光電經(jīng)緯儀實(shí)裝模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研制

【摘要】為快速、有效地對操作手進(jìn)行訓(xùn)練，以O(shè)penGL、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，采用裝備最小改動(dòng)原則，設(shè)計(jì)了光電經(jīng)緯儀實(shí)裝模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，提出了硬件、軟件設(shè)計(jì)方案，在多臺(tái)不同型號的光電經(jīng)緯儀上予以實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐證明該系統(tǒng)能夠有效快速提高操作手發(fā)現(xiàn)、捕獲和穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的能力，訓(xùn)練成效顯著。

【關(guān)鍵詞】光電經(jīng)緯儀；實(shí)裝；模擬訓(xùn)練

1.引言

隨著武備系統(tǒng)建設(shè)的快速發(fā)展，目標(biāo)的可發(fā)現(xiàn)性、可跟蹤性越來越低，給光電經(jīng)緯儀的操作手快速發(fā)現(xiàn)、有效識(shí)別和穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)帶來了極大的困難，對操作手的操管能力提出了更高的要求。目前，光電經(jīng)緯儀操作手的訓(xùn)練主要結(jié)合裝備維護(hù)保養(yǎng)、日常訓(xùn)練和試驗(yàn)任務(wù)等進(jìn)行，訓(xùn)練的針對性、真實(shí)性、有效性不強(qiáng)，動(dòng)用資源多，訓(xùn)練成本高、效率低，重復(fù)性差，操作手培養(yǎng)周期長。此外，每型、每臺(tái)光電經(jīng)緯儀的操作特性不盡相同，為達(dá)到操作手和所操管經(jīng)緯儀的最佳配合，迫切需要操作手在其所操管的裝備上，針對目標(biāo)特性進(jìn)行有效的重復(fù)訓(xùn)練，提高自身業(yè)務(wù)技能。光電經(jīng)緯儀均配備了CCD或紅外數(shù)字相機(jī)，實(shí)現(xiàn)了圖像的數(shù)字化采集。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)光電經(jīng)緯儀的實(shí)裝模擬訓(xùn)練。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)裝模擬訓(xùn)練系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)彈道，利用OpenGL在虛擬空間繪制目標(biāo)三維圖像；根據(jù)光電經(jīng)緯儀實(shí)際測量值，將目標(biāo)三維圖像視角變換后與實(shí)時(shí)獲取的背景圖像疊加，疊加后的圖像提供給操作手進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別、捕獲和跟蹤。系統(tǒng)主要由硬件、軟件兩個(gè)部分組成。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由經(jīng)緯儀主體、訓(xùn)練控制端、圖像合成端以及顯示器等組成。光電經(jīng)緯儀由經(jīng)緯儀主體、主控計(jì)算機(jī)、圖像存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)等部分組成。為確保裝備功能、戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)不受影響，硬件設(shè)計(jì)采用裝備最小改動(dòng)原則，僅在經(jīng)緯儀主體上加裝顯示器。

訓(xùn)練控制端與主控計(jì)算機(jī)共用1臺(tái)工控機(jī)。通過串行通信卡與經(jīng)緯儀交換數(shù)據(jù)，接收經(jīng)緯儀發(fā)送的時(shí)間、角度等信息，向經(jīng)緯儀發(fā)送引導(dǎo)數(shù)據(jù)。通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與圖像合成端交換數(shù)據(jù)，訓(xùn)練開始前向圖像合成端發(fā)送目標(biāo)三維模型、氣象條件等訓(xùn)練配置信息，訓(xùn)練過程中向圖像合成端發(fā)送目標(biāo)位置、訓(xùn)練進(jìn)度等訓(xùn)練控制信息。

圖像合成端與圖像存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)共用1臺(tái)工控機(jī)。通過圖像采集卡獲取數(shù)字相機(jī)拍攝的實(shí)時(shí)背景，與計(jì)算機(jī)生成的模擬目標(biāo)圖像合成后，送顯示器顯示供操作手訓(xùn)練用；通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與訓(xùn)練控制端交換數(shù)據(jù)，獲取訓(xùn)練配置、訓(xùn)練控制等訓(xùn)練信息；通過串行通信卡與經(jīng)緯儀交換數(shù)據(jù)，接收經(jīng)緯儀發(fā)送的時(shí)間、角度等信息。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括目標(biāo)模型設(shè)計(jì)生成軟件、理論彈道設(shè)計(jì)生成軟件、訓(xùn)練控制軟件和圖像合成軟件。軟件均采用模塊化設(shè)計(jì)，其中訓(xùn)練控制軟件和圖像合成軟件采用分層、多線程、圖形化虛擬儀器面板設(shè)計(jì)，分三層結(jié)構(gòu)：第一層為圖形化虛擬儀器面板及其組件層，通過友好的界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。第二層為事務(wù)處理層，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，將各種相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至虛擬儀器面板組件。第三層為硬件接口層，通過硬件驅(qū)動(dòng)程序接口完成硬件控制、信息采集和數(shù)據(jù)交換。線程分為時(shí)間同步線程、顯示線程、通信線程、存儲(chǔ)線程等，各個(gè)線程采用事件來同步。根據(jù)各線程的實(shí)時(shí)性要求，設(shè)置不同的優(yōu)先級，合理安排時(shí)序，提高軟件運(yùn)行的效率和可靠性。

2.2.1 目標(biāo)模型設(shè)計(jì)生成軟件

目標(biāo)模型設(shè)計(jì)生成軟件主要包括參數(shù)輸入、參數(shù)處理、目標(biāo)模型生成、空間-窗口坐標(biāo)變換、圖形繪制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊。在構(gòu)建目標(biāo)模型時(shí)，對輸入的參數(shù)進(jìn)行處理，構(gòu)建目標(biāo)模型，經(jīng)坐標(biāo)變換后，利用OpenGL進(jìn)行圖形繪制并顯示在窗口內(nèi)供設(shè)計(jì)者審查，保存目標(biāo)模型數(shù)據(jù)供訓(xùn)練使用，軟件流程圖如圖1-A所示。

2.2.2 理論彈道設(shè)計(jì)生成軟件

彈道設(shè)計(jì)生成軟件主要包括參數(shù)輸入、參數(shù)處理、彈道模型建立、理論彈道生成、坐標(biāo)變換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊。在構(gòu)建理論彈道時(shí)，對輸入的參數(shù)進(jìn)行處理，確定相應(yīng)的型值點(diǎn)，采用三次B樣條曲線進(jìn)行擬合，構(gòu)建彈道模型，對模型進(jìn)行采樣，經(jīng)坐標(biāo)變換后獲得理論彈道，利用OpenGL進(jìn)行圖形繪制并顯示在窗口內(nèi)供設(shè)計(jì)者審查，理論彈道存入彈道文件供訓(xùn)練使用，軟件流程圖如圖1-B所示。

2.2.3 訓(xùn)練控制軟件

訓(xùn)練控制軟件主要包括訓(xùn)練配置信息生成發(fā)送、經(jīng)緯儀相關(guān)信息獲取、引導(dǎo)數(shù)據(jù)生成及發(fā)送、數(shù)據(jù)處理和信息顯示等模塊。軟件通過打開目標(biāo)模型文件來讀取目標(biāo)模型，與輸入的氣象條件等一起生成訓(xùn)練配置信息，發(fā)送給圖像合成端供圖像合成用；打開彈道文件來讀取彈道數(shù)據(jù)，通過串口獲取經(jīng)緯儀相關(guān)信息，經(jīng)處理后生成引導(dǎo)數(shù)據(jù)，發(fā)送給經(jīng)緯儀供實(shí)時(shí)引導(dǎo)；將顯示有關(guān)信息供訓(xùn)練使用，軟件流程圖如圖1-C所示。

2.2.4 圖像合成軟件

在XX-XX導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗(yàn)過程中，由于導(dǎo)彈相對測量站點(diǎn)角速度大，操作手很難平穩(wěn)有效跟蹤目標(biāo)，并且由于助推器亮度高，容易誤跟助推器。為解決此問題，根據(jù)XX-XX導(dǎo)彈特性，利用光電經(jīng)緯儀實(shí)裝模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)生成了XX-XX導(dǎo)彈的模型、彈道，對多臺(tái)不同型號裝備的操作手進(jìn)行了針對性重復(fù)訓(xùn)練。在剛開始的訓(xùn)練中，除發(fā)射時(shí)刻外，操作手基本上不能有效跟蹤目標(biāo)，屢次誤跟助推器；經(jīng)多次重復(fù)訓(xùn)練后，操作手已能夠全程有效跟蹤目標(biāo)。在導(dǎo)彈實(shí)際飛行時(shí)，所有操作手全程有效穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，訓(xùn)練效果顯著。

4.結(jié)束語

通過對OpenGL、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的深入研究，在確保裝備原有功能和戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)的前提下，采用裝備最小改動(dòng)原則，設(shè)計(jì)了光電經(jīng)緯儀實(shí)裝模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，在多臺(tái)不同型號的光電經(jīng)緯儀上予以實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能夠根據(jù)目標(biāo)特性設(shè)計(jì)生成目標(biāo)模型、理論彈道，將實(shí)時(shí)背景與目標(biāo)模型合成顯示，在裝備上對操作手進(jìn)行訓(xùn)練，具有極強(qiáng)的針對性、可重復(fù)性。實(shí)踐證明該系統(tǒng)能夠有效快速提高操作手發(fā)現(xiàn)、捕獲和穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的能力，訓(xùn)練成效顯著。在氣象條件仿真方面受多種因素限制，導(dǎo)致目標(biāo)可見度模擬比較簡單，真實(shí)性較差，有待研究。

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作者簡介：周學(xué)仕（1977—），男，工學(xué)碩士，主要從事光學(xué)測量、雷達(dá)測量方面研究。