摘 要：设计了一种满足项目建设要求的分布式仿真方案，制定基于DIS协议的分布式演练接口协议和接口数据单元并规范座舱设备数据采集流程和数据协议以实现分布式实时网络通信，采用视频分割方法优化航电仪表界面仿真的多画面输出并结合工程实践解决QT绘制问题，为实现沉浸式声音系统仿真提出具体的实现方法。该设计方案通用性强，可用于多型飞机分队模拟训练系统研制，有效提升项目开发效率。

　　关键词：分队模拟训练；系统设计；飞行模拟器；分布式仿真

　　航空兵分队作为作战力量的核心组成部分，其战术训练水平直接关系到作战效能的发挥。随着军事技术的飞速发展和作战环境的日益复杂，传统的实装训练方式面临着诸多挑战，如成本高昂、训练安全风险高、训练场景受限等，航空兵分队训练模拟器通过高度逼真的虚拟环境和先进的仿真技术，为航空兵分队提供了一种高效、安全且多样化的训练手段[1]。

　　本文旨在设计一种基于分布式仿真的分队训练模拟系统，并结合建设实施过程中遇到的实际问题给出解决方案。首先，介绍了系统的整体架构设计，包括硬件平台搭建和系统功能；其次，重点研究分布式网络通信、航电仪表界面仿真和声音仿真系统设计；最后，通过实际的模拟器开发应用，验证设计方案的有效性和可行性。

一、系统设计

　　（一）总体结构功能

　　飞机分队模拟训练系统将多套人在回路[2]的半实物单机训练器互联，通过综合导控软件进行协调控制，设置单机训练器的红蓝白属性以实现各训练器之间的组网训练。根据训练科目和想定，可以完成单机训练器与计算机生成兵力（CGF）之间或多个单机训练器之间的战术战法演练及对抗训练，系统总体结构包括单机训练器、教控台、通信网络等。

　　单机训练器由模拟座舱、舱内设备、设备机柜和仿真计算机等软硬件构成，能够逼真模拟飞机的飞行性能和操纵品质特性、飞机所具有的综合航电武器系统功能画面和武器性能，为实现人在回路的模拟训练提供真实操作环境。



　　教控台包括计算机生成兵力、综合导控系统和；三维态势软件。为模拟器训练提供虚拟兵力，使用智能算法生成AI兵力[3]，提高人机博弈的对抗性；进行训练课目设置、战场环境设置等训练管理；实现仿真实体的航迹线、航迹线立柱效果、传感器范围等可视化展示。

　　网络通信完成各分系统之间数据的可靠交互以及时钟同步功能[4]。

　　（二）单机训练器结构功能

　　单机训练器是系统的核心，作为飞机的半实物模拟训练设备，除了模拟飞机座舱硬件设备外的外观和功能，还需要实现座舱数据采集、虚拟仪表仿真等，单机训练器的硬件架构如图1所示。

　　模拟座舱设计按照真实飞机的座舱1：1比例仿制，其外形结构和内部布局均按照飞机真实座舱模拟，从而正确模拟人员在座舱内的空间感觉。视景系统采用多屏拼接液晶显示，为模拟训练提供沉浸式视觉图像，同时完成电视制图像和红外仿真图像仿真；虚拟仪表和数据采集计算机将座舱采集设备获取的操纵量以及开关状态量等参数发布到主网络，接收指示灯等控制信号转发到下位机；飞行仿真软件模拟提供飞机的实时位置、速度、姿态等信息和告警信息；综合航电武器系统仿真实现诸如告警、综合态势、武器加载等仿真功能。

二、关键问题解决方案

　　（一）网络通信

　　飞机分队模拟训练系统的通信网络设计分为系统数据交换的主网络和模拟座舱内部设备构成的数据采集网络。

　　1.主网络通信

　　系统中飞机、导弹等仿真实体具有高速、高机动性的特点，仿真的实体位置、姿态等信息更新需要很高的实时性以满足视景显示、碰撞检测、毁伤评估等功能的要求，设计的仿真实体、座舱数据更新周期不大于10ms。当前分布式仿真体系架构主要有DIS[5]、HAL和DDS，HAL和DDS采用订阅发布通信机制，各自定义了一套标准的协议和接口规范，促进仿真互操作和重用，但在设计开发通信引擎时，技术难点多、开发难度大[6]。

　　考虑系统对实时性的要求以及工程实现的灵活性和高效性，保证数据的通用性和规范性，以DIS标准中规定的协议数据单元PDU为基础，并对PDU协议依据实际需求进行适应性改造，形成分布式演练接口协议DEIP（Distributed Exercise Interface Protocol），以及配套的接口数据单元IDU（Interface Data Unit），内容涵盖实体信息与交互、作战、仿真管理、无线电数据链通信等。IDU由报头和内容两大部分组成，为满足系统需求，定义报头见表1。

　　2.座舱设备通信

　　座舱内的仿制件按照位置和功能由多个座舱采集设备完成电门、按钮及传感器等的信号采集和控制。座舱采集设备与虚拟仪表和采集计算机（虚拟仪表和数据采集计算机）构成模拟座舱内子局域网络，采用千兆以太网通信，遵循UDP协议，采用点对点数据传输。采集设备与采集计算机之间数据通信的协议由指令头、数据和校验三部分组成。设备接收到指令后，无论操作是否成功都会返回一个指令结果用来告知主机执行的状态。指令头包含固定包头（BYTE），采集设备类型ID（2BYTE），操作类型（1BYTE）。

　　（二）航电仪表界面仿真

　　仿真的飞机座舱中含多块虚拟仪表显示器和多功能显示器[7]，常用的方法是每一个显示器具有一路视频源直接来至仿真计算机显卡输出端口，当有多个视频信号输出时，需要增加显卡的数量以增加输出端口数，同时，模拟座舱和仿真计算机在场地部署上有一定距离，需要多个视频连接线。考虑座舱显示器尺寸小、分辨率不高，将关联度紧密的多个画面绘制在一个软件的全幅画面中，由一个支持4K分辨率的显卡端口输出至一个视频分割器，使用视频分割器将全幅画面分割成多个画面并输出至座舱内的显示器，图2为6个画面的分割示意图。



　　基于QT实现航电仪表界面仿真，采用图元预创建、属性实时更新的方法减少画面卡顿；充分应用多线程技术完成火控、毁伤评估等模型的解算任务，实现模型和界面显示的解耦；使用QT提供的QPixmap类，首先将自定义图元使用DrawPixmap进行绘制，之后对绘制的文字位图进行旋转，解决文字旋转时跳动。

　　（三）声音仿真系统

　　声音是沉浸式环境仿真和机组人员通信模拟的重要内容。分队模拟训练系统需要模拟的声音有飞行人员在座舱中可以听到的环境噪音，如发动机声、气流声、爆炸声等；飞行人员可听到的各种机载设备提示告警音。对于这两种类型声音的模拟，录制了对应的音频文件，建立声音库。

　　为了模拟飞行人员利用机载无线电设备进行机内话音通讯，根据训练分组需求实现多人语音对讲和分组对话，同时实现话音与环境音和告警音的混音。采用音频矩阵控制方式，系统配置了2个Extron DMP 128C数字音频矩阵处理器，每个支持12路输入8路输出，可将所有输入都独立地路由至任意或所有输出，并可扩展Dante音频网络通信功能。



三、应用实例

　　系统基于分布式演练接口协议DEIP将各个子系统互联，实现实时数据通信。依据该设计方案已完成了相关分队模拟训练系统研制，不同机型的需求有所变化，但硬件系统总体构成、软件子系统分类、系统开发资源等具有很强的互用性，图3为综合导控系统的界面。



四、结语

　　飞机分队级模拟训练系统相较于以往的单机训练器相比，更注重多个单机训练器之间的协同训练，需要更多的训练设备、数据通信带宽和场地需求。本文设计的分队模拟训练系统方案在类似系统设计方法和技术的基础上，重点研究了实时系统通信、航电武器系统的仪表界面仿真和声音系统仿真实现。结合对多型号飞机分队模拟训练系统的需求，设计一种兼具工程实现性、通用性、经济性的模块化设计方案，可以支撑不同型号飞机分队模拟训练系统的快速开发，具有较强的工程应用价值。交付设备功能性能指标满足设计要求并得到参训人员的认可。

参考文献

　　[1] Saastamoinen K ,Maunula K.Usefulness of flight simulator as a part of military pilots training – case study:Grob G 115E[J]. Procedia Computer Science,2021,192:1670-1676.

　　[2] 董志明，朱广超，徐享忠，等.“人在回路”合成训练仿真总体设计及关键技术研究[J].系统仿真学报，2021，33（6）：1248-1257.

　　[3] 付宇鹏，邓向阳，何明，等. 基于强化学习的固定翼飞机姿态控制方法[J].控制与决策，2023，38（9）：2505-2510.

　　[4] 张兵强，方伟，王萌. 飞行模拟器异地联网训练中的同步仿真方法研究[J].计算机应用与软件，2022，39（9）：113-120.

　　[5] 邱志明，李恒，周玉芳, 等. 模拟仿真技术及其在训练领域的应用综述[J].系统仿真学报，2023，35（6）：1131-1143.

　　[6] 田树森，刘继光，张云雷，等. 面向雷达分队指挥训练的分布式仿真系统架构研究[J].舰船电子工程，2024，44（4）：67-70.

　　[7] 吴华兴，鲁艺，黄伟. 基于多型航电系统的显控界面仿真[J].系统仿真学报，2009，21（23）：7456-7459.

　　【基金项目：国家自然科学基金（91538201）】

　　（作者简介：余应福，海军航空大学讲师，硕士研究生，研究方向为信息系统仿真；方君，通信作者，海军航空大学副教授，博士，研究方向为信息系统仿真；张兵强，海军航空大学）