刘金月,龚鹏,杨昊伟,李慧博,唐飞喜,高翔

(北京理工大学 机电学院,北京 100081)

0 引言

随着网络通信技术的不断发展,信息化已成为现代战争的主要特征之一[1-2]。网络化弹药是信息化作战背景下提出的一种新型武器概念[3-4],其将多类型弹药基于组网通讯组成整体作战群[5],可通过多平台、多方式投放至作战区域,由指挥控制中心进行任务规划、协同控制,各作战节点利用通信网络实现信息资源共享,依据所长分工协作,共同完成对目标的智能探测、识别跟踪、精准打击和高效毁伤[6]。网络化弹药通过各作战节点间信息的高度共享、任务的有效整合和系统内资源的优化调度[5],显著地增强了弹药的战场态势感知能力、多种目标自适应打击能力和持续区域控制能力,其作战效费比远高于传统弹药[7]。因此,对网络化弹药进行相关研究具有重要战略意义。

测试验证是武器装备研发过程中的重要环节之一,该环节不仅要考核所研装备的性能指标,还要从测量战技性能参数准确性、测试结果分析科学性、测试成本经济性等角度进行多方面考量,避免实验与测试成为阻碍武器装备发展和实战应用的瓶颈。网络化弹药相比于常规弹药技术难度大、研制成本高,其对测试验证方法准确性、可靠性以及经济性的要求也更高。因此,探索适用于网络化弹药的测试验证技术,搭建可对其进行高效、可信、经济测试的实验平台,成为网络化弹药相关研究面临的一大机遇和挑战。

武器装备的测试方法通常分为实物验证、计算机仿真和半实物仿真法。文献[8]针对智能弹药的发展特点总结了其靶场实验测试的需求,分析了国内外靶场测试的差距,指出了智能弹药靶场测试在远程弹道测量能力、飞行姿态测量能力、靶场半实物仿真测试能力和终点子母弹弹道测量能力等方面存在的问题,并提供了解决思路。但是网络化弹药规模大、节点多,采用靶场测试的实物验证法只能对少量节点进行验证,不便于对其网络化工作特性的研究。而搭建全尺度的实物实验平台,通常又要面临成本过高、实验场地受限等问题。文献[3]强调小子样实验技术将是未来网络化巡飞攻击弹药鉴定实验的发展必然趋势,必须发展可代替靶场测试的低成本鉴定方法。除此之外,网络化弹药的设计开发过程通常需要进行大量的重复性实验,而靶场测试法可重复性较差,无法满足网络化弹药的重复测试需求。因此,实物测试法并不适用于网络化弹药的研究测试工作。相比之下,计算机仿真法通过软件平台搭建网络仿真模型,配置仿真场景灵活,统计网络性能便捷,更适用于网络化弹药的测试研究工作[9]。文献[10]将现有仿真技术和工程实验相结合,对比分析了我国图像制导、激光制导、毫米波制导和组合导航等不同制导体制网络化弹药在仿真技术、方法和设备等方面与国外先进水平间的差距,为我国网络化弹药仿真技术的发展提供参考方向。但是,纯数字/计算机仿真法无法对原理样机进行测试,样机互用性、兼容性及可扩展性的验证成为难点问题,而且计算机仿真法在系统模型搭建过程中,通常会对实物设备进行一定程度的简化,这也可能导致忽略了某些重要的系统特性而给实际应用带来问题[11]。因此,相比于实物法和计算机仿真法,半实物仿真法更适用于网络化弹药的研究工作。半实物仿真法,即硬件在回路仿真(HILS)[12]将硬件与仿真相结合,不仅在经济性、可重复性、安全性等方面优势突出[13-14],而且解决了复杂系统建模的难题,保证了仿真的真实性和精确性,在军事领域受到了高度重视[15-18]。文献[19]基于半实物仿真技术,搭建了空间攻防对抗仿真平台,但该平台仿真场景仅能在仿真开始前通过配置仿真文件进行改变,未能实现仿真过程中的动态控制。因此,半实物仿真法在网络化弹药的动态测试研究工作中具有广泛的应用前景[20-21]。

为解决网络化弹药靶场实弹测试成本高、可重复性差等问题,本文提出一种网络化弹药起爆控制半实物仿真测试系统架构。基于QualNet仿真平台,结合网络化弹药起爆控制工作流程和数据传输链路,开发了网络化弹药安全系统状态运行监控软件,并设计了可实现实物节点与仿真网络数据交互的半实物数据交互接口(RVIP),以及安全系统状态运行监控软件和安全与起爆控制模块间的通信协议。用户通过操作监控软件,可实现对网络化弹药节点安全与解保状态的双向切换、多模战斗部起爆控制及节点状态信息获取。该网络化弹药半实物仿真测试方法能够在保证仿真精度的同时,将实物设备和训练人员接入到仿真网络,有效降低网络化弹药测试成本,提高装备研制效率,为大规模网络化弹药验证与测试技术的发展提供了借鉴思路。

1 网络化弹药半实物仿真测试系统架构

半实物仿真系统包含软件模块和硬件模块[22],仿真系统通过两类模块的交互协作共同实现预期仿真目标。基于半实物仿真系统模块类型,本文针对网络化弹药测试需求提出了图1所示测试系统架构。

图1 网络化弹药半实物仿真测试系统架构Fig.1 Hardware-in-the-loop simulation test system architecture for networked munitions

由图1可见,该测试系统分为4个模块：仿真模块、安全系统状态运行监控模块、安全与起爆控制模块及通讯模块,其中仿真模块和安全系统状态运行监控模块属软件模块,安全与起爆控制模块和通讯模块属硬件模块。上述模块组成的测试系统可实时控制、显示网络化弹药群中选定节点的状态,为网络化弹药功能与性能测试提供可靠依据。

网络化弹药测试系统中各模块的功能介绍如下：

1) 仿真模块,该模块基于QualNet仿真平台完成网络化弹药组网模型搭建及场景配置。仿真模块支持节点多种网络拓扑结构部署及航迹规划;支持信号传播衰减模型、信噪干扰模型、无线信号传播模型及气候、地形等环境条件的设置;支持弹药自组网络网络协议配置,并针对传输层、网络层等各层提供了多种典型协议,同时支持用户根据实际需求进行网络协议自定义。除此之外,本文在仿真模块内设计并实现了半实物仿真数据交互接口,用以实现实物设备与仿真模块内仿真网络间的信息交互。仿真运行过程中,仿真模块可接收来自安全系统状态运行监控模块的指令,将其转发给弹药节点,还可将各节点回传的状态信息发送给安全系统状态运行监控模块,实现信息资源共享。

2) 安全系统状态运行监控模块,该模块可分为动态控制和实时监测两个子模块,其中动态控制子模块为人在回路提供接口,实时监测子模块则可实现战场节点回传信息的展示。动态控制子模块将作战人员对弹药节点的控制指令按协议规则打包并通过网口发送至QualNet仿真平台,经仿真网络转发后,送达至对应的安全与起爆控制模块,实现对弹药节点的动态控制。控制类型包括三级保险的解除与恢复、自毁、自失能、自失效及针对轻装甲、重装甲和集群软目标3种目标类型的毁伤。实时监测子模块可动态获取指定弹药节点的状态信息,包括设备状态、自检状态、三级保险状态、三通道的储能电压、高压建立完成情况和升压报错信息。安全系统状态运行监控模块通过人机交互不仅实现了对网络化弹药节点的实时控制,且满足了作战人员的培训演练需求;通过对弹药节点状态信息的显示,为了解战场状况,做出进一步的决策部署提供了参考信息。

3) 安全与起爆控制模块,该模块具有简化的安全逻辑控制电路、多个独立的高压能量聚集单元及发火子模块。安全与起爆控制模块通过开关量控制,模拟电子安全系统一级、二级保险的解除条件;其他控制指令则由安全系统状态运行监控模块下达,安全与起爆控制模块接收到后可对其进行解析,实现电子安全系统的远距离保险解除、安全状态恢复及多通道多模式起爆功能;该模块还可回传自身状态信息,保证指挥中心战时对全局态势信息的掌控。安全与起爆控制模块作为实物模块接入测试系统,避免了复杂模型的构造,且满足了原理样机功能及性能的测试验证需求。

4) 通讯模块,该模块基于电台实现了各模块间的无线通讯。通讯模块具备多种接口,可实现3种数据类型转换：射频(RF)转422串口模式、网口转422串口模式及网口转RF模式;同时,拥有10种加解密模式,处于同一加密模式下的电台才可进行数据通讯。通讯模块通过不同的数据转换模式实现了测试系统间各模块的无障碍交互,模拟了网络化弹药实际应用中的无线通讯场景,同时通过加解密模式为数据提供了安全的网络传输环境。

2 半实物交互接口设计

2.1 接口结构设计

本文设计了一种低复杂度的RVIP作为连接真实网络和仿真网络的纽带。RVIP结构示意图如图2所示,节点A为实物节点,节点A′为实物节点A在仿真网络中的映射,又称影子节点。实物节点A与影子节点A′形成一对映射关系,A的有线网卡eth0与A′的无线网卡wlan0则形成一对RVIP。本文将eth0命名为RVIP-Real,将wlan0命名为RVIP-Virtual,二者的IP地址、MAC地址相同。仿真服务器的实物网卡eth1为真实网络和QualNet仿真平台的连接桥梁(eth1也可由交换机代替),将其称之为RVIP的桥接端口(RVIP-Bridge)。基于上述接口结构,当RVIP-Real发送真实数据包时,RVIP-Virtual也会发送相同含义的虚拟数据包;反之,当RVIP-Virtual接收到仿真网络中其他节点发送的虚拟数据包时,RVIP-Real也会接收到相同含义的真实数据包。通过RVIP,真实网卡和虚拟网卡实现了网络行为上的一致性。

图2 RVIP接口示意图Fig.2 Schematic diagram of RVIP interface

2.2 接口工作流程

真实网络和仿真网络数据交互主要依赖于以下3个模块：数据包抓取、数据包转换和数据包构建。当实物设备RVIP-Real发出真实数据包时,RVIP通过数据包抓取模块该数据包进行实时抓取;之后,将抓取到的真实数据包通过数据包转换模块转换为仿真网络可识别和处理的虚拟数据包并发送到仿真网络中;此后,该数据包的生命周期交由QualNet仿真平台管理。类似,当RVIP-Virtual收到其他虚拟节点发来的虚拟数据包时,在链路层不再将其交给上层协议,而是通过数据包构建模块将其构建成真实数据包,发给对应的RVIP-Real。RVIP的详细工作流程如下。

2.2.1 初始配置

首先,将实物节点与仿真服务器通过路由器相连,并将仿真服务器的路由转发功能和路由重定向功能关闭,防止安全与起爆控制模块和安全系统状态运行监控软件间的交互数据未进入仿真网络便直接被仿真服务器转发。除此之外,还要对实物节点的路由表进行配置,使实物节点间的通信必须经过仿真服务器的转发才能进行。然后,在QualNet仿真平台中搭建仿真场景,并在其配置文件中加入配置信息,配置信息格式如下：

REAL YES

[NODE ID] REAL-INTERFACE[INTERFACE ID] eth1

[NODE ID] REAL-LEVEL[INTERFACE ID] 1

其中：REAL YES表示该场景配有RVIP;NODE ID则代表节点号,INTERFACE ID代表节点的端口号,该部分配置信息声明了该节点该端口为RVIP-Virtual;eth1则指明了仿真网络同真实网络的连接端口(仿真服务器网卡);REAL-LEVEL代表接口的工作模式,1代表隧道模式,2代表解析模式。隧道模式下,真实数据包对仿真网络不透明,虚拟节点不能对该数据包中的各字段进行解析和识别,而解析模式则支持仿真网络对数据包进行解析,真正实现了实物节点和虚拟节点在协议层上的交互。最后运行仿真场景,QualNet仿真平台读取配置信息,进行初始化工作。初始化结束后,每对RVIP都具有 1个 libnet句柄、1个libpcap句柄和1个libpcap缓存,其中libnet句柄属于数据包构建模块,负责真实数据包的构建与发送;libpcap句柄属于数据抓取模块,负责实现对libpcap缓存中数据包的读取和过滤。

2.2.2 数据包注入仿真网络

数据包抓取模块工作示意图如图3所示。仿真开始后,QualNet仿真平台处于实时工作状态,以保证仿真网络和仿真服务器真实网卡(eth1)的时间同步。实物节点真实网卡eth0(RVIP-Real)发出的数据包,经eth1和libpcap过滤器过滤后,被存放在该对RVIP对应的libpcap缓存中。QualNet仿真平台开启一个超时周期为T(默认设置为1 ms)的定时器,每过一个周期T,QualNet仿真平台遍历一次存放所有RVIP对的链表,依次调用每对RVIP的 libpacp句柄,读出libpcap缓存中的全部数据包。数据包被读取后,将被构建成虚拟数据包,之后该虚拟数据包被插入到对应RVIP-Virtual的MAC层发送缓存中,最后在仿真网络中到达目的节点。

图3 数据包注入仿真网络Fig.3 Date packet injection into the simulation network

2.2.3 数据包导出仿真网络

在仿真网络中,当RVIP-Virtual接收到虚拟数据包时,在链路层对其进行拦截,不再将其上交给该节点的上层协议,而是调用相应的libnet句柄,依据该虚拟数据包构建真实数据包,并将构建的真实数据包通过RVIP-Bridge发给RVIP-Real。接收到该真实数据包的实物节点可以对其进行识别和处理。

2.3 核心数据结构

仿真开始后,QualNet仿真平台将根据配置文件生成一个RealData型变量,用于记录RVIP的配置情况和接口时延统计信息,RealData结构体具体如下：

struct RealData

{

int rvipNumber;

rvipType rvipData[MAX_RVIP]

clocktype avgReceiveDelayInterval;

clocktype maxReceiveDelayInterval;

clocktype lastReceiveTime;

}

其中：rvipNumber用于记录此次仿真中配置的RVIP对数量;rvipData[ ]数组用于记录每对RVIP的详细情况;avgReceiveDelayInterval则代表所有RVIP对的平均接入时延;maxReceiveDelayInterval代表最大接入时延;lastReceiveTime则为最近一次数据接收时间。通过上述3个clocktype型变量,可以便捷地对半实物接口时延性能进行统计和评估。

上述用于记录RVIP对的数组rvipData[ ],其数据类型为自定义的rvipType结构。在QualNet仿真平台中,每对RVIP都有一个rvipType型的变量与之对应,其结构体具体定义如下：

typedef struct rvipType

{

NodeId nodeId;

int interfaceId;

charifName[DEVICE_STRING_LENGTH];

char ipAddr[IPORMAC_ADDRESS_LENGTH];

char macAddr[IPORMAC_ADDRESS_LENGTH];

Pcap_t *handle;

int level;

}

其中：nodeId为该RVIP对影子节点的节点号;interfaceId为RVIP-Virtual在影子节点上的端口号;ifName表示RVIP-Bridge的名字;ipAddr为该RVIP的IP地址;macAddr为该RVIP的MAC地址(注：RVIP-Real和RVIP-Virtual的IP地址和MAC地址应相同);handle中存放了该RVIP的libpcap句柄;level表示接口的工作模式。

3 安全系统状态运行监控软件设计

本文基于Qt平台设计并实现了网络化弹药安全系统状态运行监控软件,该软件分为动态控制、实时监测和状态信息打印3个模块,可依托上述半实物交互接口实现与仿真模块的信息交互。

3.1 软件界面设计

3.1.1 动态控制模块

动态控制模块可对网络中的弹药节点进行实时动态干预,其界面效果图如图4所示。输入所选弹药节点的IP地址、端口号和搭载电台号后,点击开始按钮启动软件。选择A、B、C三通道,点击“解除3级保险”按钮可对该弹药节点进行远程解保;若点击“恢复3级保险”则对该节点进行自失能。解保后,选择A通道,点击远程起爆,可实现对重装甲目标的毁伤;类似,选择B通道实现轻装甲目标毁伤,选择C通道实现集群软目标毁伤;同时选择A、B、C三通道,点击“远程起爆”则可实现自毁功能。除此之外,为了便于实验室进行实验,软件还设置了“恢复远程起爆”按钮,可将安全与起爆控制模块恢复到起爆前状态,以进行多次测试。勾选“测试帧”选框,此后发送的每组命令帧中,会存在一帧随机错误,可用于对安全与起爆控制模块的容错率测试。在发送上述指令时,会在“连续发送”处显示已连续发送该指令的帧计数,便于排查是否因漏发指令帧造成安全与起爆控制模块响应异常。

图4 动态控制模块界面效果图Fig.4 Interface rendering of dynamic control module

3.1.2 实时监测模块

实时监测模块的主要功能是展示网络中选定弹药节点的实时状态,其界面效果图如图5所示。当动态控制模块选定弹药节点开启软件后,实时监测模块将不断查询更新节点信息,信息包括：该节点回传的数据帧计数、设备状态、自检状态、三级保险解除情况、三通道的实时储能电压、高压建立情况及升压报错情况。

图5 实时监测模块界面效果图Fig.5 Interface rendering of real-time monitoring module

3.1.3 状态信息打印模块

状态信息打印模块负责打印工作过程中的提示信息,以为用户提供参考依据,便于实验测试和实际使用,如提示用户按照规则选择弹药节点、打印指令发送成功反馈信息、进行容错率测试时,该模块还会打印所发送的指令帧,以便观察错误帧的错误情况。状态信息打印模块界面效果图如图6所示。

图6 状态信息打印模块界面效果图Fig.6 Interface rendering of status information printing module

3.2 交互报文设计

3.2.1 控制报文

控制报文由网络化弹药安全系统状态运行监控软件的动态控制模块发送,由安全与起爆控制模块接收,安全与起爆控制模块每收到一个控制报文,便回复一个包含该节点状态信息的应答报文。控制报文的报文格式及含义定义(见表1)为：

表1 控制报文格式及含义Table 1 Control message format and meaning

1)控制报文长度设置为10 B,帧头为EB90;和校验码计算第1～8 B(包括帧头)共计8 B。

2)CNT：帧计数,当发送的控制指令被正确接收时,帧计数连续递增,00～FF循环计数。

3)指令码及其含义：

①00,查询,动态控制模块无控制指令需要发送时,每隔一定周期自动向安全与起爆控制模块发送查询指令,安全与起爆控制模块回复自身状态信息。

②D1,解除3级保险,发送10帧且帧计数连续有效。

③D2,恢复3级保险,发送3帧且帧计数连续有效。

④5C,远程起爆,发送10帧且帧计数连续有效。

⑤6D,恢复远程起爆,发送3帧且帧计数连续有效。

4)电台号：受控节点所搭载的电台编号。

5)通道号：只在解除3级保险及远程起爆指令中起作用,“00000111”低三位分别对应ABC通道;查询、恢复3级保险和恢复远程起爆指令中设置为“00000000”。

3.2.2 回复报文

回复报文由安全与起爆控制模块发送,由安全系统状态运行监控软件的实时监测模块接收。报文格式及含义定义(见表2)为：

表2 回复报文格式及含义Table 2 Reply message format and meaning

1)回复报文长度为16 B,帧头为AA55,和校验码计算从第1～第14 B(包括帧头)共计14 B。

2)CNT：帧计数,00～FF循环计数。

3)A、B、C通道储能电压：通过比例换算即可获得。

4)状态字0、1、2的格式及含义分别如表3、表4、表5所示。

表3 状态字0格式及含义Table 3 Status word 0 format and meaning

表4 状态字1格式及含义Table 4 Status word 1 format and meaning

表5 状态字2格式及含义Table 5 Status word 2 format and meaning

4 实验与测试

4.1 测试场景配置

网络化弹药半实物仿真测试系统架构如图7所示,实物图如图8所示。测试系统主要设备包括2台计算机、2部无线通讯电台、2个安全控制与起爆模块及6个起爆点模块。其中,2台计算机与2部电台皆连接在同一台路由器上：计算机1作为仿真服务器,运行QualNet仿真模块;计算机2模拟指挥控制中心,安装安全系统状态运行监控软件;通讯电台负责实现指挥控制中心和安全与起爆控制模块的信息交互。每台安全与起爆控制机构负载3个起爆点模块,示波器通过高压探头实时检测起爆点电压。

图7 测试系统设备连接示意图Fig.7 Schematic diagram of equipment connection of the test system

图8 测试系统设备实物图Fig.8 Photo of test system equipment

仿真服务器上基于QualNet仿真平台设计搭建的仿真场景如图9所示。网络化弹药仿真场景节点说明如下：1号节点与计算机1互为一对RVIP;2、3号节点为影子弹药节点,分别与1、2号安全与起爆控制模块互为一对RVIP;4～18号节点为虚拟弹药节点。

图9 基于QualNet仿真平台的网络化弹药仿真场景Fig.9 Networked munitions simulation scene based on QualNet

设备连接完成后,修改两台计算机的路由信息,使得指挥控制中心与无线电台的通讯不能直接进行,而是必须经由仿真服务器的仿真网络路由转发;设置无线电台处于同一加密模式下,保证通信正常且安全;在场景配置文件中进行RVIP配置,具体方法如2.2节所述。

4.2 功能测试

运行4.1节的网络化弹药仿真场景,在网络化弹药安全系统状态运行监控软件中输入2号安全与起爆控制模块所搭载的电台IP地址、端口号及电台号,点击开始按钮启动软件。选择A、B、C三通道,发送解除3级保险指令。观测到QualNet仿真场景中数据流向如图10所示,数据包从1号指挥控制中心流向3号弹药影子节点,即2号安全与起爆控制模块在场景中的映射节点。

通过网络化弹药安全系统状态运行监控软件监测到的受控节点信息如图11所示,状态信息打印模块提示“解除3级保险指令发送成功”,节点三级保险状态由“未解除”变为“已解除”,三通道电压由0 V快速上升至1 200 V±100 V范围内,三通道高压建立已完成,未出现异常。

图11 解除3级保险实验结果图Fig.11 Result of grade 3 arming experiment

同时通过示波器高压探头探测到,2号安全与起爆控制模块负载的某起爆点电压如图12所示,该处电压在141 ms时间内迅速上升并最终稳定在1 120 V左右,与网络化弹药系统监控软件所得结论一致。

图12 解除3级保险实验示波器响应曲线图Fig.12 Response curve of oscilloscope for grade 3 arming experiment

继续选择A、B、C三通道,发送远程起爆指令。通过安全系统状态运行监控软件观测到实验结果如图13所示,状态信息打印模块提示“远程起爆指令发送成功”,三通道电压下降为0 V,三通道高压建立状态为“未完成”。

图13 远程起爆实验结果Fig.13 Result of remote detonation experiment

同时通过示波器观测到某起爆点电压如图14所示,该通道电压瞬间下降为0 V,与网络化弹药系统监控软件所得结论一致。

图14 远程起爆实验示波器响应曲线Fig.14 Response curve of oscilloscope for remote initiation experiment

实验结果表明,安全系统状态运行监控软件下达的控制指令,可由仿真模块正确转发至安全与起爆控制模块,安全与起爆控制模块接收后可正常响应,且其状态信息可由监控软件实时监测,验证了安全系统状态运行监控软件的监控功能,同时也证明了所设计半实物仿真测试系统的有效性。

4.3 接口时延测试

RVIP的交互时延是保障网络化弹药半实物仿真实时性和有效性的重要指标之一。本文对半实物接口进行了50次交互时延测试,实验结果如图15所示,其最大接口时延约为0.64 ms,平均延时约为0.492 ms。半实物数据接口在半实物仿真测试过程中产生的延时在可接受范围内,具有良好的交互实时性。

图15 安全系统状态运行监控模型交互时延Fig.15 Interaction delay of safety system state monitoring model

5 结论

本文针对网络化弹药研究测试成本高、可重复性差等问题,提出一种基于QualNet仿真平台的网络化弹药起爆控制半实物仿真测试系统,开发了安全系统状态运行监控软件及RVIP,通过对安全系统状态运行监控软件监控功能的测试证明了系统的有效性。得出以下主要结论：

1) 本文提出的安全系统状态运行监控软件可实现对弹药节点的控制和监测。

2) 本文设计的RVIP、安全系统状态运行监控模型实时性强,对用户体验影响极小。

3) 本文提出的基于QualNet仿真平台的网络化弹药动态控制半实物仿真测试架构具有很强的可行性,有效地降低了网络化弹药的测试成本,能够为网络化弹药的研究和测试工作提供有力的技术支撑。