陳國利，魏茂洲，李 博，米中賀

（中國白城兵器試驗(yàn)中心，吉林白城 137001）

視景仿真技術(shù)在靶場試驗(yàn)中的應(yīng)用與系統(tǒng)開發(fā)

陳國利，魏茂洲，李 博，米中賀

（中國白城兵器試驗(yàn)中心，吉林白城 137001）

將視景仿真技術(shù)應(yīng)用于靶場試驗(yàn)過程中的態(tài)勢標(biāo)繪、參試設(shè)備部署及彈道軌跡實(shí)時顯示，對于試驗(yàn)的可視化具有重要意義。針對靶場試驗(yàn)指控顯示需求，研究了實(shí)時數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提出一種橫向比較的快速融合算法，極大地減少了運(yùn)算量。根據(jù)系統(tǒng)模型和當(dāng)前測量信息，采用卡爾曼濾波預(yù)測落點(diǎn)坐標(biāo)，提高了落點(diǎn)預(yù)報精度。分析了裝備模型層級關(guān)系，研究了復(fù)雜武器裝備模型機(jī)構(gòu)動作控制方法。采用EV-Globe SDK組件構(gòu)建了三維模擬顯示平臺。

計算機(jī)仿真；視景仿真；靶場試驗(yàn)；地理信息；三維顯示

靶場信息化建設(shè)不但成為武器裝備信息化發(fā)展的客觀需求，而且已成為靶場自身發(fā)展和轉(zhuǎn)型的必然趨勢。三維視景仿真系統(tǒng)作為靶場信息化建設(shè)的一個重點(diǎn)，是基于地理信息和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維可視化平臺，其利用計算機(jī)仿真技術(shù)、測試數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計算機(jī)圖形技術(shù)及多媒體技術(shù)，對試驗(yàn)落區(qū)范圍、危險區(qū)范圍、清場范圍、觀測位置、測試儀器點(diǎn)位、裝備運(yùn)動路徑、目標(biāo)飛行航跡、彈丸運(yùn)行軌跡等，以圖標(biāo)符號、文字或三維模型的形式標(biāo)繪在三維場景中，不同視角展示試驗(yàn)態(tài)勢布局，實(shí)時顯示動態(tài)目標(biāo)軌跡，為試驗(yàn)人員提供一個動態(tài)、可交互的虛擬試驗(yàn)環(huán)境，提高試驗(yàn)指揮決策的科學(xué)化、可視化和遠(yuǎn)程化。

1 靶場試驗(yàn)視景仿真關(guān)鍵技術(shù)

1.1 實(shí)時數(shù)據(jù)處理

實(shí)時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是連接各測試設(shè)備與指顯系統(tǒng)的橋梁，其實(shí)質(zhì)是一臺具有穩(wěn)定高速運(yùn)算能力的工作站，可實(shí)時接收各測試設(shè)備實(shí)時發(fā)來的測試數(shù)據(jù)，經(jīng)過平滑濾波、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，在統(tǒng)一時統(tǒng)及坐標(biāo)系下進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后將數(shù)據(jù)送給指顯系統(tǒng)進(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)傳輸框圖如圖1所示。

常規(guī)兵器靶場試驗(yàn)彈道測試中，一般情況下，彈道高相對較低，測控設(shè)備測試的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，特別是在發(fā)射起始段與即將落地前的彈道弧段數(shù)據(jù)波動非常大。因此，實(shí)測數(shù)據(jù)無法直接用于三維視景仿真驅(qū)動，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與平滑處理，包括對多源數(shù)據(jù)的自動優(yōu)選和異常數(shù)據(jù)的剔除等。

1.1.1 實(shí)時數(shù)據(jù)融合

筆者提出一種橫向比較的快速融合算法，即僅根據(jù)處理機(jī)接收到的各設(shè)備當(dāng)前數(shù)據(jù)信息來確定融合結(jié)果。假設(shè)某時刻有n個測量設(shè)備同時對同一目標(biāo)進(jìn)行測量，分別得到實(shí)時目標(biāo)位置數(shù)據(jù)傳送到處理機(jī)，經(jīng)過預(yù)處理、平滑濾波，轉(zhuǎn)換后得到同一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)（xi，yi，zi），i=1，2，…，n，定義第i個設(shè)備相對于第j個設(shè)備的模糊貼近度為：

式中，aij為歸一化模糊度，aij∈（0，1］。

計算出每兩個設(shè)備的模糊貼近度，可得到模糊貼近度矩陣A：

各測站數(shù)據(jù)綜合模糊貼近度U可表示為：

式中：U=［u1u2… un］T；B為系數(shù)矩陣，其元素都為非負(fù)數(shù)，B=［b1b2… bn］T。

根據(jù)矩陣性質(zhì)，可求得各測試設(shè)備的綜合模糊貼近度：

根據(jù)模糊理論可知，模糊貼近度越大的設(shè)備，其可靠性與穩(wěn)定性就越高，其權(quán)重就應(yīng)取得越大，因此可用模糊貼近度來表示權(quán)重。設(shè)某時刻參與融合的n個設(shè)備測量值的相對權(quán)重為wi，則有：

故在某時刻，對目標(biāo)的融合定位結(jié)果為：

1.1.2 數(shù)據(jù)平滑處理

數(shù)據(jù)平滑采用滑窗式5點(diǎn)二次預(yù)測進(jìn)行平滑，也可以采用7點(diǎn)或者多點(diǎn)二次平滑，直到獲取理想的平滑效果。當(dāng)彈道測試數(shù)據(jù)波動很大時，需要先濾波，去除個別數(shù)據(jù)，然后再平滑。

1.2 落點(diǎn)預(yù)報

落點(diǎn)預(yù)報是利用雷達(dá)實(shí)時測量數(shù)據(jù)，采用外推的方法獲取彈丸落點(diǎn)坐標(biāo)［12］，這里采用卡爾曼濾波［3-5］方法。

卡爾曼濾波是一種根據(jù)系統(tǒng)模型和當(dāng)前測量信息估算系統(tǒng)狀態(tài)變量的遞推算法，可作為彈道重建的有力工具?？柭鼮V波預(yù)報落點(diǎn)主要包括濾波狀態(tài)模型的建立、濾波量測方程的建立和卡爾曼濾波彈道方程。

1.2.1 濾波狀態(tài)模型

將質(zhì)點(diǎn)彈道模型［4］作為外推彈道的狀態(tài)方程：式中：H（y）為空氣密度函數(shù)；c為彈道系數(shù)；G（vr）為阻力函數(shù)。式中變量含義詳見文獻(xiàn)［4］。

由于非線性方程（7）是彈箭質(zhì)心運(yùn)動方程，存在一定誤差，因此引入狀態(tài)擾動矢量W′作為隨機(jī)噪聲，則式（7）變?yōu)椋?/p>

式中，W′服從方差為R的正態(tài)分布W′～N（0，R）。

1.2.2 濾波量測方程

設(shè)雷達(dá)測量值為斜距r，方位角β和高低角ε，則得到量測方程為：

式中，D為雷達(dá)測量噪聲，服從方差為Q的正態(tài)分布，即D～N（0，Q）。

1.2.3 卡爾曼彈道濾波方程

卡爾曼只適用于線性系統(tǒng)，而（7）和（9）是非線性系的，需要離散化，經(jīng)離散可得預(yù)測方程為：

預(yù)測方差為

1.3 模型動作控制

構(gòu)建各種裝備模型時，每個模型都位于其自身的局部坐標(biāo)系中。還需要將這些裝備組織在一起構(gòu)成世界坐標(biāo)系（全局坐標(biāo)系）中的場景。位于局部坐標(biāo)系中的物體通過一個稱為世界變換的運(yùn)算（過程）變換到世界坐標(biāo)系中，該變換通過包括平移、旋轉(zhuǎn)以及比例運(yùn)算，分別用于設(shè)定該裝備在世界坐標(biāo)系中的位置、方向以及模型的大小。世界變換依據(jù)位置、大小和方向的相對關(guān)系將所有裝備放置在世界坐標(biāo)系中。

世界變換的運(yùn)算是通過仿射矩陣來實(shí)現(xiàn)的，在模型中坐標(biāo)為（x，y，z）的點(diǎn)，實(shí)體姿態(tài)的描述通常用歐拉角，歐拉角由3個自由度（h，p，r）組成。其中h代表偏航角，p代表俯仰角，r代表滾動角。世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（x′，y′，z′）如圖2所示。

對需要顯示的三維模型進(jìn)行模型變換，其變換后的結(jié)果可表示為

式中，T是一個4×4的變換矩陣，是模型坐標(biāo)經(jīng)過平移、旋轉(zhuǎn)、反射等各種變換后的結(jié)果［3］。

對于空間運(yùn)動的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，可以視為由一系列剛體的獨(dú)立運(yùn)動組成。以坦克為例，它的空間運(yùn)動是由底盤運(yùn)動、炮塔旋轉(zhuǎn)和火炮俯仰3個獨(dú)立運(yùn)動構(gòu)成。3個運(yùn)動之間通過一定的約束關(guān)系，來保證坦克運(yùn)動與客觀情況相符。這種關(guān)系用階層關(guān)系來表示。模型中做剛體運(yùn)動的最小部件稱為節(jié)點(diǎn)，每一節(jié)點(diǎn)的空間運(yùn)動受其連接的上一級節(jié)點(diǎn)（父節(jié)點(diǎn)）影響，同時對連接到該節(jié)點(diǎn)上的下一級節(jié)點(diǎn)（子節(jié)點(diǎn)）的運(yùn)動產(chǎn)生影響，為了方便描述引入下列定義：

1）模型只有一個根節(jié)點(diǎn)p0。

2）對于模型中每一節(jié)點(diǎn)pi，可以有多個子節(jié)點(diǎn)pij，但只能有一個父節(jié)點(diǎn)pi（f）。

3）模型坐標(biāo)系與根節(jié)點(diǎn)p0固聯(lián)。

4）每一節(jié)點(diǎn)的初始位置用固聯(lián)坐標(biāo)系下的初始變換矩陣IMi描述。

根據(jù)階層關(guān)系，模型的空間運(yùn)動可以表示為所有節(jié)點(diǎn)運(yùn)動的組合，每一節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動可由其父節(jié)點(diǎn)空間變換矩陣與節(jié)點(diǎn)初始變換矩陣以及節(jié)點(diǎn)運(yùn)動變換矩陣確定，如式（17），其中Mij（f）為父節(jié)點(diǎn)空間變換矩陣。

2 三維視景仿真系統(tǒng)設(shè)計

三維視景仿真［6-8］系統(tǒng)包括三維視景仿真服務(wù)器、三維顯示軟件和模型庫。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用三層結(jié)構(gòu)體系建設(shè)：數(shù)據(jù)層、技術(shù)支持層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層主要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、地圖數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建和實(shí)時數(shù)據(jù)接入，以及數(shù)據(jù)的收集、整理與入庫；技術(shù)支持層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，地圖數(shù)據(jù)和DEM（數(shù)字高程模型）、DOM（數(shù)字正射影像圖）的聯(lián)接以及應(yīng)用系統(tǒng)接口；應(yīng)用層在技術(shù)支持層的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要功能，包括三維視景仿真、多源數(shù)據(jù)融合處理、實(shí)時落點(diǎn)預(yù)測、落點(diǎn)綜合評判應(yīng)用4個子系統(tǒng)，如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)具有試驗(yàn)態(tài)勢標(biāo)繪功能、動態(tài)目標(biāo)模擬顯示功能、落點(diǎn)預(yù)報功能、數(shù)據(jù)存儲與回放功能及地理分析功能。系統(tǒng)功能設(shè)計如圖4所示。

2.2.1 地圖數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

將高精度的遙感影像作為紋理貼到由DEM數(shù)據(jù)所構(gòu)成的三維模型上，便構(gòu)成了地形模型。如何在DOM和DEM數(shù)據(jù)之間進(jìn)行準(zhǔn)確配準(zhǔn)和等比例對應(yīng)是保證三維地形精度的關(guān)鍵，而三維可視化的視覺效果取決于影像的輻射特性。

為了增強(qiáng)三維地形的真實(shí)感和視覺效果，在進(jìn)行紋理映射前必須對遙感影像進(jìn)行預(yù)處理。通過輻射校正和幾何校正來解決遙感影像和DEM數(shù)據(jù)之間的配準(zhǔn)精度問題，而遙感影像與DEM數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系可以由成像時的相點(diǎn)與地面點(diǎn)之間的幾何關(guān)系求得。由于遙感影像與地形數(shù)據(jù)區(qū)域并不一定完全一致，所以需要對遙感影像進(jìn)行鑲嵌和裁剪處理，使得影像和數(shù)據(jù)對應(yīng)。圖5是利用遙感影像生成的三維地形圖。

2.2.2 三維視景仿真系統(tǒng)

三維視景仿真系統(tǒng)包括試驗(yàn)配置模塊、綜合信息顯示模塊、三維模型控制模塊、落點(diǎn)預(yù)報模塊和地理分析模塊等，功能模塊如圖6所示。

2.2.2.1 試驗(yàn)配置模塊

該模塊提供試驗(yàn)信息、理論彈道、試驗(yàn)區(qū)域、測試設(shè)備布站、實(shí)時文字信息顯示、實(shí)時彈道曲線等試驗(yàn)綜合顯示信息的配置功能；提供飛行目標(biāo)模型導(dǎo)入，最多支持16個運(yùn)動目標(biāo)模型動作配置等功能。模型動作設(shè)計包括顯示選中運(yùn)動目標(biāo)模型的結(jié)構(gòu)框架、對需要在試驗(yàn)過程中執(zhí)行特殊動作的部件配置動作參數(shù)、為部件附加尾焰等三維特效、設(shè)置模型運(yùn)動控制指令、指令編碼等。

2.2.2.2 綜合信息顯示模塊

該模塊主要構(gòu)成如圖6所示。試驗(yàn)要素標(biāo)繪以KML標(biāo)繪為基礎(chǔ)，進(jìn)行試驗(yàn)點(diǎn)位、規(guī)劃區(qū)域、陣地設(shè)施等試驗(yàn)要素標(biāo)繪，并在KML樹中進(jìn)行集中管理。文字顯示窗口以可渲染對象為基類進(jìn)行定制開發(fā)，可以在屏幕坐標(biāo)中顯示，并可以調(diào)整顯示效果。運(yùn)動目標(biāo)實(shí)時坐標(biāo)信息可以根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)顯示靶場坐標(biāo)、經(jīng)緯度坐標(biāo)、姿態(tài)角等數(shù)據(jù)；試驗(yàn)進(jìn)程顯示可以顯示試驗(yàn)進(jìn)度、特征事件、控制指令等文字信息。綜合信息顯示界面如圖7所示。

2.2.2.3 三維模型驅(qū)動模塊

在主窗口中顯示理論彈道曲線、實(shí)時彈道曲線。當(dāng)系統(tǒng)接收到實(shí)測數(shù)據(jù)后，驅(qū)動模型在場景中顯示。運(yùn)動目標(biāo)的動作細(xì)節(jié)以獨(dú)立窗口的形式實(shí)現(xiàn)畫中畫功能。

2.2.2.4 落點(diǎn)預(yù)報模塊

主要包括理論彈道參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置等，落點(diǎn)預(yù)報界面如圖8所示。

該模塊針對無控彈丸，在降弧段開始預(yù)測彈丸落點(diǎn)，每隔1 s進(jìn)行一次預(yù)測，預(yù)測結(jié)束后，平均所有預(yù)測值得到最終落點(diǎn)。

2.2.3 實(shí)時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

主要包括對網(wǎng)絡(luò)端口、模擬數(shù)據(jù)等進(jìn)行設(shè)置，完成發(fā)送模擬數(shù)據(jù)、接收并發(fā)送實(shí)時數(shù)據(jù)功能等。端口及數(shù)據(jù)發(fā)送關(guān)系如圖9所示。

功能界面如圖10所示。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

試驗(yàn)視景仿真系統(tǒng)開發(fā)工具為Visual Studio2008，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和模塊化技術(shù)進(jìn)行軟件開發(fā)。開發(fā)語言使用基于Microsoft.NET3.5程序框架的C＃。采用EV-Globe SDK工具開發(fā)包［9］實(shí)現(xiàn)。

EV-Globe SDK是國遙新天地公司自主研發(fā)并擁有知識產(chǎn)權(quán)的核心平臺軟件，集成了地理信息和三維軟件技術(shù)，對各種功能作了很好的封裝。具有直觀全空間三維可視化表達(dá)、海量多源數(shù)據(jù)集成、快捷二三維一體化應(yīng)用、高效三維模型渲染與分析、專業(yè)多維度空間分析能力和開放平臺與多渠道信息發(fā)布等特點(diǎn)，是大型空間信息服務(wù)平臺。

3 結(jié)束語

三維視景仿真系統(tǒng)將發(fā)射、測控、通信等各系統(tǒng)傳來的信息進(jìn)行集中處理并顯示，對試驗(yàn)任務(wù)的“可測、可知、可視”具有重要作用。針對靶場試驗(yàn)特點(diǎn)研究了視景仿真關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合靶場試驗(yàn)需求，設(shè)計了視景仿真原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三維顯示等功能。

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The Applieation and System Development of Visual Simulation Teehnology for Range Test

CHEN Guoli，WEI Maozhou，LI Bo，MI Zhonghe
（China Baicheng Weapon Test Center，Baicheng 137001，Jilin，China）

computer simulation；visual simulation；the range test；GIS；3D simulation display

TP391.9

A

1673-6524（2015）04-0039-06

2015- 02- 09；

2015- 06- 13

陳國利（1974－），男，碩士，主要從事靶場試驗(yàn)與信息化技術(shù)研究。E-mail：glch88＠126.com

Abstraet：It applies the technology of visual simulation to the range test in the process of plotting，test equipment deployment and trajectory real-time display，which is of great significance for the visualization experiment.In response to the display requirement of test command in the range test，the researcher studied the real time data processing technique and presented a fast fusion algorithm for horizontal comparison，which greatly reduces the amount of computation.The Kalman filter that improves the prediction accuracy of impact point is used to predict the impact point coordinates，according to the system model and the current measurement information.An analysis is made of the relationship between the levels of the equipment model as well as the action control method of complex weapon equipment model mechanisms.The 3D simulation display platform is constructed by using EV-globe SDK module.