機(jī)動(dòng)彈頭攻防視景仿真系統(tǒng)研究

王 鵬，呂 鳴，郭鴻武，韓 陽(yáng)，周 彬

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

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機(jī)動(dòng)彈頭攻防視景仿真系統(tǒng)研究

王 鵬，呂 鳴，郭鴻武，韓 陽(yáng)，周 彬

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

通過(guò)建立機(jī)動(dòng)彈頭大氣層外動(dòng)力學(xué)模型，利用Vega、Creator視景開(kāi)發(fā)軟件建立三維實(shí)體模型，在VC/MFC開(kāi)發(fā)平臺(tái)基礎(chǔ)上，解決Simulink仿真模塊與視景仿真模塊數(shù)據(jù)交互問(wèn)題。構(gòu)建三臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)合仿真平臺(tái)，真實(shí)模擬機(jī)動(dòng)彈頭攻防對(duì)抗過(guò)程，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了彈道導(dǎo)彈中段攻防對(duì)抗視景仿真系統(tǒng)。主要包括機(jī)動(dòng)彈頭動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建和彈道數(shù)據(jù)產(chǎn)生,數(shù)據(jù)通信交互程序設(shè)計(jì),視景仿真程序設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)顯示。

Vega；視景仿真 ；機(jī)動(dòng)彈頭；動(dòng)態(tài)顯示

0 引言

視景仿真又稱為虛擬現(xiàn)實(shí)仿真，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、控制技術(shù)等多種高科技的結(jié)合。視景仿真技術(shù)是現(xiàn)代仿真技術(shù)的一個(gè)重要分支, 是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、分布式交互仿真技術(shù)研究的主要內(nèi)容之一, 它利用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù), 根據(jù)仿真的目的, 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?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)仿真技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的逼真的仿真特效[1]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，武器裝備的日益復(fù)雜化。視景仿真被越來(lái)越多的運(yùn)用到軍事領(lǐng)域，并在武器裝備的研究和論證、計(jì)算機(jī)模擬的軍事訓(xùn)練和對(duì)抗中發(fā)揮重要作用[2]?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，導(dǎo)彈往往被用于打擊敵方縱深目標(biāo)，形成戰(zhàn)略威懾，已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中不可或缺的重要武器。利用視景仿真技術(shù)對(duì)導(dǎo)彈的飛行過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示不僅具有良好的安全性、可控性，重復(fù)性和保密性等優(yōu)點(diǎn)，而又有利于縮短研制和試驗(yàn)周期，提高武器的性能指標(biāo)，節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)，具有重要意義。

本文采用視景仿真軟件Creator和Vega，Matlab仿真模塊Simulink，結(jié)合VC++6.0/MFC，建立模型對(duì)象，構(gòu)建三機(jī)聯(lián)合仿真平臺(tái)，分別模擬進(jìn)攻彈、攔截彈、導(dǎo)引頭與進(jìn)行視景開(kāi)發(fā)顯示，利用網(wǎng)絡(luò)通信解決數(shù)據(jù)交互問(wèn)題，對(duì)機(jī)動(dòng)彈頭在大氣層外攻防對(duì)抗?fàn)顟B(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。

1 機(jī)動(dòng)彈頭模型

為增強(qiáng)仿真的可信度，在機(jī)動(dòng)彈頭攻防視景仿真系統(tǒng)中需要提供機(jī)動(dòng)彈頭飛行過(guò)程的實(shí)時(shí)位置姿態(tài)信息以及運(yùn)行狀況，然后利用視景仿真工具進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示和渲染。要生成機(jī)動(dòng)彈頭飛行過(guò)程彈道數(shù)據(jù)，關(guān)鍵問(wèn)題就是建立機(jī)動(dòng)彈頭運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，然后利用Simulink仿真，得到飛行過(guò)程六自由度數(shù)據(jù)。

本文研究的是大氣層外機(jī)動(dòng)攻防對(duì)抗視景仿真，所以在建立機(jī)動(dòng)彈頭動(dòng)力學(xué)模型時(shí)不用考慮氣動(dòng)作用及力矩的影響，同時(shí)由于進(jìn)攻彈和攔截彈相對(duì)速度較大，突防的時(shí)間較短，所以不考慮地球自轉(zhuǎn)和地球偏率的影響，假設(shè)為水平坐標(biāo)系，并且固化進(jìn)攻彈和攔截彈參數(shù)。

根據(jù)牛頓第二定律，建立突防彈質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

(1)

式中，Vm為突防彈的速度，m為突防彈的質(zhì)量，θ,ψc,γc分別為突防彈的彈道傾角、彈道偏角和速度傾斜角，α和β分別為突防彈的攻角和側(cè)滑角。彈道導(dǎo)彈在大氣層外飛行時(shí)沒(méi)有空氣動(dòng)力，只受地球引力G和發(fā)動(dòng)機(jī)推力Tx,Ty,Tz的影響。

突防彈質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)方程為：

(2)

式中，Jx，Jy，Jz分別為突防彈繞三個(gè)彈體軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωx，ωy，ωz分別為突防彈旋轉(zhuǎn)角速度矢量在彈體坐標(biāo)系各軸上的分量，Mx，My，Mz分別為作用于突防彈上的所有外力對(duì)質(zhì)心的力矩在彈體坐標(biāo)系各軸上的力矩分量。

研究突防彈的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，一般是相對(duì)地面坐標(biāo)系來(lái)說(shuō)的，以地面坐標(biāo)系為基準(zhǔn),利用速度坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系之間的夾角余弦關(guān)系，即可得質(zhì)心移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

(3)

突防彈的彈體坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系之間的方向余弦關(guān)系求得繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

(4)

攔截彈的模型與突防彈是一樣的，本文不再贅述。設(shè)突防彈和攔截彈的相對(duì)距離為R，目標(biāo)視線高低角為qy，目標(biāo)視線方位角為qz，彈道突防導(dǎo)彈的參數(shù)用下標(biāo)“m”表示，攔截器的參數(shù)用下標(biāo)“E”表示。可得目標(biāo)和攔截器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程:

(5)

利用Simulink仿真模塊建立彈頭模型，輸入初始條件后開(kāi)始仿真得到機(jī)動(dòng)彈頭攻防彈道軌跡，Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖如下所示

圖1 仿真框架圖Fig.1 Simulation framework map

由于本文中視景仿真系統(tǒng)是在VC/MFC平臺(tái)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，為了方便的獲取彈道數(shù)據(jù)和利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳輸，將Simulink仿真模塊轉(zhuǎn)化成C語(yǔ)言程序，利用socket解決Simulink仿真模塊與視景仿真模塊數(shù)據(jù)交互和通信的問(wèn)題。

2 數(shù)據(jù)交互程序設(shè)計(jì)

2.1 三機(jī)聯(lián)合仿真結(jié)構(gòu)圖

機(jī)動(dòng)彈頭對(duì)抗仿真涉及到攻防雙方的程序與數(shù)據(jù)接口問(wèn)題，為了真實(shí)模擬對(duì)抗過(guò)程，構(gòu)建了三臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)合仿真平臺(tái)[1]，通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，仿真平臺(tái)如圖2所示，

2.2 數(shù)據(jù)交換程序關(guān)鍵點(diǎn)分析

2.2.1SOCKET使用流程

本文中數(shù)據(jù)交互程序是借助VC/MFC開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用Socket自己編寫(xiě)數(shù)據(jù)傳輸接口實(shí)現(xiàn)三臺(tái)計(jì)算機(jī)在局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通信，其傳輸方式簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。

在MFC中，CSocket的使用流程是：

1) 從CSocket中派生一個(gè)類。

2) 重載CUDPSock類的數(shù)據(jù)接收函數(shù)。當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用該函數(shù)，因此在該函數(shù)中進(jìn)行相應(yīng)處理。

3) 生成CUDPSock類的對(duì)象，然后調(diào)用對(duì)象的初始化函數(shù)，完成后即自動(dòng)開(kāi)始接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。

4) 當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用對(duì)象的SendTo()函數(shù)。

2.2.2 循環(huán)緩沖區(qū)的使用

循環(huán)緩沖區(qū)也就是生成兩個(gè)或多個(gè)緩沖區(qū)。在保存數(shù)據(jù)(即寫(xiě)入緩沖區(qū))時(shí)，數(shù)據(jù)保存到第一個(gè)緩沖區(qū)，下次要保存數(shù)據(jù)時(shí)，則保存到第二個(gè)緩沖區(qū)中，依次類推。當(dāng)寫(xiě)入最后一個(gè)緩沖區(qū)后，下次保存數(shù)據(jù)時(shí)則循環(huán)到第一個(gè)緩沖區(qū)，因此叫做循環(huán)緩沖區(qū)。而讀取數(shù)據(jù)時(shí)，也是順序讀寫(xiě)緩沖區(qū)。

這樣的好處是：可以將數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀取之間進(jìn)行一定的分隔。若不使用循環(huán)緩沖區(qū)，當(dāng)正在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，可能正好有新的數(shù)據(jù)要保存，這樣就會(huì)造成沖突，數(shù)據(jù)混亂。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式和數(shù)據(jù)記錄

在本例中，需要定時(shí)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包先經(jīng)過(guò)打包，然后調(diào)用SendTo( )函數(shù)向目的地址發(fā)送，數(shù)據(jù)打包函數(shù)可通過(guò)自定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)，主要功能是按照網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式組成數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包由網(wǎng)絡(luò)幀頭加上數(shù)據(jù)組成，其中網(wǎng)絡(luò)幀頭格式根據(jù)需要自定義結(jié)構(gòu)體。

數(shù)據(jù)的記錄采用線程方式實(shí)現(xiàn)。采用線程可以使得記錄工作和其它功能實(shí)現(xiàn)并行。

數(shù)據(jù)記錄的處理流程是：

1)初始化CUDPSock對(duì)象時(shí)，啟動(dòng)線程;

2)接收數(shù)據(jù)，觸發(fā)事件;

3)響應(yīng)事件，把接收到的每包數(shù)據(jù)寫(xiě)到文件中。

記錄的文件格式是：每幀數(shù)據(jù)加上一個(gè)記錄幀頭，順序保存到文件中。記錄幀頭的格式根據(jù)需要自定義結(jié)構(gòu)體。圖示如圖3。

3 視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在視景仿真系統(tǒng)中，為達(dá)到較為逼真的動(dòng)態(tài)畫(huà)面，需要建立較為精確地模型對(duì)象和復(fù)雜的三維場(chǎng)景模型。在本例中，綜合利用了MultiGen-Paradigm公司開(kāi)發(fā)的Creator和Vega圖形仿真工具能夠方便，準(zhǔn)確的建立模型對(duì)象，進(jìn)行實(shí)時(shí)視景仿真。同時(shí)借助VC/MFC開(kāi)發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行視景仿真程序設(shè)計(jì)。

圖 3 數(shù)據(jù)格式Fig.3 Data format

3.1 機(jī)動(dòng)彈頭攻防對(duì)抗視景仿真框架設(shè)計(jì)

在導(dǎo)彈飛行中段，由于飛行環(huán)境處于大氣層外，所以不會(huì)受大氣環(huán)境、天氣狀況、地理環(huán)境的影響，其動(dòng)力學(xué)模型也不用考慮氣動(dòng)作用的影響。為了逼真的仿真導(dǎo)彈在大氣層外運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用Simulink實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)作為彈道飛行的軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)使用Creator建立準(zhǔn)確的導(dǎo)彈模型對(duì)象，逼真的星空背景和大氣層外環(huán)境模型。選用VC++6.0作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Vega視景仿真軟件

作為視景驅(qū)動(dòng)，完成模型和場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)顯示與渲染。由以上分析可知：整個(gè)仿真系統(tǒng)主要分為四個(gè)部分：三維模型對(duì)象和場(chǎng)景的建立，模型對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立和數(shù)據(jù)生成，LynX圖形界面設(shè)計(jì)、場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，基本框圖如圖4所示。

圖 4 彈道導(dǎo)彈中段突防視景仿真系統(tǒng)框架圖Fig.4 Anti-Ballistic Missile sudden interruption visual simulation system framework map

其中，數(shù)據(jù)生成部分由進(jìn)攻彈和攔截彈仿真計(jì)算機(jī)分別完成，三維模型建立和LynX圖形界面設(shè)計(jì)在場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)前完成。

3.2 三維實(shí)體模型建立

視景仿真過(guò)程中三維實(shí)體模型需要在仿真啟動(dòng)之前建立，其逼真度直接關(guān)系到仿真效果。Creator是一套高逼真度、最優(yōu)的實(shí)時(shí)三維建模工具，利用它可以方便的創(chuàng)建復(fù)雜的三維實(shí)體模型，將這些文件導(dǎo)入到Vega的運(yùn)行軟件中就可以產(chǎn)生逼真的仿真效果[4]。

彈道導(dǎo)彈在中段飛行過(guò)程中由于彈體一、二級(jí)已經(jīng)分離，所以在視景仿真中只需建立彈頭三維實(shí)體模型。根據(jù)彈頭幾何模型，綜合運(yùn)用貼圖、填充、光照、紋理等多種手段，建立立體感強(qiáng)，逼真度高的彈頭模型。彈頭由于是在大氣層外繞地球飛行，為獲取較好的視覺(jué)效果，建立地球三維實(shí)體模型和相應(yīng)的星空背景。建立的三維實(shí)體模型如圖5、圖6所示：

圖5 彈頭三維模型圖Fig.5 The 3D model of warhead

圖6 地球三維模型圖Fig.6 Earth’s three-dimensional model diagram

4 仿真結(jié)果顯示

完成三維實(shí)體建模和相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)后，運(yùn)行MFC程序，加載ADF文件，設(shè)置好通信地址及端口號(hào)，由服務(wù)器接收甲、乙仿真計(jì)算機(jī)的彈道數(shù)據(jù)后，在服務(wù)器上實(shí)時(shí)的顯示三維仿真場(chǎng)景，直觀的反映導(dǎo)彈突防的工作過(guò)程。

圖7為進(jìn)攻彈和攔截彈在突防前在大氣層外的飛行狀態(tài)，左右兩邊的導(dǎo)彈三維實(shí)體模型分別為進(jìn)攻彈和攔截彈，左下角和右下角的兩個(gè)通道使用Tether-Fixed定位方式分別觀察進(jìn)攻彈和攔截彈的運(yùn)行過(guò)程，紅色曲線表示導(dǎo)彈運(yùn)行軌跡。圖8為進(jìn)攻彈成功進(jìn)行突防后的狀態(tài)。

圖7 導(dǎo)彈大氣層外飛行狀態(tài)Fig.7 Missiles outside the atmosphere flight status

圖8 導(dǎo)彈突防過(guò)程Fig.8 Missile penetration process

5 結(jié)論

通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，仿真平臺(tái)如圖所示，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像圖形處理技術(shù)的發(fā)展，視景仿真技術(shù)將會(huì)被越來(lái)越多的運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域。本文以機(jī)動(dòng)彈頭自由段攻防對(duì)抗的飛行過(guò)程為例，構(gòu)建三臺(tái)機(jī)聯(lián)合仿真平臺(tái)，編寫(xiě)了基于MFC的Vega應(yīng)用程序，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的實(shí)時(shí)視景仿真系統(tǒng)。本仿真系統(tǒng)運(yùn)用了路徑生成、特效使用、碰撞檢測(cè)、通道和視點(diǎn)設(shè)置等相關(guān)方面的知識(shí)。程序經(jīng)過(guò)運(yùn)行測(cè)試表明，視景仿真畫(huà)面連續(xù)逼真，可實(shí)時(shí)模擬出機(jī)動(dòng)彈頭自由段攻防對(duì)抗的過(guò)程，具有較高的可信度，基本達(dá)到了預(yù)期效果，對(duì)同類視景仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

[1] 陳新庚.馬長(zhǎng)生.孫文濤. 基于Vega的導(dǎo)彈防御仿真系統(tǒng)研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真，2011，28(1)：59-61.[ChenXingengMaChangshengSunWentao.ResearchofSimulationMissileDefenseSystemBasedonVega[J].ComputerSimulation,2011,28 (1) :59-61. ]

[2] 陳新庚 馬長(zhǎng)生 孫文濤. 基于Vega的導(dǎo)彈飛行視景仿真[J]. 沈陽(yáng)航空學(xué)報(bào)，2010，27(2)：20-23.[ChenXingergMaChangshengSunwentao.Missileflightvisualsimulationbasedonvega[J].ShenyangInstituteofAeronauticalTechnology, 2010,27 (2) :20-23. ]

[3] 陶鵬 劉懷勛 高宏峰.空面導(dǎo)彈飛行視景仿真系統(tǒng)研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2009， (22)：40-43.[TaoPengLiuHuaixunGaoHongfeng.Researchofmissileflightvisualsimulation[J].MicrocomputersandApplications, 2009, (22) :40-43. ]

[4] 王乘.Creator可視化仿真建模技術(shù)[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005. [WangCheng.Creatorvisualsimulationmodelingtechnology[M].Wuhan:HuazhongUniversityofScienceandTechnologyPress, 2005. ]

[5] 王乘 李利軍.Vega實(shí)時(shí)三維視景仿真技術(shù)[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004. [WangChengLiLijun.Vegareal-timethree-dimensionalvisualsimulationtechnology[M].Wuhan:HuazhongUniversityofScienceandTechnologyPress, 2004. ]

[6] 趙秀娜. 機(jī)動(dòng)彈頭的智能規(guī)避策略研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006[ZhaoXiuna.intelligentmaneuveringwarheadavoidancestrategyof[D].Changsha:NationalUniversityofDefenseTechnology, 2006. ]

Research on Combat Visualization Simulation System of Maneuvering Warhead

WANG Peng, LV Ming, GUO Hong-wu, HAN Yang, ZHOU Bin

(Mechatronic Engineering and Automation School of National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

The exoatmospheric kinetic model of maneuvering warhead is built, and three-dimensional solid model is built using the Vega and Creator visual development software. The problem of data exchange between simulink simulation module and visualization module is solved based on VC/MFC development platform. The co-simulation platform of three computers is built, and the platform can simulate the combat progress of maneuvering warhead. The missile attack and defense visualization simulation system is developped, which includes kinetic model of maneuvering warhead and trajectory data generation, the design of data communications interactive program, the design of visualization simulation program and dynamic display.

Vega; Visual simulation; Maneuvering warhead; Dynamic display

2014-05-10；

2014-06-18。

航天技術(shù)支撐基金(編號(hào)：2012-HT-GFKD)

王鵬(1987-)，男，碩士研究生，主要從事精確制導(dǎo)與控制方面的研究。 E-mail: wangpeng_nudt@126.com。

TP271

A

2095-8110(2014)01-0075-06