基于VR-Forces的艦載機(jī)起飛與降落仿真

王文惲，侯學(xué)隆，楊士鋒

（海軍航空工程學(xué)院a.科研部；b.指揮系，山東煙臺(tái)264001）

基于VR-Forces的艦載機(jī)起飛與降落仿真

王文惲a，侯學(xué)隆b，楊士鋒b

（海軍航空工程學(xué)院a.科研部；b.指揮系，山東煙臺(tái)264001）

VR-Forces是當(dāng)前較為成熟的計(jì)算機(jī)生成兵力仿真平臺(tái)，使用該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)在航空母艦上起飛和降落仿真。在該仿真平臺(tái)中艦載機(jī)起飛和降落的主要原理的基礎(chǔ)上，闡述了艦載機(jī)搭載（卸載）組件和航空母艦占用引導(dǎo)控制組件的功能、類繼承關(guān)系和配置方法，分析了艦載機(jī)起飛降落過程中的仿真流程。通過測(cè)試想定實(shí)現(xiàn)了F/A-18艦載機(jī)滑行、起飛、降落、?？空麄€(gè)流程。研究成果對(duì)基于VR-Forces的作戰(zhàn)仿真和開發(fā)類似系統(tǒng)有一定的技術(shù)參考價(jià)值。

VR-Forces；艦載機(jī)；起飛；降落；搭載；卸載

航空母艦是現(xiàn)代化遠(yuǎn)洋海軍的重要力量，而航母艦載機(jī)承擔(dān)著空中掩護(hù)和支援、空中地/海攻擊[1]、空中早期偵察/預(yù)警-指揮、中遠(yuǎn)程空中反潛巡邏等重任。艦載機(jī)執(zhí)行這些任務(wù)，都需要從航母上起飛和降落。VR-Forces作為一種較為成熟的作戰(zhàn)仿真平臺(tái)[2]，提供了一套艦載機(jī)在航母上起飛和降落的框架，分析其原理，研究其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)過程有助于相關(guān)研究人員在其框架下進(jìn)行二次開發(fā)，達(dá)到仿真應(yīng)用的目的。

1 VR-Forces簡(jiǎn)介

VR-Forces是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的計(jì)算機(jī)兵力生成平臺(tái)和工具，它包括簡(jiǎn)單易用的圖形接口、強(qiáng)大的仿真引擎和一套面向?qū)ο蟮某绦蚪涌贏PI[3]。VRForces采用面向?qū)ο蟮乃枷?，其中每個(gè)實(shí)體都有對(duì)象的行為和屬性，可對(duì)戰(zhàn)術(shù)指揮訓(xùn)練、計(jì)算機(jī)兵力生成等模擬訓(xùn)練提供所有必要的仿真模擬[4]。VR-Forces中每個(gè)實(shí)體的屬性、組件、資源、信號(hào)特征等存在于對(duì)象參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)（Object Parameters Database，OPD）[5]中，是開發(fā)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

2 艦載機(jī)起降主要仿真原理

能在航母上起降的艦載機(jī)主要包括固定翼飛機(jī)和旋轉(zhuǎn)翼飛機(jī)（直升機(jī)）2種。裝備實(shí)際運(yùn)行過程中，環(huán)節(jié)眾多，情況極其復(fù)雜。以艦載戰(zhàn)斗機(jī)為例，從機(jī)庫(kù)到起飛出航再到回收，將會(huì)經(jīng)歷轉(zhuǎn)運(yùn)、升降機(jī)提升、牽引到停機(jī)位、開車、滑出、進(jìn)入起飛站位、起飛、出航、返航、進(jìn)入等待航線、進(jìn)入著艦航線、進(jìn)入下滑航線、著艦、解除阻攔索、滑行至停機(jī)位等環(huán)節(jié)。

在VR-Forces中，更傾向于作戰(zhàn)流程、對(duì)抗仿真，因此，在關(guān)于艦載機(jī)起飛降落仿真需求不是特別細(xì)的情況下，可以做一定的簡(jiǎn)化處理，以達(dá)到基本仿真效果為原則。上述艦載機(jī)起降的各個(gè)環(huán)節(jié)在仿真中最終可以歸為2類運(yùn)動(dòng)：一類是向某個(gè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)（例如滑行至停機(jī)位）；一類是沿路徑運(yùn)動(dòng)（例如從停機(jī)位運(yùn)動(dòng)至起飛站位）。對(duì)于艦載機(jī)在航母上的?？浚蓸?gòu)建一系列點(diǎn)，并設(shè)置該點(diǎn)的屬性，使得艦載機(jī)獲取該點(diǎn)屬性后以正確的姿態(tài)?？吭跍?zhǔn)確的位置。

在VR-Forces中，主要由艦載機(jī)實(shí)體配置搭載（卸載）組件和航母實(shí)體配置占用引導(dǎo)控制組件來共同實(shí)現(xiàn)起飛、降落和?？糠抡妗烧咧g的協(xié)作（包括停機(jī)位是否已滿無法降落、?？康狡渌C(jī)位等）通過內(nèi)部的仿真消息來完成。

3 艦載機(jī)搭載（卸載）組件

3.1 搭載（卸載）組件

搭載（卸載）組件（DtEmbarkationController）支持VR-Forces中實(shí)體的基本搭載和卸載功能。可以支持人員、車輛等實(shí)體從車輛、登陸艦、直升機(jī)等載體上搭載、卸載和隨載體運(yùn)動(dòng)。

該組件派生于任務(wù)控制組件（DtTaskController-Component），而聚合實(shí)體、固定翼飛機(jī)實(shí)體、旋轉(zhuǎn)翼飛機(jī)實(shí)體的搭載（卸載）組件派生于DtEmbarkationController，如圖1所示。

3.2 固定翼飛機(jī)搭載（卸載）組件

固定翼飛機(jī)搭載（卸載）組件（DtFixedWingEmbarkationController）支持VR-Forces中固定翼飛機(jī)實(shí)體的搭載和卸載功能，主要支持固定翼艦載機(jī)從航空母艦上搭載或卸載，即起飛、降落和隨船運(yùn)動(dòng)。

該組件在執(zhí)行過程中需要與載體（航空母艦）的占用引導(dǎo)控制組件（DtOccupancyDirectorController）配合使用。在起飛階段調(diào)用起飛任務(wù)（DtTaskTake-Off）執(zhí)行卸載路徑；在降落階段調(diào)用降落任務(wù)（Dt-TaskLand）執(zhí)行搭載路徑。

3.3 旋轉(zhuǎn)翼飛機(jī)搭載（卸載）組件

旋轉(zhuǎn)翼飛機(jī)搭載（卸載）組件（DtRotaryWingEmbarkationController）支持VR-Forces中旋轉(zhuǎn)翼飛機(jī)實(shí)體的搭載和卸載功能，主要支持旋轉(zhuǎn)翼艦載機(jī)從艦船上搭載或卸載，即起飛、降落和隨船運(yùn)動(dòng)。

該組件在執(zhí)行過程中也需要與載體（艦船）的占用引導(dǎo)控制組件（Occupancy-Director-Controller）配合使用，實(shí)現(xiàn)從起降點(diǎn)起飛和降落。

4 航母占用引導(dǎo)控制組件及其參數(shù)

4.1 占用引導(dǎo)控制組件

占用引導(dǎo)控制組件（DtOccupancyDirectorController）分配預(yù)定的裝載位并且決定是否實(shí)體可以裝載于實(shí)體上。該組件響應(yīng)DtIfRequestEmbarkationInformation類型的消息。當(dāng)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，該組件查詢是否有可用裝載位，如果有，保留該裝載位并且返回一個(gè)含有保留信息的DtIfEmbarkationInformation結(jié)構(gòu)體。根據(jù)卸載請(qǐng)求，該組件也響應(yīng)卸載信息。如果某個(gè)實(shí)體無法裝載，可能是因?yàn)閷?duì)象不支持所請(qǐng)求的對(duì)象類型或者裝載位已經(jīng)滿了，此時(shí)將返回包含DtEmbarkCannotEmbark結(jié)果狀態(tài)的信息結(jié)構(gòu)[6]。該組件工作過程中，將會(huì)與請(qǐng)求方通過一系列的請(qǐng)求消息來完成整個(gè)過程。針對(duì)固定翼艦載機(jī)的起飛和降落過程，具體內(nèi)部子任務(wù)的執(zhí)行，將在第6節(jié)中分析。

占用引導(dǎo)控制組件派生于任務(wù)控制組件（DtTask-ControllerComponent），其函數(shù)可通過VR-Forces自帶的類文檔幫助文件查詢。

在實(shí)際使用DtOccupancyDirectorController過程中，還需要在OPD中配置某型載體的4類參數(shù)，主要是ingress-points、egress-points、embarkation-slots和slot-exclusion。

4.2 ingress-points（搭載路線點(diǎn)）

ingress-points是實(shí)體搭載于載體的路線位置點(diǎn)，即實(shí)體由那條路徑進(jìn)入到載體。針對(duì)固定翼艦載機(jī)，是即將降落到航母上到完全降落完畢的一段路徑。

4.3 egress-points（卸載路線點(diǎn)）

egress-points是實(shí)體從載體上脫離的路線位置點(diǎn)，即實(shí)體由那條路徑脫離載體。針對(duì)固定翼艦載機(jī)，是從航母之上運(yùn)動(dòng)到完全起飛前的一段路徑。

ingress-points和egress-points參數(shù)都包括一條或多條load-entry參數(shù)。load-entry參數(shù)又包括一條或多條load-entry-point參數(shù)。如果只有一條load-entrypoint參數(shù)，被裝載實(shí)體進(jìn)入父實(shí)體上load-entry-point參數(shù)指定位置，并立即安置到可用的裝載位置。如果load-entry參數(shù)包括多條load-entry-point參數(shù)，它們還指定了被裝載實(shí)體到達(dá)其裝載位置的路線。此配置用于大型的父實(shí)體，如航空母艦，實(shí)體首先降落然后滑行到裝載位置[7]。

4.4 embarkation-slots（?？?裝載位）

embarkation-slots是允許裝載的實(shí)體數(shù)量。embarkation-slots有一條或多條embarkation-slot-entry參數(shù)，該參數(shù)表明了實(shí)體在載體上可停靠的位置（針對(duì)固定翼艦載機(jī)，即停機(jī)位）。embarkation-slot-entry參數(shù)還包括embarkable-object、embarked-orientation等。

1）embarkable-object，是允許裝載的對(duì)象類型。對(duì)象類型是在DIS/RPR FOM實(shí)體類型枚舉中添加了一個(gè)枚舉段[5]。該段標(biāo)識(shí)對(duì)象的基本類型，如獨(dú)立實(shí)體（平臺(tái)實(shí)體、獨(dú)立戰(zhàn)術(shù)圖形等）、聚合體等。其余的枚舉類型依次為類型、域、國(guó)家、分類子分類、詳情、備注，即kind、domain、country、category、subcategory、specific、extra。例如，F(xiàn)/A-18飛機(jī)的實(shí)體類型枚舉是1∶2∶225∶1∶9∶1∶0，其VR-Forces對(duì)象類型是-1∶2∶225∶1∶9∶1∶0。同時(shí)，embarkable-object可填寫帶有通配符的對(duì)象類型，支持搭載多種實(shí)體類型。

2）embarked-position，是實(shí)體在載體上的?？课恢?。該位置使用載體的DIS坐標(biāo)，如圖2所示。在該坐標(biāo)系中，X朝實(shí)體正前方，Y朝實(shí)體右方，Z朝實(shí)體下方。以某艦艇為例，其后方甲板上可?？恐鄙龣C(jī)的位置（以米為單位）可能就是(-60,0,-10)。

3）embarked-orientation，是實(shí)體在載體上?？繒r(shí)的姿態(tài)。比如，航母甲板上1號(hào)停機(jī)位的艦載機(jī)朝向?yàn)?70°，其參數(shù)表達(dá)是(270.0,0.0,0.0)。

4）embarked-appearance，是實(shí)體在載體上?？繒r(shí)的外觀形式，使用該參數(shù)時(shí)VR-Vantage中的三維模型需遵循WRM規(guī)范，以實(shí)現(xiàn)DIS模型互操作性。比如，當(dāng)固定翼艦載機(jī)機(jī)翼處于折疊狀態(tài)時(shí)，其值為0x2。同時(shí)，除了需要建立多DOF艦載機(jī)三維模型[8]外，還需要建立機(jī)翼展開和折疊兩種狀態(tài)，如圖3所示，編輯switch節(jié)點(diǎn)的Comments參數(shù)為@dis switch mobility，編輯機(jī)翼兩種狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的Comments參數(shù)分別為@dis state 0和@dis state 1。路徑、egress-points路徑或進(jìn)出?？奎c(diǎn)過程中是否計(jì)算正確的朝向。一般設(shè)置為true。

4.5 slot-exclusion

slot-exclusion表示?？课恢g的共同占用情況，可表現(xiàn)裝載不同實(shí)體時(shí)載體的不同裝載容納能力。比如，如果某艦載預(yù)警機(jī)停靠在6號(hào)停機(jī)位時(shí)，由于其體積較大，5號(hào)和7號(hào)停機(jī)位就不能?？颗炤d戰(zhàn)斗機(jī)。在OPD中表達(dá)的方法為：

5 航母幾何模型

艦載機(jī)在航空母艦上起飛、降落、滑行和停靠過程中，需要實(shí)時(shí)與航母的甲板或內(nèi)部艙室進(jìn)行碰撞檢測(cè)，由此獲得正確的匹配高度和姿態(tài)。因此，在OPD中航空母艦的General標(biāo)簽頁(yè)中名為object-geometryfile的參數(shù)需要配置后綴名為gdb的幾何模型。

該幾何模型一般通過VR-Forces提供的TDB Tool導(dǎo)入三維模型（通常為flt格式）生成而來，如圖4所示。生成該幾何模型一般步驟為：新建工程、導(dǎo)入三維模型、創(chuàng)建幾何模型。生成和配置完畢后，占用引導(dǎo)控制組件的ingress-points、egress-points和embarkation-slots部分參數(shù)值可以直接圖形化選取。

5）number-of-entities，表示當(dāng)前停靠位能容納的實(shí)體數(shù)量，對(duì)于航空母艦搭載艦載機(jī)來講，一般是1；而對(duì)于登陸艦搭載人員來講，可能某停靠位能容納5名士兵。

6）jump-to-location，表示實(shí)體是否從ingresspoints路徑點(diǎn)的終點(diǎn)直接跳到停靠位或從?？课恢苯犹絜gress-points路徑點(diǎn)的起點(diǎn)。如果為false，將做平滑運(yùn)動(dòng)，顯得更為真實(shí)。

7）turn-to-heading，表示實(shí)體在執(zhí)行ingress-points

6 起飛與降落流程仿真測(cè)試

6.1 編輯測(cè)試想定

在上述實(shí)體組件和相關(guān)參數(shù)配置齊全的前提下，通過VR-Forces3.12.0.2版本編輯了F/A-18艦載機(jī)從尼米茲級(jí)航母上起飛、飛行到某作戰(zhàn)地點(diǎn)、返航、降落及搭載的測(cè)試想定。該艦載機(jī)的計(jì)劃清單見圖5。

6.2 仿真流程分析

固定翼艦載機(jī)從航母上起飛和降落仿真流程中，固定翼艦載機(jī)實(shí)體會(huì)執(zhí)行一系列的任務(wù)和子任務(wù)[9]來完成整個(gè)過程。

上述F/A-18的計(jì)劃清單中共有4條任務(wù)，分別是Disembark-Entity、Move-To Waypoint、Move-Along Route和Embark-Entity onto Parent Entity。這4條是主任務(wù)，在執(zhí)行過程中，Disembark-Entity和Embark-Entity onto Parent Entity將調(diào)用DtFixedWingEmbarkationController組件，內(nèi)部細(xì)分為若干個(gè)子任務(wù)，共同完成起飛和降落2個(gè)主過程。艦載機(jī)起飛和降落仿真過程中，內(nèi)部流程如圖6所示。

執(zhí)行Disembark-Entity任務(wù)階段，將首先調(diào)用Takeoff起飛子任務(wù)，接著執(zhí)行沿著預(yù)先編輯好的該停靠位對(duì)應(yīng)的egress-points路徑在航母甲板上進(jìn)行滑行、加速至甲板邊緣，最后執(zhí)行飛行到艦載機(jī)起飛前方某位置點(diǎn)（該點(diǎn)由組件內(nèi)部自動(dòng)生成，確保艦載機(jī)正常起飛）。F/A-18艦載機(jī)起飛仿真效果見圖7。

執(zhí)行完畢到達(dá)某作戰(zhàn)點(diǎn)“point 1”和返航路徑“Route 1”任務(wù)后，將執(zhí)行Embark-Entity任務(wù)。首先，調(diào)用Land著陸子任務(wù)；接著，執(zhí)行類似L形狀的降落路徑（該路徑由艦載機(jī)組件根據(jù)ingress-points路徑內(nèi)部自動(dòng)生成，確保艦載機(jī)準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)降落路徑，如圖8所示），并執(zhí)行該艦載機(jī)將進(jìn)入的?？奎c(diǎn)對(duì)應(yīng)的ingresspoints路徑在航母甲板上進(jìn)行滑行、減速；最后，執(zhí)行Move To?？奎c(diǎn)任務(wù)，到達(dá)停靠點(diǎn)后設(shè)置?？繒r(shí)的姿態(tài)和外觀狀態(tài)（折疊機(jī)翼等）。

6.3 存在問題

通過VR-Forces可實(shí)現(xiàn)基本的艦載機(jī)起飛、降落和停靠，開發(fā)環(huán)節(jié)主要集中在航母的占用引導(dǎo)控制組件上，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)兵力生成模式下的仿真，但是還存在一定的問題：①真正的艦載機(jī)甲板調(diào)度非常復(fù)雜，VR-Forces沒有留出響應(yīng)的操作接口和組件；②沒有考慮降落失敗、逃逸復(fù)飛等因素；③外接模擬器的情況下現(xiàn)有框架難以適應(yīng)，需要重新定制開發(fā)。

7 結(jié)論

通過研究VR-Forces中艦載機(jī)起飛和降落的原理，闡述了艦載機(jī)搭載（卸載）組件和航空母艦占用引導(dǎo)控制組件的功能、類繼承關(guān)系和參數(shù)配置方法，說明了航母實(shí)體模型的生成方法，分析了艦載機(jī)起飛降落過程中的仿真流程。研究成果對(duì)基于VR-Forces的作戰(zhàn)仿真和開發(fā)類似系統(tǒng)有一定的技術(shù)參考價(jià)值。

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Takeoff and Landing Simulation of Carrier Aircraft Based on VR-Forces

WANG Wenyuna,HOU Xuelongb,YANG Shifengb
（Naval Aeronautical and Astronautical University a.Research Department of Scientific; b.Department of Command,Yantai Shandong 264001,China）

VR-Forces is a mature CGF simulation platform which can realize the takeoff and landing simulation of the car?rier aircraft.Based on main principle of takeoff and landing simulation of the carrier aircraft in VR-Forces,in this paper, the functions,class derived relationship,and configuration method of carrier aircraft’s embarkation component and air?craft carrier’s occupancy-director-controller component was illustrated,the simulation process of carrier aircraft’s takeoff and landing was analyzed.With a test scenarios,the whole process of carrier aircraft was realized,which included sliding, takeoff,landing and stopping.Research results provided preference for development based on VR-Forces and similar sys?tem.

VR-Forces;carrier aircraft;takeoff;landing;embark;disembark

TP391

A

1673-1522（2017）02-0230-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.02.010

2017-03-05；

2017-03-14

王文惲（1979-），男，助理研究員，碩士。