肖本龍 傅亦源 張 宇 楊黎都

（1.63880部隊 洛陽 471003）（2.上海機電工程研究所 上海 200233）

1 引言

反輻射導(dǎo)彈（Anti－Radiation－Missile，ARM）作為現(xiàn)代武器系統(tǒng)的關(guān)鍵成員之一，半實物仿真在其型號研制、性能驗證等方面發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。ARM輻射式仿真試驗是指其關(guān)鍵部件如導(dǎo)引頭、自動駕駛儀等在回路的閉環(huán)半實物仿真試驗，通過在微波暗室內(nèi)構(gòu)建真實、典型的目標信號、背景信號等戰(zhàn)場電磁環(huán)境，并引入三軸仿真轉(zhuǎn)臺，模擬ARM從發(fā)射指令到在控制指令下完成近區(qū)攻擊過程中導(dǎo)彈的物理姿態(tài)以及攻擊效果，以實現(xiàn)ARM在不同戰(zhàn)情設(shè)置情況下作戰(zhàn)效能的綜合評估。

可視化仿真采用計算機圖形圖像技術(shù)，根據(jù)仿真目的，構(gòu)造仿真對象的三維模型或再現(xiàn)真實的環(huán)境，能夠達到非常逼真的仿真效果，客觀、實時地再現(xiàn)仿真過程，為用戶提供一個多視點、多角度、多層次觀察仿真進程的人機交互環(huán)境。由于輻射式半實物仿真試驗系統(tǒng)屬于硬實時系統(tǒng)，對實時性的要求非?？量?，ARM輻射式仿真試驗可視化研究遵從仿真試驗系統(tǒng)的實時網(wǎng)協(xié)議規(guī)定，通過 Windows與RTX之間的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)仿真試驗與可視化的實時同步，為試驗評估人員提供一種更加直觀、便捷的分析手段。

2 開發(fā)平臺的選擇

ARM輻射式仿真試驗可視化既要清晰地展示飛行動畫場景，又要滿足試驗實時性的要求。目前用于三維場景可視化仿真的工具已比較多，如 MultiGen Creator、Multi－Gen Vega、OpenGL等。相比之下，MultiGen Creator／Vega等作為一種工具軟件，雖然能夠節(jié)省部分開發(fā)時間，但是這些軟件局限于離線制作動畫，進行可視化仿真，開發(fā)出的產(chǎn)品很難在不同的操作系統(tǒng)之間移植，且主要側(cè)重于三維對象的建模，缺乏對場景和模型的實時控制，較難用于可視化系統(tǒng)的二次開發(fā)。開放性圖形庫OpenGL既能實現(xiàn)對場景的編輯，也能實現(xiàn)對場景和對象的實時控制。OpenGL可與Visual C＋＋緊密結(jié)合，實現(xiàn)有關(guān)計算和圖形算法，保證算法的正確性和可靠性。在動畫實時顯示方面，OpenGL采用雙緩存技術(shù)，實現(xiàn)動畫的連續(xù)無閃爍響應(yīng)，符合ARM輻射式仿真試驗可視化的要求。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)完成的功能包括虛擬場景的繪制、視點的跟蹤與切換、導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)的驅(qū)動，按照模塊化和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，將系統(tǒng)分為不同模塊，如圖1所示。

其中各模塊的功能如下：

· 開發(fā)環(huán)境模塊：主要用于構(gòu)建系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)在Visual C＋＋環(huán)境下利用MFC和OpenGL進行開發(fā)的，考慮到在單文檔繪制OpenGL圖形較為簡單，因此構(gòu)建一個基于單文檔的OpenGL圖形程序框架。具體包括OpenGL庫文件和頭文件的添加，窗口函數(shù)的重載等。

圖1 系統(tǒng)總體框架示意圖

· 導(dǎo)彈建模模塊：主要用于ARM的三維建模，并完成三維模型的加載。

· 自然場景模塊：主要用于創(chuàng)建飛行環(huán)境中的典型景物如地面、天空、樹木、攻擊目標等的造型。

· 坐標轉(zhuǎn)換模塊：主要用于將仿真試驗系統(tǒng)中使用的大地坐標系、彈體坐標系轉(zhuǎn)換為OpenGL世界中的坐標系。

· 數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊：主要用于從仿真試驗系統(tǒng)中的實時內(nèi)存網(wǎng)上獲取用于ARM飛行驅(qū)動的數(shù)據(jù)。

·動畫繪制模塊：根據(jù)獲取到的ARM實時飛行數(shù)據(jù)對飛行畫面進行重繪。

· 視點切換模塊：為實現(xiàn)多角度、全方位的觀察，可根據(jù)需要從不同視角切換ARM飛行過程的顯示。

· 結(jié)果顯示模塊：仿真試驗結(jié)束后，對ARM仿真全程中飛行數(shù)據(jù)以曲線的方式進行顯示，以便對仿真過程進行全面評估。

根據(jù)系統(tǒng)的總體框架，系統(tǒng)的設(shè)計流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的設(shè)計流程圖

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 導(dǎo)彈的建模與加載

本系統(tǒng)采用MilkShape3D創(chuàng)建導(dǎo)彈模型（其文件格式為MS3D），在工程中加入用于加載MS3D的類文件，分別是MilkshapeModel.h和MilkshapeModel.cpp，通過在視類中包含類的頭文件，在繪制場景時調(diào)用loadModelData（）函數(shù)即可將制作好的導(dǎo)彈三維模型導(dǎo)入視景仿真程序，使模型繪制的復(fù)雜程度大大地簡化。

3.2.2 攻擊目標的構(gòu)建

ARM攻擊的目標一般是雷達等電子裝備，這些裝備的構(gòu)造較為復(fù)雜，外形的平面和頂點較多，如直接使用OpenGL進行繪制，難以達到逼真的效果。因此，目標的繪制考慮使用與ARM同樣的建模方法，即先在MilkShape3D里創(chuàng)建目標的三維模型，再通過模型的加載類將模型載入到仿真程序中。

3.2.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動

為保證ARM輻射式仿真試驗數(shù)據(jù)通信的實時性，其通信接口工作在RTX實時擴展系統(tǒng)下，而可視化系統(tǒng)是基于Windows環(huán)境進行構(gòu)建的，通過黑板式通信接口將二者有機聯(lián)系，實現(xiàn)ARM飛行驅(qū)動數(shù)據(jù)的實時獲取，其基本實現(xiàn)方法如圖3所示。

3.2.4 坐標的轉(zhuǎn)換

ARM飛行中的位置和姿態(tài)是以地面坐標系XdYdZd中三個坐標值和彈體坐標系中的方位、俯仰、橫滾三個姿態(tài)角確定的。地面坐標系原點選取在發(fā)射點上，Xd軸是彈道面與水平面交線，指向目標為正，Yd軸沿垂線向上，Zd軸與其他兩軸垂直并構(gòu)成右手坐標系。而在OpenGL坐標系X0Y0Z0中計算機屏幕為X0Y0平面，Z0軸由計算機屏幕指向觀察者，Z0為負值時景物才能在屏幕上顯示。因此，需要對兩個坐標系進行變換以實現(xiàn)數(shù)據(jù)表述的統(tǒng)一，兩坐標系關(guān)系示意圖如圖4所示。

圖3 實時數(shù)據(jù)通信方式

圖4 坐標系關(guān)系示意圖

3.3 主要函數(shù)說明

1）InitOpenGL（）：用于初始化OpenGL場景，生成繪制描述表并置當(dāng)前繪制描述表。

2）ReadTestData（）：該函數(shù)以仿真試驗節(jié)拍為中斷，實時讀取實時內(nèi)存網(wǎng)上的ARM位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，并存入緩存以備繪制動畫。

3）ViewpointTrans（）：用于完成仿真視角的變換處理，實現(xiàn)空間不同位置導(dǎo)彈飛行姿態(tài)觀察。

4）OnTimeEvent（）：該函數(shù)以仿真試驗節(jié)拍為中斷，完成飛行場景、導(dǎo)彈的繪制，實現(xiàn)飛行動畫的驅(qū)動。

5）DrawWave（）：對仿真試驗數(shù)據(jù)進行獲取，并隨飛行過程實時動態(tài)繪制飛行位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)曲線。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)利用OpenGL的雙緩存技術(shù)，實現(xiàn)了平滑的實時動畫效果。使用雙緩存技術(shù)時，OpenGL分配兩個幀緩存區(qū)，在連續(xù)顯示三維曲面時，一個幀緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)執(zhí)行繪制曲面命令的同時，另一個幀緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)進行圖形顯示。當(dāng)后臺視頻緩存中的數(shù)據(jù)要求顯示時，OpenGL就將它拷貝至前臺視頻緩存，顯示硬件不斷地讀可見視頻緩存中的內(nèi)容，并把結(jié)果顯示在屏幕上。應(yīng)用雙緩存技術(shù)，可以避免在進行實時可視化時由于時間延遲而產(chǎn)生的畫面閃爍問題。

系統(tǒng)實時讀取仿真試驗中實時內(nèi)存網(wǎng)上的ARM位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)到達事件作為中斷，使得每收到一次數(shù)據(jù)，ARM的位置和姿態(tài)馬上進行更新顯示，從而實現(xiàn)ARM攻擊過程的實時可視化?？梢暬到y(tǒng)界面如圖5所示。界面的上部為ARM輻射式仿真試驗過程中的實時飛行姿態(tài)動畫，下部分別為當(dāng)前戰(zhàn)情信息顯示和ARM位置、姿態(tài)的數(shù)據(jù)曲線顯示，系統(tǒng)在仿真試驗結(jié)束后對ARM全程飛行數(shù)據(jù)進行記錄入庫，可在試驗后進行重放。

5 結(jié)語

可視化系統(tǒng)是在仿真試驗系統(tǒng)的框架規(guī)定下開發(fā)的，其接口完全移植于仿真試驗系統(tǒng)，便于今后二次開發(fā)的實現(xiàn)?？梢暬到y(tǒng)在仿真試驗過程中接收仿真試驗控制指令，如試驗開始、試驗凍結(jié)、試驗停止等，并在動畫顯示中予以體現(xiàn)。實時可視化和非實時可視化主要的差別在于驅(qū)動數(shù)據(jù)不同，本系統(tǒng)雖為實時可視化系統(tǒng)，但支持單機狀態(tài)下接收外部數(shù)據(jù)文件的非實時驅(qū)動，可以用于試驗后根據(jù)錄取數(shù)據(jù)重現(xiàn)仿真試驗過程，以科學(xué)、準確地對ARM作戰(zhàn)性能進行評估。

［1］于淼，焦淑紅.基于VC＋＋與OpenGL的船舶三維模型可視化應(yīng)用［J］.信息技術(shù)，2011（6）：161－163.

［2］岳利群，夏青，黃勇.利用OpenGL實現(xiàn)武器裝備模型運動可視化［J］.測繪科學(xué)，2010，35（6）：120－122.

［3］張明明，傅忠謙，等.基于OpenGL的導(dǎo)彈紅外仿真研究［J］.紅外技術(shù)，2011，33（6）：361－364.

［4］周杰，高洪林，周文林.基于OpenGL的新型水雷三維仿真訓(xùn)練系統(tǒng)［J］.計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20（4）：11－13.

［5］龔錚，張科.彈艦電子對抗的視景仿真技術(shù)研究和應(yīng)用［J］.彈艦與制導(dǎo)學(xué)報，2008，28（2）：219－221.

［6］高穎，黃羅軍，許志國.基于OpenGL的某導(dǎo)彈視景仿真技術(shù)研究［J］.兵工學(xué)報，2007，28（1）：125－127.

［7］李綱，章校，黃地龍.仿真實時視景演示系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2005，25（3）：218－220.

［8］禹海全，郝永生，姚志敏.對三種常用視景仿真軟件的功能比較研究［J］.計算機仿真，2006，23（2）：174－176.

［9］Shreiner D，Woo M，Nerder J，et al.OpenGL programming guide［M］.5th ed.Ontario，Canada：Addison－Wesley Professional，2005：1－2.

［10］陳其，劉國良，曾航，等.OpenGL三維圖形系統(tǒng)開發(fā)與實用技術(shù)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2003：16－24.

［11］徐琦，方澄.基于反射內(nèi)存網(wǎng)的多飛行模擬器時間同步［J］.火力與指揮控制，2009，34（11）：164－166.