雷达系统标准化建模与仿真关键技术研究

论文摘要

雷达体制种类繁多、分类方式复杂，因此在雷达系统仿真中，虽为类似的雷达功能模型，却往往需要编制不同的实现代码，模型可重用性并不强。标准化建模就是分析和提炼不同仿真条件下雷达系统仿真对象的共性功能模块，建立层次化、多粒度对象模型体系，并以此构建通用仿真框架，达到简化仿真复杂性目的。雷达系统仿真所涉及的关键技术包括：仿真对象间通信、分布式仿真控制、仿真对象间数据驱动、对象接口代码自动生成、并行仿真算法或结构等。这些关键技术都是围绕仿真对象间的互连互通、仿真效率、仿真模型规范等核心问题展开的。本论文以雷达系统为主要研究对象，在深入分析雷达原理的基础上，采用系统仿真手段对雷达系统展开对象建模、仿真框架、模型标准化与互操作、并行仿真技术等方面研究性工作，旨在通过对基于对象模型的雷达系统仿真建模方法的研究，建立一种标准化和通用化的雷达建模仿真框架；通过对雷达对象模型间的互操作研究，建立一种基于消息传递的仿真对象间接通信模型，并建立一种基于数据中心间接传递成员数据的数据驱动模型；通过对分布式结构下雷达系统仿真成员调度控制的研究，提出一种雷达仿真引擎；通过对雷达仿真模型并行结构的研究，在多核处理器共享内存结构下建立一种多数据链路处理模型，在分布式节点计算结构下建立一种多节点并行任务最优分配模型。并行仿真模型的建立可以提高仿真系统效率。论文的主要贡献归纳如下：1．标准化仿真框架从系统建模和模型标准化角度，将雷达系统抽象表示成一种层次化多粒度体系框架，包括：应用层、系统层、部件层、组件层、公用算法层、支撑层。框架可以提高雷达系统模型的通用性、易重用性。采用对象模板定义仿真模型，通过模型转换和代码自主生成提高仿真系统效率。对象模型部件采用通用化结构，解决了部件内部构造和外部交互的问题。2．雷达系统仿真进程间通信服务模型在分布式结构下提出一种基于消息中心间接通信的雷达仿真进程间通信服务模型，建立消息定义文件模板和进程并发访问控制策略，用以解决仿真成员间的互操作和通信。3．雷达系统分布式仿真控制算法提出一种基于消息服务中心（Message Service Center,MSC）和运行监控中心（System Console,SC）两层控制结构的雷达仿真引擎和消息传递算法（MessagePassing Algorithm,MPA），用以解决雷达系统分布式仿真调度控制问题。4．数据驱动模型及接口代码自动生成提出一种系统仿真数据接口归一化方法，建立仿真成员数据接口描述规范，分层次定义仿真数据描述信息，用以解决仿真成员数据模型驱动问题。同时，代码自动生成可以提高仿真系统研制效率。5．并行仿真模型根据同一调度间隔内的各雷达事件相互独立的特性，提出一种在单机多核处理器计算环境下对雷达系统进行全数字仿真的并行算法，通过建立多条数据帧并行处理逻辑链路的方法，加速提升并行仿真系统的运行效能。采用效率矩阵描述独立任务集和节点计算能力的匹配关系，提出一种任务‐节点最优分配算法，将多节点处理系统中任务执行总开销最小作为目标约束。采用矩阵划分和构造虚拟方阵的方法转化将非平衡问题转化为平衡分配问题，以满足匈牙利算法的输入条件，并通过多次迭代匈牙利算法，求得确定效率矩阵的任务‐节点最优分配解。6．初步建立具有模块化、可变参、分布式特点的通用雷达软件仿真系统。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 建模与仿真技术概述
• 1.1.1 系统建模技术
• 1.1.1.1 过程建模
• 1.1.1.2 对象建模
• 1.1.1.3 模式建模
• 1.1.1.4 模型建模
• 1.1.2 系统仿真技术
• 1.1.2.1 分布交互仿真
• 1.1.2.2 并行仿真
• 1.1.2.3 仿真网格
• 1.2 雷达建模与仿真的研究现状
• 1.3 标准化建模的提出及课题意义
• 1.4 论文主要内容和贡献
• 1.5 本文结构
• 第二章 基于对象模型的雷达仿真建模框架
• 2.1 引言
• 2.2 雷达仿真复杂性
• 2.3 仿真建模框架
• 2.3.1 应用层
• 2.3.2 系统层
• 2.3.3 部件层
• 2.3.4 组件层
• 2.3.5 算法层
• 2.3.6 支撑层
• 2.4 模型部件装配
• 2.4.1 内部组装
• 2.4.2 外部组装
• 2.4.3 部件结构
• 2.5 对象模型表示
• 2.6 对象模型转换
• 2.7 代码生成
• 2.8 本章小结
• 第三章 基于消息驱动的通信服务模型
• 3.0 引言
• 3.1 消息-事件范型
• 3.2 迪米特法则
• 3.3 分布式仿真结构
• 3.3.1 仿真时钟推进
• 3.3.2 通信模式
• 3.3.2.1 主从通信
• 3.3.2.2 对等通信
• 3.3.2.3 可扩展主从通信
• 3.3.2.4 混合通信
• 3.3.3 仿真进程
• 3.3.4 进程状态
• 3.3.5 进程间协作关系
• 3.4 通信服务模型
• 3.4.1 消息中心
• 3.4.2 消息代理
• 3.4.3 消息文件模板
• 3.4.4 并发访问
• 3.5 仿真实验
• 3.6 本章小结
• 第四章 雷达系统仿真引擎控制机制研究
• 4.1 引言
• 4.2 仿真调度问题描述
• 4.3 引擎机制
• 4.3.1 控制结构
• 4.3.2 消息分类
• 4.3.3 引擎前端
• 4.3.4 引擎后端
• 4.4 MPA 算法
• 4.5 仿真实验
• 4.5.1 测试环境
• 4.5.2 测试结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于代码生成的数据驱动模型
• 5.1 引言
• 5.2 交互数据格式
• 5.2.1 协议数据单元
• 5.2.2 对象模型模板
• 5.2.3 可扩展标记语言
• 5.3 数据驱动模型
• 5.3.1 成员数据层次
• 5.3.2 数据对象及描述规则
• 5.3.3 大容量矩阵数据
• 5.4 代码生成控制方法
• 5.5 数据驱动模式分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 基于多数据链路的并行仿真模型
• 6.1 引言
• 6.2 串行仿真
• 6.3 流水线模型
• 6.3.1 理想情况下流水线模型
• 6.3.2 实际情况下流水线模型
• 6.4 多数据链路模型
• 6.4.1 数据划分
• 6.4.2 任务分配
• 6.4.3 时间同步
• 6.4.4 负载监测与度量
• 6.4.5 多链路并行处理算法
• 6.5 仿真实验
• 6.5.1 仿真场景
• 6.5.2 性能评价指标及测试方法
• 6.5.3 测试结果
• 6.6 本章小结
• 第七章 多节点系统并行任务最优分配模型
• 7.1 引言
• 7.2 MIN-MIN 算法
• 7.3 MAX-MIN 算法
• 7.4 匈牙利算法
• 7.5 并行任务调度问题
• 7.5.1 独立任务集
• 7.5.2 多节点处理系统
• 7.5.3 效率矩阵
• 7.5.4 最优分配模型
• 7.6 基于任务分组策略的改进匈牙利算法
• 7.6.1 任务产生及分组
• 7.6.2 任务-节点效率矩阵
• 7.6.3 分配算法的总体结构
• 7.6.4 调度分配策略
• 7.7 性能指标
• 7.7.1 任务吞吐率
• 7.7.2 节点平均利用率
• 7.7.3 负载均衡程度
• 7.7.4 系统处理时间
• 7.8 仿真实验
• 7.9 本章小结
• 第八章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果