可視化靶彈供靶任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)研究

張芝源，曹紅松，劉鵬飛，曹立飛，常海，郝晶勝

(1.中北大學(xué) 機(jī)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 450000；3.中國(guó)人民解放軍第3606工廠，山西 侯馬 043000)

為了有效衡量防空武器攔截能力，在其演習(xí)訓(xùn)練及相關(guān)性能試驗(yàn)中需要大量成本低、性能可靠和操作簡(jiǎn)便的靶彈[1]。目前，通過(guò)改造退役或者超期火箭彈，模擬制導(dǎo)導(dǎo)彈紅外、雷達(dá)等特性，能夠滿足廣泛的供靶要求[2-3]。但是對(duì)不同的訓(xùn)練及試驗(yàn)需求，供靶彈道、航路捷徑以及目標(biāo)特性的模擬要求不同，并且不同的靶場(chǎng)具有不同的地理?xiàng)l件和射界要求，依據(jù)人工規(guī)劃靶彈發(fā)射任務(wù)的方法，經(jīng)常出現(xiàn)靶彈發(fā)射位置設(shè)置不合理，射角、射向不精確等問(wèn)題，使靶彈脫離供靶段導(dǎo)致供靶失敗，且存在靶彈落點(diǎn)區(qū)域不精確帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一套集便攜式手持設(shè)備、車載衛(wèi)星定位定向、風(fēng)速風(fēng)向儀于一體的靶彈供靶任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)獲取GPS定位、氣象信息，能夠?qū)Π袕棌椀兰吧浔磉M(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算和合理規(guī)劃，并以靶彈彈道為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)實(shí)地地計(jì)算靶彈發(fā)射位置、方位角和射角等參數(shù)。系統(tǒng)采用OSMDroid作為GIS地圖引擎并基于地圖精確標(biāo)識(shí)靶彈發(fā)射的火炮、導(dǎo)彈陣地、導(dǎo)彈路徑、供靶段等重要信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈靶彈發(fā)射位置以及落點(diǎn)、供靶段等任務(wù)規(guī)劃預(yù)案的可視化。

通過(guò)該任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，在軍事訓(xùn)練、導(dǎo)彈測(cè)試試驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程中，保障訓(xùn)練和試驗(yàn)人員可以快速便捷地規(guī)劃供靶任務(wù)，依據(jù)當(dāng)前訓(xùn)練靶場(chǎng)地理環(huán)境確定最優(yōu)靶彈發(fā)射陣地及方位等，能夠有效減少試驗(yàn)前期準(zhǔn)備時(shí)間，提高供靶效率和著靶概率，更好地滿足防空武器性能測(cè)試及訓(xùn)練需求。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

本系統(tǒng)為滿足訓(xùn)練和試驗(yàn)人員在不同的靶場(chǎng)地理環(huán)境中，針對(duì)不同類型靶彈與防空武器進(jìn)行協(xié)同訓(xùn)練時(shí)的任務(wù)規(guī)劃需求，應(yīng)具有以下功能：

1)可選擇不同類型的靶彈，在不同飛行高度、飛行速度、供靶時(shí)間等供靶參數(shù)要求下，進(jìn)行單條供靶彈道的計(jì)算。

2)能對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)地基本氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，并針對(duì)不同海拔、風(fēng)速風(fēng)向等要求進(jìn)行多任務(wù)的彈道射表計(jì)算，并進(jìn)行射角的優(yōu)選。

3)對(duì)于供靶任務(wù)的總體規(guī)劃，有較為便捷的設(shè)計(jì)方法和清晰的展示效果。能對(duì)導(dǎo)彈、靶彈發(fā)射位置以及發(fā)射方位進(jìn)行設(shè)計(jì)，方便訓(xùn)練和試驗(yàn)人員根據(jù)地形確定最佳發(fā)射位置、選擇目標(biāo)攔截方式，如迎攻、尾追等。

4)確定方案后可計(jì)算獲取靶彈彈道關(guān)鍵點(diǎn)、導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)、航路捷徑、靶彈落區(qū)以及安全區(qū)域的相關(guān)數(shù)據(jù)，并生成規(guī)劃報(bào)告。

5)可對(duì)靶彈發(fā)射架上定位定向裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取與處理，并進(jìn)行實(shí)際方位與任務(wù)規(guī)劃結(jié)果的校準(zhǔn)。

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了滿足以上需求，獲取精確的作戰(zhàn)環(huán)境參數(shù)，保障系統(tǒng)軟件穩(wěn)定運(yùn)行，便攜式靶彈可視化系統(tǒng)硬件主要由以下幾個(gè)部分組成，如圖1所示。

1)便攜式安卓設(shè)備：系統(tǒng)工作、通訊和軟件運(yùn)行都以該設(shè)備作為核心模塊，采用10.1英寸軍用三防平板，通過(guò)設(shè)備上RS-232串口、USB接口與定位定向設(shè)備和氣象測(cè)量?jī)x進(jìn)行通信；同時(shí)搭載高性能處理器為靶彈彈道及射表實(shí)時(shí)解算提供保障。

2)定位定向設(shè)備：主要負(fù)責(zé)高速靶彈射向、射角以及發(fā)射位置的確定及讀取，采用便攜式高精度定位定向接收機(jī)，具備載波相位差分(RTK)、偽距差分以及GPS短報(bào)文通信和位置報(bào)告等功能；使用時(shí)通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)定向天線構(gòu)成的基線矢量方位角，可以快速、準(zhǔn)確地測(cè)算出相位角。同時(shí)可進(jìn)行多模多頻衛(wèi)星信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)高速靶彈方位角、俯仰角及發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)的快速精確解算[4]。

3)供電設(shè)備：作為接收機(jī)電源，信號(hào)接口均采用LEMO接頭，可在惡劣使用環(huán)境下可靠連接。

4)氣象測(cè)量?jī)x：進(jìn)行訓(xùn)練場(chǎng)地氣象數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)解析模塊生成靶彈彈道計(jì)算所需的氣象數(shù)據(jù)。可測(cè)量訓(xùn)練場(chǎng)地的氣溫、氣壓、瞬時(shí)風(fēng)速、瞬時(shí)風(fēng)級(jí)、平均風(fēng)速、平均風(fēng)級(jí)和對(duì)應(yīng)浪高等數(shù)據(jù)。

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)實(shí)際防空武器訓(xùn)練任務(wù)過(guò)程中涉及的環(huán)節(jié)因素多樣，對(duì)軟件進(jìn)行了總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，制定了規(guī)劃、計(jì)算、分析與查看的流程。

1.3.1 軟件總體架構(gòu)

筆者將系統(tǒng)軟件劃分為用戶層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層，軟件總體架構(gòu)如圖2所示。

用戶層是系統(tǒng)與用戶進(jìn)行交互操作的前端界面，實(shí)現(xiàn)用戶在Android設(shè)備上的各種內(nèi)容的交互，完成彈道解算以及彈道數(shù)據(jù)的分析、靶彈任務(wù)的規(guī)劃及展示、地圖要素信息的獲取。

應(yīng)用層負(fù)責(zé)軟件后臺(tái)數(shù)據(jù)解析與計(jì)算，主要包含彈道計(jì)算、數(shù)據(jù)獲取和可視化任務(wù)規(guī)劃3個(gè)模塊，是規(guī)劃軟件的核心內(nèi)容。將數(shù)據(jù)層得到的地圖資源、彈道數(shù)據(jù)和訓(xùn)練、試驗(yàn)人員通過(guò)用戶層設(shè)計(jì)的任務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解析。

數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)系統(tǒng)軟硬件產(chǎn)生的包括靶彈數(shù)據(jù)、導(dǎo)彈數(shù)據(jù)、配置參數(shù)、氣象數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)和結(jié)果文件等數(shù)據(jù)在內(nèi)的交換、存儲(chǔ)和分發(fā)。

1.3.2 軟件功能設(shè)計(jì)

根據(jù)總體需求與設(shè)計(jì)要求，按照實(shí)際訓(xùn)練操作流程，本系統(tǒng)提供了一套試驗(yàn)前的靶場(chǎng)陣地規(guī)劃軟件流程，設(shè)計(jì)計(jì)算合理優(yōu)質(zhì)的供靶彈道，定位靶彈發(fā)射陣地位置、防空武器發(fā)射位置以及安全區(qū)域，在不同的靶場(chǎng)中對(duì)靶彈的射角、射向進(jìn)行分析計(jì)算。

軟件按使用時(shí)間分為試驗(yàn)前的總體規(guī)劃、試驗(yàn)供靶前夕的調(diào)試和準(zhǔn)備兩個(gè)部分。軟件使用流程設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

2 基于地理信息的靶場(chǎng)陣地規(guī)劃

2.1 地理信息的處理與加載

本軟件基于OSMDroid引擎[5-6]，首先在安卓設(shè)備中預(yù)置存儲(chǔ)所需靶場(chǎng)的離線瓦片地圖數(shù)據(jù)。然后集成OSMDroid中核心功能，定義了MapControl類、實(shí)現(xiàn)了對(duì)地圖初始化的封裝，Unified Modeling Language(UML)類圖如圖4所示。

采用了瓦片金字塔模型，按照地理實(shí)體類別與屬性特征進(jìn)行分層顯示，每一圖層依據(jù)分辨率級(jí)別匹配對(duì)應(yīng)參數(shù)，如圖5所示。移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)模式采用網(wǎng)格式布置，圖層數(shù)據(jù)在同一顯示級(jí)別中以網(wǎng)格形式存在，網(wǎng)格中的每一塊與地理實(shí)體數(shù)據(jù)單元一一對(duì)應(yīng)，每一個(gè)數(shù)據(jù)單元按分辨系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，以此實(shí)現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)的應(yīng)用功能和多級(jí)表達(dá)[7]，結(jié)果如圖6所示。

2.2 靶場(chǎng)陣地規(guī)劃

本系統(tǒng)的使用流程是根據(jù)陣地規(guī)劃的實(shí)際內(nèi)容設(shè)計(jì)的，所以規(guī)劃過(guò)程可參考圖3的流程：

1)試驗(yàn)前，在諸多不同類型靶彈計(jì)算文件選擇具有目標(biāo)特性的靶彈和相應(yīng)的靶彈計(jì)算文件,然后在彈道計(jì)算模塊進(jìn)行多條供靶彈道的計(jì)算。

2)根據(jù)生成的彈道曲線，分析是否有較為合理的供靶段，確定靶彈射角及彈道曲線，彈道計(jì)算界面和彈道曲線如圖7所示。

3)在任務(wù)規(guī)劃模塊輸入供靶參數(shù)要求和彈道規(guī)劃參數(shù)，開(kāi)始規(guī)劃。

4)針對(duì)靶場(chǎng)地理環(huán)境、靶場(chǎng)試驗(yàn)要求、攻擊方式(迎攻或尾追)對(duì)導(dǎo)彈射界和位置、靶彈發(fā)射位置及射向范圍、安全區(qū)域等進(jìn)行設(shè)計(jì)與處理，如圖8所示的軟件截圖為靶彈任務(wù)規(guī)劃結(jié)果。

5)分析航路捷徑、彈道關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)、安全區(qū)域是否合理，并與導(dǎo)彈測(cè)試人員進(jìn)行溝通交流。

6)合理后，在靶彈射向范圍內(nèi)訓(xùn)練和試驗(yàn)人員確定最終射向，并生成規(guī)劃報(bào)告，包括規(guī)劃位置、方向、彈道關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)等規(guī)劃內(nèi)容。

7)試驗(yàn)時(shí)，對(duì)風(fēng)速風(fēng)向儀、靶彈發(fā)射架上定位定向裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取與處理，調(diào)整位置、射向、射角，進(jìn)行實(shí)際方位與任務(wù)規(guī)劃報(bào)告的校準(zhǔn)，實(shí)際情況如圖9所示。

2.3 信息要素的圖形化顯示

在本系統(tǒng)中使用了地圖引擎中的Marker類以及其方法進(jìn)行圖層繪制。地圖符號(hào)不僅可以使用Drawable類內(nèi)部矢量圖、繪制工具進(jìn)行繪制，也可以通過(guò)繼承Drawable類通過(guò)其自帶方法使用自定義的地圖符號(hào)、標(biāo)記[8]，其具體標(biāo)記參照?qǐng)D10所示。

1)靶彈發(fā)射陣地如圖8中藍(lán)色火炮圖標(biāo)所示，點(diǎn)擊圖標(biāo)后會(huì)顯示詳細(xì)火炮位置、射角(完成彈道設(shè)計(jì)后顯示)、射向(完成任務(wù)規(guī)劃后顯示)，還有以該型靶彈在35°射角下最大射程為半徑的半透明藍(lán)色圓圈，點(diǎn)擊后會(huì)顯示射程，如圖10(a)所示。

2)導(dǎo)彈發(fā)射陣地如圖8中小火箭圖標(biāo)所示，導(dǎo)彈射界為淺綠色扇形區(qū)域(此次規(guī)劃射界為北偏東270°～360°，30 km)，點(diǎn)擊導(dǎo)彈圖標(biāo)后會(huì)顯示詳細(xì)導(dǎo)彈發(fā)射陣地經(jīng)緯度位置、航路捷徑(垂直于射向的細(xì)紅線為航路捷徑)及距離信息(如航路捷徑長(zhǎng)度8 km)，如圖10(b)所示。

3)靶彈彈道如圖8中的黃線所示，藍(lán)色圈內(nèi)部分表示靶彈彈道。射向上的紅色粗線代表有效供靶段的范圍,單擊紅色位置圖標(biāo)，顯示供靶起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、持續(xù)時(shí)間，如圖10(c)所示。

4)安全區(qū)域如圖8中紅色區(qū)域所示,點(diǎn)擊后顯示安全區(qū)域關(guān)鍵位置經(jīng)緯度，以便與靶場(chǎng)單位人員協(xié)調(diào)規(guī)劃警戒位置，如圖10(c)所示。

3 基于Android的彈道計(jì)算與數(shù)據(jù)讀取

彈道計(jì)算作為任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的核心模塊，進(jìn)行靶彈彈道解算及優(yōu)化求解，得到最佳供靶彈道和發(fā)射參數(shù)，是本系統(tǒng)規(guī)劃的彈道數(shù)據(jù)來(lái)源[9]。數(shù)據(jù)通信及讀取解析是實(shí)際試驗(yàn)與任務(wù)規(guī)劃的溝通橋梁，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取并通過(guò)規(guī)劃內(nèi)容來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 彈道的解算流程

靶彈彈道及射表計(jì)算由計(jì)算參數(shù)配置模塊、六自由度彈道計(jì)算模塊和多任務(wù)射表計(jì)算模塊3個(gè)部分組成，實(shí)現(xiàn)靶彈彈道解算、靶彈射表快速計(jì)算等功能。

靶彈射表計(jì)算一般是通過(guò)射角計(jì)算彈道數(shù)據(jù)，但是在任務(wù)規(guī)劃當(dāng)中更多的情況是通過(guò)射程等信息反算彈道以及射角，由于反求過(guò)程需大量迭代運(yùn)算，在進(jìn)行靶彈射表計(jì)算時(shí)運(yùn)算量過(guò)大，需等待時(shí)間較長(zhǎng)。所以筆者建立了射程和射角的非線性回歸方程，然后求解給定射程區(qū)間內(nèi)的射角，流程如圖11所示。

具體解算步驟如下：

步驟1在給定射程范圍內(nèi)選取3個(gè)及以上樣值進(jìn)行射角計(jì)算，一般選取射程范圍上界、下界及平均值這3個(gè)點(diǎn)作為樣值。

步驟2分別求解出射程樣值對(duì)應(yīng)的射角組成特征點(diǎn)，根據(jù)步驟1選取的樣值可求解得到3組特征點(diǎn)。

步驟3將3組特征點(diǎn)帶入射程和射角回歸方程：

y=ax2+bx-c.

(1)

采用最小二乘法計(jì)算回歸系數(shù)，求得回歸方程。

步驟4將射表中需求解的其他射程帶入步驟3所得回歸方程，便可快速求解出所需射程對(duì)應(yīng)的射角，將射角帶入彈道方程即可求解出彈道諸元。

如表1所示，快速計(jì)算求解得到的射角對(duì)應(yīng)的射程與六自由度彈道求解得到的射程偏差控制在2 m內(nèi)，滿足供靶需求，同時(shí)提高了解算速度，結(jié)果可用性較高。

表1 理想彈道與快速計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.2 GPS差分定位定向數(shù)據(jù)讀取和校準(zhǔn)

靶場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)完成后，需要與實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合。需要通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與GPS定位數(shù)據(jù)相校準(zhǔn)，然后按照設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行試驗(yàn)，如圖9所示。GPS定位獲取途徑主要是通過(guò)第1.2節(jié)所描述的定位定向設(shè)備完成，包括設(shè)備：GPS差分天線以及GPS接收器，如圖12紅色標(biāo)記和黃色標(biāo)記所示。

本平臺(tái)通過(guò)RS-232串口實(shí)現(xiàn)GPS接收機(jī)與安卓上位機(jī)的連接及通信。串口通信過(guò)程首先需要安卓設(shè)備發(fā)送GPS接收器的串口參數(shù)如波特率、數(shù)據(jù)位等進(jìn)行對(duì)接收器的設(shè)置，然后其會(huì)持續(xù)收到接收器返回的定位定向數(shù)據(jù)，安卓設(shè)備則需實(shí)時(shí)獲取串口數(shù)據(jù)[10]。

由于接收到的二進(jìn)制文件為NMEA-0183格式，NMEA-0183是GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM(Radio Technical Commission for Maritime services)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，因此選用了開(kāi)源的解析庫(kù)JavaMarineAPI，在此基礎(chǔ)上增添了HEADINGASentence類對(duì)HEADINGA報(bào)文的解析，以獲取方位角、俯仰角等重要信息[11-12]，類圖如圖13所示。

由于Android主進(jìn)程無(wú)法保證串口信息發(fā)送的持續(xù)性、實(shí)時(shí)性，因此定義了ReadThread類以多線程的方式獲取定位信息，最后在軟件層面實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的串口數(shù)據(jù)讀取功能，如圖14所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)防空武器訓(xùn)練用高速靶彈任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題，提出了一種基于便攜式安卓設(shè)備的高速靶彈任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)。應(yīng)用定位定向設(shè)備、氣象測(cè)量?jī)x和便攜式安卓設(shè)備搭建了系統(tǒng)硬件平臺(tái)，采用彈道快速解算與混合編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了彈道與射表的快速計(jì)算，并使用OSMDroid開(kāi)發(fā)了基于地圖的發(fā)射任務(wù)規(guī)劃模塊，最后基于安卓系統(tǒng)完成了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足任務(wù)規(guī)劃要求，可以極大地提高靶彈發(fā)射任務(wù)規(guī)劃效率。