基于VC和Vega的某型導(dǎo)彈模擬器設(shè)計

張千宇，郭 巍，張 楊

（海軍航空工程學(xué)院指揮系，山東 煙臺 264001）

模擬訓(xùn)練以安全、經(jīng)濟、可控、無風(fēng)險、不受氣候條件和場地空間限制、既能按常規(guī)進行操作訓(xùn)練、又能培訓(xùn)處理各種事故的應(yīng)變能力以及訓(xùn)練的高效率、高效益等獨特優(yōu)勢，一直受到各國軍方的高度重視，特別面對武器裝備日趨復(fù)雜化、購買武器費用不斷提高的現(xiàn)狀，致使世界各國軍事部門均將模擬器視為軍事訓(xùn)練必不可少的甚至是唯一安全、經(jīng)濟而有效的工具和手段，加以重點發(fā)展。美軍是世界上最早開展模擬訓(xùn)練研究和應(yīng)用的。其技術(shù)和裝備一直居于國際領(lǐng)先地位。長期以來，主要發(fā)展各類武器裝備的使用操作訓(xùn)練模擬器，據(jù)統(tǒng)計，僅1995～2000年用于三軍的模擬裝備費用就高達36億美元。俄羅斯同樣是世界上的模擬訓(xùn)練的大國和強國。應(yīng)該說，俄羅斯在發(fā)展訓(xùn)練模擬器上是不惜代價的，其數(shù)量約占世界之半，僅俄試飛院就擁有昂貴的空中飛行模擬器十余種。他們的先進武器裝備幾乎都編配有相應(yīng)的訓(xùn)練模擬器。西歐軍事強國（如英、法、德等國）也十分重視模擬訓(xùn)練，模擬訓(xùn)練技術(shù)及應(yīng)用處于世界領(lǐng)先行列。

1 模擬器發(fā)展概況

我國是發(fā)展和應(yīng)用模擬訓(xùn)練技術(shù)較早的國家之一。二十世紀(jì)六十年代初開始研制和使用射擊練習(xí)器和簡易飛行模擬器。二十世紀(jì)八十年代以來模擬訓(xùn)練進入了迅速發(fā)展階段，先后研制成功殲-6、殲-7、殲-8D、轟-6C等飛行模擬器，及HQ-2、HQ-7、HQ-6、C-300等防空導(dǎo)彈武器的指揮控制模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。相繼掌握了計算機成像、圖形/圖像顯示技術(shù)、多媒體技術(shù)以及精確控制機體和彈體運動平臺技術(shù)等。二十世紀(jì)九十年代在分布式交互仿真（DIS）、虛擬現(xiàn)實（VR）和計算機生成兵力（CGF）技術(shù)等方面的研究和應(yīng)用上獲得了跨越式發(fā)展。

隨著國防現(xiàn)代化的發(fā)展，武器系統(tǒng)規(guī)模日益龐大，技術(shù)更加先進和復(fù)雜，系統(tǒng)造價也更加昂貴，雖然訓(xùn)練時出現(xiàn)危險性的可能性降低了，但是一旦操作不當(dāng)，引起的破壞性和危險性卻大為增加。因此，提高訓(xùn)練的經(jīng)濟性、安全性、可靠性至關(guān)重要。為了較好的解決這一問題，需要有相應(yīng)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠模擬實際裝備的工作環(huán)境和工作狀況，價格要低廉，能夠避免采用實裝進行訓(xùn)練時的巨大危險性和高昂代價[1-2]。

2 導(dǎo)彈運動模型

某型導(dǎo)彈運動模型的建立可以為導(dǎo)彈攻擊的視景仿真或描述運動軌跡提供數(shù)據(jù)來源，使系統(tǒng)更加貼近實際，利于提高學(xué)習(xí)、訓(xùn)練質(zhì)量。

導(dǎo)彈運動模型的實現(xiàn)要盡量接近實際，以便能夠最大可能的反映出不同裝訂參數(shù)下導(dǎo)彈的運動狀態(tài)、軌跡等，最好能夠得到具體導(dǎo)彈的實際模型。

某型導(dǎo)彈的運動可以分解為隨質(zhì)心的移動和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動。我們在進行導(dǎo)彈運動的控制時首先應(yīng)確定其運動的坐標(biāo)系：

Odxdydzd—表示大地坐標(biāo)系

Ojxjyjzj—表示艦艇坐標(biāo)系

OfxfyFzF—表示發(fā)射坐標(biāo)系

O1x1y1z1—表示彈體坐標(biāo)系

具體的坐標(biāo)之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 某型導(dǎo)彈運動的坐標(biāo)系Fig.1 Coordanition system of ship monted missile

有關(guān)導(dǎo)彈運動的一些相關(guān)參數(shù)是可以得到的，有了這些參數(shù)，可以利用現(xiàn)有的公式進行導(dǎo)彈速度的求解，得到導(dǎo)彈在任何時刻t的速度矢量，通過對這些速度矢量在各自的坐標(biāo)軸上的積分，就可以得出導(dǎo)彈在某一時刻t時的運動狀態(tài)，包括導(dǎo)彈的空間坐標(biāo)（x，y，z）、以及導(dǎo)彈的姿態(tài)角（偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角）、導(dǎo)彈的速度（空速）。

3 導(dǎo)彈模擬器設(shè)計

導(dǎo)彈模擬器在整個系統(tǒng)中主要起到近似模擬實際的導(dǎo)彈在射前檢查、參數(shù)裝訂、發(fā)射控制、目標(biāo)攻擊的過程中的姿態(tài)變化，配以一定的環(huán)境背景和逼真的視頻、音頻效果，渲染出臨近實戰(zhàn)的氛圍，有利于激發(fā)參訓(xùn)者的戰(zhàn)斗意識，提高訓(xùn)練的熱情和效率。

本文設(shè)計的模擬器在實現(xiàn)導(dǎo)彈運動的過程中所要達到的控制上的要求：

1）接收彈道計算仿真結(jié)果并據(jù)此控制導(dǎo)彈姿態(tài)。

2）仿真系統(tǒng)動畫演示及聲音媒體表現(xiàn)；

3）可視化駕馭功能，可以不同的視角對導(dǎo)彈狀態(tài)進行觀察。

在導(dǎo)彈模擬器上，主要仿真對象是導(dǎo)彈、艦艇。其中導(dǎo)彈的運動規(guī)律根據(jù)導(dǎo)彈空間運動模型和導(dǎo)彈導(dǎo)引率編寫；敵我艦艇運動假設(shè)只是考慮運動學(xué)關(guān)系，在勻速直線運動的基礎(chǔ)上根據(jù)來襲導(dǎo)彈的相對距離和方位進行機動。

在程序中為了能響應(yīng)整個示教系統(tǒng)的各種操作，需要在收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后，及時的進行判斷是否需要本系統(tǒng)做出反應(yīng)，比如，在收到“開蓋”的指令后，若沒有設(shè)置“開蓋故障”，則在三維圖像顯示畫面中控制導(dǎo)彈發(fā)射架的蓋子打開，打開到位后使“開蓋到位”的標(biāo)志量有效，并將更改后的數(shù)據(jù)發(fā)向網(wǎng)絡(luò)，而后控制臺會根據(jù)“開蓋到位”標(biāo)志量點亮控制臺面板上的“開蓋到位”指示燈，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)其它部分的狀態(tài)顯示也會相應(yīng)地進行更改。當(dāng)有導(dǎo)彈發(fā)射后要邊解算導(dǎo)彈的運動模型邊驅(qū)動三維動畫，所以要在Visual C++環(huán)境下運行Vega應(yīng)用程序。

4 Vega的基本框架

Vega是虛擬現(xiàn)實軟件MultiGen的一部分。Vega的作用是將Creator制作的三維模型渲染成場景、在場景上瀏覽、查詢、實例演示。Vega由Lynx軟件、多種動態(tài)聯(lián)接庫（DLL）、函數(shù)庫（Lib）、應(yīng)用程序接口（API）組成[3-6]。

在Visual C++中應(yīng)用Vega首先要對頭文件和庫文件路徑進行如下設(shè)置：

1）在 Visual C++的菜單項“Tools”選項中，選擇“Directories”標(biāo)簽，將“Show directories for：”選為“Include files”。

2）若“c:paradigmvegainclude”（ c:paradigmvegainclude為Vega的安裝路徑）未出現(xiàn)在列表中，則將其添加進來。

3）再將“Show directories for：”選為“Library files”。

4）若“c：paradigmvegalib”未出現(xiàn)在列表中，則將其添加進來。

Vega應(yīng)用程序的啟動步驟。

1）系統(tǒng)初始化：由函數(shù)vgInit Sys（）完成初始化Vega系統(tǒng)并創(chuàng)建共享內(nèi)存以及信號量等。

2）系統(tǒng)定義：由函數(shù) vgDefineSys （“my.adf”）讀入 ADF文件，完成應(yīng)用程序各個類的屬性的定義和初始化。

3）系統(tǒng)配置：通過調(diào)用函數(shù)vgConfigSys（）完成配置并啟動系統(tǒng)。因此，每一個Vega應(yīng)用程序都必須包含以下函數(shù)語句：

vgInitSys（ ） ； //系統(tǒng)初始化

vgDefineSys （“Ddgj.adf”）； //系統(tǒng)定義，載入“.adf”文件

vgConfigSys（ ）； //系統(tǒng)配置

while （1）

{

vgSyncFrame（） ； //幀同步

vgFrame（）； //幀顯示

…… //系統(tǒng)仿真代碼或入口

}

Vega應(yīng)用程序每次執(zhí)行主循環(huán)刷新顯示幀時，都要調(diào)用vgSyncFrame（）和 vgFrame（），vgSyncFrame（）函數(shù)完成幀同步，vgFrame（）函數(shù)則完成幀的顯示。另外也可以在主循環(huán)中加入用戶的系統(tǒng)仿真模塊。

5 基于MFC的Vega應(yīng)用程序開發(fā)過程

為了產(chǎn)生一個基于MFC的Vega應(yīng)用程序，首先要生成一個基于MFC的Visual C++單文檔應(yīng)用程序項目，通過AppWizard生成一個單文檔應(yīng)用程序框架完成新項目的建立。

為了將Vega的基本程序框架合理地嵌入到單文檔應(yīng)用程序框架中，必須在適當(dāng)?shù)臅r機啟動一個Vega線程，由該線程完成虛擬場景的驅(qū)動和渲染。可以在CView類和CMyView類之間再插入一個CVegaView類，在這個CVeg aView類中加入Vega線程代碼及其啟動函數(shù)，并在該線程中嵌入Vega的各個相關(guān)功能（主要為上述的建立Vega程序的3個步驟）。

由于是派生自CView類，CVegaView就擁有所有CView類的成員函數(shù)和消息映射。我們還必須為其添加專門的成員函數(shù)以完成建立Vega應(yīng)用程序的必要步驟。其中最主要的函數(shù)就是RunVega（），它的作用就是開啟Vega渲染線程和一些必要的初始設(shè)置。函數(shù)的主要代碼如下：

void CVegaView::RunVega（void ）

{

vegaThread=afxBeginThread（ RunVegaApp， this）；

win=vgGetWin（ 0 ）；

chan=vgGetChan（ 0 ）；

obs=vgGetObserv（ 0 ）；

scene=vgGetScene（ 0 ）；

vgProp（win，VGWIN_WINBORDER，0）；

}

線程函數(shù)RunVegaApp（）是一個全局函數(shù)，作為啟動Vega線程的入口，完成Vega函數(shù)“初始化、定義、系統(tǒng)配置”和仿真循環(huán)的計算，其基本內(nèi)容如下：

UINT RunVegaApp（LPVOID pParam ）

{

CVegaView*pOwner= （CVegaView*）pParam；

vgInitWinSys（ AfxGetInstanceHandle（），

pOwner->GetSafeHwnd（） ）；

vgDefineSys（ pOwner->getAdfName（） ）；

vgConfigSys（）；

while（pOwner->getContinueRunning（））

{

vgSyncFrame （）；

vgFrame （）；

……. //系統(tǒng)仿真的相關(guān)運算等操作

}

vgSyncFrame（）；

return 0；

}

至此，Vega渲染的函數(shù)就已經(jīng)基本完成，為了讓場景渲染到MFC的View里，還必須把主程序的View類 （假設(shè)為CMyView）的基類改成所引入的CVegaView類，也就是說，MFC的View就是Vega場景渲染區(qū)域，這也是我們設(shè)計CVegaView類的初衷。更改了基類之后，同時也要把該類的消息映射宏的基類參數(shù)進行修改。在各文件中包含了適當(dāng)?shù)念^文件之后，一個完整的基于MFC的Vega應(yīng)用程序基本完成。

在飛行仿真過程中，可以配合鼠標(biāo)或鍵盤使多個視窗在主窗口和輔助窗口中切換，從而使重要視窗更便于觀察。由于Vega主循環(huán)每循環(huán)一次虛擬場景刷新一幀，因此我們在Vega主循環(huán)每循環(huán)一次時完成一次導(dǎo)彈數(shù)學(xué)模型的數(shù)值求解積分，并由計算求得的導(dǎo)彈空間位置和姿態(tài)位置來設(shè)置導(dǎo)彈在當(dāng)前幀中的位置。

該模擬器將基于計算機數(shù)值解法的彈道仿真和基于Visual C++的Vega虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)有機地結(jié)合在一起，實現(xiàn)導(dǎo)彈飛行的可視化。

圖2 導(dǎo)彈模擬器的視景仿真效果Fig.2 Scence simulation result of missile simulator

6 結(jié)束語

導(dǎo)彈模擬器是快速有效形成戰(zhàn)斗力的必需。本文研究了某型導(dǎo)彈的運動模型，提出了某型導(dǎo)彈模擬器的設(shè)計思路；建立了基于MFC的Vega應(yīng)用程序開發(fā)過程，實現(xiàn)了某型導(dǎo)彈模擬器的研制。

[1]喬海巖，可偉，姚廷偉.艦船及艦載導(dǎo)彈運動軌跡模擬器設(shè)計[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2012（34）：30-47.QIAO Hai-yan，KE Wei，YAO Ting-wei.Design of the ships and sea-based missile track simulator[J].Ship Science and Technology，2012（34）：30-47.

[2]史震.運動控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3]龔卓蓉．LynX圖形界面[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[4]洪炳镕，蔡則蘇，唐好選．虛擬現(xiàn)實及其應(yīng)用[M]．北京 ：國防工業(yè)出版社，2005.

[5]胡小強.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005.

[6]孟曉梅，劉文慶．MultiGen Creator教程[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2005