導(dǎo)彈飛行仿真系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 成 王會(huì)霞

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研制需要較長的時(shí)間，從設(shè)計(jì)到定型必須進(jìn)行多次飛行試驗(yàn)，而實(shí)彈射擊成本高、周期長，給導(dǎo)彈設(shè)計(jì)與研制帶來不便。利用系統(tǒng)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和可視化技術(shù)模擬實(shí)彈打靶，可以快速方便的獲取導(dǎo)彈飛行仿真數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)實(shí)彈飛行信息不足的缺陷，為導(dǎo)彈設(shè)計(jì)與研制方面相關(guān)的研究提供了參考依據(jù)。

飛行仿真系統(tǒng)一直是系統(tǒng)仿真領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飛行器設(shè)計(jì)、飛行性能測試、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制等系統(tǒng)的研發(fā)，已成為我國軍事訓(xùn)練、高校院所教學(xué)與研究的重要方向。文獻(xiàn)[1-2]采用基于OpenGL的三維圖形庫實(shí)現(xiàn)飛行仿真和導(dǎo)彈攻擊過程，文獻(xiàn)[3]采用基于OSG的可視化引擎實(shí)現(xiàn)飛行仿真系統(tǒng)，文獻(xiàn)[4-5]采用基于STK的開發(fā)包實(shí)現(xiàn)了飛行過程與任務(wù)實(shí)現(xiàn)的仿真，文獻(xiàn)[6]采用Matlab建立飛行動(dòng)力學(xué)與飛行器運(yùn)動(dòng)模型，然后通過Fligtgear圖形引擎實(shí)現(xiàn)飛行仿真。

這些文獻(xiàn)雖然采用了不同的方法實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈、飛機(jī)等飛行器的飛行仿真系統(tǒng)，但過于側(cè)重視景仿真、三維模型創(chuàng)建、觀察視角的選取，對(duì)于飛行仿真數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)的可視化觀測、飛行器部件的動(dòng)態(tài)變化只是簡單實(shí)現(xiàn)或忽略，影響了對(duì)飛行仿真系統(tǒng)關(guān)鍵部件動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)觀察和飛行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀測與分析驗(yàn)證。在此背景下本文提出了一種以系統(tǒng)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和可視化技術(shù)為基礎(chǔ)的導(dǎo)彈飛行仿真系統(tǒng)，旨在為導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中對(duì)飛行數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證和舵面、噴管等動(dòng)態(tài)部件的實(shí)時(shí)觀察提供一個(gè)解決方案，提高導(dǎo)彈設(shè)計(jì)效率，驗(yàn)證仿真系統(tǒng)正確性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一般六自由度半實(shí)物導(dǎo)彈仿真系統(tǒng)由彈載計(jì)算機(jī)、仿真計(jì)算機(jī)、飛行轉(zhuǎn)臺(tái)、測量器件、伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成(結(jié)構(gòu)圖如圖1所示)，其中，彈載計(jì)算機(jī)裝載了彈上控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)導(dǎo)彈飛行時(shí)序和導(dǎo)航、制導(dǎo)與姿態(tài)控制。仿真計(jì)算機(jī)裝載了導(dǎo)彈飛行仿真系統(tǒng)，負(fù)責(zé)彈體模型的數(shù)學(xué)解算和可視化仿真。

圖1 六自由度半實(shí)物導(dǎo)彈仿真系統(tǒng)組成

根據(jù)功能劃分，導(dǎo)彈飛行仿真系統(tǒng)由3部分組成： 1)導(dǎo)彈數(shù)學(xué)仿真建模； 2)仿真管理； 3)可視化仿真。導(dǎo)彈數(shù)學(xué)仿真模型部分包含：彈體質(zhì)量模塊、受力與力矩模塊、運(yùn)動(dòng)方程模塊、彈性振動(dòng)模塊、彈道計(jì)算模塊、地球模塊和大氣模塊等。仿真管理部分包含：仿真狀態(tài)管理模塊、仿真數(shù)據(jù)管理模塊?？梢暬抡娌糠职喝S場景模塊、舵面與噴管運(yùn)動(dòng)模塊、二維彈下點(diǎn)模塊、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線模塊、三維特效模塊和音效模塊(結(jié)構(gòu)圖如圖4所示)。

圖2 導(dǎo)彈飛行仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

仿真管理部分發(fā)送仿真開始指令后，由導(dǎo)彈數(shù)學(xué)仿真模型部分解算出導(dǎo)彈飛行仿真數(shù)據(jù)，然后傳輸給仿真管理部分中的數(shù)據(jù)管理模塊，該模塊經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、圖形坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等步驟后再傳輸給可視化仿真部分。其仿真流程圖如圖3。

圖3 導(dǎo)彈飛行仿真系統(tǒng)流程圖

本文側(cè)重于可視化仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，因此導(dǎo)彈數(shù)學(xué)仿真建模部分不再詳述，只重點(diǎn)介紹仿真管理部分與可視化仿真部分。

2 仿真管理

仿真管理部分包含仿真狀態(tài)管理與仿真數(shù)據(jù)管理2個(gè)模塊，其中仿真狀態(tài)管理模塊負(fù)責(zé)仿真的開始、暫停、結(jié)束、數(shù)據(jù)回放與功能切換等仿真狀態(tài)的控制，仿真數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)仿真數(shù)據(jù)的處理、保存、圖形坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等功能。

導(dǎo)彈數(shù)學(xué)仿真模型部分解算出導(dǎo)彈飛行仿真數(shù)據(jù)后，不能直接傳遞給可視化仿真部分使用，需要解決2個(gè)問題： 1)數(shù)學(xué)仿真與可視化仿真周期不一致的過實(shí)時(shí)問題； 2)圖形坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的問題。

2.1 仿真過實(shí)時(shí)處理

數(shù)學(xué)仿真周期一般是1～2ms，而對(duì)于一個(gè)實(shí)時(shí)可視化仿真系統(tǒng)其幀速率不低于30fps，即30ms左右的仿真周期，兩者差距較大，這造成可視化仿真相對(duì)于數(shù)學(xué)仿真的過實(shí)時(shí)現(xiàn)象，即可視化仿真只能按渲染周期而不能按數(shù)學(xué)仿真周期反映出數(shù)學(xué)仿真的內(nèi)容。

采用數(shù)據(jù)選取與仿真回放的方式可以解決這個(gè)問題。在實(shí)時(shí)仿真時(shí)，仿真數(shù)據(jù)管理模塊開辟出一塊公用內(nèi)存，數(shù)學(xué)仿真按照其周期對(duì)其寫入，可視化仿真按照其周期對(duì)其讀取，由于兩者仿真周期相差n倍(n=可視化仿真周期/數(shù)學(xué)仿真周期)，這相當(dāng)于數(shù)學(xué)仿真數(shù)據(jù)每運(yùn)行n次，可視化仿真讀取1次，這樣可視化仿真雖不能反映出數(shù)學(xué)仿真的每一組數(shù)據(jù)，但能保證與數(shù)學(xué)仿真同步。同時(shí)，仿真數(shù)據(jù)管理模塊保存數(shù)學(xué)仿真的每一組數(shù)據(jù)并寫入到文件中，再采用數(shù)據(jù)回放功能讀取這些仿真數(shù)據(jù)，按照渲染周期對(duì)數(shù)學(xué)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，這雖不是實(shí)時(shí)同步反映數(shù)學(xué)仿真內(nèi)容，但能反映數(shù)學(xué)仿真的所有數(shù)據(jù)。

2.2 圖形坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

導(dǎo)彈數(shù)學(xué)仿真模型部分解算出的導(dǎo)彈的位置、姿態(tài)角、彈道傾角、航向角等飛行仿真數(shù)據(jù)，是在慣性坐標(biāo)系、彈體坐標(biāo)系下的表示方式，而可視化仿真是OGRE[7]圖形坐標(biāo)系的表示方式，需要轉(zhuǎn)換。

慣性坐標(biāo)系(X,Y,Z)與圖形坐標(biāo)系(Xo,Yo,Zo)的轉(zhuǎn)換公式如下：

彈體坐標(biāo)系(Xd,Yd,Zd)與圖形坐標(biāo)系(Xo,Yo,Zo)的轉(zhuǎn)換公式如下：

其中，

φ,ψ,γ分別是俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角。

3 可視化仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 三維場景模塊

三維場景包括導(dǎo)彈幾何模型建模、加載與驅(qū)動(dòng)，大地形、天空背景的加載與渲染。

導(dǎo)彈的幾何模型采用建模軟件3dsMax來創(chuàng)建，導(dǎo)出為*.3ds文件，由開源可視化引擎OGRE進(jìn)行加載(如圖4所示)。導(dǎo)彈幾何模型包括靜態(tài)節(jié)點(diǎn)(彈體)、動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)(舵面，尾噴管)和特效節(jié)點(diǎn)(如金屬表面特效、尾噴火焰特效、爆炸特效等)。

圖4 導(dǎo)彈幾何模型與渲染效果

三維大地形通過讀取一張精細(xì)像素的HeightMap(即高程圖)，實(shí)時(shí)生成了一個(gè)長寬范圍為4000km×4000km，高度范圍為10km的三維幾何地形模型，采用Octree(八叉樹)和LOD(Levels of Detail)技術(shù)，以攝像機(jī)視點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)管理地形網(wǎng)格與頂點(diǎn)的生成與刪除，使得三維場景既能有一定粒度的細(xì)節(jié)顯示，又能保持良好的實(shí)時(shí)性能。然后采用多層混合紋理技術(shù)，一方面用地形全貌紋理圖(4096×4096像素)粘貼在三維地形上，用于表征地形主要特征，另一方面用包含細(xì)節(jié)紋理信息的Normal圖(即法向量貼圖)，通過NormalMap(即凹凸映射)[8]技術(shù)將地形細(xì)節(jié)體現(xiàn)在三維地形之上，使得三維地形在整體主要特征和局部細(xì)節(jié)都有較好的體現(xiàn)(如圖5所示)。

圖5 三維大地形實(shí)現(xiàn)流程

天空背景主要包含天空、云層、霧、夜景等模型。天空模型采用Skybox(天空盒)技術(shù)，將天空視為一個(gè)六面都貼有天空背景紋理的正方體盒，將太陽、月亮、星空背景都包含于內(nèi)。隨著仿真時(shí)間的步進(jìn)，天空模型會(huì)按照一定速度調(diào)整太陽、月亮、星空背景的位置、亮度和光照效果，使天空背景會(huì)出現(xiàn)白天、黑夜的更替(如圖6)。霧化效果采用指數(shù)霧的方法，即：霧化因子fog = exp(-abs(eyeDis * fogDensity))，其中，fogDensity是霧化密度，eyeDis是距離視點(diǎn)的距離。云層模型則采用BillBorad(公告板)技術(shù)，建立小朵云模型，以腳本方式編輯云軌跡圖并用若干小朵云填充，從而建立云層模型。隨著仿真時(shí)間的步進(jìn)，云層模型會(huì)按照給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律飄動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的穿云效果(如圖6所示)。

圖6 天空背景的白天、黑夜與導(dǎo)彈穿云效果

3.2 舵面與噴管運(yùn)動(dòng)模塊

導(dǎo)彈的動(dòng)態(tài)部件主要包含舵面與噴管，本文創(chuàng)建了3個(gè)子窗口用于舵面的三視圖觀察，創(chuàng)建了1個(gè)子窗口用于發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管的觀察。該模塊輸入舵面和發(fā)動(dòng)機(jī)在俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)方向上的偏角、合成擺角，輸出為舵面、噴管等部件的三維動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變化窗口。

3.3 數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線模塊

該模塊輸入導(dǎo)彈的位置、姿態(tài)、攻角、側(cè)滑角、所在經(jīng)緯度、高度、發(fā)動(dòng)機(jī)推力、舵偏角和氣動(dòng)力等彈道參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，輸出為這些數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)曲線圖表。為能實(shí)時(shí)觀測飛行仿真數(shù)據(jù)，本文創(chuàng)建了2個(gè)子窗口用于這些參數(shù)的動(dòng)態(tài)曲線繪制，在具體實(shí)現(xiàn)中，采用STL容器中的deque數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來管理，每次收到數(shù)據(jù)后，判斷是否達(dá)到最大長度，若否，則插到數(shù)據(jù)隊(duì)列末(即deque.push_back)；若是，則隊(duì)頭數(shù)據(jù)出隊(duì)(即deque.pop_first)，然后插到數(shù)據(jù)隊(duì)列末。每次更新時(shí)只繪制deque里的數(shù)據(jù)，這樣既能夠保證動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息量的同時(shí)，也能保證仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。另外，采用Windows的GDI繪制動(dòng)態(tài)曲線時(shí)，需要先擦除舊圖，再繪制新圖，由于需觀測的飛行數(shù)據(jù)較多，當(dāng)屏幕刷新較快時(shí)，會(huì)隨機(jī)地出現(xiàn)屏幕閃爍和曲線大鋸齒不連續(xù)的情況，本文采用雙緩存技術(shù)、曲線與背景顏色混合技術(shù)較好地優(yōu)化這種現(xiàn)象(如圖7所示)。

圖7 動(dòng)態(tài)曲線優(yōu)化前(左圖)后(右圖)比較

3.4 二維彈下點(diǎn)模塊

該模塊用來顯示導(dǎo)彈在飛行過程中的二維態(tài)勢，輸入導(dǎo)彈的所在經(jīng)緯度、偏航角等參數(shù)，輸出為導(dǎo)彈的二維彈下點(diǎn)軌跡窗口。二維彈下點(diǎn)模塊加載的地圖是*.gst[9]文件，這是一種比較流行的GIS文件格式，它包含了諸如：街道、河流、山脈、深林、地貌等信息圖層，每個(gè)圖層以*.tab，*.dat等格式存儲(chǔ)，比較全面地反映出二維地理信息。

3.5 三維特效模塊

該模塊用來顯示三維場景中出現(xiàn)的光照效果與三維特效，主要包括以下幾種：

1)彈體金屬材質(zhì)效果。采用高光、環(huán)境映射等技術(shù)實(shí)現(xiàn)彈體、舵面的金屬表面材質(zhì)；

2)尾噴火焰效果。采用粒子系統(tǒng)技術(shù)，定義尾噴火焰粒子顏色、生命周期、粒子半徑、初始速度等因素，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈尾部噴管的火焰噴射效果；

3)空氣摩擦效果。表現(xiàn)導(dǎo)彈飛行時(shí)彈頭、舵面與空氣摩擦的情況；

4)彈體與舵面熱效應(yīng)。表現(xiàn)導(dǎo)彈飛行時(shí)空氣摩擦產(chǎn)生的熱效用在彈體與舵面的分布情況；

5)爆炸效果。表現(xiàn)導(dǎo)彈在命中目標(biāo)后爆炸的效果。

3.6 音效模塊

該模塊采用基于OpenAL的開源音效庫，用來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈飛行時(shí)的聲音、舵面機(jī)動(dòng)時(shí)摩擦聲音和爆炸時(shí)的音效。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

實(shí)現(xiàn)時(shí)計(jì)算機(jī)硬件配置：PC機(jī)為ThinkCentreM6288T，顯卡為NVIDIA GeForce GT420，硬盤120G。運(yùn)行平臺(tái)為WindowsXP。軟件工具有：Visual Studio C/C++ 2005，OpenGL的glut庫，OGRE1.4.3，Cg，3dsmax9.0。系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖8所示。

圖8 導(dǎo)彈飛行仿真系統(tǒng)運(yùn)行界面

導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)部件的觀察窗口如圖9所示。

圖9 導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)部件觀察

飛行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線的觀察窗口如圖10所示。

圖10 部分導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)曲線表

二維彈下點(diǎn)軌跡窗口如圖11所示。

圖11 二維彈下點(diǎn)軌跡

三維場景特效如圖12所示，從左至右、從上至下，分別是金屬材質(zhì)、尾噴火焰、爆炸效果、熱效應(yīng)、空氣摩擦及兩者綜合效果。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)導(dǎo)彈數(shù)學(xué)仿真建模、仿真管理、可視化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，建立了一個(gè)以系統(tǒng)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和

圖12 三維特效

可視化技術(shù)為基礎(chǔ)的導(dǎo)彈飛行仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中對(duì)飛行仿真數(shù)據(jù)和舵面、噴管等動(dòng)態(tài)部件實(shí)時(shí)觀察的需求。系統(tǒng)可用于導(dǎo)彈設(shè)計(jì)與研制的仿真數(shù)據(jù)生成與驗(yàn)證、動(dòng)態(tài)部件觀察等相關(guān)工作中，也可作為飛行仿真系統(tǒng)研究的平臺(tái)應(yīng)用于飛行器及相關(guān)仿真系統(tǒng)中。

[1] Hong GeYao.The Realization of Flight Simulation System Based on OpenGL[C].2010 Second International Conf-erence on Information Technology and Computer Science,2010:198-201.

[2] 李海軍,李科杰,劉宵.基于OpenGL的導(dǎo)彈攻擊過程與可視化仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004,16(3):530-

533.(Li Haijun,Li Kejie,Liu Xiao.The Visual Simula-tion of Missile’s Attack Course Based on OpenGL[J].Journal of System Simulation,2004,16(3):530-533.)

[3] Xiaoyan Hu,Bo Sun.Visual Simulation System for FlightSimulation Based on OSG[J].ICALIP,2010:562-565.

[4] Analytical Graphics Inc.STK Software Suite[EB/OL].[2009,5]http://www.agi.com/viewer.

[5] 杜耀珂.基于STK的衛(wèi)星實(shí)時(shí)視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用,2009,35(2):60-64.(Du Yaoke.The Real Time Visual Simulation System for Satellite Based on STK[J].Aerospace Control and Application,2009,35(2):60-64.)

[6] 郭為剛,韓維.基于Matlab/Flightgear飛機(jī)飛行性能的可視化仿真系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,(10):110-112.(Guo Weigang,Han Wei.Visual Simulation System of Flight Performance Based on Matlab/Flightgear[J].Expermantal Technology and Management,2010,(10):110-112.)

[7] OGRE.Pro Ogre 3D Programming [EB/OL].[2008,3]http://www.ogre.org.

[8] CSDN.Some Detail Discussion for Normal Map [EB/OL].[2007,4]http://blog.csdn.net/cywater2000.

[9] 曹潔，肖鐵.基于MapX的導(dǎo)航程序設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2010，(1):109-111.(Cao Jie,Xiao Tie.Design and Develop of Navigation System Based on Mapx[J].Industrial Instrumentation and Automation,2010，(1):109-111.