炮兵雷達(dá)陣地選擇仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

單顯明，張 鵬，劉彬斌

（沈陽炮兵學(xué)院，遼寧 沈陽 110162）

傳統(tǒng)炮兵雷達(dá)陣地選擇是在紙質(zhì)地圖上進(jìn)行圖上作業(yè)，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)和雷達(dá)的戰(zhàn)技性能指標(biāo)計(jì)算雷達(dá)陣地地形數(shù)據(jù)，在圖上找到預(yù)定架設(shè)點(diǎn)，經(jīng)過實(shí)地勘察確定雷達(dá)陣地位置[1]。這種傳統(tǒng)作業(yè)模式選取雷達(dá)陣地時(shí)主要憑人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)對(duì)實(shí)際地形勘察之后做出決策，缺乏決策的全面性及科學(xué)性。因此，改變傳統(tǒng)作業(yè)模式，決策時(shí)能夠最大限度地考慮雷達(dá)陣地周圍的地形、地物等復(fù)雜的陣地環(huán)境是當(dāng)前亟待解決的問題。

本文以“某型雷達(dá)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)”為應(yīng)用背景，通過對(duì)地理信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)的三維模擬顯示，在 VC++平臺(tái)上首次實(shí)現(xiàn)了某型炮兵雷達(dá)陣地選擇仿真系統(tǒng)，為炮兵雷達(dá)的陣地選擇提供了一個(gè)直觀的三維仿真平臺(tái)。該系統(tǒng)完成了二維數(shù)字地圖和三維虛擬場(chǎng)景之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了虛擬控制面板操作到天線隨動(dòng)再到天線瞄準(zhǔn)鏡隨動(dòng)的一體化，增強(qiáng)了仿真訓(xùn)練的實(shí)時(shí)性和交互性；系統(tǒng)能夠完成多種地形和天候條件的實(shí)時(shí)生成和顯示，解決了訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)消耗大、選擇地形和天候條件困難等原因造成的訓(xùn)練場(chǎng)景單一的問題；系統(tǒng)構(gòu)建了雷達(dá)陣地評(píng)估指標(biāo)計(jì)算模型和成績?cè)u(píng)定模型，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)陣地評(píng)估過程定性分析和定量分析的有機(jī)結(jié)合，使雷達(dá)陣地評(píng)估更加科學(xué)規(guī)范。

1 系統(tǒng)組成及功能模塊

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖1所示。雷達(dá)操作人員通過操作數(shù)字地圖實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的想定管理，通過圖上作業(yè)完成雷達(dá)陣地的標(biāo)繪，同時(shí)將標(biāo)繪結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫，陣地選擇仿真訓(xùn)練時(shí)，從雷達(dá)陣地?cái)?shù)據(jù)庫中得到陣地?cái)?shù)據(jù)，仿真訓(xùn)練實(shí)施后進(jìn)行成績?cè)u(píng)定。

圖1 炮兵雷達(dá)陣地選擇仿真系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)功能模塊

仿真系統(tǒng)主要包括二維數(shù)字地圖生成與顯示、導(dǎo)調(diào)控制、三維場(chǎng)景生成與顯示、訓(xùn)練成績?cè)u(píng)估等四個(gè) 功能模塊，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

二維數(shù)字地圖生成與顯示模塊根據(jù)基本戰(zhàn)術(shù)情況自動(dòng)標(biāo)繪戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖，雷達(dá)站長根據(jù)受領(lǐng)的戰(zhàn)斗情況和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，在二維電子地圖上預(yù)選雷達(dá)陣地并選擇實(shí)時(shí)觀察點(diǎn)。根據(jù)其選擇的實(shí)時(shí)觀察點(diǎn)，控制三維虛擬場(chǎng)景生成與顯示模塊顯示站立點(diǎn)的觀察場(chǎng)景。

導(dǎo)調(diào)控制模塊根據(jù)訓(xùn)練需要設(shè)置訓(xùn)練戰(zhàn)術(shù)情況的初始狀態(tài)，并將基本戰(zhàn)術(shù)情況下達(dá)給雷達(dá)站長，同時(shí)對(duì)訓(xùn)練過程中的各類狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視并做出相應(yīng)調(diào)整。

三維場(chǎng)景生成與顯示模塊根據(jù)二維場(chǎng)景生成與顯示模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)態(tài)勢(shì)進(jìn)行初始化，虛擬生成地物、植被景象并將地物、植被實(shí)時(shí)疊加顯示于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)偵察虛擬場(chǎng)景中。另根據(jù)導(dǎo)調(diào)控制模塊設(shè)定的偵察氣候數(shù)據(jù)，仿真生成各類氣候條件，最后根據(jù)雷達(dá)分隊(duì)指揮員在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中所處地理位置和觀察方向，實(shí)時(shí)仿真生成現(xiàn)地勘察觀察到的視景情況。

訓(xùn)練成績?cè)u(píng)估模塊根據(jù)雷達(dá)陣地配置基本要求、雷達(dá)分隊(duì)擔(dān)負(fù)的作戰(zhàn)任務(wù)、觀測(cè)區(qū)域及地形條件、攻（防）戰(zhàn)斗雷達(dá)陣地配置原則等，運(yùn)用多屬性決策方法對(duì)雷達(dá)分隊(duì)指揮員選擇的雷達(dá)陣地進(jìn)行定量評(píng)估。

2 關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

2.1 二維數(shù)字地圖生成與顯示

為增強(qiáng)仿真系統(tǒng)的通用性，軟件采用標(biāo)準(zhǔn)的軍用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字地圖數(shù)據(jù)。軍用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字地圖采用分層管理的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將不同的要素進(jìn)行分類，并將各種復(fù)雜的實(shí)體具體地分為點(diǎn)、線、面等幾何要素。矢量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)緊湊、冗余度低，并具有空間實(shí)體的拓?fù)湫畔?，容易定義和操作單個(gè)空間實(shí)體，便于網(wǎng)絡(luò)分析，輕松的實(shí)現(xiàn)地圖的無極縮放[2]。

軍用數(shù)字地圖的矢量數(shù)據(jù)按圖幅進(jìn)行組織和管理，包括公用數(shù)據(jù)文件、各要素層屬性數(shù)據(jù)文件、圖元數(shù)據(jù)文件、地名數(shù)據(jù)文件和高程數(shù)據(jù)文件等五類數(shù)據(jù)文件。文件由記錄組成，每個(gè)文件都有一個(gè)文件頭記錄和一個(gè)或多個(gè)其他記錄。記錄由數(shù)據(jù)項(xiàng)組成，數(shù)據(jù)項(xiàng)之間以一個(gè)空格符分隔，記錄之間為回車換行。由于全軍的矢量地圖具有保密性，而且均有很強(qiáng)的格式性，不能任意分割，為了使目前部隊(duì)的地圖能夠用到訓(xùn)練中，我們把普通地圖進(jìn)行坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化為軍用地圖格式進(jìn)行矢量化，從而達(dá)到訓(xùn)練各種地形的目的。

數(shù)字地圖生成與顯示的過程實(shí)際上是將地理要素按一定的編碼要求符號(hào)化的過程。其工作流程如圖3所示。

圖3 數(shù)字地圖顯示流程圖

2.2 三維場(chǎng)景生成與顯示

由于仿真系統(tǒng)需要大規(guī)模戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的地形建模，我們?cè)谙到y(tǒng)中采用的是600×500像素的地圖，而且需要實(shí)時(shí)的顯示和地形的漫游，需要很高的地形逼真度，并且戰(zhàn)場(chǎng)中有大量的地物建模，需要對(duì)模型的分布式驅(qū)動(dòng)，因此本系統(tǒng)采用MultiGen Creator進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真。

Creator Pro是Creator中功能強(qiáng)大、交互的實(shí)體建模工具，將多邊形建模、矢量建模和地表產(chǎn)生等特征集于一體，它不但可以創(chuàng)建航天器、地面車輛、建筑物等模型，還可以創(chuàng)建諸如飛機(jī)場(chǎng)、港口等特殊的地域[3]。它不僅包括了Creator的所有功能，而且還增加了許多新功能，如多邊形和紋理建模、矢量化建模和編輯、地表特征生成功能等，為各種模型的建立提供了便捷的條件。

Terrain Bundle是Creator中快速創(chuàng)建大面積地形數(shù)據(jù)庫的工具，它可以使地形精度接近真實(shí)世界，并帶有高逼真度的三維文化特征和圖像特征[4]。它利用一系列投影算法及大地模型，建立并轉(zhuǎn)換地形，同時(shí)保持與原形一致的方位。通過自動(dòng)的整體紋理映射，它能生成可與照片媲美的地形，包括道路、河流、市區(qū)等特征。它的路徑發(fā)現(xiàn)算法，比線性特征生成算法更優(yōu)越，可以自動(dòng)在實(shí)時(shí)三維場(chǎng)景中建立數(shù)千個(gè)逼真的橋梁和路口。

三維數(shù)據(jù)庫是整個(gè)建模的基礎(chǔ)，三維數(shù)據(jù)庫的組織邏輯對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量有極大影響，系統(tǒng)采用Open Fligh層次結(jié)構(gòu)視圖的數(shù)據(jù)格式。Open Flight是邏輯化的有層次的視景描述數(shù)據(jù)庫，用來通知圖像生成器何時(shí)以及如何渲染實(shí)時(shí)三維場(chǎng)景，保證對(duì)物體點(diǎn)、面的控制，允許對(duì)幾何層的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接操作，使建模過程快捷方便。Open Flight數(shù)據(jù)庫的樹狀結(jié)構(gòu)以二進(jìn)制文件方式存儲(chǔ)，文件由一系列線性記錄組成。記錄的前兩個(gè)區(qū)域是解析信息，定義了記錄的操作碼和長度，每個(gè)記錄的最大長度為64kb。文件包含了節(jié)點(diǎn)原始記錄、輔助記錄和控制記錄三種類型的記錄。記錄的長度隨著記錄項(xiàng)的增加而增加，而且所有的記錄大小必須是4的倍數(shù)個(gè)字節(jié)。樹的層次結(jié)構(gòu)由控制記錄來標(biāo)識(shí)，層次結(jié)構(gòu)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)記錄和 0個(gè)或多個(gè)輔助記錄來表示。主節(jié)點(diǎn)記錄標(biāo)識(shí)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的類型，并包含大部分該節(jié)點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)。余下的節(jié)點(diǎn)屬性，例如注釋、ID、平移變換等都存儲(chǔ)在輔助記錄中。

2.3 視景仿真的實(shí)現(xiàn)

仿真系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)方向盤激光測(cè)距機(jī)、望遠(yuǎn)鏡及目視的視景仿真，直接利用Open GL進(jìn)行復(fù)雜的視景仿真會(huì)耗費(fèi)很多的時(shí)間，開發(fā)起來相當(dāng)困難。仿真系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)是Vega，它是基于底層三維圖形庫Open GL的開發(fā)環(huán)境，為了實(shí)現(xiàn)視景仿真，必須將Open GL直接引入Vega中。

下面以望遠(yuǎn)鏡視景仿真為例說明視景仿真的原理。仿真關(guān)鍵需模擬出望遠(yuǎn)鏡左右上下移動(dòng)以及調(diào)焦時(shí)目鏡視景的變化。虛擬場(chǎng)景中的三維物體要顯示在屏幕上，必須經(jīng)過一系列的視圖變換，實(shí)際上顯示的是物體在設(shè)備上的二維投影。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，這種變換叫投影變換，三維投影窗口稱為投影空間[5]。圖4是透視投影的投影空間。透視投影的投影空間為四棱臺(tái)體，延長棱臺(tái)的四條棱的交點(diǎn)就是視點(diǎn)。

圖4 透視變換投影體

Vega提供了對(duì)稱透視投影觀測(cè)體、非對(duì)稱透視投影觀測(cè)體和正投影觀測(cè)三種觀測(cè)體，其中對(duì)稱透視投影觀測(cè)體最為常用。通過vgChannel類來表示投影空間，通道是窗口的一部分，定義了窗口之后，可以調(diào)用 vgChanWin函數(shù)把通道加入到窗口，vgChanViewport指定通道的大小和位置。

要實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡視景視圖，首先必須建立一個(gè)通道，包含望遠(yuǎn)鏡視景。對(duì)于望遠(yuǎn)鏡的鏡身進(jìn)行上下左右調(diào)整的情況，可以通過對(duì)Observer的有關(guān)參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)。調(diào)焦時(shí)只要知道焦距調(diào)整前的水平視場(chǎng)角，以及調(diào)焦前后的焦距比值，就可以得出調(diào)整后的視場(chǎng)角，實(shí)現(xiàn)光學(xué)通道的變焦功能。

3 仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文仿真系統(tǒng)采用 VC++、MFC、Creator、Vega及OpenGL作為開發(fā)工具，硬件環(huán)境為CPU Pentium4，1G內(nèi)存，Geforce FX5200(128M顯存)圖形顯示卡，分辨率為1024×768、刷新頻率在85Hz以上，軟件環(huán)境為Windows XP系統(tǒng)。圖5所示給出了仿真效果圖。其中畫面左方為二維數(shù)字地圖視圖，左上方標(biāo)繪區(qū)域?yàn)榕诒嚨兀笙路綐?biāo)繪區(qū)域內(nèi)的矩形為預(yù)選的雷達(dá)陣地；畫面右上方為望遠(yuǎn)鏡視景視圖，右下方為方向盤操作窗口。

現(xiàn)地勘察操作流程如圖6所示。包括方向盤激光測(cè)距機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、目視三種方式，現(xiàn)地勘察戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境漫游包括虛擬方向盤鼠標(biāo)操作和鍵盤操作控制二種操作方式，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視圖和虛擬場(chǎng)景視圖間的聯(lián)動(dòng)。

圖5 仿真效果圖

圖6 現(xiàn)地勘察流程圖

4 結(jié)束語

炮兵雷達(dá)陣地選擇仿真系統(tǒng)可使受訓(xùn)者或雷達(dá)分隊(duì)指揮員在室內(nèi)完成現(xiàn)地勘察與陣地選擇訓(xùn)練，同時(shí)還能對(duì)受訓(xùn)者的訓(xùn)練成績進(jìn)行定量評(píng)估。該系統(tǒng)模擬逼真、設(shè)計(jì)合理、功能齊全，可作為實(shí)裝訓(xùn)練的輔助手段，具有較大的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。

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[3]杭燚,王曉鋒,楊國來. 基于MultiGen Creator/Vega的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2007,27(1):339-342.

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