一種先進綜合式航空電子仿真系統及其仿真方法

專利名稱：一種先進綜合式航空電子仿真系統及其仿真方法
技術領域：
本發明屬于先進綜合式航空電子系統結構下信息處理的仿真技術領域，具體涉及一種 航空電子仿真系統及其仿真方法，用于模擬航空電子系統信息流的產生、傳輸、處理、顯 示過程。
背景技術：
航空電子系統結構的發展經歷了分離式、聯合式、綜合式，現在已發展到先進綜合式。 美國的聯合先進攻擊計劃(JAST)被認為是先進綜合航空電子系統的研究計劃。JAST的 主要特點是采用了航空電子統一網絡代替第三代結構多種單一的互聯網，采用具有超高計 算、處理能力的綜合核心處理器實現數據融合、任務計算和綜合信號處理，與之前的系統 相比，在信息傳輸和任務處理能力上都有很大提高。然而聯合式的航電系統結構是我國目 前航電系統結構的主流，離高度綜合化系統目標還有很遠。我國正面臨著航電綜合系統研 究的戰略性轉變，對先進綜合航電系統的性能進行評價分析，對確立我國航空電子技術的 發展重點和發展方向具有重要的指導意義。
美國在第一代航空電子綜合化結構設計中就采用了計箅機仿真建f莫的方法，并開發了 相應的軟件工具，如針^fl553B總線的BusTools/1553TM,國內利用計算機對航空電 子綜合化系統進行輔助設計的工作是從GJB289A在老機改型和新機研制中大量應用開始 的。機載電子設備種類繁多，航空電子系統是一個結構和功能都十分復雜的大系統，用真 實系統投資極大，又有相當的風險，而仿真技術可以用較小的投資換取風險上的大幅度降 低，得到很高的效費比。真實系統的研究不僅費時費錢，并且很難做到，用計算機仿真技 術則可化繁為簡，大大節省人力物力。
目前，國內外針對航空電子系統結構的仿真研究有對射頻系統綜合性的模擬，機載總 線網絡的模擬，有綜合核心處理器實時調度箅法的模擬計箅，這些仿真研究大多是針對先 進綜合航空電子系統結構數據流傳輸或處理的某一階段，只針對系統信息交互的某一方 面，對先進綜合航電系統的性能進行系統、全面的評價分析有一定的局限性。

發明內容
本發明的目的在于提供一種先進綜合式航空電子仿真系統及其仿真方法，模擬機載信 息流的產生和先進綜合式航電系統的運行過程，反應了各個分系統之間的相互協作與信息 交互。發明主要對綜合核心處理器和航空電子統一網絡進行建模，實現了仿真系統的通用
性。該系統不僅可以仿真各種復雜的網絡拓撲形式，還可以測試不同處理能力的綜合核心 處理器采用不同實時調度策略的效果。仿真過程能夠跟蹤任一信息在任何階段的數據延 遲，計算系統的信息處理能力和系統實時性，從而對先進綜合航電系統進行性能評價。
本發明是一種先進綜合航空電子仿真系統，包括綜合核心處理仿真器、航空電子統 一網絡仿真器、綜合射頻系統仿真器、綜合光電系統仿真器、綜合飛行器管理系統仿真器、 外掛系統仿真器、座艙仿真器、監控顯示設備。其中綜合射頻系統仿真器、綜合光電系統 仿真器、綜合飛行器管理系統仿真器、外掛系統仿真器實現對先進綜合航空電子系統設備
的仿真，模擬機載設備的工作過程，產生系統的激勵信息；航空電子統一網絡仿真器與所
述綜合射頻系統仿真器、綜合光電系統仿真器、綜合飛行器管理系統仿真器、外掛系統仿
真器相連接，負責傳輸系統中的信息流，是各個設備之間通信的橋梁；綜合核心處理仿真 器與所述航空電子統一網絡仿真器相連接，是一多處理器系統，實現對接收數據的融合、 接收任務的計算；座艙仿真器與所述航空電子統一網絡仿真器相連接，實現對飛機狀態的 綜合顯示，并接收飛行員的控制指令；監控顯示設備與所述航空電子統一網絡仿真器相連 接，以圖形化的形式對仿真過程進行顯示。
從功能上講，本發明模擬綜合射頻系統、綜合光電系統、綜合飛行器管理系統、外掛 系統等機載電子系統產生飛機各種狀態信息，通過高速、大容量的航空電子統一網絡傳輸 給綜合核心處理器，綜合核心處理器按照某種劃分和調度策略對這些信息進行處理。處理 完成之后，將處理結果通過航空電子統一網絡發送給座艙，在座艙進行綜合顯示，飛行員 根據顯示信息，輸入相應的控制指令。這些指令通過航空電子統一網絡再傳輸給綜合核心 處理器，綜合核心處理器處理之后，把信息傳給相應的綜合射頻系統，綜合光電系統，綜 合飛行器管理系統，外掛系統，改變其相應的狀態。整個系統由此形成一個有機的整體。
綜合射頻系統仿真器主要包括通信、導航、識別、雷達、電子戰等系統仿真。模擬產 生航空通信中傳輸的語言和數據信息，導航所依賴的飛機位置信息，雷達探測所獲取的目 標反射回波信號，電子戰使用的電磁能和電磁頻譜等信息的產生和對其變化的跟蹤和管 理；綜合光電系統仿真器模擬產生不同光電環境參數下，偵査、探測到的目標圖像信息并 對其狀態變化進行跟蹤和管理；綜合飛行器管理系統仿真器t莫擬產生各飛行階段即起飛、 爬高、改平、巡航、下降和進近各階段，飛機導航、動力、氣動力等參數并對各階段狀態 變化進行跟蹤和管理；外掛系統仿真器模擬產生攻擊目標和本機飛行姿態的參數并對其狀 態變化進行跟蹤和管理。
航空電子統一網絡仿真器模擬了數據的網絡傳輸，包括網絡配置模塊、發送處理模塊、 緩沖隊列模塊、路由轉發模塊、接收處理模塊。用戶根據實際需要，通過網絡配置模塊設
定或選擇數據庫已有的網絡設備數量種類、網絡的拓撲結構和系統參數。發送處理模塊對 需要發送的應用數據進行封裝處理。緩沖隊列模塊模擬到達數據交換設備內緩沖的數據包 排隊情況，緩沖隊列模塊中待發出的數據包通過査詢路由轉發模塊中的路由表進行轉發。 路由轉發模塊根據用戶提供的路由轉發策略或者直接加載已有的路由轉發算法動態庫，實 現數據包的路由轉發。數據包到達目的地后，接收處理模±夫對接收到的數據包進行拆封處 理，得到應用數據。
綜合核心處理仿真器是一多處理器系統，模擬對航空電子統一網絡仿真器傳輸過來的 數據和信號的調度、處理，完成數據融合、任務計算和綜合信號處理。包括處理器設備 參數模塊、劃分算法模型庫、任務屬性參數模塊、任務管理模塊、調度算法模型庫、調度 器。用戶可根據實際需要，通過處理器設備參數模塊設定或選擇數據庫已有的處理器設備 參數和處理器設備個數，將設備參數和個數信息傳給調度器。劃分算法模型庫保存了各種 劃分算法，該模型庫對各種算法模型進行統一管理，模型可靈活替換，任務屬性參數可以 根據不同的情況使用不同的算法模型，將所有任務劃分成適當的任務集。任務屬性參數模 塊定義所有任務的屬性，選擇劃分算法纟莫型庫中合適的劃分算法將所有任務劃分成適當的 任務集，并將定義好的任務屬性傳給調度器。任務管理模塊以任務集為單位，對任務集中 的等待任務、就緒任務、運行任務和完成任務分別進行排隊，并將任務的執行狀態傳輸給 調度器。調度算法模型庫保存了各種調度算法，該模型庫對各種調度箅法模型進行統一管 理，模型的可替換性可使系統方便地使用第三方提供的模型來提高系統實時性。調度器可 以根據不同的情況使用不同的算法模型，模擬不同的調度過程。調度器接收處理器設備參 數模塊、任務屬性參數模塊、任務管理模塊提供的信息，并選擇調度算法模型庫中的調度 算法實現任務的調度和搶占切換。處理完成之后，把計算的數據結果發送到航空電子統一 網絡仿真器。
座艙仿真器模擬實現飛行員與機上各類設備進行交互的界面接口。它包括綜合信息 顯示模塊和指令發布模塊。綜合信息顯示模塊模擬了對綜合核心處理仿真器處理完成傳輸 過來的數據的圖形化顯示，綜合了大量信息顯示輸出。指令發布+莫塊+莫擬飛行員通過駕駛 桿、油門桿、中央控制面板、觸敏顯示鍵盤等裝置輸入控制指令，并抽象這些控制指令定 義了一系列消息。
監控顯示設備提供了先進綜合航空電子系統實時性仿真的可視化界面。包括執行過 程跟蹤模塊、時鐘管理模塊、日志模塊。執行過程跟蹤模塊實現了對信息處理的跟蹤、對 信息處理的延遲進行分階段的分析統計。時鐘管理模塊實現在時間軸上推進系統的運行， 維護仿真時鐘。日志模塊記錄仿真過程發生的主要事件。
本發明還提供一種先進綜合式航空電子系統的仿真方法，包括如下過程 第一步仿真孝統初始化； 第二步信息產生；
第三步航空電子統一網絡仿真器進行信息傳輸； 第四步綜合核心處理仿真器進行信息處理； 第五步座艙仿真器顯示和發布指令；
第六步綜合射頻系統仿真器、綜合光電系統仿真器、綜合飛行器管理系統仿真器、夕卜掛 系統仿真器根據消息改變相應系統仿真器的狀態。 上述仿真系統初始化按照如下過程進行
(1) 選擇需要仿真的系統仿真器并設定仿真時間；
(2) 設定處理器設備參數；
(3) 定義任務集和任務屬性；
(4) 網絡配置；
(5) 激活所選擇的系統仿真器。 上述航空電子統一網絡仿真器進行信息傳輸，按照如下過程進行
(1) 消息封裝；
(2) 消息緩存；
(3) 消息路由；
(4) 消息接收。
上述綜合核心處理仿真器進行信息處理，按照如下過程進行
(1) 消息激活相應的任務；
(2) 任務移到就緒隊列；
(3) 任務移到運行隊列；
(4) 判斷任務是否執行完成；
(5) 任務移到完成隊列；
(6) 判斷任務集的所有任務是否執行完成。 上述座艙仿真器顯示信息和指令發布，按照如下過程進行
(1) 在座艙仿真器中顯示信息；
(2) 判斷是否需要發布指令。 本發明的優點在于
1.本發明是一種先進綜合航空電子系統，模擬了機載信息流的產生過程和先進綜合航電
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系統的運行過程，對系統的信息處理能力和實時性進行計算評估。
2. 通過對綜合核心處理器建模，把不同設備的差異部分轉變為可輸入的參數，例如處理 器的主頻大小、處理器的內存大小等，可以仿真具有不同處理能力、不同內存大小的 異構處理器系統。通過對航空電子統一網絡建模，可以仿真不同的網絡拓撲結構，因 此本發明有很好的通用性。
3. 在航電系統復雜的信息處理過程中，某一任務的執行往往依賴于其他任務的數據處理 結果。本發明針對這一特性，支持任務之間具有相互關聯性的仿真。
4. 航電系統是強實時系統，本發明可以用來測試在不同的調度策略和路由策略下，任務 執行所需的時間開銷。可用于為實際系統尋找最佳的實時調度策略和路由策略，以此 來提高系統的實時性。


圖l是本發明所述的先進綜合式航空電子仿真系統的結構示意圖； 圖2是本發明所述的航空電子統一網絡仿真器的結構示意圖； 圖3是本發明所述的綜合核心處理仿真器的結構示意圖； 圖4是本發明中任務集中各項任務間的相互關系描述圖； 圖5是本發明中任務管理的結構示意圖； 圖6是本發明先進綜合式航空電子仿真系統工作流程圖。
具體實施例方式
如圖l所示，本發明一種先進綜合航空電子仿真系統，包括綜合核心處理仿真器IO、 航空電子統一網絡仿真器20、綜合射頻系統仿真器30、綜合光電系統仿真器40、綜合飛 行器管理系統仿真器50、外掛系統仿真器60、座艙仿真器70、監控顯示設備80。用戶首 先從綜合射頻系統仿真器30，綜合光電系統仿真器40,綜合飛行器管理系統仿真器50， 外掛系統仿真器60中選擇仿真所需要的系統設備，并且設定仿真需要的時間；通過綜合核 心處理仿真器10的處理器設備參數模塊11 ，設定或選擇數據庫已有的處理器設備參數和 處理器設備個數；通過航空電子統一網絡仿真器20的網絡配置模塊21，設定或選擇數據 庫已有的網絡設備數量種類、網絡的拓撲結構和系統參數，系統參數包括各設備的地址， 及路由策略，使已選定的設備按一定形式的計算機網絡相連。
根據用戶的選擇，分別激活相應的系統開始工作。若激活的是綜合射頻系統30，則模 擬實現航空通信中傳輸的語言和數據信息，導航所依賴的飛機M的經度、諱度、海拔高 度，飛機速度、飛機航跡角、偏航距、待飛距離、航跡角誤差，雷達探測所獲取的目標反 射回波信號，電子戰使用的電磁能和電磁頻譜等信息的產生和對其變化的跟蹤和管理。
若激活的是綜合光電系統40，則模擬實現不同光電環境參數下，偵査、探測到的目標 圖像信息的產生和對其狀態變化的跟蹤和管理。包括不同頻段的紫外信號、可見光信號、 紅外信號，以及這些信號不同密度、輻射照度條件下，在同一時間獲得同一目標場的圖像信息。
若激活的是綜合飛行器管理系統50,則模擬實現對各飛行階段即起飛、爬高、改平、 巡航、下降和進近各階段，飛機導航、動力、氣動力等的信息產生及各階段狀態變化的跟 蹤和管理。包括各階段的飛機全重、發動機轉速、飛機推力等。
若激活的是外掛系統60，則模擬實現對攻擊目標和本機飛行姿態的信息產生并對其狀 態變化的跟蹤和管理，包括目標方向、目標位置、目標距離、目標速度、目標變化速率、 本機速度、本機加速度、本機航向、本機姿態、本機高度等。
這些信息發送給航空電子統一網絡仿真器20。它包括網絡配置模塊21、發送處逾模 塊22、緩沖隊列模塊23、路由轉發模塊24、接收處理模塊25。航空電子統一網絡仿真器 模擬了數據的網絡傳輸，即數據的封裝、緩存、路由、轉發和拆裝過程。航空電子統一網 絡的結構示意圖如圖2所示。發送處理模塊22是將需要轉發的應用數據按航空電子統一網
絡協議分成一定長度的數據段，并加上含有目的地址和源地址信息的幀頭、校驗碼、幀尾。 以航空電子統一網絡的首選協議標準一航空電子環境的光纖通道(FC-AE)為例， 一幀 應該有一個有序集幀頭，它占有4個字節，作為分隔符。其后是一組24字節的幀頭，它里 面包含有目的地址和源地址信息，以及幀內容的控制字段和其在一組幀中的位置信息。幀 頭之后是長度為0 — 2112字節的數據段。數據段之后是一組32位的CRC (循環冗余校驗)。 CRC后面是4個字節的有序集幀尾。把封裝好的數據包加入緩沖隊列模塊23。緩沖隊列模 塊23模擬到達數據交換設備內緩沖的數據包排隊情況，采用對時延敏感的流量制定較高的
優先級，對沒有服務質量要求的流量制定較低的優先級，按優先級的高低來排隊。路由轉 發模塊24根據用戶提供的路由轉發策略或者直接加載已有的路由轉發算法動態庫，通過檢
査幀頭信息和査詢路由表，決定數據包的輸出鏈路。數據包達到目的地后，接收處理模塊 25對數據包進行拆裝、排序和拼接，對,后的數據進行校驗，從而得到最終的應用數據。 監控顯示設備80的執行過程跟蹤模塊81對信息流的傳輸過程進行跟蹤，對網絡吞吐率、 鏈路的平均占有率、數據幀的平均延遲、節點的丟包率進行檢測、顯示、統計、分析。
這些應用數據傳給綜合核心處理仿真器IO，綜合核心處理仿真器10會啟動多個線程 也就是任務，來處理這些信息。如圖3所示，綜合核心處理仿真器包括處理器設備參數 模塊ll、任務屬性參數模塊12、任務管理模塊13、調度算法模型庫14、調度器15、劃分 算法模型庫16。處理器設備參數模塊ll,基于用戶設定或選擇數據庫已有的處理器設備
參數和處理器設備個數，將設備參數和個數信息傳給調度器15。任務屬性參數模塊12， 基于用戶設定或選擇數據庫已有的任務，定義任務的屬性。并選擇劃分算法模型庫16中的 劃分算法，將所有任務劃分成適當的任務集。任務屬性包括任務的ID號，任務名稱，任 務所在任務集的ID號，該任務的前驅任務，該任務的后繼任務，任務的最大允許延遲，任 務的計算量，執行任務所需的內存大小，任務所訂購的消息序號。將定義好的任務屬性傳 給調度器15。任務管理模塊13以任務集的ID號為序，分別對每個任務集中的任務狀態進 行排隊，并將任務的執行狀態傳輸給調度器15。任務狀態包括等待狀態、就緒狀態、運 行狀態和完成狀態。調度器15接收來自處理器設備參數模塊11、任務屬性參數模塊12、 任務管理模塊13的信息，選擇調度算法模型庫14中的調度算法，按調度算法選取就緒隊 列里合適的任務獲得CPU使用權，實現任務的調度和搶占切換。
以火力控制任務集，即對外掛系統傳過來的信息進行處理的任務集為例。任務集包括 對脈沖多普勒雷達釆集的目標數據處理任務A、對紅外激光雷達釆集的目標數據處理任務 B,與友機間的數據鏈獲得的目標數據處理任務C，對所有目標動態數據進行相關性處理任 務D,對載機的飛行參數數據處理任務E，對目標數據與載機飛行參數數據融合的任務F,對 最佳攻擊時間判斷任務G，對最佳攻擊角度判斷任務H,對最佳攻擊方式判斷任務I。
任務集中所有任務的前驅、后繼關系如圖4所示，對脈沖多普勒雷達采集的目標數據 處理任務A、對紅外激光雷達采集的目標數據處理任務B、與友機間的數據鏈獲得的目標 數據處理任務C是對所有目標動態數據進行相關性處理任務D的前驅任務，對所有目標動 態數據進行相關性處理任務D只有在對脈沖多普勒雷達采集的目標數據處理任務A、對紅 外激光雷達采集的目標數據處理任務B、與友機間的數據鏈獲得的目標數據處理任務C都 執行完成之后才能開始執行。對所有目標動態數據進行相關性處理任務D的后繼任務是對 目標數據與載機飛行參數數據融合的任務F。任務集中的其他任務都按照定義好的前驅、 后繼關系進行處理。
任務管理模塊13的結構示意圖如圖5所示，描述了任務狀態隊列之間的轉換關系。如 對所有目標動態數據進行相關性處理任務D只有在它所有的前驅任務執行完成之后，并且 獲得所需的內存等資源，才由等待隊列變到就緒隊列。根據選擇的調度算法模型庫14中的 調度算法，調度器15選取就緒隊列里的任務獲得CPU使用權，任務變成運行狀態，則移到 運行隊列。若根據調度策略，運行中的任務被搶占，則釋放CPU使用權，返回等待隊列。 若無搶占，則一直運行，直到執行完成，任務移到完成隊列。任務集的所有任務重復上述 過程，直到全部完成，并在完成隊列里顯示。任務執行完成之后，把計算的數據結果，發 送到航空電子統一網絡仿真器20。監控顯示設備80的執行過程跟蹤模塊81對任務集執行 過程進行跟蹤，對任務集的執行時間和CPU占有率、內存占用率進行檢測、顯示、統計、分析。
座艙仿真器70模擬實現飛行員與機上各類設備進行交互的界面接口。它包括綜合信 息顯示模塊71和指令發布模塊72 。綜合信息顯示模塊71實現了對綜合核心處理仿真器10 處理完成，通過航空電子統一網絡仿真器20傳輸過來的數據的圖形化顯示，綜合了大量信 息的顯示輸出。為飛行員提供了飛機的各種狀態參數，火控，態勢感知，告警等信息。飛 行員快速掌握這些信息之后，要做出正確的判斷并完成準確控制。指令發布模塊72模擬實 現飛行員通過駕駛桿、油門桿、中央控制面板、觸敏顯示鍵盤等裝置輸入的控制指令，并 抽象這些控制指令定義了一系列消息。把這些消息通過航空電子統一網絡仿真器20傳輸給 相應的綜合射頻系統仿真器30，綜合光電系統仿真器40,綜合飛行器管理系統仿真器50, 外掛系統仿真器60，改變其相應的狀態。
整個系統運行過程中，時鐘管理模塊83實現在時間軸上推進系統的運行，維護仿真時 鐘。日志模塊82記錄各個信息流的開始、結束，以及在設備之間的傳輸情況，執行過程跟 蹤模塊81對飛機上信息流的產生、傳輸、處理、顯示等各個過程進行跟蹤并統計各階段的 延遲時間，記錄CPU占有率、內存占用率、網絡的鏈路占有率以及網絡吞吐率。由此得出 系統的信息處理能力和系統實時性。并將以上統計結果以可視化的圖形顯示給用戶。
參照圖6，先進綜合式航空電子仿真系統仿真的方法包括以下步驟 第一步仿真系統的初始化
U)選擇需要仿真的系統仿真器并設定仿真時間從綜合射頻系統仿真器30,綜合光 電系統仿真器40,綜合飛行器管理系統仿真器50，外掛系統仿真器60中選擇仿真所需 要的系統仿真器。并設定好整個系統運行的仿真時間。仿真時鐘控制仿真時間的推進，一 旦初始化設定的仿真時間到，則結束整個仿真系統的運行。
(2)設定處理器設備參數設定或選擇數據庫已有的處理器設備參數和處理器設備個 數。處理器設備參數包括易失存儲器大小，非易失存儲器大小，CPU主頻，網卡互連速 率，網卡互連方式。
(3使義任務集和任務屬性利用任務屬性參數模塊12設定或選擇數據庫已有的任務， 并定義任務的屬性。每個任務的屬性包括任務的ID號，任務名稱，任務所在任務集的ID 號，該任務的前驅任務，該任務的后繼任務，任務的最大允許延遲，任務的計算量，執行 任務所需的內存大小，任務所訂購的消息序號。并選擇劃分算法模型庫16中的劃分算法， 將所有任務劃分成適當的任務集。
(4)網絡配置用戶可以自定義網絡拓撲結構和網絡設備，使已選定的設備按一定形式
的計算機網絡相連。對于系統中的各項網絡參數從數據庫中進行設定或選擇，需要設定和 選擇的網絡參數主要有各設備的IP地址，同時對于路由器的路由策略也要有相應的設定。
(5)激活所選擇的系統仿真器根據各種選擇和設定的信息，把所選擇的系統仿真器調 整到就緒狀態，準備運行。 第二步信息產生
所選擇的系統仿真器開始產生信息輸入。此時系統仿真器按既定的程序運行，周期性 地產生信息輸入。
第三步航空電子統一網絡仿真器進行信息傳輸
航空電子統一網絡仿真器20對輸入的信息進行傳輸。包括以下幾步 U)消息封裝將需要轉發的應用數據按航空電子統一網絡協議分成一定長度的數據 段，并加上含有目的地址和源地址信息的幀頭、校驗碼、幀尾。以航空電子統一網絡的首 選協議標準——航空電子環境的光纖通道(FC-AE)為例， 一幀應該有一個有序集幀頭， 它占有4個字節，作為分隔符。其后是一組24字節的幀頭，它里面包含有目的地址和源地 址信息，以及幀內容的控制字段和和其在一組幀中的位置信息。幀頭之后是長度為O — 2112字節的數據段。數據段之后是一組32位的CRC (循環冗余校驗)。CRC后面是4個
字節的有序集幀尾。封裝好的消息的屬性的數據結構如下所示 class CMcssage
CString SourceIP; 發送節點IP地址
CString DesIP; 目的節點IP地址 CArray <CString*，CString*> m—Content;消息內容
double CycleRate; 消息刷新率
double StartTime; 消息開始時間
long BytesCount; 消息長度
BOOL CycleOrEvent;消息類型0-周期消息，l-觸發消息
double MaxDelay; 消息的最大允許延遲
int MessageSeriesNoj消息序號
(2)消息緩存模擬到達交換機、路由器等數據交換設備內緩沖的數據包排隊情況。 根據消息的最大允許延遲MaxDelay的值來進行排隊。MaxDelay的值越小，優先級越
高，最先進行處理。
(3) 消息路由通過檢査幀頭信息和査詢路由表，決定數據包的輸出鏈路。
(4) 消息接收接收處理模塊按照FC-AE協議，去掉4個字節的有序集幀頭和一組24字 節的幀頭，取出數據包，進行排序、拼接，得到最終的應用數據。消息路由根據路由表將 數據發送到相應的仿真器中。根據路由器轉發數據的目的地址不同，消息的接收分為三種 情況
1) 綜合核心處理仿真器io接收消息，詳細步驟見第四步，
2) 座艙仿真器70接收消息，詳細步驟見第五步，
3) 綜合射頻系統仿真器30、綜合光電系統仿真器40、綜合飛行器管理系統仿真器 50、外掛系統仿真器接收消息60，詳細步驟見第六步。
第四步綜合核心處理仿真器進行信息處理
U)消息激活相應的任務每一個任務都包括"任務所訂購的消息序號"這個屬性，所 以綜合核心處理仿真器10接收消息后，如果這個消息的序號與任務所訂購的消息序號相匹 配，就會激活相應的任務。
(2) 任務移到就緒隊列任務被激活之后，就從等待隊列，移到就緒隊列。
(3) 任務移到運行隊列根據用戶選擇的調度箅法模型庫14中的調度箅法，調度器選 取就緒隊列里的任務獲得CPU使用權，任務變成運行狀態，移到運行隊列。
(4) 判斷任務是否執行完成根據調度策略，運行中的任務被搶占，則釋放CPU使用 權，返回等待隊列，此時任務沒有執行完成。任務在等待隊列中，當它所有的前驅任務執 行完成之后，并且獲得所需的內存等資源，才由等待隊列變到就緒隊列，即回到(2)步 繼續執行。
(5) 任務移到完成隊列任務執行完成之后，移到完成隊列。
(6) 判斷任務集的所有任務是否執行完成:在完成隊列中査看是否任務集中的所有任務 都已經在完成隊列中。如果不是，則根據選擇的調度算法模型庫14中的調度算法，選取就 緒隊列中的任務移到運行隊列，即回到(3)步繼續執行，直到任務集中的所有任務都執 行完成。任務集中的所有任務執行完成之后，把計箅的數據結果，發送到航空電子統一網 絡仿真器20。即回到第三步，航空電子統一網絡仿真器20進行信息傳輸。
第五步座艙仿真器顯示信息和發布指令
(1) 在座艙仿真器中顯示信息座艙仿真器70接收消息后，取出消息中的應用數據， 并把應用數據在座艙仿真器70中顯示出來。
(2) 判斷是否需要發布指令:部分任務集處理完成之后的結果在座艙仿真器70顯示就可 以了，不再需要用戶發布指令，例如雷達信號處理任務集。至此，信息一次產生的仿真
過程結束，但由于信息是周期性產生的，所有又會有新的信息產生，即回到第二步，開始
往下繼續執行；部分任務集處理完成之后的結果在座艙仿真器70顯示后，是必須要發布指 令的，例如火力控制任務集等。這種任務集就需要用戶發布一個指令，航空電子統一網 絡仿真器20把指令封裝成消息，通過判斷指令的類型，傳輸給相應的系統仿真器。即回到 第三步，航空電子統一網絡仿真器20進行信息傳輸。
第六步綜合射頻系統仿真器、綜合光電系統仿真器、綜合飛行器管理系統仿真器、 外掛系統仿真器根據消息改變狀態
根據消息路由轉發的目的地址，相應的目的地址系統仿真器接收消息，并取出消息中 所包含的指令，根據指令改變系統仿真器的相應狀態。
整個仿真系統根據是否需要發布指令，按照兩種方式進行循環如果不需要用戶發布 指令，則按照第一步->第二步->第三步->第四步->第三步->第五步->第二步循環運行。如 果需要用戶發布指令，則按照第一步->第二步->第三步->第四步->第三步->第五步->第三 步->第六步->第二步循環運行。 一旦設定的仿真時間到，結束整個仿真系統的運行。整個 仿真過程中，監控顯示設備80的日志模塊82記錄各個信息流的開始、結束，以及在設備 之間的傳輸情況，執行過程跟蹤模塊81對信息流的產生、傳輸、處理、顯示進行跟蹤并統 計各階段的延遲時間，記錄CPU占有率、內存占用率、網絡的鏈路占有率以及網絡吞吐率。
下面對其主要工作過程進行詳細描述
仿真系統啟動后，用戶首先從綜合射頻系統仿真器30,綜合光電系統仿真器40,綜 合飛行器管理系統仿真器50,外掛系統仿真器60中選擇仿真所需要的系統設備，本實施 例中選擇外掛系統仿真器60。并設定仿真的時間。用戶通過綜合核心處理仿真器10的處
理器設備參數ll,設定或選擇數據庫已有的處理器設備參數和處理器設備個數，本實施例 中選擇3臺處理器。利用任務屬性參數模塊12設定或選擇數據庫已有的任務，并定義任務 的屬性，選擇劃分算法模型庫16中的劃分算法，所有任務劃分成適當的任務集。
本實施例中定義攻擊目標探測任務集包括正交解調任務W、固定目標對消任務X、 動目標檢測任務Y、恒虛警任務Z。 W的后繼任務是X,X的后繼任務是Y，Y的后繼任務是Z。 每個任務的屬性包括任務的ID號，任務名稱，任務所在任務集的ID號，該任務的前驅任 務，該任務的后繼任務，任務的最大允許延遲，任務的計算量，執行任務所需的內存大小， 任務所訂購的消息序號。
通過航空電子統一 網絡仿真器20的網絡配置模塊21設定各個設備的IP地址,如綜合核 心處理仿真器10包含的3臺名稱為hostl、 host2、 host3的處理器、外掛系統仿真器60、 座艙仿真器70、監控顯示設備80等，并選擇數據庫中已有的交換式網絡拓撲和路由器等
網絡設備，及路由策略。連接關系為處理器hostl、 host2、 host3直接與交換機相連，交 換機與路由器相連，此路由器還分別與外掛系統仿真器60、座艙仿真器70、監控顯示設 備80相連。
激活外掛系統仿真器60后，本實施例中模擬產生雷達探測所獲取的目標反射回波信 號。首先產生二相編碼雷達信號，只需先確定載頻和二相編碼的編碼方式,用碼元信息"1" 或"0"來控制載波相位是"0° "或"180° "，編程可實現。然后產生熱噪聲，用rand 函數來產生服從(0，1)單位均勻分布的隨機噪聲序列。再產生雜波信號，也就是產生同時具 有特定的概率密度和功率譜密度的隨機序列，用瑞利分布加高斯譜模擬產生。二相編碼雷 達信號、熱噪聲和雜波信號一起組成了目標回波信號，通過脈沖編碼調制將目標回波信號 這個模擬信號數字化，編成一個二進制碼組輸出到航空電子統一 網絡仿真器20。
航空電子統一網絡仿真器20對目標回波信號的二進制碼組進行封裝、緩存、路由、拆 封。發送處理模塊22按照FC-AE協議，對目標回波信號的二進制碼組進行封裝，封裝好的
消息的數據結構如下所示 class CMcssage
CString SourceIP; 發送節點IP地址
CString DesIP; 目的節點IP地址 CArray <CString*,CString*> m_Content;消息內容
double CycleRate; 消息刷新率
double StartTime; 消息起始時間
long BytesCount; 消息長度
BOOL CycleOrEvent;消息類型0-周期消息，l-觸發消息 double MaxDelay; 消息的最大允許延遲
int MessageSeriesNo;消息序號
緩沖隊列模塊23模擬到達交換機、路由器等數據交換設備內緩沖的數據包排隊情況。 根據消息的最大允許延遲MaxDelay的值來進行排隊。MaxDelay的值越小，優先級越高。 最先進行處理。路由轉發模塊24通過檢査幀頭信息和査詢路由表，決定數據包的輸出鏈路。 接收處理模塊25按照FC-AE協議，去掉4個字節的有序集幀頭和一組24字節的幀頭，取出
數據包，進行排序、拼接，得到目標回波信號的二進制碼組輸出到綜合核心處理仿真器io。
任務屬性中包括任務所訂購的消息序號，所以當訂購的消息到達綜合核心處理仿真器
IO時，就會激活相應的任務。調度器15選擇調度算法模型庫14中的調度算法，使正交解
調任務W獲得hostl，host2,host3中某一個的CPU使用權開始執行，正交解調任務W首先
對二進制碼組進行D/A轉換，并產生I、 Q兩路本振信號,然后分別與回波信號相乘，得到零
中頻的I、 Q兩路正交信號。再將I、 Q兩路信號通過低通濾波函數
BOOL LowPassFilter(LPSTR lpDIBBits， LONG nWidth， LONG nHeight,int
nRadius),
LPSTR lpDIBBits 指向需要濾波的圖像像素指針；
intnWidth 數據寬度；
int nHeight 數據高度；
intnRadius 理想低通濾波的濾波半徑；
濾除高頻分量,以獲得最終的檢波結果。
正交解調任務W執行完成之后，任務管理模塊13會記錄正交解調任務W的任務狀態為
完成狀態，調度器15就會使就緒狀態中的固定目標對消任務X獲得CPU使用權。固定目標 對消任務乂釆用是二次對消法，其時知^表達為7(11)=^11)-2^11+1)+
x(n+2)。固定目標對消任務X執行完成之后，任務管理模塊13記錄固定目標對消任務B的 任務狀態為完成狀態，調度器15就會使就緒狀態中的動目標檢測任務Y獲得CPU使用權。 動目標檢測任務Y就是在固定對消處理后接一窄帶多普勒濾波器組，利用快速傅立葉變換 在頻域實現此濾波器組，覆蓋整個重復頻率的范圍，以達到動目標檢測的目的。動目標檢測 任務Y執行完成之后，任務管理模塊13記錄動目標檢測任務Y的任務狀態為完成狀態，調 度器15就會使就緒狀態中的恒虛警任務Z獲得CPU使用權。運用均值類恒虛警進行仿真， 實現方式為兩側單元平均選大，參考單元數為32，并通過自適應門限判決，將大于門限的點 輸出，小于等于門限的點置為零，得到最終處理的輸出結果。
最終處理的輸出結果再通過航空電子統一網絡仿真器20傳輸到座艙仿真器70進行顯 示。座艙仿真器70把檢測出來的動態目標在坐標軸上顯示出來。用戶在座艙仿真器70觀 察到動態目標，通過座艙仿真器70的指令發布模塊72選擇武器瞄準目標的指令，這個指 令通過航空電子統一網絡仿真器20封裝成消息，傳輸到外掛系統仿真器60后改變武器設 備的狀態。
監控顯示設備80對整個過程進行跟蹤，統計各階段的延遲時間并記錄CPU占有率、內 存占用率、網絡的鏈路占有率以及網絡吞吐率等指標。
權利要求
1、一種先進綜合式航空電子仿真系統，其特征在于，該仿真系統包括綜合核心處理仿真器、航空電子統一網絡仿真器、綜合射頻系統仿真器、綜合光電系統仿真器、綜合飛行器管理系統仿真器、外掛系統仿真器、座艙仿真器、監控顯示設備；其中綜合射頻系統仿真器、綜合光電系統仿真器、綜合飛行器管理系統仿真器、外掛系統仿真器實現對先進綜合航空電子系統設備的仿真，模擬機載設備的工作過程，產生系統的激勵信息；航空電子統一網絡仿真器與所述綜合射頻系統仿真器、綜合光電系統仿真器、綜合飛行器管理系統仿真器、外掛系統仿真器相連接，負責傳輸系統中的信息流，是各個設備之間通信的橋梁；綜合核心處理仿真器與所述航空電子統一網絡仿真器相連接，是一個多處理器系統，實現對接收數據的融合、接收任務的計算；座艙仿真器與所述航空電子統一網絡仿真器相連接，實現對飛機狀態的綜合顯示，并接收飛行員的控制指令；監控顯示設備與所述航空電子統一網絡仿真器相連接，以圖形化的形式對仿真過程進行顯示。
2、 根據權利要求1所述的一種先進綜合航空電子仿真系統，其特征在于，所述的航空電子 統一網絡仿真器包括網絡配置禾莫塊、發送處理禾莫塊、緩沖隊列模塊、路由轉發模塊、 接收處理模塊；航空電子統一網絡仿真器模擬了數據的網絡傳輸，即數據的封裝、緩存、 路由、轉發和拆裝過程；其中，所述網絡配置模塊，設定或選擇數據庫已有的網絡設備 數量種類、網絡的拓撲結構和系統參數，系統參數包括各設備的地址及路由策略，使已 選定的設備按一定形式的計算機網絡相連；所述發送處理模±央是將需要轉發的應用數據 按航空電子統一網絡協議分成一定長度的數據段，并加上含有目的地址和源地址信息的 幀頭、校驗碼、幀尾；所述緩沖隊列模塊在模擬到達數據交換設備內緩沖的數據包排隊 情況時，對時延敏感的流量制定較高的優先級，對沒有服務質量要求的流量制定較低的 優先級，按優先級的高低來排隊；所述的路由轉發模塊根據用戶提供的路由轉發策略或 者直接加載已有的路由轉發算法動態庫，通過檢査幀頭信息和査詢路由表，決定數據包 的輸出鏈路；數據包達到目的地后，接收處理模塊對數據包進行拆裝、排序和拼接，對 拼接后的數據進行校驗，從而得到最終的應用數據。
3、 根據權利要求1所述的一種先進綜合航空電子仿真系統，其特征在于，所述的綜合核心 處理仿真器包括處理器設備參數模塊、任務屬性參數模塊、任務管理模塊、劃分箅法 模型庫、調度算法模型庫、調度器；其中，所述處理器設備參數纟莫塊，基于用戶設定或 選擇數據庫已有的處理器設備參數和處理器設備個數，將設備參數和個數信息傳給調度器；劃分算法模型庫保存了各種劃分算法，該模型庫對各種算法模型進行統一管理；任 務屬性參數模塊基于用戶設定或選擇數據庫已有的任務，定義任務的屬性，并選擇劃分 算法模型庫中合適的劃分算法將所有任務劃分成適當的任務集，并將定義好的任務屬性傳給調度器；任務管理模塊以任務集為單位，對任務集中的任務狀態進行排隊，并將任 務的執行狀態傳輸給調度器；調度算法模型庫保存了各種調度箅法，該，莫型庫對各種調 度算法模型進行統一管理，模型的可替換性使系統方便地使用第三方提供的模型來提高 系統實時性；調度器接收處理器設備參數模塊、任務屬性參數模塊、任務管理模塊提供 的信息，并選擇調度算法禾莫型庫中的調度算法實現任務的調度和搶占切換，處理完成之 后，把計算的數據結果發送到航空電子統一網絡仿真器。
4、 根據權利要求3所述的一種先進綜合航空電子仿真系統，其特征在于，所述的任務屬性 包括任務的ID號，任務名稱，任務所在任務集的ID號，該任務的前驅任務，該任務 的后繼任務，任務的最大允許延遲，任務的計算量，執行任務所需的內存大小，任務所 訂購的消息序號。
5、 根據權利要求l所述的一種先進綜合航空電子仿真系統，其特征在于，所述的監控顯示 設備包括時鐘管理模塊、日志模塊、執行過程跟蹤模塊；其中，時鐘管理模塊實現在時 間軸上推進系統的運行，維護仿真時鐘；日志模塊記錄各個信息流的開始、結束，及在 設備之間的傳輸情況；執行過程跟蹤模塊對飛機上信息流的產生、傳輸、處理、顯示各 階段的延遲時間進行統計，記錄綜合核心處理仿真器CPU、內存的占用率、航空電子統 一網絡的鏈路占有率以及網絡吞吐率，并將以上統計結果以可視化的圖形顯示給用戶。
6、 根據權利要求l所述的一種先進綜合航空電子仿真系統，其特征在于，所述的座艙仿真 器包括綜合信息顯示l莫塊和指令發布模塊；其中，綜合信息顯示模塊實現對綜合核心處 理仿真器處理完成傳輸過來的數據的圖形化顯示；指令發布模塊模擬飛行員通過駕駛 桿、油門桿、中央控制面板、觸敏顯示鍵盤類裝置輸入控制指令，并抽象這些控制指令, 將其封裝成不同的消息。
7、 一種應用權利要求l所述的先進綜合式航空電子仿真系統的仿真方法，其特征在于，該 方法包括以下步驟第一步仿真系統初始化U)選擇需要仿真的系統仿真器并設定仿真時間從綜合射頻系統仿真器、綜合光電系統 仿真器、綜合飛行器管理系統仿真器、外掛系統仿真器中選擇仿真所需要的系統仿真器, 并設定好整個系統運行的仿真時間，仿真時鐘控制仿真時間的推進， 一旦設定的仿真時間到，則結束整個仿真系統的運行；(2)設定處理器設備參數設定或選擇數據庫已有的處理器設備參數和處理器設備個數， 處理器設備參數包括易失存儲器大小，非易失存儲器大小，CPU主頻，網卡互連速率, 網卡互連方式； (3) 定義任務集和任務屬性利用任務屬性參數模塊設定或選擇數據庫已有的任務，并定 義任務的屬性；每個任務的屬性包括任務的ID號，任務名稱，任務所在任務集的ID號， 該任務的前驅任務，該任務的后繼任務，任務的最大允許延遲，任務的計箅量，執行任 務所需的內存大小，任務所訂購的消息序號；并選擇劃分算法纟莫型庫中的劃分算法，將 所有任務劃分成相應的任務集；(4) 網絡配置用戶通過自定義網絡拓撲結構和網絡設備，使已選定的設備按一定形式的 計算機網絡相連，對于系統中的各項網絡參數從數據庫中進行設定或選擇，需要設定和選 擇的網絡參數主要有各設備的IP地址，同時對于路由器的路由策略也相應地進行設定；(5) 激活所選擇的系統仿真器根據各種選擇和設定的信息，把所選擇的系統仿真器調整到就緒狀態，準備運行；第二步信息產生所選擇的系統仿真器開始產生信息輸入，此時系統仿真器按既定的程序運行，周期性地產生信息輸入；第三步航空電子統一網絡仿真器進行信息傳輸航空電子統一網絡仿真器對輸入的信息進行傳輸，包括以下幾步 U)消息封裝將需要轉發的應用數據按網絡協議分成一定長度的數據段，并加上含有目 的地址和源地址信息的幀頭、校驗碼、幀尾；封裝好的消息屬性包括發送節點的IP地 址，目的節點的IP地址，消息內容，消息刷新率，消息開始時間，消息長度，消息類型，消息的最大允許延遲，消息序號；(2) 消息緩存模擬到達交換機、路由器等數據交換設備內緩沖的數據包排隊情況，根據 消息屬性中"消息的最大允許延遲"的值來進行排隊，值越小，優先級越高，最先進行處理；(3) 消息路由通過檢査幀頭信息和查詢路由表，決定數據包的輸出鏈路；(4) 消息接收接收處理模塊按照網絡協議取出數據包進行排序、拼接，得到最終的應用數 據，消息路由根據路由表將數據發送到相應的仿真器中，根據路由器轉發數據的目的地址 不同，消息接收分為三種情況1) 綜合核心處理仿真器接收消息，2) 座艙仿真器接收消息，3) 綜合射頻系統仿真器、綜合光電系統仿真器、綜合飛行器管理系統仿真器、外掛系 統仿真器接收消息；第四步綜合核心處理仿真器進行信息處理U)消息激活相應的任務每一個任務都包括"任務所訂購的消息序號"這個屬性，所以當 消息到達綜合核心處理仿真器時，如果這個消息的序號與任務所訂購的消息序號相匹配，就會激活相應的任務；(2) 任務移到就緒隊列任務被激活之后，就從等待隊列，移到就緒隊列；(3) 任務移到運行隊列根據用戶選擇的調度算法模型庫中的調度箅法，調度器選取就緒隊 列里的任務獲得CPU使用權，任務變成運行狀態，移到運行隊列；(4) 判斷任務是否執行完成根據調度策略，運行中的任務被搶占，則釋放CPU使用權，返 回等待隊列，此時任務沒有執行完成，任務在等待隊列中，當它所有的前驅任務執行完成 之后，并且獲得所需的內存資源，才由等待隊列變到就緒隊列，即回到(2)步繼續執行;(5) 任務移到完成隊列任務執行完成之后，移到完成隊列；(6) 判斷任務集的所有任務是否執行完成在完成隊列中査看是否任務集中的所有任務都已 經在完成隊列中，如果不是，則根據用戶選擇的調度算法模型庫中的調度算法，調度器選 取就緒隊列中的任務移到運行隊列，即回到(3)步繼續執行，直到任務集中的所有任務 都執行完成；任務集中的所有任務執行完成之后，把計算的數據結果，發送到航空電子統 一網絡仿真器，即回到第三步，航空電子統一網絡仿真器進行信息傳輸；第五步座艙仿真器顯示信息和發布指令(1) 在座艙仿真器中顯示信息座艙仿真器接收消息后，取出消息中的應用數據，并把應用數據在座艙仿真器中顯示出來；(2) 判斷是否需要發布指令部分任務集處理完成之后的結果在座艙仿真器顯示就行了 ，不再需要用戶發布指令，至此，信息一次產生的仿真過程結束，但由于信息是周期性產生的，所有又會有新的信息產生，即回到第二步，開始往下繼續執行；部分任務集處理完成 之后的結果在座艙仿真器顯示后，是必須要發布指令的，這種任務集就需要用戶發布一個 指令，這個指令通過航空電子統一網絡仿真器封裝成消息并迸行傳輸，即回到第三步，航 空電子統一 網絡仿真器進行信息傳輸；第六步綜合射頻系統仿真器、綜合光電系統仿真器、綜合飛行器管理系統仿真器、外掛系統仿真器根據消息改變狀態根據消息路由轉發的目的地址，相應的目的地址系統仿真器接收消息，并取出消息中所包含的指令，根據指令改變系統仿真器的相應狀態；整個仿真系統根據是否需要發布指令，按照兩種方式進行循環如果不需要用戶發布指令，則按照第一步->第二步->第三步->第四步->第三步->第五步->第二步循環運行，如 果需要用戶發布指令，則按照第一步->第二步->第三步->第四步->第三步->第五步->第三 步->第六步->第二步循環運行。
全文摘要
本發明提供一種先進綜合式航空電子仿真系統及其仿真方法，該系統中的綜合射頻系統仿真器、綜合光電系統仿真器、綜合飛行器管理系統仿真器、外掛系統仿真器模擬機載設備的工作過程，產生系統的激勵信息；而該系統中的航空電子統一網絡仿真器負責傳輸系統中的信息流，綜合核心處理仿真器實現對接收數據的融合、接收任務的計算，座艙仿真器實現對飛機狀態的綜合顯示，并接收飛行員的控制指令，監控顯示設備以圖形化的形式對仿真過程進行顯示。通過把這些分系統有機地組合在一起來模擬航電系統的運行過程，從而完成對航電系統的定量仿真分析。通過本發明可以仿真不同的機載網絡拓撲結構，因此本發明有很好的通用性。
文檔編號H04L12/26GK101382968SQ20081022431
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月17日 優先權日2008年10月17日
發明者立 周, 宋麗如, 李昕穎, 熊華鋼 申請人:北京航空航天大學