靶彈任務(wù)規(guī)劃與虛擬訓(xùn)練技術(shù)研究

曹立飛，曹紅松，劉鵬飛，張芝源，李金新，李 超

(1. 中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051； 2. 陸軍炮兵防空兵學(xué)院鄭州校區(qū)，河南 鄭州 450052；3. 中國人民解放軍第3606工廠，山西 侯馬 043000)

隨著軍事智能化的作戰(zhàn)樣式、 戰(zhàn)爭形態(tài)的加速演變，武器裝備的升級換代以及保障技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，對傳統(tǒng)地面防空作戰(zhàn)也提出了更高的要求，并進一步推動了地面防空作戰(zhàn)力量機械化、 信息化、 智能化融合發(fā)展，新型防空武器裝備的訓(xùn)練和試驗面臨諸多挑戰(zhàn).

當(dāng)前，靶彈作為特定的戰(zhàn)場目標(biāo)特性模擬器，是考核武器裝備戰(zhàn)技指標(biāo)、 驗證作戰(zhàn)效能、 提高訓(xùn)練水平的重要手段[1,2]，戰(zhàn)斗力生成能力也直接取決于靶彈技術(shù)的發(fā)展水平[3,4]. 由于使用靶機等設(shè)備作為靶彈進行地空導(dǎo)彈射擊操作訓(xùn)練成本居高不下[5]，且飛行速度較低致使訓(xùn)練效果差. 基于此，制式火箭彈改造為靶彈是主要發(fā)展方向之一. 目前，用于配合地空導(dǎo)彈訓(xùn)練的靶彈主要有： 頭部噴射曳光火箭靶彈[6]、 中高空超音速有控火箭靶彈[7]、 TDI-CCD光靶彈[8]等.

由于任務(wù)規(guī)劃需求逐漸增多，同時，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機技術(shù)的逐步發(fā)展[9]，圍繞智能化作戰(zhàn)環(huán)境下的地面防空作戰(zhàn)需求，解決實際作戰(zhàn)中的薄弱和重點環(huán)節(jié)成為亟待解決的重要難題. 因此，有必要對傳統(tǒng)的訓(xùn)練體系進行補充和完善[10]. 而目前虛擬試驗所代表的驗證手段日益成熟，其理念和方法也得到初步認(rèn)可.

本文依照“精確任務(wù)支持、 仿真系統(tǒng)驗證”的設(shè)計思路，開發(fā)了一套高速靶彈任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，并構(gòu)建了基于VR-Forces的虛擬仿真模塊，以訓(xùn)練試驗數(shù)據(jù)為驅(qū)動，提供可視化分析與決策，為地面防空日常訓(xùn)練提供輔助決策支持，更好地滿足了防空作戰(zhàn)訓(xùn)練需求.

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

靶彈任務(wù)規(guī)劃與虛擬仿真系統(tǒng)由4個子系統(tǒng)組成，分別為靶彈彈道及射表計算子系統(tǒng)、 靶彈及導(dǎo)彈任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)、 數(shù)據(jù)傳輸與處理子系統(tǒng)和VR-Forces虛擬仿真子系統(tǒng). 系統(tǒng)功能模塊及功能設(shè)計如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)整體框架Fig.1 Function design of task planning system

靶彈彈道及射表計算子系統(tǒng)包括計算參數(shù)配置模塊、 6自由度彈道計算模塊和多任務(wù)射表計算模塊，能夠進行靶彈彈道和多任務(wù)射表計算.

靶彈任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)包括靶彈任務(wù)規(guī)劃模塊、 導(dǎo)彈任務(wù)規(guī)劃模塊和訓(xùn)練方案優(yōu)化模塊，能夠基于地形數(shù)據(jù)對靶彈和導(dǎo)彈發(fā)射任務(wù)進行方案布置并在地圖進行展示.

數(shù)據(jù)傳輸與處理子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)交換與解析模塊、 彈道諸元分析統(tǒng)計模塊和規(guī)劃方案報告生成模塊，可通過提供的軟硬件接口對氣象數(shù)據(jù)和定位定向數(shù)據(jù)進行解析和管理，同時對彈道計算和方案規(guī)劃結(jié)果進行統(tǒng)計分析和導(dǎo)出.

VR-Forces虛擬仿真子系統(tǒng)基于VR-Forces提供的虛擬視景仿真引擎進行虛擬靶場布置、 彈道可視化仿真和訓(xùn)練任務(wù)預(yù)演等.

1.2 系統(tǒng)實現(xiàn)流程

系統(tǒng)開發(fā)采用自頂向下的設(shè)計方法，提出如圖2 所示的系統(tǒng)開發(fā)方案. 首先，針對靶彈任務(wù)規(guī)劃及仿真需求，明確高速靶彈訓(xùn)練內(nèi)容； 其次，劃分軟件模塊并確定軟件數(shù)據(jù)接口及協(xié)議，采取分模塊開發(fā)、 按需集成的模式進行軟件開發(fā)[11]； 最后，進行系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào)、 軟件功能測試及修改.

圖2 軟件開發(fā)流程Fig.2 software development process

根據(jù)系統(tǒng)主要功能模塊，首先，基于Android進行任務(wù)規(guī)劃3個模塊的實現(xiàn)，主要通過Android Studio進行界面設(shè)計并采用JNI實現(xiàn)安卓平臺的彈道計算； 其次，基于OSMDroid實現(xiàn)基于視景地圖的任務(wù)規(guī)劃模塊； 最后，基于VR-Forces提供的C++ 二次開發(fā)接口，實現(xiàn)靶彈虛擬仿真訓(xùn)練.

2 關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

2.1 基于Android的彈道及射表計算

在靶彈任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中，彈道及射表計算是任務(wù)規(guī)劃的核心，改造后的靶彈由于氣動特性及結(jié)構(gòu)改變，不能繼續(xù)使用原有制式火箭彈的成熟射表，需根據(jù)供靶要求實地計算發(fā)射位置、 方角位和射角等參數(shù)，也需要對高速靶彈彈道及射表進行重新計算和規(guī)劃. 為了方便任務(wù)規(guī)劃使用，本文基于手持式便攜Android設(shè)備進行彈道計算的設(shè)計與實現(xiàn).

1) 射表快速計算原理

由于射表計算過程中傳統(tǒng)迭代法通過射程求解射角速度較慢，為了快速計算靶彈射表，進而求解該射程下對應(yīng)的彈道諸元和供靶參數(shù)，本文采用快速彈道求解方法，同時，通過JNI接口實現(xiàn)彈道和射表的高效計算.

射表快速計算流程如圖3 所示，首先，選取輸入射程范圍中的上下界射程進行相應(yīng)射角的求解； 然后，通過特征點，求解出對應(yīng)的射角； 最后，通過最小二乘法擬合出射角與射程對應(yīng)的曲線方程，通過該曲線方程求解出給定射程范圍中其他射程對應(yīng)的射角.

圖3 射表快速計算流程

2) 計算模塊開發(fā)與實現(xiàn)

由于彈道和射表實時計算運算量大、 占用系統(tǒng)資源多，為解決Android平臺上Java語言運算速度慢、 效率低的問題，采用Java和C++語言混合編程，通過調(diào)用Java Native Interface (JNI)接口實現(xiàn)Java代碼和其他語言(C++)的代碼交互[12]，獲取卓越的計算性能. 在Android Studio平臺中JNI接口調(diào)用通過其提供的Native Development Kit (NDK)原生開發(fā)工具包來實現(xiàn)，使用該工具進行開發(fā)可有效提高彈道和射表實時計算的速度和效率.

靶彈彈道及射表計算由計算參數(shù)配置模塊、 6自由度彈道計算模塊和多任務(wù)射表計算模塊3部分組成. 首先將6自由度彈道解算的C++模塊和Java結(jié)合，通過JNI接口將彈道結(jié)果傳遞到Java應(yīng)用層； 再將提取的靶彈供靶指標(biāo)通過SmartTable模塊創(chuàng)建的表格進行顯示即可完成射表快速計算； 最后采用TChart提供的繪圖控件進行彈道曲線繪制. 該模塊實現(xiàn)如圖4 所示.

圖4 彈道及射表快速計算程序Fig.4 Ballistics and firing table fast calculation

2.2 基于OSMDroid的任務(wù)規(guī)劃

任務(wù)規(guī)劃模塊主要功能為基于地理信息進行靶彈和導(dǎo)彈的發(fā)射陣地方案布置，主要分為以下4個步驟：

1) 靶彈任務(wù)指標(biāo)確定： 根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)中的導(dǎo)彈類型、 靶彈模擬的目標(biāo)類型來確定靶彈的供靶指標(biāo)(靶彈飛行速度、 飛行高度、 可供靶時間、 彈道傾角等)； 然后依據(jù)指標(biāo)進行靶彈彈道及射表計算以確定最優(yōu)發(fā)射參數(shù).

2) 發(fā)射陣地確定： 通過定位信息自動切換地圖到實際訓(xùn)練場地區(qū)域后選擇合適的靶彈和導(dǎo)彈發(fā)射位置以及靶彈落區(qū)，根據(jù)地圖信息確保訓(xùn)練區(qū)域達到發(fā)射和訓(xùn)練要求；

3) 任務(wù)規(guī)劃： 通過已確定的供靶指標(biāo)和發(fā)射位置等參數(shù)進行任務(wù)方案規(guī)劃，求解導(dǎo)彈航路捷徑、 靶彈射角、 射向等參數(shù)，并在地圖上展示航路捷徑、 落區(qū)范圍、 靶彈飛行區(qū)域等.

任務(wù)規(guī)劃實現(xiàn)及參數(shù)設(shè)置界面如圖5 所示. 該模塊使用OSMDroid進行開發(fā)[13]，OSMDroid包含一個模塊化的地圖操作API，支持在線和離線地圖、 覆蓋地圖、 標(biāo)注圖標(biāo)、 位置跟蹤和繪制形狀. 首先通過MapView實現(xiàn)地圖瓦片數(shù)據(jù)的加載，然后實現(xiàn)點線面繪制以及定位功能，最后添加Overlay點擊事件實現(xiàn)取點功能.

圖5 任務(wù)規(guī)劃參數(shù)設(shè)置界面Fig.5 Task planning parameter setting interface

2.3 基于VR-Forces的虛擬仿真

VR-Forces是一款兵力生成以及戰(zhàn)場仿真軟件，其配套工具豐富，包括想定編輯器、 實體編輯器、 對象參數(shù)數(shù)據(jù)庫編輯器以及地形數(shù)據(jù)庫工具等，極大地方便用戶進行想定編寫和戰(zhàn)場環(huán)境模擬[14,15]. 采用面向?qū)ο蟮乃枷耄渲?，每個實體都有對象的行為和屬性，可對戰(zhàn)術(shù)指揮訓(xùn)練、 計算機兵力生成等模擬訓(xùn)練提供所有必要的仿真模擬.

基于VR-Forces的靶彈訓(xùn)練虛擬仿真模塊主要是為模擬地面防空部隊在面對敵方來襲的低、 中、 高速靶標(biāo)的場景下，對士兵操作單兵便攜式防空武器和車載式防空導(dǎo)彈進行針對性的戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練及模擬，并提供對空攔截作戰(zhàn)訓(xùn)練的輔助決策支持. 基于虛擬仿真模塊的仿真需求，并結(jié)合VR-Forces仿真平臺的特點，給出的仿真模塊整體框架如圖6 所示.

圖6 虛擬仿真模塊整體框架Fig.6 The framework of virtual simulation module

在VR-Forces中，仿真實體用來表示兵力，在環(huán)境中扮演角色并對環(huán)境做出響應(yīng)，執(zhí)行任務(wù)，模擬物理行為[15]. 仿真實體是仿真系統(tǒng)中的重要組成部分，也是影響戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練結(jié)果的直接因素. 為了可以更加準(zhǔn)確地模擬不同平臺和武器之間的交互，需要對仿真環(huán)境中訓(xùn)練場景、 仿真實體和運動學(xué)進行實物化建模并在Windows平臺下，基于MAK VR-Forces 4.2，以Visual Studio 2010為開發(fā)環(huán)境，QT 4.7.4為GUI框架，開發(fā)實現(xiàn)虛擬仿真模塊. 其開發(fā)流程為：

1) 訓(xùn)練場景建模. 由于靶彈訓(xùn)練一般在固定場地，所以選定常用訓(xùn)練場地并獲取其地形數(shù)據(jù)(高程數(shù)據(jù)、 影像和特征數(shù)據(jù))，然后通過TDB工具制作地形數(shù)據(jù)文件，將地形數(shù)據(jù)導(dǎo)出為MTF Files，便可通過VR-Forces進行加載并使用.

2) 仿真實體建模. 采用CAD軟件建立靶彈訓(xùn)練過程中涉及的靶彈、 單兵導(dǎo)彈及地空導(dǎo)彈模型并導(dǎo)出為stl格式，通過Multigen Creator軟件對模型進行處理并生成VR-Forces可用的flt格式，再通過Entity Editor工具將模型添加到武器和實體庫中以供調(diào)用.

3) 實體運動學(xué)建模. 實體運動學(xué)模型主要用于描述空中靶標(biāo)和防空導(dǎo)彈的物理行為，可分別定義傳感器、 控制器和執(zhí)行器來完成實體模型如靶彈和導(dǎo)彈的任務(wù)執(zhí)行和決策、 信息處理以及與其他實體進行交互[16]； 在靶彈虛擬仿真中，可以實現(xiàn)通信模擬、 靶彈探測、 消息傳輸以及修改實體位置、 速度、 毀傷等內(nèi)容，可以更加真實的模擬實際訓(xùn)練內(nèi)容.

4) 靶彈與導(dǎo)彈彈道仿真實現(xiàn). 由于VR-Forces平臺本身只采用簡單拋物線進行彈道模擬，這樣無法反應(yīng)真實彈道運動軌跡，所以通過VR-Forces提供的Plug-in接口來實現(xiàn)靶彈彈道控制. 基本流程為： ① 定義一個執(zhí)行器，通過執(zhí)行器獲取靶彈或?qū)棤顟B(tài)信息(位置、 速度、 運動方向和旋轉(zhuǎn)速度)； ② 定義彈體坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系并計算出實體的狀態(tài)變化及相關(guān)加速度變化； ③ 通過不同時刻和位置及速度計算出實體速度增量、 位置增量、 角速度和角度方位； ④ 將所有信息通過接口Plug-in更新到場景中. 至此便可在VR-Forces中實現(xiàn)靶彈質(zhì)點彈道方程. 靶彈運動仿真實現(xiàn)如圖7 所示.

圖7 靶彈彈道仿真Fig.7 Ballistic simulation of target projectile

5) 靶彈與導(dǎo)彈任務(wù)分配. 通過以上步驟已經(jīng)建立了虛擬訓(xùn)練仿真的基本場景，現(xiàn)通過想定編輯模塊分別為靶彈和導(dǎo)彈編寫Entity Plans，然后通過設(shè)置Task向?qū)嶓w分配任務(wù)，為導(dǎo)彈設(shè)置雷達探測范圍并開啟自主攻擊模型，使導(dǎo)彈可以在發(fā)現(xiàn)靶彈目標(biāo)后自主攻擊.

3 系統(tǒng)功能驗證

為了驗證靶彈任務(wù)規(guī)劃與虛擬仿真的各項功能，本文選取便攜式地空導(dǎo)彈供靶指標(biāo)進行仿真分析，各項供靶指標(biāo)見表 1. 為了方便訓(xùn)練使用，任務(wù)規(guī)劃軟件搭載于軍用便攜式平板之上，如圖8 所示，可供訓(xùn)練人員靈活操作.

表 1 供靶指標(biāo)Tab.1 Indicators of target

圖8 硬件平臺Fig.8 Hardware platform

3.1 彈道及射表計算驗證

選定最大射程范圍為5 km～6 km進行射表計算，計算結(jié)果如圖9 所示，由此可得滿足供靶指標(biāo)的靶彈射角應(yīng)處于32.1°～36.74°之間，此時飛行時間大于26 s，射程小于6 km，靶彈供靶段飛行速度為206 m/s～280 m/s，滿足供靶指標(biāo)要求.

圖9 射表計算結(jié)果Fig.9 The result of firing table calculates

3.2 發(fā)射任務(wù)規(guī)劃驗證

任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)是依據(jù)導(dǎo)彈的工作過程及性能指標(biāo)制定相應(yīng)的靶彈發(fā)射策略和方案，用戶可在地圖上選點，以確定靶彈發(fā)射位置和落區(qū)，也可直接輸入經(jīng)緯度坐標(biāo)來實現(xiàn)選點，選點完成后通過解算給出導(dǎo)彈航路捷徑、 發(fā)射位置、 攻擊方式(迎攻或尾追)等參數(shù)，并在地圖上展示，以供用戶選擇使用. 在地圖上進行一次任務(wù)規(guī)劃操作結(jié)果如圖10 所示，分別確定靶彈和導(dǎo)彈發(fā)射點以及靶彈落區(qū)，會自動解算得出任務(wù)規(guī)劃結(jié)果，其中，白線為靶彈彈道，黑線為導(dǎo)彈航路捷徑，圖上還會標(biāo)記相關(guān)訓(xùn)練信息方便查看.

圖10 任務(wù)規(guī)劃結(jié)果Fig.10 Task planning results

3.3 VR-Forces的虛擬仿真驗證

通過彈道計算和任務(wù)規(guī)劃確定導(dǎo)彈防空訓(xùn)練方案后，可在虛擬仿真模塊中進行訓(xùn)練預(yù)演和方案評估，靶彈訓(xùn)練虛擬仿真場景如圖11 所示，進行虛擬仿真時首先分別布置靶彈發(fā)射陣地和導(dǎo)彈陣地，然后分別為靶彈和導(dǎo)彈配置仿真參數(shù)及任務(wù)計劃，開始仿真后會根據(jù)靶彈和導(dǎo)彈飛行路徑預(yù)先繪制出運動軌跡如圖中防空訓(xùn)練場景所示.

圖11 虛擬仿真場景Fig.11 Virtual simulation scenario

4 結(jié) 論

本文針對地空導(dǎo)彈訓(xùn)練中高速靶彈任務(wù)規(guī)劃問題，提出了一種基于安卓平臺的高速靶彈任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，采用彈道快速解算與混合編程技術(shù)實現(xiàn)了彈道與射表的快速計算，使用OSMDroid開發(fā)了基于地圖的發(fā)射任務(wù)規(guī)劃模塊； 基于VR-Forces仿真平臺設(shè)計和實現(xiàn)了高速靶彈虛擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，可進行多種任務(wù)場景下高速靶彈與地空導(dǎo)彈的訓(xùn)練過程，并對仿真態(tài)勢進行實時展示； 完成了高速靶彈任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)開發(fā)，經(jīng)過測試驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，滿足任務(wù)規(guī)劃要求，可以極大提高地空導(dǎo)彈的訓(xùn)練次數(shù)與質(zhì)量，有效縮短戰(zhàn)斗力生成周期，降低常規(guī)訓(xùn)練成本.