专利名称：一种基于hla的电磁轨道炮仿真系统及实现方法
技术领域：
本发明涉及计算机仿真技术领域，特别是涉及一种基于HLA的电磁轨道炮仿真系统及实现方法。
背景技术：
电磁轨道炮是采用电磁发射技术，利用洛伦兹力加速弹丸，使弹丸达到超高速的发射装置。由于其具有初速高、飞行时间短、能量释放易于控制等优点，因此具有重要的应用前景。在电磁轨道炮的研制和设计过程中，对电磁轨道炮进行仿真，可以缩短研制周期、 降低开发费用，减小实验风险，所以系统仿真是研究过程中的一项重要技术。电磁轨道炮分布式仿真是为了对电磁轨道炮发射过程复杂的物理现象进行充分研究，将仿真过程的控制、显示和分析等功能分配到不同的计算机上，以提高电磁轨道炮系统仿真的效率。分布式仿真的关键问题是解决多个仿真子系统的互操作问题。美国国防部于1995 年在其建模与仿真主计划中提出了高层体系结构技术(high level architecture，简称 HLA)，其主要目就的是希望通过提高仿真应用的互操作性和仿真资源的可重用性，来提高建立仿真系统的效率和仿真系统的效费比。HLA技术可将多个小型的仿真系统联合起来构建一个功能丰富的大型复杂仿真系统。分布交互仿真中，高层体系结构(HLA)标准已经被接受为国际仿真标准。视景仿真技术是在数值仿真的基础上，以图形和动画来表达数值仿真的过程和结果，它能够有效地将大量的、冗繁的数据用计算机图形技术显示在屏幕上，多角度的观察这些图像在整个过程中的变化。将视景技术用于电磁轨道炮系统仿真中，可以将电磁轨道炮的各个工作过程直观逼真的显示出来，给用户很强的沉浸感，加深对电磁轨道炮工作过程的认识。经查新，有关基于HLA的电磁轨道炮仿真系统及实现方法未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于HLA的电磁轨道炮仿真系统。该系统可以对电磁轨道炮的各个组成部件的状态变化从数据、曲线和视景多角度分析，对电磁轨道炮的发射过程、弹丸的飞行过程和击毁目标的过程等多个过程全景展示，支持了电磁轨道炮的系统分析。本发明的技术解决方案基于HLA的电磁轨道炮仿真系统，用于在HLA仿真标准基础上，实现电磁轨道炮仿真系统，包括仿真实体、仿真辅助分析工具、底层通信支持系统；所述的仿真实体，用以仿真电磁轨道炮工作过程和目标的运动过程；所述的仿真辅助分析工具，用以对电磁轨道炮和目标的仿真过程进行控制、显示、 分析、回放；所述的底层通信支持系统通过与RTI接口通信，实现仿真过程中的数据通信。
实施时，所述的仿真实体包括电磁轨道炮子系统和目标子系统，所述的电磁轨道炮子系统用以解算电磁轨道炮工作过程模型，并将电磁轨道炮工作状态信息发送给需要接收相应信息的子系统；所述的目标子系统用以解算目标运动模型，并将目标运动状态信息发送给需要接收相应信息的子系统。实施时，所述的仿真辅助分析工具包括仿真运行控制子系统和视景显示子系统， 所述的仿真运行控制子系统用以配置所述电磁轨道炮子系统、目标子系统及环境的初始参数，对仿真运行过程和仿真运行速度进行控制和调节；所述的视景显示子系统用以将电磁轨道炮及目标的运动状态的变化以视景的形式呈现。实施时，所述的仿真辅助分析工具还包括数据记录和回放子系统，所述的数据记录和回放子系统用以收集仿真运行过程中事件信息和状态信息，复现仿真运行过程。实施时，所述的仿真辅助分析工具还包括过程监视子系统，该过程监视子系统对仿真过程中电磁轨道炮、目标子系统发送的仿真数据进行同步接收，实时监视每个子系统在仿真系统中的运行状态。实施时，所述的视景显示子系统包括载入轨道炮和目标的三维实体模型及二维战场地形，动态显示战场态势。本发明的另一目的是提供一种基于HLA的电磁轨道炮仿真系统实现方法。为了达到上述目的，本发明提供一种基于HLA的电磁轨道炮仿真系统实现方法， 具体实施如下，包括(1)设置初始信息，包括定义电磁轨道炮仿真系统中各子系统及子系统间交互所需的对象类和交互类数据的数据结构，并以FED文件的形式保存，配置仿真子系统需要订购/发布的对象类、交互类，前瞻量等信息。创建电磁轨道炮仿真系统，发送初始参数给仿真实体；(2)解算电磁轨道炮的工作过程模型及目标运动模型；(3)仿真过程中将轨道炮组成部件的工作过程和目标、弹丸运动过程的状态信息以对象类形式传递给指定的子系统，当轨道炮中的电源开始和结束充/放电，弹丸出膛及目标被击中爆炸时，将事件信息以交互类形式传递给指定的子系统；视景显示子系统将轨道炮组成部件的工作过程和目标、弹丸的运动过程以视景的形式直观地显示；数据记录和回放子系统收集发送的各类数据，并存入数据文件；(4)整个仿真过程中，仿真运行控制子系统对仿真过程和仿真速度进行控制和调整，过程监视子系统对所有的事件、状态信息进行监视。(5)模型运行结束，轨道炮和目标子系统将注销自身实例，整个仿真系统销毁。(6)仿真结束后，根据研究的需要，数据记录和回放子系统能够复现仿真过程，进一步分析电磁轨道炮的工作特征。本发明与现有技术相比具有的有益成果(1)电磁轨道炮仿真系统体系结构基于HLA进行设计，实现了仿真支撑环境与仿真应用的分离。仿真系统设计时完全按照标准的接口规范设计，开发的各个仿真子系统可以与电磁轨道炮仿真系统进行无缝连接，使得本仿真系统具有较好的可移植性、可重用性和可扩展性。(2)基于HLA的电磁轨道炮仿真系统是集数字仿真和可视化仿真于一体的综合仿真系统，可以从数据、曲线和视景多角度展示电磁轨道炮的工作过程和结果，具备电磁轨道炮工作过程的全程演示和电磁轨道炮系统性能分析的两大特点，可以满足系统分析的不同需求。(3)基于HLA的电磁轨道炮仿真系统不仅可以模拟描述电磁轨道炮发射过程的内弹道过程，还可以仿真弹丸飞行的外弹道过程，反映了电磁轨道炮系统的弹道过程，为开展电磁轨道炮弹道深入、全面的研究奠定了基础。(4)基于HLA的电磁轨道炮仿真系统具有欠实时、实时和超实时三种仿真速度，可根据电磁轨道炮工作过程涉及的电源充电、电源放电和弹丸飞行等多个过程的特点，进行合理选择，实现对各个过程状态变化的充分细致研究。(5)基于HLA的电磁轨道炮仿真系统支持定制的二维、三维模型，包括电源、轨道、 弹丸、运动平台和目标等多种仿真实体模型及场景模型，载入轨道炮和目标的三维实体模型及二维战场地图，通过对场景中模型的驱动和控制，动态显示战场态势，产生具有强烈真实感的视觉效果。
图1为本发明基于HLA的电磁轨道炮仿真系统的组成结构图；图2为本发明基于HLA的电磁轨道炮仿真系统的过程监视子系统流程图；图3为本发明基于HLA的电磁轨道炮仿真系统的仿真运行控制子系统实现图；图4为本发明基于HLA的电磁轨道炮仿真系统的电磁轨道炮子系统实现图；图5为本发明基于HLA的电磁轨道炮仿真系统的目标子系统实现图；图6为本发明基于HLA的电磁轨道炮仿真系统的数据记录和回放子系统实现图7为本发明基于HLA的电磁轨道炮仿真系统的视景显示子系统实现图；图8为本发明基于HLA的电磁轨道炮仿真系统的系统实现流程图。
具体实施例方式为了使本发明的构造以及特点能够更好地被理解，以下将列举较佳实施例并结合附图进行详细说明。参阅图1，为本发明基于HLA的电磁轨道炮仿真系统的结构图，包括电磁轨道炮子系统、目标子系统、仿真运行控制子系统、过程监视子系统、数据记录和回放子系统及视景显示子系统。其中，电磁轨道炮子系统和目标子系统代表仿真过程中的仿真实体，仿真运行控制子系统、过程监视子系统、数据记录和回放子系统、视景显示子系统是为了对电磁轨道炮的工作过程充分详细的研究、分析开发的仿真辅助分析工具，各子系统可以分布到网络中的不同机器上。整个系统以HLA高层体系结构和RTI软总线为支撑技术，实现了子系统间的数据传输功能。电磁轨道炮子系统和目标子系统分别解算电磁轨道炮工作过程中各组成实体的模型和目标的运动过程，将状态信息和事件信息通过HLA接口和RTI软总线发送给辅助子系统。过程监视子系统对仿真实体发送的状态和事件信息同步接收并显示，实时监视仿真系统中各子系统的工作状态。仿真运行控制子系统有效控制电磁轨道炮的仿真过程，对仿真运行过程和速度进行合理控制和调节。视景显示子系统对电磁轨道炮的组成部件的工作状态和目标的运动状态进行二维和三维动态显示。数据记录和回放子系统完成仿
6真运行过程中事件信息和状态信息的收集，仿真结束后复现仿真过程，深入分析电磁轨道炮的性能。本发明的过程监视子系统实现方式如图2所示，首先，对过程监视子系统的基本信息进行配置，完成子系统的初始化，需要配置的基本信息包括仿真系统名称、子系统名称、FED文件路径及文件名、RTI路径、仿真推进步长和前瞻量。过程监视子系统判断电磁轨道炮仿真系统是否已经创建，如果没有，完成电磁轨道炮仿真系统创建，并作为第一个子系统加入。电磁轨道炮仿真系统运行过程中，各子系统是协调运行的，需要设置时间管理模式，使过程监视子系统按照一定的时间机制推进。为了对仿真过程中实体状态和重要事件的监视，需要进行对象类和交互类的订购。当完成信息的配置后，过程监视子系统发出时间推进请求，等待仿真开始。此后，其他子系统依次加入，通过过程监视子系统的监视界面可以监视到各个子系统的名称、主机名称、逻辑时间等信息。时间推进请求得到许可后，过程监视子系统与其他子系统向前协调推进，同时订购的各种对象类和交互类信息在对象类信息表和交互类信息表中显示出来，将重要的数据通过动态曲线显示。当仿真过程结束后，过程监视子系统退出电磁轨道炮仿真系统，如果是最后一个退出的子系统，需要销毁电磁轨道炮仿真系统。本发明的仿真运行控制子系统实现方式如图3所示，仿真运行控制子系统由四个模块组成，即人机交互模块、基本功能模块、模型参数管理模块和仿真运行控制模块。人机交互模块负责完成用户的操作，包括操作基本功能模块中的功能，控制仿真过程合理进行。 基本功能模块用于构建或销毁电磁轨道炮仿真系统，配置仿真运行控制子系统的基本信息，包括子系统名称、FED文件路径及文件名和仿真推进步长等信息，发布用于存储模型参数的交互类。模型参数管理模块将电磁轨道炮、目标和环境的参数以数据文件的形式进行有效管理。用户可以设置一组参数作为电磁轨道炮仿真的默认参数存储于文件中，也可以通过界面重新设置参数并保存在文件中，仿真开始时，基本功能模块发布这些参数对应的交互类，轨道炮和目标子系统订购它们。仿真运行控制模块对仿真运行过程和速度进行控制和调节。仿真过程控制包括仿真开始、暂停、继续和终止等功能，仿真过程中发现某个时刻的数据出现异常，需要暂停仿真过程，分析仿真数据，查找出现异常的原因，原因找到后， 仿真可以继续进行。仿真速度调整包括欠实时、实时和超实时三种仿真运行速度的调整， 电磁轨道炮的发射过程极短，状态变化剧烈，为了对发射过程详细分析，需要进行欠实时仿真。根据不同过程的特点和研究需要，需要对仿真速度进行合理调节。本发明的电磁轨道炮子系统实现方式如图4所示，电磁轨道炮子系统由四个模块组成，即人机交互模块、基本功能模块、模型解算模块和数据显示模块。人机交互模块负责与用户进行交互，响应用户的操作。用户操作包括操作基本功能模块中的功能，选择电磁轨道炮工作过程中的重要指标进行显示，改变图形背景，增强显示效果。基本功能模块用于构建或销毁电磁轨道炮仿真系统，配置电磁轨道炮子系统的基本信息，包括子系统名称、FED 文件路径及文件名、仿真推进步长等信息，发布/订购对象类和交互类，例如发布电磁轨道炮的电源、轨道和电枢等组件的对象类，订购仿真运行控制子系统发送的存储模型参数的交互类等。模型解算模块用于解算电磁轨道炮的整个工作过程模型，包括电源的充电过程模型，电磁轨道炮的发射过程模型和弹丸的飞行过程模型。首先通过HLA接口收到仿真运行控制子系统发送的模型参数，完成各个过程仿真所需参数的配置。仿真开始后，电源根据充电电源的输出功率和储能目标开始充电，当所有电源的电压达到期望的目标电压后，充电过程结束，准备发射。随后，电磁轨道炮开始发射，各个电源按照一定的时序放电，发射过程模型开始解算，当达到终止条件后，例如弹丸的位移超过炮管长度，发射过程结束，弹丸从电磁轨道炮的炮膛内射出，开始了飞行过程。弹丸的出膛速度是飞行时初始速度，根据外弹道模型，解算出弹丸位置、速度信息，当弹丸击中目标或地面后，仿真过程结束。整个仿真过程中，电磁轨道炮子系统不断的发送公布的对象类和交互类信息，其他子系统接收相应的信息。数据显示模块用于显示电磁轨道炮各组成实体的状态变化，状态以数据或曲线形式呈现。本发明的目标子系统实现方式如图5所示，目标子系统由三个模块组成，即人机交互模块、基本功能模块和模型解算模块。人机交互模块负责与用户进行交互，按照用户要求完成基本功能模块所要执行的操作。基本功能模块用于构建或销毁电磁轨道炮仿真系统，配置目标子系统的基本信息，包括子系统名称、FED文件路径及文件名、仿真推进步长和前瞻量等信息，发布/订购对象类和交互类，例如发布目标属性的对象类，订购仿真运行控制子系统发送的存储模型参数的交互类等。模型解算模块用于解算目标的运动模型，通过 HLA接口接收仿真运行控制子系统发送的模型参数，完成目标运动过程仿真所需参数的配置。仿真开始后，模型解算模块根据目标的运动过程，解算其速度、位置信息，并不断地发送公布的对象类和交互类信息，过程监视子系统、数据记录和回放子系统和视景显示子系统接收订购的对象类和交互类信息。本发明的数据记录和回放子系统实现方式如图6所示，数据记录和回放子系统由四个模块组成，即人机交互模块、基本功能模块、数据记录模块和数据回放模块。人机交互模块负责完成用户对基本功能模块中的功能操作，配置收集仿真过程中重要的事件信息和数据信息，仿真结束后对仿真过程回放。基本功能模块用于构建或销毁电磁轨道炮仿真系统，配置数据记录和回放子系统的基本信息，包括子系统名称、FED文件路径及文件名、仿真推进步长和前瞻量等信息，订购需要记录数据的对象类和交互类。数据记录模块对仿真运行过程中通过RTI传输的状态和事件信息进行收集与存储，对采集数据进行压缩保存， 并实时显示接收的数据包速率、数据量的大小及对象实例的记录状态。数据回放模块基于数据记录模块输出的数据记录文件实现对原有仿真过程的复现，可全部或部分回放仿真数据，对仿真回放过程和速度可进行控制和调节。本发明的视景显示子系统实现方式如图7所示，视景显示子系统由五个模块组成，即人机交互模块、基本功能模块、仿真数据模块、三维模型驱动模块和二维模型驱动模块。人机交互模块负责与用户进行交互，相应用户的操作。用户操作主要对电磁轨道炮的内弹道和外弹道过程场景的切换、战场态势显示及地图的缩放显示等。基本功能模块用于构建电磁轨道炮仿真系统，订购需要动态显示的对象类和交互类，设置显示界面的刷新时间， 保证仿真过程中画面的清晰流畅。仿真数据模块接收电磁轨道炮仿真系统中其他子系统发送的数据，包括对象类和交互类数据，并将得到的仿真数据解析成适当的数据结构，供三维模型驱动模块和二维模型驱动模块调用。二维模型驱动模块用于在显示界面上绘制电磁轨道炮的组成部件电源、电枢、轨道和电枢的二维模型，根据得到的相关仿真数据不断地更新各组件的显示状态，实现电磁轨道炮内弹道过程的各组件的二维显示。三维模型驱动模块利用纹理技术、消隐技术等构建弹丸、目标、地面等的三维模型，根据得到的数据对场景和弹丸、目标等模型渲染和驱动，实现仿真运行的三维视景显示。同时还可以根据人机交互模块的要求，对场景进行切换，例如对电磁轨道炮的内弹道过程场景和外弹道过程场景切换。本发明的系统实现流程图如图8所示，首先定义电磁轨道炮仿真系统中各子系统及子系统间交互所需的对象类和交互类数据的数据结构，并以FED文件的形式保存；配置电磁轨道炮仿真系统中各子系统的初始信息，包括仿真系统名称、子系统名称、FED文件路径及名称、RTI路径、仿真步长、需要订购/发布的对象类、需要订购/发布的交互类、前瞻量等，完成各子系统的初始化。由一个子系统创建电磁轨道炮仿真系统，并作为第一个子系统加入。其它子系统依次加入，构建成完整的电磁轨道炮仿真系统。然后，仿真运行控制子系统发送参数给电磁轨道炮和目标子系统，完成轨道炮和目标的参数配置。仿真运行控制子系统发出“仿真开始”命令，仿真过程随后开始；仿真运行过程中，电磁轨道炮和目标子系统分别解算轨道炮和目标的模型，将状态信息以对象类信息发送给其他子系统，当轨道炮中的电源开始和结束充/放电，弹丸出膛及目标被击中爆炸时，将事件信息以交互类信息的形式发送给其他子系统；过程监视子系统对电磁轨道炮和目标子系统发送的状态/事件信息同步接收和显示；视景显示子系统将轨道炮组成部件的工作过程和目标、弹丸的运动过程以视景的形式直观地显示；数据记录和回放子系统收集订购的各类数据，并以特定的格式存入数据文件，对仿真过程中的重要信息进行回放。仿真过程中，根据研究的需要，仿真运行控制子系统对仿真过程和仿真速度进行控制和调整；当电磁轨道炮和目标的模型解算达到终止条件后，电磁轨道炮的一次仿真过程结束。仿真结束后，如果需要对仿真过程进行深入详细的分析，利用数据记录和回放子系统复现仿真过程，进一步深入研究电磁轨道炮的工作特征。以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种基于HLA的电磁轨道炮仿真系统，其特征在于，包括仿真实体、仿真辅助分析工具、底层通信支持系统；所述的仿真实体，用以仿真电磁轨道炮工作过程和目标的运动过程；所述的仿真辅助分析工具，对电磁轨道炮和目标的仿真过程进行控制、显示、分析、回放；所述的底层通信支持系统，通过与RTI接口通信，实现仿真过程中的数据通信。
2.如权利要求1所述的基于HLA的电磁轨道炮仿真系统，其特征在于，所述的仿真实体包括电磁轨道炮子系统和目标子系统，所述的电磁轨道炮子系统用以解算电磁轨道炮工作过程模型，并将电磁轨道炮工作状态信息发送给需要接收相应信息的子系统；所述的目标子系统用以解算目标运动模型，并将目标运动状态信息发送给需要接收相应信息的子系统。
3.如权利要求1所述的基于HLA的电磁轨道炮仿真系统，其特征在于，所述的仿真辅助分析工具包括仿真运行控制子系统和视景显示子系统，所述的仿真运行控制子系统用以配置所述电磁轨道炮子系统、目标子系统及环境的初始参数，对仿真运行过程和仿真运行速度进行控制和调节；所述的视景显示子系统用以将电磁轨道炮及目标的运动状态的变化以视景的形式呈现。
4.如权利要求3所述的基于HLA的电磁轨道炮仿真系统，其特征在于，所述的仿真辅助分析工具还包括数据记录和回放子系统，所述的数据记录和回放子系统用以收集仿真运行过程中事件信息和状态信息，复现仿真运行过程。
5.如权利要求3所述的基于HLA的电磁轨道炮仿真系统，其特征在于，所述的仿真辅助分析工具还包括过程监视子系统，该过程监视子系统对仿真过程中电磁轨道炮、目标子系统发送的仿真数据进行同步接收，实时监视每个子系统在仿真系统中的运行状态。
6.根据权利要求3所述的一种基于HLA的电磁轨道炮仿真系统，其特征在于，所述的视景显示子系统包括载入轨道炮和目标的三维实体模型及二维战场地形，动态显示战场态势。
7.一种基于HLA的电磁轨道炮仿真系统实现方法，其特征在于，包括(1)设置初始信息，包括定义电磁轨道炮仿真系统中各子系统及子系统间交互所需的对象类和交互类数据的数据结构，并以FED文件的形式保存，配置仿真子系统需要订购/发布的对象类、交互类，前瞻量信息，创建电磁轨道炮仿真系统，发送初始参数给仿真实体；(2)解算电磁轨道炮的工作过程模型及目标运动模型；(3)仿真过程中，将轨道炮组成部件的工作过程和目标、弹丸运动过程的状态信息以对象类形式传递给指定的子系统，当轨道炮中的电源开始和结束充/放电，弹丸出膛及目标被击中爆炸时，将事件信息以交互类形式传递给指定的子系统；视景显示子系统将轨道炮组成部件的工作过程和目标、弹丸的运动过程以视景的形式直观地显示；数据记录和回放子系统收集发送的各类数据，并存入数据文件；(4)整个仿真过程中，对仿真过程和仿真速度进行控制和调整，过程监视子系统对所有的事件、状态信息进行监视；(5)模型运行结束，轨道炮和目标子系统将注销自身实例，整个仿真系统销毁；(6)仿真结束后，根据研究的需要，数据记录和回放子系统能够复现仿真过程，进一步分析电磁轨道炮的工作特征。
全文摘要
本发明涉及一种基于HLA的电磁轨道炮仿真系统及实现方法，包括电磁轨道炮、目标、仿真运行控制、过程监视、数据记录和回放及视景显示六个子系统。使用本发明方法建立的电磁轨道炮仿真系统可以对电磁轨道炮的各个组成部件的状态变化从数据、曲线和视景多角度分析，对电磁轨道炮的发射过程、弹丸的飞行过程和击毁目标的过程等多个过程全景展示，对仿真过程和速度进行合理控制与调节，支持了电磁轨道炮的系统分析。本发明可根据电磁轨道炮的研究任务和应用目的，通过配置不同的仿真子系统，实现不同用途的电磁轨道炮仿真系统，因而具有很强的可移植性、可重用性和可扩展性。
文档编号G05B17/02GK102298331SQ20111014544
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月1日 优先权日2011年6月1日
发明者方可, 李伟, 杨明, 王松艳, 胡玉伟, 霍炬, 马萍 申请人:哈尔滨工业大学