基于Exata的航空数据链半实物仿真应用研究

基于Exata 的航空数据链半实物仿真应用研究

张伟龙1，吕 娜1，王 安1，段 荣1，李 媛2

【摘 要】摘 要:为了更真实地仿真分析航空数据链系统性能，基于Exata仿真框架引入半实物仿真思想，结合航空数据链系统，设计开发了契合战场环境的数据链半实物仿真平台。通过分析Exata的各层模型将其与数据链系统进行模型映射，在此基础上利用实装或VC应用程序的接入，建立数据链半实物底层模型，得到上层所需要的数据，实现航空数据链系统的半实物仿真。仿真结果表明，基于Exata建立的半实物仿真平台能够高效模拟航空数据链系统以及作战场景，并对其性能进行验证，为信息化设备的技术研究提供了系统性试验平台，所建立的系统平台具有较高的可信度和较强的灵活性。 【期刊名称】重庆邮电大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2015(027)001 【总页数】7

【关键词】关键词:航空数据链;半实物仿真;Exata

0 引言

航空数据链在现代信息化战争中的突出地位使其成为各国研究的热点。建模和仿真作为一种重要的研究手段极大地推动着航空数据链发展。随着航空数据链系统的发展，系统模型的复杂性和仿真结果的高可靠性对仿真系统提出了更高的要求。

目前系统性能仿真和测试的主要方法有软件仿真、硬件仿真和现场测试、半实物仿真。软件仿真是利用OPNET，QualNet，NS2等网络仿真软件建立虚拟网络场景模拟的网络行为，采用数学建模和统计分析的方法针对某层协议或者

算法进行仿真分析，以获得特定的协议性能;硬件仿真和现场测试可以获得更加客观可靠的数据，但通常会大幅减小网络规模，简化网络结构，且灵活性差、效率低、费用高，无法得到极限条件下系统的性能指标;半实物仿真是在软件仿真基础上将仿真系统中一部分模块用外部物理模型或实际系统替代，实现实物应用数据交互，仿真结果较软件仿真可信度高，较硬件仿真和现场测试灵活性强［1-2］。

数据链作为一种数据通信网络，较难采用数学分析理论进行精确建模，且规模变化大，设备差异大，信道、地形、气象等差异大，使用软件仿真及硬件仿真均存在一定局限性。而半实物仿真，既能利用软件仿真实现复杂网络的虚拟仿真，又能利用实际应用系统达到真实业务的硬件接入，可同时满足数据链性能的准确验证需求以及测试的灵活性需求，并为数据链系统的应用研究提供条件［3-4］。

Exata在QualNet模拟内核的基础上增加了仿真内核，支持半实物仿真，本文以Exata网络仿真软件为基础，设计了一种新型的航空数据链系统半实物仿真平台。

1 半实物仿真机制

1.1 半实物的必要性

文献［5-6］对数据链网络进行仿真分析，得到相应系统性能指标，然而，其仿真数据源是虚拟随机产生，不能真实反映现实需求，从系统性角度来检验数据链性能。为解决这个问题，本文引入半实物仿真(hardware in the loop，HITL)机制。

与其他类型仿真技术相比，半实物仿真具有实现更高真实度的可能性，是仿真

技术中置信水平最高的一种方法［1，4，7］，主要应用于以下情况。

1)仿真系统中存在较难准确建立数学模型的模块，非线性因素和随机因素对仿真结果的影响，使得进行数学仿真十分困难或难以取得理想效果; 2)检验已建立系统数学模型的正确性和数学仿真结果的准确性;

3)检验构成真实系统的某些实物部件或整个系统的性能指标及可靠性。 1.2 Exata半实物仿真

Exata具有仿真和模拟2种内核。模拟内核可建立虚拟网络场景模拟网络行为，测试相应的性能指标。仿真内核在模拟内核功能的基础上，采用实时的事件调度机制，提供高精度、实时的接口连接虚拟网络和外部实际应用设备，通过建立外部实物与Exata虚拟网络中节点映射关系及接口配置，实现外部实物与Exata的数据交互［8-10］。

Exata在仿真内核下实现半实物仿真时，一般将运行Exata仿真软件的计算机作为仿真服务器，对实际通信网络进行模拟，构建相应的虚拟网络;对实际各通信设备进行模拟，作为虚拟网络的部分仿真节点;构建半实物仿真接口，外部接入设备作为操作主机，并与虚拟网络中的某个仿真节点进行映射，实现实物操作，将实物数据流引入虚拟网络或将虚拟网络数据输出到实物主机。

在Exata半实物仿真中，将外部接入系统或设备统称为真实网络，而将模拟系统统称为虚拟网络。虚拟网络映射接入外部设备的典型模式有3种:①真实网络-虚拟网络，如雷达映射虚拟网络相应节点，为虚拟网络提供数据信息;②真实网络-虚拟网络-真实网络，如指挥中心和作战飞机分别接入同一个虚拟网络，通过虚拟网络完成通信;③虚拟网络-真实设备-虚拟网络，如指挥中心同时接入2个虚拟网络，指挥2种不同作战网络，实现协同作战。

半实物仿真连接示意图如图1所示，Exata仿真中的虚拟节点可映射为外部的一台实物操作主机，如操作主机1，此时操作主机上运行的全部应用程序相当于运行在仿真节点中，也可将虚拟节点直接映射为操作主机上运行的一个应用程序，如操作主机2上的2个应用程序可映射为仿真网络中2个不同的节点。 为实现Exata半实物仿真，需要进行网络配置和连接配置。网络配置保证真实网络与虚拟网络通信可达，连接配置保证数据的成功交互。连接配置利用Exata的连接管理器(connection manager)对需要接入仿真网络的真实设备进行连接管理。使用连接管理器配置时，连接管理器应用程序运行在操作主机上，负责管理操作主机的网络连接配置，建立操作主机与服务器之间的连接;当操作主机不能安装或执行连接管理器时(无计算平台的路由器、无标准操作系统环境的实时系统等)，只能手动配置连接到仿真服务器，此时必须配置外部设备映射参数，如IP、网关等［8-9］。

2 航空数据链系统半实物平台设计

航空数据链系统设备基本组成:战术数据系统(tactical data system，TDS)、接口控制处理器、航空数据链终端设备和无线收发设备等，如图2所示。TDS一般为一台计算机，与数据链所在作战单元的主任务计算机相连，完成消息格式化处理，接收指挥和态势信息;接口控制处理器完成对不同航空数据链接口和协议的转换;航空数据链终端设备主要完成信号调制解调、网络控制、保密处理等［1-2］。

数据链工作过程:首先，由作战单元的主任务计算机将本单元欲发送的消息，通过TDS按照数据链消息标准转换为格式化消息，经接口处理及转发，再由终端设备按组网通信协议处理，最后，由无线设备发送。接收方由终端设备按组网

通信协议进行接收处理，经接口转换，由TDS进行格式化消息解读，最后，送主任务计算机进行处理和应用，并通过图形符号显示给作战单元。 2.1 系统架构

航空数据链系统半实物仿真平台的系统架构如图3所示，主要包括真实设备、接口模块、虚拟仿真网络三大部分。真实设备对应图2中A区域所示作战单元和战术数据系统，完成数据链用户的相关应用及消息产生或接收;接口模块主要是在Exata机制下采用相应的操作，将真实设备接入虚拟仿真网络，实现数据格式转换交互;虚拟仿真网络对应图2中B区域所示数据链通信网络，实现数据链相关设备模拟以及数据链信息处理、交互等组网通信过程的模拟。

虚拟仿真网络由多个节点模型、信道模型、环境模型、移动模型、干扰模型、性能评估模块组成。

1)节点模型。模拟不同的通信设备，实现终端设备的波形及组网功能。虚拟网络中仿真节点完成数据交互需要通信协议的支撑，不同节点采用不同的协议类型，由节点所在数据链类型决定。

2)环境模型。包括干扰模型、移动模型、信道衰落模型、场景地形模型等，模拟真实环境。干扰模型完成节点通信的环境干扰功能;移动模型模拟节点移动规律，可以使用从外部导入的移动文件或手动实现;信道衰落模型实现通信信道的相关功能，不同通信环境模拟不同的信道特性;场景地形模型完成节点放置位置、相互距离、节点类型等设置，同时设定相应的仿真地形环境，可使用外部导入的场景地形文件或手动实现。

3)性能评估模块。完成一次仿真中各仿真节点间数据交互的相关统计分析功能。包括时延、丢包率、包数量、吞吐量等性能的分析统计，可以根据需要设计相

应的性能分析指标。

选择需要的外部作战单元和战术数据系统将其与仿真节点进行映射接入，战术数据系统输出的格式化消息经接口模块进入仿真节点，在相应的网络仿真环境下，经过各层协议模型处理，发往消息目标节点，实现图2中B区域所示的功能，再由接口模块进入实装设备，实现数据链系统的半实物仿真，最大程度的逼近真实作战环境，保证仿真结果的真实可靠。 2.2 接口模块设计

接口模块实现半实物仿真映射接入以及数据格式转换等功能。可将多个不同的真实设备映射为虚拟仿真网络中任意节点，由于接入设备或设备所属数据链不同，使用的消息格式不同，需要对进/出虚拟仿真网络的数据信息进行转换匹配。 对于无条件运行连接管理器的设备，按以下3步建立图3中外部实物设备的映射接入。

1)将仿真服务器与实物设备的操作主机连接到同一个子网，确保仿真服务器与操作主机可达;

2)通过Exata为操作主机分配一个IP地址，实现虚拟节点与真实设备的IP地址映射;

3)将仿真服务器在操作主机上设为默认网关。

针对可运行连接管理器的设备，按以下3步建立图3中外部实物设备的映射接入。

1)确保仿真服务器与操作主机可达，在仿真内核模式下运行虚拟仿真场景; 2)在实物设备的操作主机上运行连接管理器，通过输入仿真服务器ID或IP地址进行自动配置，2台操作主机上运行的连接管理器如图4所示。

3)连接成功后连接管理器将显示虚拟网络中的所有仿真节点，选择一个节点并设为默认接入节点，设置成功后仿真节点将以绿色三角形高亮显示，仿真运行过程中将以紫色三角形高亮显示。 2.3 节点模型设计

节点模型实现不同设备的模拟功能以及节点之间通信组网功能。基于5层协议模型的Exata，每一个仿真节点都具有一个完整的协议栈结构，其层次结构依次为应用层、传输层、网络层、媒体访问控制(media access control，MAC)层和物理层。应用层产生多种类型信息流以模拟各种不同应用;传输层用以模拟传输控制协议(transmission control protocal，TCP)和用户数据报协议(user data protocal，UDP);网络层模拟IP协议以及各种路由协议;MAC层模拟各种介质访问协议;物理层提供大量天线模型、模拟噪声、接收模型等，也可使用跨层机制，模拟真实的物理设备［8-10］。

根据Exata仿真系统分层结构，本文对航空数据链系统的功能与其装备如图5所示的层次关系映射。

1)应用层。与航空数据链的终端用户设备对应，完成战术数据链用户操作功能。 2)传输层。与航空数据链的消息处理器功能对应，完成战术数据系统的有关功能。

3)网络层与MAC层:与航空数据链网络管理器和网络控制器的功能对应，实现格式化消息的组帧/分帧、差错控制以及节点通信组网。

4)物理层:与航空数据链收发设备对应，完成数字信号编解码、传输等功能。 根据上述映射关系，通过对Exata中应用层、传输层、网络层、MAC层和物理层的设计改进，可实现节点模型需要的功能，模拟不同的数据链以及设备，

保证仿真的真实性。 2.4 协议设计

Exata中的各层协议模型均是在C++环境下编译调试，若要将开发的某层协议模型添加到Exata仿真平台中，需要修改的文件有以下几点(以MAC协议嵌入wireless模型库中为例)。

1)将源文件名mac_example.cpp(根据需要设计的新协议)添加到wireless模型库的Makefilecommon文件中。

2)在partition.cpp，mac.h和mac.cpp文件中包含轮询协议模型的头文件mac_example.h(配置相应参数)。

3)在api.h文件的枚举变量中定义轮询协议中所用到的消息事件变量。 4)在mac.cpp文件中包含轮询协议中使用的API函数模块。

完成以上修改，通过命令行或VC集成开发环境进行编译调试即可得到符合要求的轮询协议模型。其他各层协议模块均可根据需要进行模块添加，以便在仿真中使用。

文献［11］对网络路由协议进行仿真分析，文献［12］能够接入真实数据流，文献［13-15］对网络MAC协议进行仿真分析，然而，此类对数据链系统各层模块进行改进创新的仿真案例都只是对某一层模块进行改进，并没有考虑其他层模块对本层模块的影响，忽略了系统的整体性，片面地强调单层协议的重要性。本文设计的仿真平台，能够对数据链系统的各层模块进行设计嵌入，保证最大限度的逼近真实作战场景。

3 半实物仿真案例

3.1 案例设计

对指挥中心和作战飞机间的航空数据链通信应用场景进行半实物仿真，构建的网络配置模式为“真实网络－虚拟网络－真实网络”。基于航空数据链分层模型，应用层采用半实物仿真，映射接入作战单元和指挥中心，将消息送至虚拟网络对应节点;虚拟网络由运行Exata的仿真服务器构建，处理层使用Exata的传输层，采用标准战术消息处理模型，完成战术数据系统模块的功能处理;建链层和物理层采用Exata中开发的多跳自组网模型;移动模型采用平行推进;信道模型及干扰模型简化采用瑞利衰落信道;性能分析模块对时延进行统计。

设计相应的作战场景，将2台操作主机和仿真服务器通过一个交换机连接构成一个局域网，完成网络配置，实现半实物接入，保证真实网络设备与虚拟仿真网络进行通信数据的交互，运行Exata仿真软件，实现数据链系统仿真，构建航空数据链半实物仿真如图6所示。

仿真平台对数据链系统仿真如下:指挥中心根据实际作战需求产生数据包，数据包到达接口模块进行相应处理，Exata仿真内核直接加载真实数据包并发送给仿真节点1，经过作战环境下特定的各层协议模型，由网络传输到仿真节点4，最后映射到作战飞机。此过程中传输的均是真实的数据包及其应用，且采用战场环境下数据链系统需求的各层协议模型［2-4］。 3.2 案例仿真分析

本文以指挥中心向作战飞机发送监控视频模拟航空数据链系统地面站向飞机发送态势及任务信息。服务器虚拟5个节点，其中，节点1和节点4对应外部实物操作主机，节点2，3，5是服务器虚拟出的作战飞机。完成半实物连接后，在实物设备的操作主机上选择VLC软件，右键以“Run on Exata node...”方式运行，进行视频数据传输/接收。半实物仿真效果对比如图7所示。

考虑到现实网络设备有效传输距离有限，信息传输需要经过其他节点的转发中继才能到达目的节点(见图7a)。节点1发送数据到节点4，由于距离及干扰原因不能正确接收，需要虚拟节点5进行转发中继，才能保证数据的正确传输;指挥中心发送的监控视频与作战飞机接收的监控视频一致，由于传输造成的时延为0.8 s，两者视频图像基本同步。

如果节点5被击毁或者信息阻塞等，数据不能顺利中继，1-5-4的数据传输将会中断，网络将自动寻找最优路径，维持数据传输(见图7b)。假设节点5被击毁，仿真中禁用虚拟节点5，此时数据传输中断，指挥中心仍然持续发送视频数据，并且寻求新的传输路径，但作战飞机未收到数据，显示界面定格于断链前的视频界面，两者数据产生巨大差异。

经过1.4 s，通过链路性能比较，网络自动建立新链路1-2-4(见图7c)，恢复数据畅通，此时指挥中心和作战飞机恢复数据传输，维持监控视频的同步显示。 实验仿真说明，仿真平台为航空数据链指挥引导作战场景提供真实的数据流，模拟真实的作战环境，根据数据链系统设计相应协议模型并导入仿真平台，逼近真实应用场景，且有效统计相关时延性能指标，表明该方法构建的半实物仿真平台具有可行性和准确性。 3.3 半实物仿真平台应用

数据链可以用于空-空、空-地、空-海、海-地、飞机-武器、地-武器等不同作战环境，如图8所示，接入数据链的平台设备不尽相同，网络需求的数据链系统也不尽相同(包括已有或者需要开发的数据链)，甚至不同数据链之间的协同作战也是现实需求。故而仿真平台需要实现不同设备在不同数据链下的系统性作战模拟。

本文设计的半实物仿真平台，通过接口模块的设计可映射接入任意需要的真实设备，如图8中的各类作战单元;通过节点模型的设计可模拟不同数据链(包括已有或开发中的数据链)功能以及设备功能，即设计路由协议、MAC协议等;通过环境模型的设计模拟任意的作战场景，包括移动模型、信道、地形等设计，检验任意情况下的数据链性能;通过性能评估模块的设计，统计分析需要的性能参数，为作战性能分析作数据支撑。通过各个模型的改进，此平台适用于各种类型的数据链系统检验以及数据链联合应用，最大限度的评估了作战性能。 对于需要开发的新设备，可自主设计需要的应用程序模拟设备功能，本文设计的半实物仿真平台通过接口模块设计，可将此应用程序作为作战单元进行半实物仿真，设备研制阶段不需进行设备加工制造，即可检验其性能。既使得半实物仿真中用户的需求得到最大程度的满足，同时避免设备设计不合理带来的物资消耗，节省科研经费。

本文设计指挥中心以及作战飞机的简单应用程序，均可发送/接受文电、态势、语音等数据信息。将运行这2个应用程序的计算机按照案例要求进行半实物仿真。

仿真效果如图9、图10所示，指挥中心向飞机4号发送油量文电信息，并且要求飞机进行回复;且能同步显示文电发送及接收记录，掌握指令执行情况。飞机4号接收到指挥中心发送的油量信息，按要求及时进行回复，并报告油量剩余;同时可以根据需要向其他作战单元发送信息。

4 结束语

航空数据链系统的半实物仿真能够为研究分析其系统提供更加可信的仿真结果。基于Exata实现的航空数据链半实物仿真结果表明，该方法具有很强的实用性，

不仅能够解决系统研究过程中模型设计、装备性能验证等问题［1-4］，同时能够减少试飞造成的装备损毁，使装备尽快形成战斗力。作为信息化战争中战斗力提升的“倍增剂”，研究航空数据链系统半实物仿真具有重要意义。 参考文献:

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基金项目:国家自然科学基金(61302153);陕西省自然科学基金(2010JM8008) 张伟龙(1988-)，男，陕西省宝鸡市人，硕士研究生，主要研究领域为航空数据链。E-mail:xuanyuzhudan@163.com。

吕 娜(1970-)，女，陕西省西安市人，教授，博士，硕士研究生导师，主要研究领域为军事航空通信。

王 安(1989-)，男，陕西省安康市人，硕士研究生，主要研究方向为军事航空通信;

段 荣(1986-)，男，湖南怀化人，博士研究生。主要研究领域为航空通信、信号处理。

李 媛(1987-)，女，陕西省延安市人，助理工程师，主要研究领域为航空通信、信息对抗。