基于實測數(shù)據(jù)的3D 視景顯示技術在水中兵器試驗中的應用

呂海濤，管啟亮，譚 鑫

(91439 部隊，遼寧大連 116041)

隨著科學技術的不斷發(fā)展和軍事需求的不斷深化，單一的二維顯示技術已經無法滿足現(xiàn)代軍事斗爭的需要，尤其是在多維度的水中兵器試驗中，更是需要在三維立體角度直觀地顯示目標在水下的運動情況和為位置關系。所以3D 視景顯示技術應運而生并迅速應用于各項水中兵器的試驗中。如何更好地顯示試驗中目標的運動軌跡和相對位置關系，將對試驗的成功提供很大的幫助，因此3D 視景顯示的應用已經成為目前試驗、作戰(zhàn)、演練中必不可少的一項手段。

1 系統(tǒng)設計

1.1 功能

1)態(tài)勢設置及推演

在試驗前為了更好地完成任務，需要對試驗進行態(tài)勢設置和推演，將事先錄入的環(huán)境參數(shù)和目標參數(shù)進行解算，按照試驗步驟進行預演，如果發(fā)現(xiàn)運動路徑、方位等設置不合理，可以提前進行修改，避免了試驗的失敗。

2)3D 實時顯示

3D 實時顯示以試驗實測數(shù)據(jù)為依托，通過相關的數(shù)據(jù)傳輸電纜和GPS(或北斗)定位系統(tǒng)將試驗中的目標運動參數(shù)、位置參數(shù)等傳輸?shù)斤@控主機中，通過數(shù)據(jù)解算，在顯控界面中實時顯示出來。在界面中，可以同時看到試驗中目標的方位、俯仰、橫滾、運動速度等參數(shù)，并可以關聯(lián)目標與目標之間的實際位置關系，如直線距離、精度差、維度差、高度差等。

3)試驗過程回放

當試驗結束時，為了更好地了解試驗中各個步驟的完成情況，可以對讀取的數(shù)據(jù)進行回放，以便于總結試驗中的優(yōu)缺點，為之后的試驗提供寶貴的經驗。

1.2 組成

1.2.1 模型庫

1)環(huán)境模型

在態(tài)勢設置和推演中，需要設置環(huán)境參數(shù)，這些參數(shù)都是事先通過各種渠道進行采集、整理、擬合后，以數(shù)據(jù)模型的方式存儲在環(huán)境模型庫中，當需要調用的時候，可以直接對其進行調用。

2)目標模型

目標模型包括我方目標模型和敵方目標模型。主要包括:敵我雙方的水面艦艇、水下潛艇、魚雷、水雷發(fā)射平臺、飛機、干擾器材((聲誘餌、氣幕彈、應答器、寬帶噪聲源等)。

我方目標模型可以對已知魚雷、水雷、艦艇等目標進行建模，通過和實際數(shù)據(jù)指標的比對進行修正后得出更合理的數(shù)據(jù)模型。敵方資料通過互聯(lián)網和其他渠道進行收集，對相關數(shù)據(jù)進行整理、擬合后建模，并存儲到敵方目標數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫可以隨時將新收集到的數(shù)據(jù)進行錄入，以便完善數(shù)據(jù)庫中的資料。

1.2.2 實測數(shù)據(jù)庫

實測數(shù)據(jù)庫是在真正試驗中測量得到的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)以固定的格式存入實測數(shù)據(jù)庫中，因為這些數(shù)據(jù)都是真實的測量結果，所以需要和目標模型庫中通過仿真計算的數(shù)據(jù)進行區(qū)分。試驗結束后，可以經實測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進行比對，以便于對試驗模型進行修正，為之后的試驗提供數(shù)據(jù)支持。

1.2.3 通信協(xié)議

通信協(xié)議用于制定信息在線路中的傳輸規(guī)則，包括信息格式、順序控制、信息成幀與拆幀、差錯控制等。這里采用一種常用的串行通信方式。它是標準的異步通信方式，通信格式為一串行幀，包括起始位、數(shù)據(jù)位(最低有效位在前)、停止位。這種工作方式下，TXD 用于發(fā)送數(shù)據(jù)，RXD 用于接收數(shù)據(jù)。當采用中斷方式進行通信時，一幀數(shù)據(jù)的最后一位數(shù)據(jù)發(fā)送完，則發(fā)送中斷標志TI 置位;同樣，當一幀數(shù)據(jù)的最后一位數(shù)據(jù)接收完，則接收中斷標志RI 置位。若串行口控制寄存器的奇偶校驗允許位PEN =1，則發(fā)送時的數(shù)據(jù)由奇偶校驗位所代替［1］。

1.2.4 外置接口實測數(shù)據(jù)的3D 可視化顯示系統(tǒng)作為水聲試驗的一個重要節(jié)點，它通過局域網與程控計算機相連。通過網絡接口實時接收來自仿真系統(tǒng)傳送的魚雷、目標和干擾器的位置、姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息，驅動3D 模型在虛擬場景中的運動。

1.3 工作方式及流程

工作方式主要分為模擬方式和實測方式。模擬方式是指提前對試驗目標的航跡進行規(guī)劃，利用數(shù)據(jù)庫中已有的數(shù)據(jù)模擬目標運行的軌跡，其主要用于試驗模擬和推演。實測方式是指試驗中，實時對目標的真實航跡進行錄入，通過坐標轉換，直觀地在界面中顯示目標的實際航跡和相對位置關系。主要在真實試驗中應用。具體流程如圖1 所示。

圖1 工作方式流程

2 關鍵技術

2.1 3D 顯示

1)3D 動態(tài)過程顯示

在3D 顯示中，最主要的就是動目標運動軌跡的3D 顯示，因為以前2D 顯示，只能在2 維中顯示運動目標在經緯度上的變化，而無法對其高度和起伏、橫滾等動作進行明確的顯示，只能通過其他輔助方式對其進行反映，所以3D 顯示的優(yōu)點就凸顯了，它不僅可以顯示經緯度的運動趨勢，還能反映方位、俯仰、橫滾等運動姿態(tài)。

2)視角選擇(包括大小、方向)

視角選擇在3D 動態(tài)顯示中也起著極其重要的作用，視角選擇的好壞，直接決定了能否更直觀表現(xiàn)運動目標的運動狀態(tài)。這里采用多視窗口的方式，從俯視、側視、正視3 個角度對運動目標的運動情況進行表征，并可以通過開展軟件對視角進行調整。

2.2 坐標轉換

在3D 可視化顯示中，要將GPS 或者北斗等定位系統(tǒng)測量的位置信息在顯控軟件上進行顯示，但由于需求不同，不能直接將測量得到的經緯度直接顯示，而是需要對坐標進行相應的處理，以得到需要的相對位置關系，這就要求對坐標進行轉換。

1)大地直角坐標系

大地直角坐標系以橢球中心Oe為坐標原點;Ze軸與橢球的旋轉軸一致，指向參考橢球的北極;Xe軸位于起始子午面和赤道面的交線上;Ye軸位于赤道面上，與Xe軸、Ze軸構成右手坐標系。3 個坐標軸的指向如圖2 所示。

圖2 大地直角坐標系

2)自定義坐標系

由于試驗中如果采用大地直角坐標系，在界面中顯示的目標位置關系不夠直觀，所以通常并不使用該坐標系，而是根據(jù)試驗中的具體情況，選用更為直觀的自定義坐標系。這就要求在軟件中可以設定需要坐標系的原點和顯示范圍等參數(shù)。

3)坐標轉換

轉換原理簡介［2］。將BJ -54 坐標轉換為WGS -84 坐標步驟如下:①同一坐標系下，平面坐標到大地坐標的轉換。在BJ-54 坐標系下，利用高斯投影坐標反解公式，將矢量地圖所采用的在BJ -54 坐標系下的平面坐標(x，y)轉化為同一坐標系下的大地坐標(B，L)，其中央子午線經度手動設置［3］。②同一坐標系下，大地坐標到三維直角坐標系的轉換。在BJ-54 坐標系下，將大地坐標(B，LH)轉化為空間直角坐標系下的坐標(X，Y，Z)。③不同基準下，相同坐標系之間的轉換。將在BJ -54 坐標系下的空間直角坐標(X，Y，Z)轉換為在WGS - 84 坐標系下的空間直角坐標(X，Y，Z)，本文采用的是布爾沙模型即七參數(shù)轉換法，必須已知3 個在BJ-54 坐標系下和在WGS -84 坐標系下的點的空間直角坐標。即3 個平移參數(shù)3 個旋轉參數(shù)一個尺度參數(shù)。④同一坐標系下，空間直角坐標到大地坐標的轉換。采用迭代算法，由H 和N 的初值算出B，再迭代算出N，H。在WGS-84 坐標系下，將空間直角坐標(X，Y，Z)轉換為大地坐標(B，L)。

旋轉矩陣符號的引入［4］。任意一個空間直角坐標系，可以由原點相同的另一個空間直角坐標系經3 次旋轉得到，3個旋轉矩陣符號分別表示如下:

保持OX軸不動，按右手規(guī)則，Y 軸向Z 軸旋轉θX角度

1)保持OY軸不動，按右手規(guī)則，Z 軸向X 軸旋轉θY角度

2)持OZ軸不動，按右手規(guī)則，X 軸向Y 軸旋轉θZ角度

3 結束語

隨著3D 視景顯示技術在試驗、作戰(zhàn)、演練中的作用愈加重要，在水聲領域的應用越來越廣，尤其是對水中動目標航跡顯示的不斷深化，該技術已經成為試驗、作戰(zhàn)、演練中必不可少的一環(huán)。因此，如何更好在運用3D 視景顯示技術已經成為水中兵器試驗、測試和水聲對抗的一個著力點和重點。

［1］沙琪，鄭為.3D 視景在魚雷制導系統(tǒng)半實物仿真中的實現(xiàn)［J］.魚雷技術，2005(9):35-38.

［2］嚴慶新，黃潔.電子海圖制作中坐標轉換的應用與實現(xiàn)［J］.交通科技，2007(6):113-114.

［3］趙長勝.高斯投影坐標反算的迭代算法［J］.測繪通報，2004(3):16-17.

［4］袁智榮.火箭彈制導化中的坐標轉換問題［J］.測控技術，2009，28(11):91-94.