車載導(dǎo)彈海上射擊視景仿真研究

【裝備理論與裝備技術(shù)】

車載導(dǎo)彈海上射擊視景仿真研究

李正優(yōu)，郭留河

(裝甲兵工程學(xué)院 兵器工程系，北京100072)

摘要：視景仿真的逼真性直接影響車載導(dǎo)彈海上射擊模擬訓(xùn)練的效果，采用改進(jìn)的Gerstner模型構(gòu)建海浪的基本模型，通過快速傅里葉變換解決逼真度與實(shí)時(shí)性之間的矛盾，采用Creator建立三維模型庫，采用OpenGVS類庫完成三維視景的仿真驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建了炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)鏡視距模型、激光測(cè)距模型和瞄準(zhǔn)分劃運(yùn)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)了瞄準(zhǔn)線及分劃仿真，采用微分方程構(gòu)建導(dǎo)彈彈道模型，實(shí)現(xiàn)了車載導(dǎo)彈彈道仿真，建立了目標(biāo)毀傷評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)毀傷效果的仿真。實(shí)踐證明，視景仿真效果逼真。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)彈；射擊；視景；仿真

作者簡(jiǎn)介：李正優(yōu)(1980—)，男，碩士，講師，主要從事導(dǎo)彈運(yùn)用工程研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.007

中圖分類號(hào)：E927

文章編號(hào)：1006-0707(2015)06-0025-04

本文引用格式：李正優(yōu)，郭留河.車載導(dǎo)彈海上射擊視景仿真研究[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(6):25-28.

Citation format:LI Zheng-you, GUO Liu-he.Study on Sea Firing Scene Simulation of Vehicular Missile[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(6):25-28.

Study on Sea Firing Scene Simulation of Vehicular Missile

LI Zheng-you, GUO Liu-he

(Department of Arms Engineering, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract:Verisimilitude of scene simulation produces an important effect on sea firing training of vehicular missile directly. We built the basic ocean wave model based on improved Gerstner wave and elicits discrete FFT algorithm model to solve contradiction between verisimilitude and real-time, and adopted MultiGen Creator to build 3D scene and used OpenGVS for scene driving, and built aiming sight model, laser ranging model and aiming reticule model and we achieved aiming line and reticule simulation. We adopted differential equation to build missile trajectory model and achieved missile trajectory simulation, and built target damage estimation model and achieved target damage simulation. As the proved application, the result of scene simulation is effective and vivid.

Key words: missile; firing; scene; simulation

車載導(dǎo)彈海上實(shí)彈射擊受裝備、氣象、海況等條件限制，難以經(jīng)常實(shí)施，而且海上射擊環(huán)境復(fù)雜多變，影響射擊的因素很多，戰(zhàn)車始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)射手在影響導(dǎo)彈射擊和命中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)如搜索目標(biāo)、測(cè)距、瞄準(zhǔn)發(fā)射、穩(wěn)定控制等要求很高，必須進(jìn)行車載導(dǎo)彈海上射擊模擬訓(xùn)練。視景仿真的逼真性將直接影響車載導(dǎo)彈海上射擊模擬訓(xùn)練的效果。本文對(duì)車載導(dǎo)彈海上射擊視景仿真中的海浪、三維場(chǎng)景建模及仿真驅(qū)動(dòng)、地形匹配、瞄準(zhǔn)線及分劃、導(dǎo)彈彈道、目標(biāo)毀傷效果等進(jìn)行探討。

1海浪仿真

采用改進(jìn)的Gerstner模型構(gòu)建海浪的幾何外形可獲得較逼真的海浪，即在Gerstner模型的基礎(chǔ)上，引入波形控制因子μ，通過改變?chǔ)讨?，不僅可以調(diào)節(jié)波浪的陡峭程度，還可避免“交疊”。將多個(gè)單元波疊加，并將其擴(kuò)展到二維表面，改寫成海浪的波數(shù)表達(dá)式為

(1)

這種方法取得逼真度的同時(shí)卻犧牲了實(shí)時(shí)性[1]。為此，通過構(gòu)造海浪的快速傅里葉變換(FFT)模型有效解決逼真度與實(shí)時(shí)性之間的矛盾。FFT方法的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(2)

FFT方法所需要的參數(shù)通過海浪譜來得到。采用二維海浪譜，同時(shí)考慮海浪能量相對(duì)于頻率和方向的分布。頻譜選擇P-M頻譜，方向譜采用ITTC(國際船模試驗(yàn)池會(huì)議)建議的方向擴(kuò)展函數(shù)[2]。

2三維場(chǎng)景建模及仿真驅(qū)動(dòng)

2.1三維場(chǎng)景建模

采用MultiGen Creator作為三維模型的可視化建模工具，來完成三維視景所需的大面積地形、天空模型和實(shí)體模型建模。

地形建模步驟主要包括[3]地圖輸入(掃描儀)； 等高線矢量化(Vector 專用矢量化軟件)；矢量輸出(DEM文件、DLG文件)；導(dǎo)入MultiGen Creator并生成地形*.flt文件；完善修改并增加文化細(xì)節(jié)。

圖1是在MultiGen Creator中生成*.flt文件時(shí)采用規(guī)則網(wǎng)格算法生成的具有規(guī)則網(wǎng)格的地形模塊。

天空模型用一個(gè)包圍地形上空的半球形代替，其上映射藍(lán)天白云的紋理即可。

實(shí)體建模主要指各種戰(zhàn)斗實(shí)體的建模。以坦克為例，圖2表示了實(shí)體的建模過程。

圖1　海港地形

圖2　實(shí)體建模流程

2.2三維場(chǎng)景仿真驅(qū)動(dòng)

車載導(dǎo)彈系統(tǒng)可作為一個(gè)戰(zhàn)斗單元加入到分布式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真中去。本文選擇HLA/RTI作為實(shí)現(xiàn)分布式仿真框架的基礎(chǔ)，選用OpenGVS作為本系統(tǒng)的視景管理軟件。OpenGVS體現(xiàn)了“面向可視模型的視景仿真”的思想，通過標(biāo)準(zhǔn)化的高層接口隱藏了視景仿真內(nèi)含的復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算，提供易用的工具和編程接口，從而可以很快的進(jìn)行視景仿真軟件的開發(fā)，并利用視景管理軟件提供的內(nèi)部?jī)?yōu)化功能，充分發(fā)揮圖形軟硬件的性能[4]。視景仿真軟件負(fù)責(zé)視景各種要素的組織以及結(jié)合用戶交互動(dòng)作對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，支持各類顯示外設(shè)和各種交互設(shè)備，可以方便的實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)、地形匹配等，大大降低了視景仿真的開發(fā)難度。

3三維實(shí)體地形匹配仿真

3.1陸地的地形匹配

采用四點(diǎn)匹配法來實(shí)現(xiàn)陸地的地形匹配。在不考慮懸架的彈性影響下選擇坦克車體4個(gè)車輪，坦克不離開地面，車輪與地面沒有側(cè)向滑移，也沒有縱向打滑，只作純滾動(dòng)的情況下，提出了四點(diǎn)匹配法。四點(diǎn)匹配法實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3　四點(diǎn)匹配法實(shí)現(xiàn)流程

3.2海面的地形匹配實(shí)現(xiàn)

海面匹配實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

4瞄準(zhǔn)線及分劃仿真

4.1炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)鏡視距模型

炮長(zhǎng)在瞄準(zhǔn)鏡中所能觀察視場(chǎng)近似為以瞄準(zhǔn)鏡為頂點(diǎn)，以瞄準(zhǔn)線為軸線的圓錐體。與炮長(zhǎng)光學(xué)瞄準(zhǔn)具的性能參數(shù)相對(duì)應(yīng)，具有兩套視景模型：對(duì)應(yīng)于8倍的高倍視景模型；對(duì)應(yīng)于1倍的低倍視景模型。其中高倍視景模型視場(chǎng)角設(shè)為8°，后裁剪面設(shè)在7 000 m處；低倍視景模型視場(chǎng)角設(shè)為30°×20°，后裁剪面設(shè)在7 000 m處，并在瞄準(zhǔn)具內(nèi)畫有相應(yīng)分劃。

圖4　海面匹配計(jì)算流程

4.2激光測(cè)距模型

(3)

在構(gòu)造出相交矢量之后，運(yùn)用碰撞檢測(cè)方法判斷該相交矢量是否和視場(chǎng)中的其它物體發(fā)生了碰撞。若發(fā)生碰撞，則返回離炮長(zhǎng)視點(diǎn)碰撞體的距離信息。

4.3瞄準(zhǔn)分劃運(yùn)動(dòng)模型

車載導(dǎo)彈采用半自動(dòng)瞄準(zhǔn)線制導(dǎo)，導(dǎo)彈以瞄準(zhǔn)線為基準(zhǔn)震蕩飛行，所以瞄準(zhǔn)分化的運(yùn)動(dòng)仿真非常關(guān)鍵。采用瞄準(zhǔn)線獨(dú)立的火控系統(tǒng)，由炮長(zhǎng)通過操縱臺(tái)控制瞄準(zhǔn)線，實(shí)裝上操縱臺(tái)轉(zhuǎn)角與瞄準(zhǔn)鏡轉(zhuǎn)速關(guān)系符合二次曲線，如圖5所示。

圖5　操縱臺(tái)信號(hào)與瞄準(zhǔn)線轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

二次曲線方程的參數(shù)由火控系統(tǒng)最大瞄準(zhǔn)速度、最小瞄準(zhǔn)速度、最大調(diào)炮速度以及操縱臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換精度決定。

5車載導(dǎo)彈彈道仿真

導(dǎo)彈是一個(gè)可控制的剛體運(yùn)動(dòng)，可用一組聯(lián)立的微分方程組描述，車載導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)方程如下[5]：

(4)

Ycosγc-Zsinγc-Gcosθ+fcy]

(5)

Ysinγc+Zcosγc+fcz]

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

其中：P為導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)推力；X、Y、Z為導(dǎo)彈在空間運(yùn)動(dòng)中的阻力、升力和側(cè)向力；G為導(dǎo)彈的重力；fcx、fcy、fcz為導(dǎo)彈控制系統(tǒng)作用在導(dǎo)彈上的控制力的投影；Mcx、Mcy、Mcz為控制力矩；Jx、Jy、Jz為導(dǎo)彈對(duì)三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；M為飛行導(dǎo)彈質(zhì)量；mc為導(dǎo)彈質(zhì)量變化率；v為導(dǎo)彈飛行速度；t為導(dǎo)彈飛行時(shí)間；α為攻角；β為側(cè)滑角；γ為滾轉(zhuǎn)角；θ為彈道傾角；?為彈體傾角(XOY平面)；ψ為彈體傾角(XOZ平面)；wx、wy、wz為彈體旋轉(zhuǎn)角速度。

導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組中的變系數(shù)很多，可根據(jù)當(dāng)時(shí)的攻角和馬赫數(shù)的變化實(shí)時(shí)計(jì)算[6]。對(duì)方程系數(shù)的計(jì)算采用了線性插值和拋物線插值。對(duì)于二維的系數(shù)采用了線-線插值和線-拋插值法。采用四階龍格-庫塔法解微分方程，精度較高，再將射手的操作控制信號(hào)實(shí)時(shí)迭加上去，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車載導(dǎo)彈彈道的逼真模擬。

6目標(biāo)毀傷效果仿真

6.1毀傷級(jí)別以及毀傷樹的建立

為了正確合理地評(píng)估目標(biāo)坦克的毀傷情況，把目標(biāo)的毀傷分為：“M”級(jí)毀傷(運(yùn)動(dòng)性毀傷)、“F” 級(jí)毀傷(火力性毀傷)、“K”級(jí)毀傷(摧毀性毀傷)。其中，F(xiàn)級(jí)毀傷的毀傷樹如圖6所示，圖6中“+”表示邏輯或關(guān)系，“～”表示會(huì)產(chǎn)生一定的影響，非必然事件。

6.2坦克目標(biāo)毀傷評(píng)估模型

確定目標(biāo)毀傷指標(biāo)為機(jī)動(dòng)性毀傷和火力毀傷，分別以機(jī)動(dòng)性生命值(FM)和火力生命值(FF)來表征，仿真系統(tǒng)運(yùn)行過程中坦克的性能仿真完全以FM、FF兩個(gè)參數(shù)值為依據(jù)。機(jī)動(dòng)性生命值“FM”：0=

車載導(dǎo)彈海上射擊模擬訓(xùn)練視景及目標(biāo)毀傷效果如圖7和圖8所示。

A-F級(jí)毀傷；A1-武器毀傷；A2-彈藥系統(tǒng)毀傷；A3-火控系統(tǒng)毀傷；A4-操作手傷亡；A5-主彈藥；A11-火炮身管；A12-炮尾及附件；A13-機(jī)槍；A21-自動(dòng)裝彈機(jī)；A31-炮長(zhǎng)觀瞄測(cè)距設(shè)備；A32-電氣或液壓操縱系統(tǒng)和控制與顯示裝置；A33-火炮雙向穩(wěn)定裝置；A34-彈道計(jì)算機(jī)；A41-炮長(zhǎng)傷亡；A42-裝彈手傷亡

圖6裝甲車輛F級(jí)毀傷樹圖

圖7　車載導(dǎo)彈海上射擊模擬訓(xùn)練視景

圖8　目標(biāo)毀傷效果

7結(jié)束語

本文對(duì)海浪、三維場(chǎng)景建模及仿真驅(qū)動(dòng)、地形匹配、瞄準(zhǔn)線及分劃、導(dǎo)彈彈道、目標(biāo)毀傷效果等車載導(dǎo)彈海上射擊視景仿真關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。研究成果已應(yīng)用于某型車載導(dǎo)彈海上射擊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，對(duì)提高訓(xùn)練效益、增強(qiáng)訓(xùn)練效果、節(jié)省訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)、減少裝備損耗具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]LiZheng-you,HouXue-long.OceanWaveReal-timeSimulationBased-onOceanWaveSpectrumandFFT[C]//ProgressinAppliedSciencesEngineeringandTechnology,Qingdao,China:TransTechPublicationsLtd,May20,2014:3531-3536.

[2]侯學(xué)隆.基于FFT的海浪實(shí)時(shí)仿真方法[J].計(jì)算機(jī)工程,2009,35(22):254-256.

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

[4]Quantum3D.OpenGVSProgrammingGuideVersion4.3[M].Quantum3D，Inc-OpenGVSDevelopmentCenter，1999.

[5]張有濟(jì).戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈飛行力學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京：宇航出版社，1999.

[6]袁子懷，錢杏芳.有控飛行力學(xué)與計(jì)算機(jī)仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001.

(責(zé)任編輯周江川)