反輻射導(dǎo)彈輻射式仿真試驗(yàn)可視化技術(shù)研究＊

肖本龍 傅亦源 張 宇 楊黎都

（1.63880部隊(duì) 洛陽 471003）（2.上海機(jī)電工程研究所 上海 200233）

1 引言

反輻射導(dǎo)彈（Anti－Radiation－Missile，ARM）作為現(xiàn)代武器系統(tǒng)的關(guān)鍵成員之一，半實(shí)物仿真在其型號(hào)研制、性能驗(yàn)證等方面發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。ARM輻射式仿真試驗(yàn)是指其關(guān)鍵部件如導(dǎo)引頭、自動(dòng)駕駛儀等在回路的閉環(huán)半實(shí)物仿真試驗(yàn)，通過在微波暗室內(nèi)構(gòu)建真實(shí)、典型的目標(biāo)信號(hào)、背景信號(hào)等戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，并引入三軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)，模擬ARM從發(fā)射指令到在控制指令下完成近區(qū)攻擊過程中導(dǎo)彈的物理姿態(tài)以及攻擊效果，以實(shí)現(xiàn)ARM在不同戰(zhàn)情設(shè)置情況下作戰(zhàn)效能的綜合評(píng)估。

可視化仿真采用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)，根據(jù)仿真目的，構(gòu)造仿真對(duì)象的三維模型或再現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境，能夠達(dá)到非常逼真的仿真效果，客觀、實(shí)時(shí)地再現(xiàn)仿真過程，為用戶提供一個(gè)多視點(diǎn)、多角度、多層次觀察仿真進(jìn)程的人機(jī)交互環(huán)境。由于輻射式半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)屬于硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求非?？量?，ARM輻射式仿真試驗(yàn)可視化研究遵從仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)網(wǎng)協(xié)議規(guī)定，通過 Windows與RTX之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)仿真試驗(yàn)與可視化的實(shí)時(shí)同步，為試驗(yàn)評(píng)估人員提供一種更加直觀、便捷的分析手段。

2 開發(fā)平臺(tái)的選擇

ARM輻射式仿真試驗(yàn)可視化既要清晰地展示飛行動(dòng)畫場(chǎng)景，又要滿足試驗(yàn)實(shí)時(shí)性的要求。目前用于三維場(chǎng)景可視化仿真的工具已比較多，如 MultiGen Creator、Multi－Gen Vega、OpenGL等。相比之下，MultiGen Creator／Vega等作為一種工具軟件，雖然能夠節(jié)省部分開發(fā)時(shí)間，但是這些軟件局限于離線制作動(dòng)畫，進(jìn)行可視化仿真，開發(fā)出的產(chǎn)品很難在不同的操作系統(tǒng)之間移植，且主要側(cè)重于三維對(duì)象的建模，缺乏對(duì)場(chǎng)景和模型的實(shí)時(shí)控制，較難用于可視化系統(tǒng)的二次開發(fā)。開放性圖形庫OpenGL既能實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的編輯，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景和對(duì)象的實(shí)時(shí)控制。OpenGL可與Visual C＋＋緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)有關(guān)計(jì)算和圖形算法，保證算法的正確性和可靠性。在動(dòng)畫實(shí)時(shí)顯示方面，OpenGL采用雙緩存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的連續(xù)無閃爍響應(yīng)，符合ARM輻射式仿真試驗(yàn)可視化的要求。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)完成的功能包括虛擬場(chǎng)景的繪制、視點(diǎn)的跟蹤與切換、導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)，按照模塊化和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)分為不同模塊，如圖1所示。

其中各模塊的功能如下：

· 開發(fā)環(huán)境模塊：主要用于構(gòu)建系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)在Visual C＋＋環(huán)境下利用MFC和OpenGL進(jìn)行開發(fā)的，考慮到在單文檔繪制OpenGL圖形較為簡(jiǎn)單，因此構(gòu)建一個(gè)基于單文檔的OpenGL圖形程序框架。具體包括OpenGL庫文件和頭文件的添加，窗口函數(shù)的重載等。

圖1 系統(tǒng)總體框架示意圖

· 導(dǎo)彈建模模塊：主要用于ARM的三維建模，并完成三維模型的加載。

· 自然場(chǎng)景模塊：主要用于創(chuàng)建飛行環(huán)境中的典型景物如地面、天空、樹木、攻擊目標(biāo)等的造型。

· 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊：主要用于將仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中使用的大地坐標(biāo)系、彈體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為OpenGL世界中的坐標(biāo)系。

· 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊：主要用于從仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)內(nèi)存網(wǎng)上獲取用于ARM飛行驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)。

·動(dòng)畫繪制模塊：根據(jù)獲取到的ARM實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)對(duì)飛行畫面進(jìn)行重繪。

· 視點(diǎn)切換模塊：為實(shí)現(xiàn)多角度、全方位的觀察，可根據(jù)需要從不同視角切換ARM飛行過程的顯示。

· 結(jié)果顯示模塊：仿真試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)ARM仿真全程中飛行數(shù)據(jù)以曲線的方式進(jìn)行顯示，以便對(duì)仿真過程進(jìn)行全面評(píng)估。

根據(jù)系統(tǒng)的總體框架，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 導(dǎo)彈的建模與加載

本系統(tǒng)采用MilkShape3D創(chuàng)建導(dǎo)彈模型（其文件格式為MS3D），在工程中加入用于加載MS3D的類文件，分別是MilkshapeModel.h和MilkshapeModel.cpp，通過在視類中包含類的頭文件，在繪制場(chǎng)景時(shí)調(diào)用loadModelData（）函數(shù)即可將制作好的導(dǎo)彈三維模型導(dǎo)入視景仿真程序，使模型繪制的復(fù)雜程度大大地簡(jiǎn)化。

3.2.2 攻擊目標(biāo)的構(gòu)建

ARM攻擊的目標(biāo)一般是雷達(dá)等電子裝備，這些裝備的構(gòu)造較為復(fù)雜，外形的平面和頂點(diǎn)較多，如直接使用OpenGL進(jìn)行繪制，難以達(dá)到逼真的效果。因此，目標(biāo)的繪制考慮使用與ARM同樣的建模方法，即先在MilkShape3D里創(chuàng)建目標(biāo)的三維模型，再通過模型的加載類將模型載入到仿真程序中。

3.2.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

為保證ARM輻射式仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性，其通信接口工作在RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展系統(tǒng)下，而可視化系統(tǒng)是基于Windows環(huán)境進(jìn)行構(gòu)建的，通過黑板式通信接口將二者有機(jī)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)ARM飛行驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，其基本實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示。

3.2.4 坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

ARM飛行中的位置和姿態(tài)是以地面坐標(biāo)系XdYdZd中三個(gè)坐標(biāo)值和彈體坐標(biāo)系中的方位、俯仰、橫滾三個(gè)姿態(tài)角確定的。地面坐標(biāo)系原點(diǎn)選取在發(fā)射點(diǎn)上，Xd軸是彈道面與水平面交線，指向目標(biāo)為正，Yd軸沿垂線向上，Zd軸與其他兩軸垂直并構(gòu)成右手坐標(biāo)系。而在OpenGL坐標(biāo)系X0Y0Z0中計(jì)算機(jī)屏幕為X0Y0平面，Z0軸由計(jì)算機(jī)屏幕指向觀察者，Z0為負(fù)值時(shí)景物才能在屏幕上顯示。因此，需要對(duì)兩個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行變換以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)表述的統(tǒng)一，兩坐標(biāo)系關(guān)系示意圖如圖4所示。

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信方式

圖4 坐標(biāo)系關(guān)系示意圖

3.3 主要函數(shù)說明

1）InitOpenGL（）：用于初始化OpenGL場(chǎng)景，生成繪制描述表并置當(dāng)前繪制描述表。

2）ReadTestData（）：該函數(shù)以仿真試驗(yàn)節(jié)拍為中斷，實(shí)時(shí)讀取實(shí)時(shí)內(nèi)存網(wǎng)上的ARM位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，并存入緩存以備繪制動(dòng)畫。

3）ViewpointTrans（）：用于完成仿真視角的變換處理，實(shí)現(xiàn)空間不同位置導(dǎo)彈飛行姿態(tài)觀察。

4）OnTimeEvent（）：該函數(shù)以仿真試驗(yàn)節(jié)拍為中斷，完成飛行場(chǎng)景、導(dǎo)彈的繪制，實(shí)現(xiàn)飛行動(dòng)畫的驅(qū)動(dòng)。

5）DrawWave（）：對(duì)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，并隨飛行過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)繪制飛行位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)曲線。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)利用OpenGL的雙緩存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了平滑的實(shí)時(shí)動(dòng)畫效果。使用雙緩存技術(shù)時(shí)，OpenGL分配兩個(gè)幀緩存區(qū)，在連續(xù)顯示三維曲面時(shí)，一個(gè)幀緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)執(zhí)行繪制曲面命令的同時(shí)，另一個(gè)幀緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形顯示。當(dāng)后臺(tái)視頻緩存中的數(shù)據(jù)要求顯示時(shí)，OpenGL就將它拷貝至前臺(tái)視頻緩存，顯示硬件不斷地讀可見視頻緩存中的內(nèi)容，并把結(jié)果顯示在屏幕上。應(yīng)用雙緩存技術(shù)，可以避免在進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化時(shí)由于時(shí)間延遲而產(chǎn)生的畫面閃爍問題。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取仿真試驗(yàn)中實(shí)時(shí)內(nèi)存網(wǎng)上的ARM位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)到達(dá)事件作為中斷，使得每收到一次數(shù)據(jù)，ARM的位置和姿態(tài)馬上進(jìn)行更新顯示，從而實(shí)現(xiàn)ARM攻擊過程的實(shí)時(shí)可視化。可視化系統(tǒng)界面如圖5所示。界面的上部為ARM輻射式仿真試驗(yàn)過程中的實(shí)時(shí)飛行姿態(tài)動(dòng)畫，下部分別為當(dāng)前戰(zhàn)情信息顯示和ARM位置、姿態(tài)的數(shù)據(jù)曲線顯示，系統(tǒng)在仿真試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)ARM全程飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄入庫，可在試驗(yàn)后進(jìn)行重放。

5 結(jié)語

可視化系統(tǒng)是在仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的框架規(guī)定下開發(fā)的，其接口完全移植于仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，便于今后二次開發(fā)的實(shí)現(xiàn)?？梢暬到y(tǒng)在仿真試驗(yàn)過程中接收仿真試驗(yàn)控制指令，如試驗(yàn)開始、試驗(yàn)凍結(jié)、試驗(yàn)停止等，并在動(dòng)畫顯示中予以體現(xiàn)。實(shí)時(shí)可視化和非實(shí)時(shí)可視化主要的差別在于驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)不同，本系統(tǒng)雖為實(shí)時(shí)可視化系統(tǒng)，但支持單機(jī)狀態(tài)下接收外部數(shù)據(jù)文件的非實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)，可以用于試驗(yàn)后根據(jù)錄取數(shù)據(jù)重現(xiàn)仿真試驗(yàn)過程，以科學(xué)、準(zhǔn)確地對(duì)ARM作戰(zhàn)性能進(jìn)行評(píng)估。

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