基于Vega的導(dǎo)彈攻防對(duì)抗分布式仿真系統(tǒng)研究

王 磊，林志強(qiáng)，嚴(yán)其飛

(國(guó)防科技大學(xué)信息通信學(xué)院，湖北武漢 430010)

1 引言

導(dǎo)彈武器的攻防對(duì)抗在現(xiàn)代軍事斗爭(zhēng)中有著特殊的意義，是許多國(guó)家在軍事領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。研究導(dǎo)彈攻防仿真一方面可通過(guò)三維視景的方式逼真顯示戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)，為戰(zhàn)場(chǎng)指揮員進(jìn)行輔助決策提供支撐；另一方面也可通過(guò)模擬導(dǎo)彈攻防的實(shí)際作戰(zhàn)效果，對(duì)導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能進(jìn)行評(píng)估[1]。

導(dǎo)彈攻防仿真系統(tǒng)中通常包含敵我雙方的導(dǎo)彈武器以及我方導(dǎo)彈預(yù)警偵測(cè)系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、作戰(zhàn)效能評(píng)估系統(tǒng)等多個(gè)仿真實(shí)體，且多個(gè)實(shí)體之間存在實(shí)時(shí)交互。針對(duì)這類大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)，常規(guī)的仿真體系架構(gòu)很難滿足分步式仿真中各系統(tǒng)的互操作性。為解決這一問(wèn)題，美國(guó)國(guó)防建模與仿真辦公室于1996年正式提出了高層體系結(jié)構(gòu)(HLA，High Level Architecture)的定義和規(guī)范，該仿真架構(gòu)很好的實(shí)現(xiàn)了分步式仿真的互操作性與可重用性，被認(rèn)為是未來(lái)建模/仿真的共同技術(shù)框架[2-5]。

除了仿真體系架構(gòu)，視景仿真技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈攻防仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。近年來(lái)，三維可視化仿真技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了一系列可視化仿真軟件，比如STK、Vega/Vega Prime、Mimics、Amira/Avizo等。但不同軟件應(yīng)用場(chǎng)景各有側(cè)重，STK主要用于模擬衛(wèi)星或其它飛行器的運(yùn)動(dòng)，Mimics和Amira/Avizo主要用于數(shù)據(jù)的可視化顯示，Vega或Vega Prime是基于OpenGL技術(shù)開發(fā)的一種用于實(shí)時(shí)仿真及三維可視化顯示的高性能軟件環(huán)境和工具，已在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真、攻防對(duì)抗仿真等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6-11]。

本文基于HLA和Vega構(gòu)建了導(dǎo)彈攻防對(duì)抗的分步式仿真系統(tǒng)，模擬了藍(lán)紅雙方的導(dǎo)彈進(jìn)攻與反擊的對(duì)抗過(guò)程，用于整個(gè)作戰(zhàn)體系的演示以及作戰(zhàn)效能的評(píng)估。

2 仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

戰(zhàn)場(chǎng)想定可描述為：藍(lán)方發(fā)射導(dǎo)彈進(jìn)行攻擊，紅方預(yù)警衛(wèi)星(同步高軌衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星)和預(yù)警雷達(dá)偵測(cè)到藍(lán)方的攻擊，并將危險(xiǎn)警報(bào)信息傳給地面指控中心，指控中心進(jìn)行決策并下達(dá)反擊命令，隨后紅方導(dǎo)彈發(fā)射進(jìn)行戰(zhàn)略反擊。

根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)想定，構(gòu)建導(dǎo)彈預(yù)警反擊系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。本仿真系統(tǒng)聯(lián)邦主要由以下聯(lián)邦成員組成：白方綜合評(píng)估成員、紅方預(yù)警衛(wèi)星成員、紅方預(yù)警雷達(dá)成員、指揮控制系統(tǒng)成員、紅方導(dǎo)彈成員、藍(lán)方導(dǎo)彈成員等6個(gè)聯(lián)邦成員。各個(gè)聯(lián)邦成員的功能如下：

圖1 系統(tǒng)聯(lián)邦成員組成框圖

1)白方綜合評(píng)估聯(lián)邦成員：對(duì)仿真初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，運(yùn)行RTI并創(chuàng)建聯(lián)邦，并負(fù)責(zé)整個(gè)仿真的啟動(dòng)與結(jié)束。同時(shí)綜合所有戰(zhàn)場(chǎng)信息，評(píng)估整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，并最終輸出評(píng)估結(jié)果。

2)紅方預(yù)警衛(wèi)星聯(lián)邦成員：預(yù)警衛(wèi)星為同步高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星兩種對(duì)象。高軌衛(wèi)星實(shí)時(shí)接收藍(lán)方導(dǎo)彈對(duì)象的飛行數(shù)據(jù)，并依據(jù)預(yù)警衛(wèi)星偵查模型計(jì)算出當(dāng)前預(yù)警衛(wèi)星的工作狀態(tài)(偵查、捕獲、丟失目標(biāo))并實(shí)時(shí)傳輸給地面指控中心。低軌衛(wèi)星在接收地面指控中心的偵查指令后開始在指定空域搜索偵查，同樣實(shí)時(shí)輸出其狀態(tài)(偵查、捕獲、跟蹤、丟失目標(biāo))。實(shí)現(xiàn)基于Vega的三維偵查場(chǎng)景顯示。

3)紅方預(yù)警雷達(dá)聯(lián)邦成員：同低軌預(yù)警衛(wèi)星一樣，當(dāng)接收到地面指控中心的偵查指令后開始在指定空域搜索偵查，并實(shí)時(shí)輸出其工作狀態(tài)(偵查、捕獲、跟蹤、丟失目標(biāo))。

4)藍(lán)方導(dǎo)彈聯(lián)邦成員：藍(lán)方導(dǎo)彈發(fā)射場(chǎng)景渲染，藍(lán)方導(dǎo)彈彈道計(jì)算與導(dǎo)彈飛行場(chǎng)景實(shí)時(shí)顯示。

5)紅方導(dǎo)彈聯(lián)邦成員：當(dāng)接收到指揮控制聯(lián)邦中導(dǎo)彈發(fā)射營(yíng)對(duì)象的發(fā)射指令后開始啟動(dòng)導(dǎo)彈彈道的實(shí)時(shí)計(jì)算模型，同時(shí)輸出二維曲線及三維視景。

6)紅方指揮控制聯(lián)邦成員：包括地面指控中心、最高統(tǒng)帥部、兵種部、基地、導(dǎo)彈旅、發(fā)射營(yíng)等幾個(gè)對(duì)象。實(shí)時(shí)接收來(lái)自衛(wèi)星和雷達(dá)的探測(cè)信息，根據(jù)危險(xiǎn)警報(bào)信息的處理以及傳輸模型(包括逐級(jí)傳輸和直接傳輸)，實(shí)時(shí)輸出命令傳輸狀態(tài)信息，并且動(dòng)態(tài)地顯示出危險(xiǎn)警報(bào)信息以及命令傳遞信息的二維流程圖。

3 基于Creator建模

Multigen Creator的OpenFlight格式數(shù)據(jù)庫(kù)可以方便地創(chuàng)建各種形狀的仿真模型，且這類數(shù)據(jù)模型可直接應(yīng)用于Vega仿真環(huán)境中[10]。一般而言，三維模型的建立流程如圖2所示。

圖2 三維建模的基本流程

根據(jù)仿真需要，需要建立的三維模型有紅方導(dǎo)彈、藍(lán)方導(dǎo)彈、衛(wèi)星、雷達(dá)、地面站、地球、紅方導(dǎo)彈發(fā)射場(chǎng)地、藍(lán)方導(dǎo)彈發(fā)射場(chǎng)地、紅方導(dǎo)彈彈著點(diǎn)場(chǎng)地、藍(lán)方導(dǎo)彈彈著點(diǎn)場(chǎng)景等。在處理導(dǎo)彈、衛(wèi)星、雷達(dá)、地面站以及地球等仿真對(duì)象的建模時(shí)，為了增加模型逼真度通常需要使用Photoshop對(duì)其紋理、材質(zhì)圖片進(jìn)行處理。需要指出，三維地形的建模方法與上述其它對(duì)象的建模方法略有不同，下面主要對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射場(chǎng)地以及彈著點(diǎn)場(chǎng)地的建模方法分別進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 導(dǎo)彈發(fā)射場(chǎng)地建模

一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)彈發(fā)射場(chǎng)地比較隱蔽，其真實(shí)地貌很難獲取，故而采用虛擬場(chǎng)景。本文采用分形地形建模法實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景模型的建立，分形算法選用隨機(jī)中點(diǎn)位移法。具體建模流程如圖3所示。

圖3 紅方導(dǎo)彈發(fā)射場(chǎng)地建模流程

對(duì)于虛擬場(chǎng)景模型而言由于不存在實(shí)際的地形圖片，常采用高度紋理組合技術(shù)來(lái)解決。具體來(lái)說(shuō)分5步完成。①遍歷整個(gè)三維地形數(shù)據(jù)，獲得每個(gè)點(diǎn)的高度值；②賦予不同高度的頂點(diǎn)不同的灰度值，這一步稱作灰度處理；③選取不同高度所對(duì)應(yīng)的紋理。即將高度劃分成n個(gè)區(qū)間：(h1，h2)，(h2，h3)…(hn-1，hn)，為每個(gè)區(qū)間選擇對(duì)應(yīng)的紋理t1，t2…tn，并將其排序；④根據(jù)灰度等級(jí)合成地形紋理；⑤將合成的地形紋理貼到地形表面。

3.2 彈著點(diǎn)場(chǎng)地建模

對(duì)于彈著點(diǎn)場(chǎng)景的仿真，一般需要模型與真實(shí)地形一致。但考慮到仿真場(chǎng)景中彈著點(diǎn)場(chǎng)景只有在導(dǎo)彈離地面10000米以內(nèi)才出現(xiàn)，而且導(dǎo)彈下落速度快，故而沒(méi)必要使用數(shù)據(jù)高程值進(jìn)行全地形逼真建模。本文采用紋理貼圖的方式完成彈著點(diǎn)場(chǎng)地的建模。同時(shí)根據(jù)距離彈著點(diǎn)的距離將整個(gè)場(chǎng)景分為5個(gè)精度等級(jí)的紋理貼圖，即距離彈著點(diǎn)距離越近，紋理精度越高。這樣既能滿足視覺(jué)效果的要求，又能大大減少數(shù)據(jù)庫(kù)，從而更好的保證了仿真的實(shí)時(shí)性。建模效果如圖4所示。

圖4 彈著點(diǎn)場(chǎng)景建模效果

4 視景仿真場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化

本文基于Vega實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈攻防可視化系統(tǒng)的開發(fā)，主要過(guò)程包括3個(gè)方面內(nèi)容：首先使用Creator建立所需模型，然后利用Lynx將這些模型配置到底層模型中，最后在VC環(huán)境下編程，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)各場(chǎng)景顯示功能[6]。

導(dǎo)彈預(yù)警反擊系統(tǒng)中紅方預(yù)警衛(wèi)星聯(lián)邦成員、紅方預(yù)警雷達(dá)聯(lián)邦成員、紅方導(dǎo)彈聯(lián)邦成員以及藍(lán)方導(dǎo)彈聯(lián)邦成員都需要三維視景顯示。下面以紅方導(dǎo)彈聯(lián)邦成員為例來(lái)說(shuō)明視景仿真場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)流程。

4.1 紅方導(dǎo)彈聯(lián)邦成員仿真軟件框架

圖5所示為紅方導(dǎo)彈聯(lián)邦成員仿真系統(tǒng)執(zhí)行流程。為了保證仿真的實(shí)時(shí)性，仿真系統(tǒng)采用Vega和聯(lián)邦雙線程的架構(gòu)模式。仿真中，Vega線程主要基于數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)可以通過(guò)設(shè)置一定的幀頻來(lái)控制仿真的實(shí)時(shí)性，而聯(lián)邦線程則通過(guò)設(shè)置一定的消息響應(yīng)頻率，不斷同步更新各聯(lián)邦成員的狀態(tài)。

圖5 紅方導(dǎo)彈成員仿真執(zhí)行流程

4.2 仿真特效處理

紅方導(dǎo)彈聯(lián)邦成員視景仿真場(chǎng)景中需要進(jìn)行特效處理的有導(dǎo)彈的點(diǎn)火發(fā)射、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的尾焰以及彈頭起爆。本文主要采用粒子系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行這類不規(guī)則物體的仿真模擬。應(yīng)用粒子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈火焰、爆炸等特效效果，一方面可直接應(yīng)用Vega Lynx界面中Special Effects模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單定制，這也是最常用的方法；另外一方面則可使用OpenGL的函數(shù)庫(kù)對(duì)粒子進(jìn)行繪制，由于Vega是在OpenGL的函數(shù)庫(kù)上開發(fā)而來(lái)，故而使用后者用戶可以根據(jù)需要任意繪制想要的粒子。

粒子系統(tǒng)的基本思想是采用大量的、具有一定生命和各種屬性的微小粒子圖元作為基本元素來(lái)對(duì)不規(guī)則對(duì)象進(jìn)行描述和建模。典型粒子系統(tǒng)的基本屬性有：生命周期、粒子數(shù)目、粒子源、重力矢量、限定框、流動(dòng)類型、速度成分、粒子大小、粒子尺寸變化量、粒子顏色、粒子顏色變化量、粒子溫度、粒子發(fā)射率、粒子光照等[10]。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)Lynx界面配置這些屬性值便可生成相應(yīng)的特效。圖6所示為合成粒子系統(tǒng)產(chǎn)生的導(dǎo)彈發(fā)射特效。

圖6 導(dǎo)彈發(fā)射特效圖

4.3 視點(diǎn)配置的優(yōu)化

在進(jìn)行三維場(chǎng)景演示時(shí)，需要根據(jù)需要設(shè)置視點(diǎn)所在的位置和視線方向，以便達(dá)到較好的顯示效果。Vega提供了四種視點(diǎn)定位方式：①手動(dòng)調(diào)整方式：靜態(tài)定位方式，配置后視點(diǎn)位置和視線方向固定不變；②按照指定的運(yùn)動(dòng)模式定位(Motion Model)：最直接的動(dòng)態(tài)定位方式，需要之前定義好運(yùn)動(dòng)模式；③綁定模式(Tether)：視點(diǎn)綁定在某一對(duì)象上，并跟隨移動(dòng)，具體又可細(xì)分為Tether-Follow模式、Tether-Spin模式、Tether-Fixed模式三種；④按照固定路徑運(yùn)動(dòng)(Path Navigator)：視點(diǎn)沿著提前設(shè)計(jì)的路徑運(yùn)動(dòng)[4]。

在導(dǎo)彈攻防對(duì)抗仿真系統(tǒng)中，在紅方導(dǎo)彈聯(lián)邦成員和藍(lán)方導(dǎo)彈聯(lián)邦成員三維顯示窗口中需要實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)彈的發(fā)射和飛行狀態(tài)，因此采用Tether-Fixd模式進(jìn)行視點(diǎn)設(shè)置。在這類場(chǎng)景中，觀察的目標(biāo)就是導(dǎo)彈本身，因此需要將視點(diǎn)配置在導(dǎo)彈對(duì)象的一定偏移位置上，并將視線方向朝向?qū)棌楏w。

為了達(dá)到更好的顯示效果，往往需要對(duì)視點(diǎn)位置及觀察方向進(jìn)行多輪迭代選取，常規(guī)的配置過(guò)程如圖7中左邊的流程圖所示，顯然這種方式效率較低，而且很難達(dá)到最佳顯示效果。為此，本文提出一種效率更高，可動(dòng)態(tài)、直觀調(diào)整觀察者參數(shù)的配置流程(如圖7中右邊流程圖所示)，相比傳統(tǒng)視點(diǎn)配置過(guò)程，該配置方式的主要特點(diǎn)在于：①到導(dǎo)彈對(duì)象坐標(biāo)系中將視點(diǎn)位置和視線方向參數(shù)化；②設(shè)置鍵盤消息響應(yīng)函數(shù)，使視點(diǎn)位置和視線方向可在三維場(chǎng)景中實(shí)時(shí)調(diào)整?？梢?jiàn)，在這種視點(diǎn)配置模式下，用戶可根據(jù)場(chǎng)景中導(dǎo)彈的真實(shí)顯示效果，直觀、動(dòng)態(tài)地對(duì)視點(diǎn)位置和方向進(jìn)行調(diào)整。

圖7 一般視點(diǎn)配置流程及優(yōu)化后的視點(diǎn)配置流程

當(dāng)?shù)竭_(dá)某一時(shí)刻，或發(fā)生了某一事件，將開關(guān)變量賦值為真，同時(shí)切換到新的視點(diǎn)。但這種方法有時(shí)候?qū)е乱暰白儞Q不連貫的問(wèn)題，從而影響顯示效果。為此，本文采用一個(gè)視點(diǎn)變換函數(shù)實(shí)現(xiàn)某些視點(diǎn)切換過(guò)程中的連續(xù)變換，該函數(shù)的輸入量為當(dāng)前視點(diǎn)值viewpoint_ current、需要切換到的新的視點(diǎn)值viewpoint_expect，切換起始時(shí)間 beginTime，切換需要的幀數(shù)n，在執(zhí)行視景變換時(shí)，仿真系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將當(dāng)前視點(diǎn)到目標(biāo)視點(diǎn)的移動(dòng)路徑進(jìn)行離散化處理，而后視點(diǎn)按照離散化數(shù)據(jù)進(jìn)行貫序配置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)切換過(guò)程的平滑過(guò)渡。

5 仿真結(jié)果

圖9為紅方導(dǎo)彈聯(lián)邦成員及預(yù)警衛(wèi)星聯(lián)邦成員視景仿真顯示效果截屏。該仿真是基于Windows XP操作系統(tǒng)和VC++6.0開發(fā)環(huán)境，使用與圖7所示類似的雙線程執(zhí)行框架，采用Vega 與OpenGL API函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。圖示為導(dǎo)彈發(fā)射穿過(guò)云層以及同步軌道衛(wèi)星正在搜索可疑目標(biāo)。

圖8 可視化系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)效果圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本論文分析并實(shí)現(xiàn)了一種基于HLA和Vega的分布式仿真系統(tǒng)。同時(shí)在視景仿真的視點(diǎn)配置和轉(zhuǎn)換以及畫面效果等方面也給出了優(yōu)化的方法，在實(shí)際應(yīng)用中這些方法都取得了比較好的效果，可為類似可視化仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供一定指導(dǎo)。