韓文波，周易欣，劉禹佳，遲名辰

（長(zhǎng)春理工大學(xué)　光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春　130022）

基于VEGA PRIME激光制導(dǎo)導(dǎo)彈三維視景仿真設(shè)計(jì)

韓文波，周易欣，劉禹佳，遲名辰

（長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

三維視景仿真依據(jù)仿真目的，可實(shí)時(shí)再現(xiàn)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的全過(guò)程，為激光制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真的飛行仿真、航跡規(guī)劃等提供了直觀的分析手段。通過(guò)Vega prime和Creator建立了導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的三維視景仿真系統(tǒng)中所需的三維實(shí)體模型、地形模型、天空、海面、雪地和碰撞等特殊效果并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理。依據(jù)導(dǎo)彈彈道解算模型實(shí)時(shí)解算導(dǎo)彈彈道參數(shù)，通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)彈飛行的位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的可視化仿真。

三維視景軟件；彈道解算；Creator；Vega prime

視景仿真系統(tǒng)是用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使用戶產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式仿真系統(tǒng)。激光制導(dǎo)導(dǎo)彈三維實(shí)景仿真采用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)，進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景再現(xiàn)或建立實(shí)體仿真的三維模型，解決了激光制導(dǎo)武器實(shí)物實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的難題，可以達(dá)到非常逼真的仿真效果。［1］本文根據(jù)激光制導(dǎo)導(dǎo)彈半實(shí)物仿真的要求，建立導(dǎo)彈的數(shù)學(xué)模型，選擇合適的導(dǎo)引方法對(duì)彈道參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解算；利用建模軟件建立場(chǎng)景所需的模型；視景仿真計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)在彈道仿真計(jì)算機(jī)的控制下，接收彈道解算計(jì)算機(jī)解算的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，在Vega prime平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)彈道識(shí)別、跟蹤及命中目標(biāo)全過(guò)程的仿真。

1　三維視景仿真的整體結(jié)構(gòu)

針對(duì)實(shí)時(shí)作戰(zhàn)過(guò)程直觀化以及仿真結(jié)果圖形化的要求，建立了一套具有良好視覺效果和交互能力的三維視景仿真軟件。首先利用比例導(dǎo)引法進(jìn)行彈道解算，然后利用Creator建模軟件建立飛機(jī)、導(dǎo)彈、坦克等三維實(shí)體模型和地形模型。最后在VC平臺(tái)下利用仿真應(yīng)用程序的編程接口Vega Prime API函數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)視景仿真程序，調(diào)用API函數(shù)來(lái)生成相應(yīng)的ACF文件，對(duì)虛擬仿真場(chǎng)景進(jìn)行交互控制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)和顯示導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的全過(guò)程。三維視景仿真軟件的整體構(gòu)建過(guò)程如圖1所示。

圖1　三維視景仿真軟件的整體構(gòu)建過(guò)程

2　視景仿真彈道解算方法與仿真

2.1彈道模型

經(jīng)典的自尋導(dǎo)彈制導(dǎo)方法有追蹤法、平行接近法、比例導(dǎo)引法。本論文采用比例導(dǎo)引法解算彈道。比例導(dǎo)引法是基于導(dǎo)彈速度矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和目標(biāo)視線的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度成比例的原理建立的一種導(dǎo)引方法。

將導(dǎo)引表達(dá)式分成水平方向和豎直方向兩個(gè)表達(dá)式：

其中k為導(dǎo)引系數(shù)。

建立模型過(guò)程如下：

（1）假設(shè)導(dǎo)彈的起始位置為（0，0，0），目標(biāo)相對(duì)于導(dǎo)彈的位置為（xt0，yt0，zt0）。

（2）在t1時(shí)刻開始對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行導(dǎo)引，此時(shí)導(dǎo)彈的位置為（xm1，ym1，zm1），目標(biāo)相對(duì)于導(dǎo)彈的位置為（xt1，yt1，zt1），此時(shí)導(dǎo)彈的方向用σm1和αm1來(lái)表示：

此時(shí)假設(shè)導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)方向與彈目實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向一致，則有：

式中，sp表示水平方向，sz表示豎直方向。

（3）經(jīng)過(guò)一段時(shí)間來(lái)到t2時(shí)刻，假定導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)方向始終與彈目實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向一致，此時(shí)導(dǎo)彈位置的表達(dá)式為：

此時(shí)

則導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度表達(dá)式為：

下一個(gè)時(shí)間段的計(jì)算方法同上，最后得到導(dǎo)彈與目標(biāo)的相對(duì)距離：

在t時(shí)刻，（xm，ym，zm）表示導(dǎo)彈的位置，目標(biāo)相對(duì)于導(dǎo)彈的位置為（xt，yt，zt）；當(dāng)r小于閾值r0時(shí)，就認(rèn)為導(dǎo)彈已經(jīng)擊中目標(biāo)。

2.2彈道仿真

本系統(tǒng)采用Matlab仿真軟件，對(duì)導(dǎo)彈與目標(biāo)之間的相對(duì)距離進(jìn)行求解得到彈道的軌跡圖。如圖2所示是彈道仿真的過(guò)程，假設(shè)導(dǎo)彈攻擊速度大小V=780m/s，目標(biāo)前進(jìn)速度大小VT=390m/s，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，假設(shè)導(dǎo)彈開始受到導(dǎo)引控制時(shí)的坐標(biāo)位置為原點(diǎn)，目標(biāo)在空間的坐標(biāo)位置為（24，8，4），導(dǎo)彈速度矢量與目標(biāo)瞄準(zhǔn)線之間的夾角初值目標(biāo)速度矢量與目標(biāo)瞄準(zhǔn)線之間的夾角初值，一般選取彈道解算的仿真步長(zhǎng)為25ms，比例導(dǎo)引系數(shù)取k=3；通過(guò)Matlab仿真軟件對(duì)導(dǎo)彈—目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)微分方程進(jìn)行求解得到彈道的軌跡圖，如圖3所示。

圖2　彈道仿真流程圖

圖3　彈道解算仿真軌跡

3　導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)三維視景仿真設(shè)計(jì)

3.1三維視景仿真的流程

在三維視景仿真系統(tǒng)中，首先需要對(duì)視景和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化；彈道仿真計(jì)算機(jī)與視景仿真計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，用來(lái)控制三維場(chǎng)景中模型的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，將Creator中的模型進(jìn)行仿真和實(shí)現(xiàn)。再通過(guò)比例導(dǎo)引法對(duì)導(dǎo)彈軌跡進(jìn)行解算，然后在視景場(chǎng)景中利用Vega Prime Isector模塊進(jìn)行相交測(cè)試，檢測(cè)導(dǎo)彈是否擊中目標(biāo)，擊中目標(biāo)后就會(huì)產(chǎn)生爆炸的效果，會(huì)生成火焰、碎片等特效，最終完成一次仿真過(guò)程。三維視景仿真系統(tǒng)的流程圖如圖4所示。

圖4　三維視景仿真的流程圖

3.2三維實(shí)體模型建造

三維實(shí)體模型建立有很多種方法，本文采用截面法制作三維模型，為視景仿真場(chǎng)景提供了驅(qū)動(dòng)對(duì)象［2］。下面以坦克為例介紹此方法，首先在背景圖案上建立幾個(gè)重要的多邊形截面，然后使用調(diào)整工具將截面放置在圖像相應(yīng)的位置上，接著使用放樣工具將他們連在一起，刪除橫截面和其他不必要的面，減少建模所需的多邊形數(shù)量，最后利用鏡面工具制作另一半坦克模型。

經(jīng)過(guò)初步的建模，模型不夠真實(shí)，還需要在模型上應(yīng)用紋理。應(yīng)用紋理是將二維圖片投影到三維仿真模型的各個(gè)表面上。在Creator中要完成紋理圖案在模型表面的映射，首先要打開紋理面板，載入單個(gè)或者多個(gè)紋理圖案，使用紋理工具箱里面相應(yīng)的映射方法進(jìn)行投影。圖5、6、7分別表示為應(yīng)用紋理后的飛機(jī)模型、坦克模型、導(dǎo)彈模型。

圖5　飛機(jī)模型

圖6　坦克模型

圖7　導(dǎo)彈模型

3.3地形模型的仿真

地形模型的建立可以模擬真實(shí)的作戰(zhàn)場(chǎng)景，使場(chǎng)景中的模型對(duì)象運(yùn)動(dòng)起來(lái)更加形象逼真，增添了場(chǎng)景的視覺效果和渲染力。

圖8　地形仿真流程圖

圖8為地形仿真的流程：首先在creator建立的地形模型中添加紋理和文化要素，使得地形顯得更加真實(shí)；生成好的地形模型以flt的格式存儲(chǔ)；接著通過(guò)調(diào)用Openflight的編程接口函數(shù)對(duì)地形進(jìn)行設(shè)置，生成配置信息［3］；在Vega Prime中將flt格式的地形模型轉(zhuǎn)換成VSB格式的中間過(guò)渡文件，它可以將模型配置信息和紋理都轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制文件，方便在場(chǎng)景中進(jìn)行渲染，而且它的加載速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通過(guò)Lynx圖形配置工具進(jìn)行加載的速度；最后基于Visual Studio2005的平臺(tái)調(diào)用仿真應(yīng)用程序的編程接口Vega Prime API函數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)視景仿真程序，對(duì)虛擬仿真場(chǎng)景進(jìn)行交互控制。圖9為平原地形的仿真效果。

圖9　平原地形仿真效果圖

3.4特殊效果渲染

考慮到真實(shí)的仿真作戰(zhàn)環(huán)境，應(yīng)該在虛擬仿真場(chǎng)景中添加一些可以提高渲染力的特殊效果，例如導(dǎo)彈行進(jìn)過(guò)程中的尾焰、導(dǎo)彈擊中目標(biāo)后的爆炸效果、被擊中的目標(biāo)碎片效果等等。采用Creator建模的方法是很難得到理想的顯示效果，在Vega Prime特殊效果模塊中提供了一種粒子系統(tǒng)［4］，可以通過(guò)配置粒子相應(yīng)的屬性實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊效果的仿真。

在Vega Prime中，特殊效果的渲染首先需要通過(guò)Isector模塊和Volume模塊來(lái)確定導(dǎo)彈是否成功擊中目標(biāo)；本文選擇BUMP的方法來(lái)檢測(cè)導(dǎo)彈和目標(biāo)是否發(fā)生碰撞。當(dāng)BUMP的六條線段中，有一條或者一條以上的線段與目標(biāo)相交時(shí)，則碰撞就發(fā)生了，碰撞發(fā)生的同時(shí)就要觸發(fā)特殊效果的顯示。在Vega Prime中特殊效果的添加都是通過(guò)“Special Effect”模塊完成特殊效果的配置，用戶通過(guò)設(shè)置Lynx界面下此模塊相應(yīng)的效果配置屬性來(lái)完成所需特殊效果的添加；把設(shè)置好的特殊效果信息存儲(chǔ)在一個(gè)ACF文件中，利用仿真應(yīng)用程序的編程接口Vega Prime API函數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)視景仿真程序，對(duì)虛擬仿真場(chǎng)景進(jìn)行交互控制［5］。

3.5主界面顯示

圖形顯示窗口是通過(guò)Vega Prime窗口類來(lái)配置的；Vega Prime窗口類中包含通道類、場(chǎng)景類和實(shí)體模型類。通道類主要通過(guò)vpChannelScene（）函數(shù)完成多視角的觀察和切換，這里提供了四個(gè)視角：裝載導(dǎo)彈的載體視角，導(dǎo)彈視角、和對(duì)于目標(biāo)兩個(gè)不同的視角；場(chǎng)景類一般都是通過(guò)vpscene（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的渲染［6］，這里提供了四種場(chǎng)景可供選擇，包括平原地面、沙漠、雪地和海洋；然后采用vpObjectScene（）函數(shù)將觀察者和場(chǎng)景相互關(guān)聯(lián)［7］；實(shí)體模型類主要用來(lái)定義三維仿真模型的屬性，這里提供了導(dǎo)彈、艦船和坦克三種實(shí)體模型。圖10為三維視景軟件的主界面。

圖10　導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的顯示主界面

3.6三維視景仿真的實(shí)現(xiàn)

首先通過(guò)結(jié)構(gòu)函數(shù)對(duì)視景進(jìn)行初始化設(shè)置（窗口、通道、場(chǎng)景中的實(shí)體模型等等），然后對(duì)導(dǎo)彈模型動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行配置，最后在根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)和實(shí)際仿真的要求，設(shè)計(jì)了四個(gè)曲線來(lái)顯示模型參數(shù)的變化情況，這樣就可以在仿真過(guò)程中直觀而方便地看到相應(yīng)參數(shù)的變化曲線，如圖11所示。

圖11　動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化曲線

視景仿真計(jì)算機(jī)可通過(guò)以太網(wǎng)在彈道仿真計(jì)算機(jī)的控制下，接收彈道解算計(jì)算機(jī)解算的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)視景仿真。圖12為導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)后的仿真效果圖。

圖12　仿真效果圖

4　結(jié)論

本文對(duì)基于Vega Prime激光制導(dǎo)導(dǎo)彈三維視景仿真系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要從彈道解算、三維建模、Vega Prime的開發(fā)環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)和場(chǎng)景進(jìn)行渲染的三個(gè)角度進(jìn)行了分析，該系統(tǒng)在模型構(gòu)造、多視角觀察、場(chǎng)景設(shè)計(jì)、特殊效果等都達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)清晰易懂，可利用價(jià)值高。在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了彈道識(shí)別、跟蹤及命中目標(biāo)全過(guò)程的仿真?；赩ega Prime激光制導(dǎo)導(dǎo)彈三維視景仿真系統(tǒng)的建設(shè)在激光制導(dǎo)武器的研究、試驗(yàn)、作戰(zhàn)仿真、訓(xùn)練和教學(xué)中有重要作用。

［1］王桂明.導(dǎo)彈飛行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

［2］張斌.導(dǎo)彈作戰(zhàn)系統(tǒng)視景仿真技術(shù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

［3］Liu Zhenbao，Wang Zhongsheng，Zhang Chao.Scheme of dynamic clouds generationfor 3D real time flight simulation［J］.ComputerModelingandSimulation，2010（2）：370-374.

［4］Zhang Yanyan，Cong Dacheng，Han Junwei.Realtime rendering of large-scale terrain in the flight simulation［J］.IntegrationTechnology，2007（3）：426-431.

［5］Zhou Yanyan，Zhang Dongyang，Ren Baoxiang.Credibility evaluation of missile flight simulation model ［J］.Intelligence Information Processing and Trusted Computing，2010（10）：471-474.

Research on the Three Dimensional Visual Simulation System of Laser Guidance Missile Based on Vega Prime

HAN Wenbo，ZHOU Yixin，LIU Yujia，CHI Mingchen
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Three dimensional visual simulation is based on the purpose of the simulation，which can reproduce the whole process of the missile attacking target，and provide a visual analysis method for path planning and flight simulation of semi physical simulation of laser guided weapon.In this paper，the 3D visual simulation system of missile attacking target is established by Vega Prime and creator.The 3D solid model，terrain model，sky，sea surface，snow and collision are established and carried on the optimization.Based on the ballistic trajectory calculation model，the missile trajectory parameters are calculated in real time.The position and attitude of the missile is displayed in real time by the man-machine interactive interface.Visual simulation of missile attacking target is realized.

3D visual scene software；ballistic solution；Creator；Vega prime

TP391.9

A

1672-9870（2016）03-0014-05

2015-12-08

韓文波（1970-），女，副教授，E-mail：hanwenbo@cust.edu.cn