FlightGear無人機模擬器在C4I系統(tǒng)中的應用

馬勇 譚瑋

中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210017

引言

隨著技術(shù)的不斷成熟以及在實戰(zhàn)中的成功應用，無人機已經(jīng)確立了其在信息化作戰(zhàn)中的重要地位，通過C4I系統(tǒng)對無人機進行一體化指揮控制也就成為一個熱門課題。為了能夠形象直觀地反映C4I系統(tǒng)對無人機的監(jiān)視和指揮控制情況，驗證系統(tǒng)給出的任務規(guī)劃、戰(zhàn)法、控制決策等的正確性，迫切需要對無人機進行模擬仿真，并與系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)系統(tǒng)和模擬無人機之間指揮控制的動態(tài)交互過程。

由于飛機系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)，需要建立動力學、操縱系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)等仿真模型，涉及的各種參數(shù)非常多，相互之間交互又非常復雜，因而研制全新的仿真無人機系統(tǒng)將是一個非常復雜的過程。

FlightGear飛行模擬器是一個開放源代碼、多平臺的飛行模擬器發(fā)展項目。經(jīng)過多年的發(fā)展，F(xiàn)lightGear不但以其強大的真實仿真功能吸引了眾多的飛行模擬愛好者，而且其開放式的程序構(gòu)架和預留的外部數(shù)據(jù)輸入/輸出接口，贏得了專業(yè)用戶的青睞，成為眾多科研部門的飛行仿真可視化引擎。由于FlightGear的上述優(yōu)勢，我們最終選擇將FlightGear經(jīng)二次開發(fā)改造成無人機模擬器，以滿足模擬無人機平臺的需要。

1 功能描述

經(jīng)過二次開發(fā)和改造后的FlightGear，最終成為一個獨立的無人機模擬作戰(zhàn)平臺，該平臺能實時接收C4I系統(tǒng)的指控命令，模擬進行任務處理，執(zhí)行作戰(zhàn)任務，并在三維場景中加以展現(xiàn)，同時將產(chǎn)生的空情數(shù)據(jù)實時回傳，從而實現(xiàn)與C4I系統(tǒng)的集成。

具體而言，改造后的無人機模擬器主要具有以下功能：

（1）實時接收來自C4I系統(tǒng)的指揮控制命令，控制自動駕駛儀驅(qū)動模擬無人機按指定的速度、高度、航向或指定的俯仰、滾轉(zhuǎn)角進行自主飛行，實現(xiàn)無人機的起飛、降落、巡航、地形跟蹤、載荷飛行等飛行過程；指控命令還能直接操作舵面完成筋斗、滾轉(zhuǎn)等復雜機動動作；與此同時，模擬器將自身的精確定位信息和狀態(tài)信息回傳給C4I系統(tǒng)。

（2）具備逼真的三維虛擬場景，主要包括三方面：一是由地形地貌、天空背景、光照、機場、跑道、建筑等組成的戰(zhàn)場環(huán)境，二是包括自然現(xiàn)象（風、雨等）和特殊場景（火焰、爆炸）等組成的特效展現(xiàn)，三是能進行六自由度機動的無人機的動態(tài)展現(xiàn)。目前，無人機模擬器的三維場景顯示效果如圖1所示。

（3）具有靈活的xml配置文件，使得無人機的構(gòu)型、氣動、發(fā)動機、自動駕駛儀等參數(shù)都是可配置的。根據(jù)實際機型進行配置后，無人機模擬器能實現(xiàn)對各種性能無人機的模擬。只要將待模擬無人機的相關參數(shù)提取后加入配置文件中，即可完成對無人機動力學模型的配置，而不需要額外進行軟件代碼改動。

（4）能夠通過多個視角觀察無人機飛行狀態(tài)，同時顯示界面下方可以看到飛機主要參數(shù)、任務數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示；界面上方呈現(xiàn)以無人機為中心小地圖，展示無人機及其周圍空情狀況，同時也直觀顯示出截擊線、方案線等任務信息。

圖1 無人機模擬器三維場景顯示效果

2 開發(fā)與實現(xiàn)過程

基于FlightGear的無人機模擬器主要由xml配置文件和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。xml配置文件負責模擬器各個模塊的參數(shù)初始化，系統(tǒng)啟動后，首先讀取配置文件，對各個模塊進行注冊和初始化，最后進入主循環(huán)，對各分系統(tǒng)模塊進行實時更新。

圖2 FlightGear各模塊結(jié)構(gòu)圖

軟件系統(tǒng)主要由場景、飛機、環(huán)境和用戶接口四個分系統(tǒng)組成。各個系統(tǒng)模塊之間的結(jié)構(gòu)關系大致如圖2所示。其本身具有如下關鍵技術(shù)：

基于OpenGL建立的三維飛行仿真引擎，仿真功能強大，場景內(nèi)容豐富、逼真，并能根據(jù)需要靈活增減三維仿真模型；

對飛機本體仿真功能強大，能逼真仿真自動駕駛儀、機艙、操控部件、電氣系統(tǒng)、平顯系統(tǒng)、聲音聲效等；

集成成熟動力學模型，實現(xiàn)對飛機空氣動力特征的仿真和對飛機六自由度非線性運動的解算；

通過xml配置文件對各仿真系統(tǒng)進行參數(shù)化定義，使各仿真模型與仿真數(shù)據(jù)相互獨立，從而能夠根據(jù)機型的不同靈活配置和仿真。

具備統(tǒng)一的模型擴展接口，通過繼承接口可以任意增加新的模塊，從而保證模擬器良好的擴展功能。

為使無人機模擬器成為在C4I系統(tǒng)指揮控制下的模擬作戰(zhàn)平臺，我們一方面對模擬器本身進行了改造，滿足無人機仿真需求，另一方面將模擬器進行了網(wǎng)絡接口開發(fā)，實現(xiàn)與C4I系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)交互，進而實現(xiàn)了系統(tǒng)和模擬無人機之間指揮控制的閉環(huán)。

對模擬器本身進行的二次開發(fā)工作主要包括以下幾方面：

構(gòu)建了滿足無人機模擬平臺需要三維模型，包括無人機三維模型、地形模型和機場、跑道等靜態(tài)物體模型；

根據(jù)待模擬的無人機的相關參數(shù)，對各個仿真模型進行參數(shù)化配置，其中主要對動力學模型和自動駕駛儀模塊進行了大量配置改造工作；

增加了對C4I系統(tǒng)下發(fā)的飛行計劃的處理功能，即對系統(tǒng)給出的任務數(shù)據(jù)，實時計算出應飛指令，并驅(qū)動自動駕駛儀進行處理；

增加了C4I系統(tǒng)直接控制指令的響應功能，如當模擬器在收到筋斗、橫滾等復雜機動動作指令時，先停止自動駕駛儀控制，然后直接操作舵面實現(xiàn)機動；

對GUI顯示進行改造，如飛機主要參數(shù)的實時顯示、收到系統(tǒng)指令的實時顯示、小地圖等功能都是根據(jù)需要對FlightGear改造實現(xiàn)的；

針對網(wǎng)絡接口進行開發(fā)，實現(xiàn)對指揮命令的接收和處理，以及對外發(fā)送空情等功能，從而達到C4I系統(tǒng)與無人機模擬平臺實時數(shù)據(jù)交互的目的。

網(wǎng)絡接口開發(fā)主要增加了模擬器對C4I系統(tǒng)的指令接收接口和模擬器狀態(tài)對外發(fā)送的接口，使系統(tǒng)與模擬器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，主要內(nèi)容包括啟動、停止命令的響應，對系統(tǒng)下發(fā)的指揮控制命令的接收和處理、實時空情向系統(tǒng)回送等。通過網(wǎng)絡接口開發(fā)，目前實現(xiàn)的數(shù)據(jù)交互模型如圖3所示。

圖3 C4I系統(tǒng)與無人機模擬器數(shù)據(jù)交互模型

3 結(jié)束語

基于FlightGear的無人機模擬器平臺可以根據(jù)C4I系統(tǒng)對無人機指揮控制的需求，達到C4I系統(tǒng)對無人機進行模擬監(jiān)視和指揮控制的功能。目前該平臺已開始用于向客戶進行推介，并取得良好效果。由于具有強大的擴展性能，可以預期，該平臺必將得到推廣，獲得廣闊的應用前景。

[1]Graig R Husby. Path Generation Tactics for a UAV Following a Moving Target, Master thesis[D]. Washington: Dept of Aerospace Engineering, University of Washington, 2005

[2]劉澤坤，昂海松，羅東明. 基于DirectX的無人機實時仿真系統(tǒng)開發(fā) [J]. 系統(tǒng)仿真學報，2006，18(4): 918-920

[3]黃華，徐幼平，鄧志武. 基于FlightGear模擬器的實時可視化飛行仿真系統(tǒng) [J]. 系統(tǒng)仿真學報，2007，19(19):4421-4423