揭开DIS的技术面纱

──分布式交互仿真三大特性的关键技术

姚新宇

01-5-17 下午 02:22:36


四、时空一致性
和前二者相比,时空一致性是由人的感觉和行为来衡量的,因此较为抽象一些,在实现中也复杂得多。简单地说,时空一致性主要包括空间表达一致和分布仿真时间一致两个方面:
1.空间一致性
● 相容的环境数据库
为实现空间表达的一致,首先要求采用统一的环境模型,参加DIS演练的实体只能在统一的虚拟战场环境中才能进行有效的对抗和协同,因此,相容的环境数据库是至关重要的。由于分布仿真的各个节点对仿真环境所需要的粒度不一样,所采用的地形数据库也必定不一样。如仿真地面车辆的节点可能需要高分辨率的地形数据,但由于车辆活动范围有限,因此只需要小范围的地形数据;而仿真空中飞机的节点可能就需要大范围的地形数据,但分辨率却不一定要太高。如何使这两种规格的地形数据库共存于同一个仿真中,又维护其数据的相容性,从而保证仿真的公平和一致性,这是DIS环境模型研究和解决的一个主要问题。这一点和普通网络游戏是不一样的,网络游戏虽然也是一种分布系统,但都采用统一的数据库拷贝,即完全采用同样的数据库,因此普通游戏软件很难支持不同粒度或不同游戏软件之间的协同操作。
目前在DIS中环境模型方面研究比较系统、有代表性的项目有DoD支持的SEDRIS(Synthetic Environment Data Representation and Interchange Specification),这是旨在提供一个包括陆地、海洋、大气和外层空间的完整的物理环境模型以及相关的标准化数据的存取和交换方法。它提出了综合环境的数据模型,于1998年11月发布了第一个正式版V2.0,而后又陆续发布了V2.5和V3.0版。
● 统一的坐标系统
有了一致的环境模型,如何描述仿真实体在环境中的位置,则需要采用相应的参考坐标系,不幸的是由于研究领域的差异,不同的仿真模型建模和仿真常采用不同的坐标系,即使采用完全相同的环境模型,同一空间点在不同坐标系下的坐标表达可能不一致,为了解决这个矛盾,DIS提出了一个标准的参考坐标系统,包括世界坐标系和实体坐标系。
仿真世界中的位置是用一个右手地心笛卡尔坐标系来标注的,这一坐标系被称做世界坐标系,其中地球模型采用WGS84标准。此坐标系的原点是地心, X的正半轴在赤道通过子午线,Y的正半轴在赤道通过东径90°线,Z的正半轴通过北极(如图3所示)。
为了描述实体的姿态和运动方向,DIS还引进了和实体相联系的实体坐标系(如图4所示)。该坐标系也是一个右手笛卡尔坐标系。实体坐标系的原点是实体的中心,X正半轴指向实体正面,Y正半轴指向实体右侧,Z正半轴指向实体底部。
一个实体的方位由实体坐标系的原点在世界坐标系中的位置表示,实体的姿态用三个连续转动的角度来表示。通过这三个角的转动,就可把世界坐标系变换为实体坐标系。这些角被称做欧拉(Euler)角,它们定义了围绕三个不同的正交轴的三个连续旋转。旋转的顺序是“321”:即首先绕z旋转角度ψ,然后绕新y轴(y′)旋转角度θ,再绕最新的x轴(x″)旋转角度Φ。旋转的正方向被定义为:沿着轴的正方向看时的顺时针方向。
2.时间一致性
仿真实际上是在真实的时空中构造出一个虚拟的时空,并将仿真模型置于该虚拟时空环境中运行的过程。因此,时间是仿真中的一个基本概念。仿真时间的一致性是仿真时空一致性问题中不可缺少的一环,是决定仿真品质的重要因素。在DIS中,时间管理在两个方面比较有特色,即时间的表达方式和分布时间的同步技术。
● 大跨度、高精度的时间表达
由于DIS是一个分布系统,仿真节点间的时间同步误差不可避免,同时仿真实体间交换的PDU在网络传输上有延迟,因此为了标记PDU的发送时刻,每个PDU都带有一个时间戳。时间戳标注的是时间值对小时的余数值,即时间戳的最大值为3600秒。因此32为时间戳在留出1位标志位后,其精度可以达到3600/231=1.676×10-6秒,这个精度对绝大多数仿真应用而言是足够的。时间戳成功应用的前提是各仿真计算机的时间(包括机器模拟的自然时间和仿真时间)必须同步,为确定同步与否,时间戳的最低位专门用作时间同步标志:最低位为1,则表明时间已经同步,此时的时间戳称为绝对时戳(Absolute);反之,则称其时间戳为相对时戳(Relative)。
时间戳最大只能表达3600秒,而DIS试验时间不局限于这一时间值,因此,为标识DIS中的时间,仅有时间戳是不够的。为此,DIS专门引入了一套时间规则以及相应的数据结构。为统一时间描述,DIS是采用UTC时间,即取1970年1月1日0时为时间参考点。DIS的时间是采用一个64位的结构描述的,前32位为描述小时数,即从UTC时间1970年1月1日0时为时间起点以来的流逝的小时计数,这是一个32位整数;后32位描述自最近一小时以来的秒数,其描述方式同“时间戳”。采用这种方式所描述的时间跨度可以达到49万年,时间精度可以达到1.6微秒,足以满足DIS的要求。
● 递阶混合时间同步策略
由于存在多个仿真节点,DIS中的时间同步指各仿真节点间的仿真时间保持一致,同时由于DIS支持人在回路的仿真,因此要求仿真时间和自然时间保持同速率的推进,即保证仿真的实时性。为实现这一要求,在DIS系统中通常采用递阶混合同步的方法:即对DIS中的每个局域网设置一台时间管理计算机(或称时间服务器),并给每一台时间管理计算机装备GPS时间同步系统,从而保证时间管理计算机之间的时间同步,这种同步称为硬同步;同时,在局域网内部采用一定的软件算法,通过在时间管理计算机与仿真计算机之间的网络数据交换方式实现每一台仿真计算机的实时时间同步,这种同步模式称为软同步。DIS中的时间同步是和仿真的实时计算结合进行的,且时间同步精度要求达到毫秒级,因此需要进行专门的实时同步算法设计。



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