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学术论文:使用QualNet实现联合仿真

摘要:随着战争的现代化程度日趋提高,对战场仿真系统的要求也越来越高,单一的战场仿真已经不能真实的模拟复杂的情况,这就需要一种新的仿真模式,集战场环境,地形,天气,通信等几种关键因素于一体的联合仿真。本文对基于HLA实现通信仿真工具QualNet和战场模拟工具VR-Force的联合仿真进行了研究。通过仿真试验,验证了基于HLA的联合仿真的可行性与有效性;并通过仿真结果分析,说明考虑通信因素在现代战争仿真中的重要性。

关键词:QualNet;HLA;RTI;联合仿真

1. 引言
在20世纪与21世纪之交的10余年间,相继发生了海湾战争,科索沃战争,阿富汗战争和伊拉克战争。这4场以美国等西方国家为主导的高技术局部战争,已经重新诠释了战争形态的基本内涵,信息化已经成为现代战争的重要特征[1]。目前使用的战场仿真系统包括兵力生成,战场环境模拟,红蓝对抗等,都没有把通信这个重要因素考虑进去。现代化,信息化的战争对战场仿真提出了更高的要求,单一的战场仿真已经不能满足现代战场仿真需求,大规模联合仿真是战场仿真的发展方向,只有将通信,地形,天气等要素添加到现有的战场仿真系统,才能最真实的模拟战况。本文将以通信仿真软件QualNet和红蓝对抗软件VR-Force的联合仿真为例子,介绍基于HLA架构的联合仿真。

2. QualNet和VR-Force

2.1. QualNet网络仿真软件
1997年,美国国防部国防高级研究项目署(DARPA)招标开发一种针对大型异构网的网络仿真工具,能够支持10000个以上的节点。美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)基于Parsec (Parallel Simulation Environment for Complex systems)算法开发了开源的GloMoSim。2000年,由SNT( Scalable Network Technologies) 公司商业化为QualNet

QualNet是一款网络建模软件,通过它对网络的模拟和仿真来预测网络的性能。QualNet也是搭建虚拟网络实验室的重要组成部分,它可以为有线、无线以及混合网络的设计、评估提供一个良好的操作平台。

成功实现这些应用的关键是QualNet所具有的出众的仿真速度,优良的可扩展性,建模的精确性和灵活的可移植性。快捷的仿真速度不仅可以保证仿真结果的快速完成,更重要的是,它可以确保实时的网络仿真,即能够实现半实物仿真[2]。(hardware-in-the-loop,software-in-the-loop,以及human-in-the-loop)

QualNet所具备的优良的可扩展性对于预测具有上千个节点的大型网络的性能是非常重要的。网络模型的高保真性对于预测网络性能的精确度和精确性也是必须的,但是这种精确度和精确性需要消耗大量的仿真硬件资源。

对于多种仿真计算平台来说,仿真工具灵活的可移植性也是影响仿真速度、可扩展性和仿真精度的关键因素。QualNet 可以支持串行和并行的仿真运算环境,可以支持Unix,Windows和Mac的操作系统,对计算能力的要求则是多多益善。

QualNet丰富的可延展性使得它可以和众多仿真工具甚至真实网络进行通信。这也极大的增强了QualNet做为网络仿真软件的价值。

2.2. VR-Force战场仿真软件
VR-Force是一套强大而灵活的C++仿真开发工具包,主要用来开发、生成和执行战场想定。它为战术训练模拟器、威胁生成系统、行为模型测试系统和计算机兵力生成系统提供所有必需的仿真手段。可用于多方参与的战略和战术仿真训练系统,任务演练,战术教学研究、开发和测试,各种载体的样机特性研究,基于数据采集的仿真,嵌入式训练器,模拟器互联等。

2.3. QulaNet与VR-Force联合仿真
VR-Force作为战场仿真工具,在联合仿真中主要用于生成和控制战场实体;通信仿真工具在联合仿真中模拟战场的通信网络环境以及实体间的通信。二者联合,可以真实的模拟出战场战况及战场通信情况[3]。

3. 基于HLA的联合仿真
HLA 是美国国防部在1995 年10 月作为“模型与仿真主计划”的软件支撑框架提出来的一种分布式仿真软件框架。它期望通过提供一个具有开放性、灵活性和适应性的体系结构,采用标准方法解决联邦模式仿真中存在的固有问题,支持对未来新技术的充分兼容与应用,支持对不同仿真应用及其组件的重用,支持用户分布、协同地开发复杂仿真应用系统。在HLA中,将用于达到某一特定仿真目的分布式仿真系统称为联邦 (Federation),它由若干个相互作用的联邦成员 (Federate) 构成。HLA 中不同仿真应用的互操作是通过RTI 实现的。联邦成员声明它希望发送和接收的信息,RTI 负责将信息按声明的要求传输到相应的成员,并完成相关的网络操作[4]... ...

 

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“当通讯受到干扰,信号被削弱, 或者因地形变化和ad-hoc路由变化造成通信失败的时候,人们是否有很好的应对措施成为了能否解决问题的关键。我们选择QualNet是因为它是最有能力实时、精确地模拟战时通讯的仿真系统 。”-- Raytheon Company

“为了评估综合防御系统的通信网络,我们需要在某项工程的概念阶段就有能力进行大规模的网络模拟。QualNet使我们有能力去进行这项工作。” -- Boeing Phantom Works

“我们正在研究一个新的项目,需要满足国防部门各机构之间协同互用性的设计需求,我们使用QualNet来鉴别它们之间的兼容性。” -- Lockheed Martin