集群1分配任务，包括精准定位和识别任务，空中管制任务，位置引导任务，区域侦查任务，为集群2分配，控制拦截任务，目标跟踪任务，作战控制任务和目标打击任务，并配置好任务执行序列；

设定每个任务直接的驱动关系，在侦查视图，为每个集群的飞机，设定任务执行的数据驱动关系，设定好在特定的数据(侦查数据)的驱动下，通过状态转移的逻辑，执行任务切换逻辑；

设定同个集群飞机之间的相互协作关系，在相互行动视图，描述集群直接的数据共享关系，以及不同集群之间的数据驱动关系；

利用数据链设备接入网关模块接入数据链装备，将数据链接入网关连接到DDS构建的仿真网络，作为每个端机数据分发和接收的中心站；

将虚拟的数据链仿真端机接入仿真网络，配置模拟长机的模拟设备开启Link4A和Link11工作模式，配置模拟僚机的模拟设备开启Link11工作模式；在Link4A模式下配置速率为2.5kbps，选定业务消息队列为RV队列，支持目标数据交互封装、飞机引导封装、突击控制封装、精确指挥封装等消息格式；在Link11模式下配置信息速率为1.364kpbs，选定业务消息队列为M队列支持定位识别封装、态势封装、敌情封装、武器装备信息封装、执行作战封装；

将4台代理计算机接入仿真网络，并连接数据链实装设备，将模拟长机的实装设备开启Link4A和Link11模式，而模拟僚机的实装设备开始Link11模式，其配置方式与模拟设备一样，并设定工作频率为300Mhz；

将所有设备配置完成后，进行待机工作模式，等待数据集中控制模块的控制命令和数据信息；

启动定时管理设备模块对系统进行授时，同步信息给出后，在态势规划/展示单元里启动整个仿真；

如图11所示，利用态势展示及规划模块观察整个战场态势的仿真过程，可以观察到每个飞机执行飞行的情况，点击飞机可以进一步观察任务执行状态和收发信息的情况；在数据链模拟端机上观察模拟仿真的执行情况，观察仿真数据是否满足当前态势；在示波器和频谱上观察数据链实装设备的时域和频域特征，观察是否满足通信质量要求；

等待仿真结束或者手动控制仿真结束，利用靶场数据档案模块观察日志记录和自动生成的态势仿真报告，保存当前的态势仿真工程，以便后续查阅。