技术领域
[0001] 本
发明涉及舰载机自动着舰技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于HLA的海基JPALS仿真设计方法。
背景技术
[0002] 舰载机着舰不仅体现了航空母舰相关技术的科技
水平，更是一国工业和
软件系统等各方面实
力的展现。常规舰载机着舰是具有
风险的，尽管舰载机的驾驶员对操控舰载机在航空母舰着陆有着足够的训练量，但海上气象条件和风浪，起伏摇动的甲板等都是舰载机着舰需要面对的众多不确定风险，导致手动着舰事故远远高于陆基
飞行器和
航天器。
[0003] 美军研制的联合精密进近着陆系统JPALS，依靠载波
相位差分GPS技术获取舰载机精确
定位信息，完成全自动着舰。旨在使美军保持高机动性，并可以针对各种军事情况作出快速反应，体现了美军在导航定位，数字通信、计算机应用和自动控制等各领域学科的领先水平。由于JPALS是一个有多学科交叉的复杂工程，在对舰载机精密着陆仿真研究过程中，需要考虑各领域技术飞速发展而进行不断改进和更新，还要在保证兼容性的情况下完成系统整合，因此使用上还是存在很多的不确定风险。
发明内容
[0004] 为了克服
现有技术的上述
缺陷，本发明的
实施例提供一种基于HLA的海基JPALS仿真设计方法，本发明基于高层体系结构的仿真架构进行海基JPALS仿真系统设计，充分考虑仿真部件的可互操作和可扩展性支持，并采用分布式运行结构，保证仿真系统各模
块的独立开发和运行，提高其可重用性，避免了人力、物力和时间的资源浪费；针对海基JPALS这种需要多学科共同研究，使仿真软件开发达到标准化、规范化，能够大大缩短海基JPALS系统开发周期和减少武器系统上舰装备时间。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于HLA的海基JPALS仿真设计方法，具体操作步骤如下：
[0006] S1、系统功能分析；采用GPS载波
相位差分定位技术，设置多个GPS参考站，获取参考站和接收机的相对
位置，由计算机计算得出甲板理想着陆点，再计算出舰载机与航空母舰的相对位置，同时采用接收机自主完好性监测对GPS载波相位差分定位系统进行检测；
[0007] S2、系统总体设计；海基JPALS仿真平台根据系统功能分析，设计海基JPALS仿真计算联邦，联邦由舰载机联邦成员、航空母舰联邦成员、完好性监测联邦成员和卫星联邦成员组成完整仿真应用，整个仿真平台采用分布式模式设计，各联邦成员之间相互独立运行，且仿真平台还包括空中交通管
制模块和导航
控制模块；
[0008] 所述航空母舰联邦成员用于为舰载机着陆提供相对导航定位信息、准入
许可和空中管制信息；
[0009] 所述
空中交通管制模块用于保障和维护空中交通安全，其具体任务是登记进近区所有在航舰载机信息，对跑道状况实时监测，降落队列许可发放，为舰载机着舰提供引导信息；
[0010] 所述导航控制模块用于通过舰上布置的多个GPS参考站为舰载机提供载波差分定位相关数据，并依靠舰上的INS/GPS组合
导航系统精确定位估计甲板运动和舰船
姿态，再通过舰载机GPS返回的定位信息计算理想着舰点TDP，为舰载机提供最优航迹；
[0011] 所述舰载机联邦成员用于实时计算舰载机提的差分定位信息并发送给航空母舰联邦成员，靠导航控制模块解算载波相位；同时在着陆过程中，持续保持与空中交通管制模块通信，依照引导驶入下滑道，完成着舰或在警告出现时，复飞逃逸；
[0012] 所述完好性监测联邦成员用于利用舰上的多个GPS参考站对导航出现的
信号异常和系统故障进行监测，并实时向机载分系统发送警告提示，保证系统满足完好性指标的性能要求；
[0013] 所述卫星联邦成员具体为GPS卫星，提供联邦成员导航电文和精密星历；在仿真平台中，由STK软件提供所需仿真数据；
[0014] S3、仿真系统FOM/SOM设计；
[0015] S3.1、使用对象模型模板，即OMT，给海基JPALS仿真平台提供通用
框架；
[0016] S3.2、将OMT分为联邦对象模型FOM和仿真对象模型SOM，FOM用于描述整个仿真联邦的对象模型；SOM为单一联邦成员的对象模型；基于FOM/SOM的模型描述方法，对海基JPALS联邦主要功能设计为两个对象类和两个交互类，两个对象类为航空母舰对象类和舰载机对象类，作为系统的仿真实体；两个交互类为差分导航类和完好性监控类，作为系统中实体间的交互事件；
[0017] S3.3、上述对象类中的属性需要更新或传递时，通过公布和订购描述进行通信，采用高效Best Effort和可靠Reliable方式实现属性与交互类的传输；
[0018] S3.4、联邦启动后，产生一个航空母舰联邦对象和多个舰载机联邦对象，舰载机对象和航空母舰对象向差分导航类订购导航信息，差分导航类的运算结果先经过完好性监测类的数据检测，再发送给实体对象类；针对舰载机和航空母舰对差分导航功能需求的不同，将差分导航类设计为基类，使用舰载机差分导航对象和航空母舰差分导航对象类继承其功能；同时，航空母舰差分导航对象给舰载机差分导航对象提供基准站信息，计算相对位置；
[0019] S3.5、将所有联邦成员的主要行为代码在本地数据更新时实现，当仿真要求有所变化时，更改核心行为代码；
[0020] S4、仿真实现；采用c++和matlab环境进行数值仿真和环境搭建，结合simulink工具箱生成舰载机和航空母舰模型。
[0021] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S1中，采用差分GPS载波相位观测精确的定位信息，其载波相位
算法公式为：
[0022]
[0023] 其中，φ为载波相位，λ为该载波
波长，ρ为接收机卫星的几何距离，ξ为电离层误差、
对流层误差和卫星钟差等系统误差，N为整周模糊度，εφ为接收机载波相位的观测噪声。
[0024] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S1中，参考站和接收机通过对同一卫星观测得到单差方程，再对两颗不同卫星的单差方程做差，得到双差方程，其方程公式为：
[0025]
[0026] 其中， 表示双差结果。
[0027] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S2中，联邦的体系结构包括底层通信支持系统、运行
支撑框架RTI以及舰载机联邦成员、航空母舰联邦成员、完好性监测联邦成员和卫星联邦成员，所述舰载机联邦成员设置为多个，所述运行支撑框架RTI通过RTI
接口模块与舰载机联邦成员、航空母舰联邦成员、完好性监测联邦成员和卫星联邦成员连接，实现双向通信。
[0028] 在一个优选地实施方式中，所述舰载机联邦成员、航空母舰联邦成员、完好性监测联邦成员和卫星联邦成员用于发送和接收数据，RTI由单独的
服务器运行，通过设置RTI初始化文件为各联邦成员提供数据传输服务。
[0029] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S3.5中，基于HLA的海基JPALS联邦成员仿真核心程序流程具体如下：
[0030] S3.5.1、在联邦执行的生命周期，在本地数据更新时，成员主要行为代码初始化，成员首先调用RTI::createFederationExecution来创建联邦执行；联邦执行被创建后，所有成员调用RTI::joinFederationExecution函数来加入联邦执行；
[0031] S3.5.2、成员调用RTI::publishObjectClassAttributes和RTI::publishInteractionClass发布对象类属性和交互类，
声明自己具有产生该对象类/交互类数据的能力，在此之后注册该对象类的实例或发送该交互类的交互，成员调用RTI::
subscribeObjectClassAttributes和RTI::subscribeInteractionClass订购对象类/交互类，声明自己对该对象类/交互类数据具有需求，如果联邦中有其他成员注册了该对象类的实例或发送了该交互类的交互，成员就会发现该对象实例或收到该交互数据信息；
[0032] S3.5.3、声明发布后，仿真平台根据成员的声明信息，配置每个成员的时间推进策略，然后登记成员的对象类实例，最后
请求RTI时间推进，请求信息发送给空中交通管制模块，当时间推进许可时，执行成员算法，更新联邦成员的对象交互数据，仿真结束，成员完成计算任务，可提出退出联邦 ，在最后一个联邦成员注销后调用RTI::destroyFederationExecution来销毁联邦，此时该联邦任务结束；
[0033] S3.5.4、当时间推进许可时，执行成员算法，更新联邦成员的对象交互数据后，若当仿真未结束，则信息反馈回空中交通管制模块，可再次请求RTI时间推进[0034] S3.5.5、当时间推进不被许可时，信息反馈回空中交通管制模块，可再次请求RTI时间推进。
[0035] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S4中，采用一台Win10，16G内存的主机，和3台虚拟Win10主机分别运行各个联邦成员，其网络环境设置为100M局域网，然后进行仿真实现。
[0036] 在一个优选地实施方式中，所述步骤S4中，其仿真过程如下：
[0037] S4.1、舰载机进入航空母舰
空域，空中控制系统敌我识别启动，许可认证后，引导舰载机进入进近区，按序在高空待降轨道盘旋；
[0038] S4.2、同时，舰载机差分定位系统接受基站基准信息解算出舰载机的定位和姿态信息，并发送给舰载分系统；
[0039] S4.3、舰载分系统实时地接受飞机的定位信息和通过舰上GPS参考站得到的定位及姿态信息后，计算舰载机到理想着陆点的相对距离，并将最佳轨迹传送给舰载机；
[0040] S4.4、最后，舰载机根据该轨迹实施自动着舰，完成降落作业。
[0041] 本发明的技术效果和优点：
[0042] 1、本发明海基的联合精密进近着陆系统(JPALS)使用载波相位差分定位技术完成舰载机着舰的精确定位和进近引导，可满足苛刻的全天候自动着舰要求；提出了基于HLA的海基JPALS的分布式仿真系统框架，减少仿真中二次建模的重复工作，提高对该大型复杂系统工程的开发效率，并满足该系统对所需学科领域先进技术的扩展性，通过分析海基JPALS功能需求，设计海基JPALS的总体框架，并对系统的交互特征进行抽象和建模，构建SOM/FOM的对象类和交互类模型，最后，由仿真开发结果验证了该系统具有良好的可扩展性和重用性，且实现了仿真系统目标。
[0043] 2、本发明基于高层体系结构的仿真架构进行海基JPALS仿真系统设计，充分考虑仿真部件的可互操作和可扩展性支持，并采用分布式运行结构，保证仿真系统各模块的独立开发和运行，提高其可重用性，避免了人力、物力和时间的资源浪费；针对海基JPALS这种需要多学科共同研究，使仿真软件开发达到标准化、规范化，能够大大缩短海基JPALS系统开发周期和减少武器系统上舰装备时间；
[0044] 3、本发明以HLA作为仿真软件的体系框架，使用其完备的系统规范和接口规则，设计了海基JPALS仿真平台；通过对系统的总体设计和对联邦对象模型模板的构建，使得各模块代码开发能够具有良好的独立性，解决仿真组件的可重用性和可扩展性问题，使得各学科领域在舰载机自动着舰研究的合作上更加有效。
附图说明
[0045] 图1为本发明的航母理想着陆点图。
[0046] 图2为本发明的联邦体系结构图。
[0047] 图3为本发明的联邦成员相互关系图。
[0048] 图4为本发明的差分导航交互类UML类图。
[0049] 图5为本发明的基于HLA的海基JPALS联邦成员仿真核心程序
流程图。
[0050] 图6为本发明的仿真运行界面图。
具体实施方式
[0051] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0052] 一种基于HLA的海基JPALS仿真设计方法，具体操作步骤如下：
[0053] S1、系统功能分析；
[0054] 海基JPALS仿真系统是针对舰载机的全天候自动着舰技术，系统的核心功能是为舰载机提供高
精度高可靠性的定位数据，保证自动着舰时的安全和稳定。而舰载机着舰需计算的是舰载机与航空母舰的相对位置，其关键问题是需要获取的甲板理想着陆点(Touch Down point，TDP)如图1所示，理想着陆点是处于移动中，导致了飞机的相对位置实际轨迹是不断
波动的曲线。舰载差分GPS定位中对舰船位置实际需要的也正是TDP，然而由于该点是飞机跑道上的着降点，无法直接部署GPS参考站的天线；
[0055] 因此，采用GPS载波相位差分定位技术，设置多个GPS参考站，获取参考站和接收机的相对位置，由计算机计算得出甲板理想着陆点，再计算出舰载机与航空母舰的相对位置；
[0056] 采用差分GPS载波相位观测精确的定位信息，其载波相位算法公式为：
[0057]
[0058] 其中，φ为载波相位，λ为该载波波长，ρ为接收机卫星的几何距离，ξ为电离层误差、
对流层误差和卫星钟差等系统误差，N为整周模糊度，εφ为接收机载波相位的观测噪声；
[0059] 参考站和接收机通过对同一卫星观测得到单差方程，再对两颗不同卫星的单差方程做差，得到双差方程，可消除大部分误差，其方程公式为：
[0060]
[0061] 其中， 表示双差结果；从公式中可以看出，在整周模糊度得到解算的情况下，测量的误差项只有测量残差和多路径误差，可以提供精度可达到厘米级的相对定位数据；
[0062] 同时，为了达到系统完好性要求以及满足告警
门限的标准，对于GPS出现的各类异常或失效问题，采用接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)进行检测；RAIM主要利用冗余的卫星来检测GPS故障，在可视卫星数量大于5颗时可用；
[0063] S2、系统总体设计；海基JPALS仿真平台根据系统功能分析，设计海基JPALS仿真计算联邦，联邦由舰载机联邦成员、航空母舰联邦成员、完好性监测联邦成员和卫星联邦成员组成完整仿真应用，如图2所示，联邦的体系结构包括底层通信支持系统、运行支撑框架RTI以及舰载机联邦成员、航空母舰联邦成员、完好性监测联邦成员和卫星联邦成员，所述舰载机联邦成员设置为多个，所述运行支撑框架RTI通过RTI接口模块与舰载机联邦成员、航空母舰联邦成员、完好性监测联邦成员和卫星联邦成员连接，实现双向通信；
[0064] 整个仿真平台采用分布式模式设计，各联邦成员之间相互独立运行，参照IEEE1516-2010标准的HLA接口规范，只允许使用相应的RTI接口进行数据交互；因此，对于其他联邦成员而言，舰载机联邦成员、航空母舰联邦成员、完好性监测联邦成员和卫星联邦成员用于发送和接收数据，仅为发送或接受数据的“黑盒”对象；RTI则由单独的服务器运行，通过设置RTI初始化文件(RTI Initialization Data，RID)为联邦提供类似“
中间件”的数据传输服务；
[0065] 仿真平台还包括空中交通管制模块和导航控制模块；
[0066] 所述航空母舰联邦成员用于为舰载机着陆提供相对导航定位信息、准入许可和空中管制信息等；
[0067] 所述空中交通管制模块用于有效的保障和维护空中交通安全，其具体任务是登记进近区所有在航舰载机信息，对跑道状况实时监测，降落队列许可发放，为舰载机着舰提供引导信息；
[0068] 所述导航控制模块用于通过舰上布置的多个GPS参考站为舰载机提供载波差分定位相关数据，并依靠舰上的INS/GPS组合导航系统精确定位估计甲板运动和舰船姿态，再通过舰载机GPS返回的定位信息计算理想着舰点TDP，为舰载机提供最优航迹；
[0069] 所述舰载机联邦成员用于实时计算舰载机提的差分定位信息并发送给航空母舰联邦成员，靠导航控制模块解算载波相位；同时在着陆过程中，持续保持与空中交通管制模块通信，依照引导驶入下滑道，完成着舰或在警告出现时，复飞逃逸；
[0070] 所述完好性监测联邦成员用于利用舰上的多个GPS参考站对导航出现的信号异常和系统故障进行监测，并实时向机载分系统发送警告提示，保证系统满足完好性指标的性能要求；
[0071] 所述卫星联邦成员具体为GPS卫星，提供联邦成员导航电文和精密星历；在仿真平台中，由STK软件提供所需仿真数据；
[0072] 各分成员间的相互关系如图3所示；
[0073] S3、仿真系统FOM/SOM设计；
[0074] 对象模型模板(Object Model Template，OMT)是HLA系统对联邦和成员的抽象结构总称，用来记录各个联邦和成员类的属性、结构和参数等关键信息；OMT与面向对象的分析设计建立的对象模型既有区别又有相似联系；差别主要体现在系统层面上的目的差别和对象层面的数据传递不同方式；在系统层面，面向对象的设计模式着重于对象间静态动态关系以及逻辑算法的全局描述，而HLA对描述的特征范围要小一些，主要将设计需求放在成员信息交互上；在对象层面，面向对象的类是数据和方法的封装，而HLA只在
指定操作和特定属性进行封装，并对更新数据和属性方式有一定规则要求；在开发过程中，使用对象模型模板给海基JPALS仿真平台提供通用框架，能够为仿真系统各个模块构建合适的重用规则，并使各成员间的交互操作达到高兼容性；
[0075] S3.1、使用对象模型模板，即OMT，给海基JPALS仿真平台提供通用框架；
[0076] S3.2、将OMT分为联邦对象模型FOM和仿真对象模型SOM，FOM用于描述整个仿真联邦的对象模型；SOM为单一联邦成员的对象模型；基于FOM/SOM的模型描述方法，对海基JPALS联邦主要功能设计为两个对象类和两个交互类，两个对象类为航空母舰对象类和舰载机对象类，作为系统的仿真实体；两个交互类为差分导航类和完好性监控类，作为系统中实体间的交互事件；
[0077] S3.3、上述对象类中的属性需要更新或传递时，通过公布和订购描述进行通信，采用高效Best Effort和可靠Reliable方式实现属性与交互类的传输，高效通常使用UDP协议，网络延迟低，但可靠性较差；可靠通常使用TDP协议，网络延迟相对较高，由此定义的海基JPALS的主要FOM/SOM属性表概览如下：
[0078] 表1OM/SOM属性概览表
[0079]
[0080] S3.4、联邦启动后，产生一个航空母舰联邦对象和多个舰载机联邦对象，舰载机对象和航空母舰对象本身不拥有导航定位信息，需要向差分导航类订购导航信息；差分导航类的运算结果先经过完好性监测类的数据检测，再发送给实体对象类；针对舰载机和航空母舰对差分导航功能需求的不同，将差分导航类设计为基类，使用舰载机差分导航对象和航空母舰差分导航对象类继承其功能；同时，航空母舰差分导航对象给舰载机差分导航对象提供基准站信息，计算相对位置；使用面向对象中类的设计概念，既提高了对不同GPS接收机性能测试的兼容性，又通过基类中共同的基本属性，增强差分导航联邦成员的可重用性；差分导航交互类的UML类图如图4所示；
[0081] S3.5、将所有联邦成员的主要行为代码在本地数据更新时实现，计算比较集中，实现趋于独立，当仿真要求有所变化时，仅需要通过更改这些核心行为代码，实现联邦成员的重构和扩展，而无需更改联邦成员的其它部分；
[0082] 基于HLA的海基JPALS联邦成员仿真核心程序流程如图5所示，流程具体如下：
[0083] S3.5.1、在联邦执行的生命周期，在本地数据更新时，成员主要行为代码初始化，成员首先调用RTI::createFederationExecution来创建联邦执行；联邦执行被创建后，所有成员调用RTI::joinFederationExecution函数来加入联邦执行；
[0084] S3.5.2、成员调用RTI::publishObjectClassAttributes和RTI::publishInteractionClass发布对象类属性和交互类，声明自己具有产生该对象类/交互类数据的能力，在此之后注册该对象类的实例或发送该交互类的交互，成员调用RTI::
subscribeObjectClassAttributes和RTI::subscribeInteractionClass订购对象类/交互类，声明自己对该对象类/交互类数据具有需求，如果联邦中有其他成员注册了该对象类的实例或发送了该交互类的交互，成员就会发现该对象实例或收到该交互数据信息；
[0085] S3.5.3、声明发布后，仿真平台根据成员的声明信息，配置每个成员的时间推进策略，然后登记成员的对象类实例，最后请求RTI时间推进，请求信息发送给空中交通管制模块，当时间推进许可时，执行成员算法，更新联邦成员的对象交互数据，仿真结束，成员完成计算任务，可提出退出联邦，在最后一个联邦成员注销后调用RTI::destroyFederationExecution来销毁联邦，此时该联邦任务结束；
[0086] S3.5.4、当时间推进许可时，执行成员算法，更新联邦成员的对象交互数据后，若当仿真未结束，则信息反馈回空中交通管制模块，可再次请求RTI时间推进[0087] S3.5.5、当时间推进不被许可时，信息反馈回空中交通管制模块，可再次请求RTI时间推进；
[0088] S4、仿真实现；采用c++和matlab环境进行数值仿真和环境搭建，结合simulink工具箱生成舰载机和航空母舰模型；采用一台Win10，16G内存的主机，和3台虚拟Win10主机分别运行各个联邦成员，其网络环境设置为100M局域网，然后进行仿真实现，其仿真过程如下：
[0089] S4.1、舰载机进入航空母舰空域，空中控制系统敌我识别启动，许可认证后，引导舰载机进入进近区，按序在高空待降轨道盘旋；
[0090] S4.2、同时，舰载机差分定位系统接受基站基准信息解算出舰载机的定位和姿态信息，并发送给舰载分系统；
[0091] S4.3、舰载分系统实时地接受飞机的定位信息和通过舰上GPS参考站得到的定位及姿态信息后，计算舰载机到理想着陆点的相对距离，并将最佳轨迹传送给舰载机；
[0092] S4.4、最后，舰载机根据该轨迹实施自动着舰，完成降落作业。
[0093] 其系统仿真运行界面如图6；该界面显示了舰载机降落轨迹，该海域RAIM可用性和该时段VDOP值情况，符合JPALS性能数据要求。
[0094] 由于海基JPALS在我国仍处于理论研究阶段，对系统整体的研究还较为不足，本方案中，以HLA作为仿真软件的体系框架，使用其完备的系统规范和接口规则，设计了海基JPALS仿真平台；通过对系统的总体设计和对联邦对象模型模板的构建，使得各模块代码开发能够具有良好的独立性，解决仿真组件的可重用性和可扩展性问题，使得各学科领域在舰载机自动着舰研究的合作上更加有效。
[0095] 最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
