基于Unity3D的便攜式防空導(dǎo)彈虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)

蔡錦華

（江西聯(lián)創(chuàng)精密機(jī)電有限公司 江西省南昌市 330000）

便攜式防空導(dǎo)彈主要作戰(zhàn)使命是防御或打擊固定翼飛機(jī)、直升機(jī)等低空超低空突防目標(biāo)，一般其射程約5000m，射高約3000m，導(dǎo)彈彈徑70~90mm，彈體貯存和安裝在發(fā)射筒內(nèi)，質(zhì)量一般不超過10kg。便攜式防空導(dǎo)彈的最大特點(diǎn)就是小、輕、快、猛，不需專用電源車、指揮車和成套的保障設(shè)備，便可在敵前沿作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行隱蔽攻擊，因此受到世界各國(guó)的廣泛重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上已有70余個(gè)國(guó)家裝配了近百萬(wàn)枚便攜式防空導(dǎo)彈。其中具有代表性的型號(hào)包括：中國(guó)的“紅纓”和“前衛(wèi)”，美國(guó)的“毒刺”，俄羅斯的“針”，以及歐洲的“標(biāo)槍”、“耀星”和“西北風(fēng)”等系列。

便攜式防空導(dǎo)彈具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴的特點(diǎn)，采用實(shí)戰(zhàn)演練將耗費(fèi)大量資金和物資，且安全性差。國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)一批基于虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)研制的模擬訓(xùn)練器材，通過建立虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境來(lái)輔助訓(xùn)練，可大大降低訓(xùn)練費(fèi)用、縮短訓(xùn)練周期、提高訓(xùn)練質(zhì)量，防止環(huán)境污染。但是還普遍存在內(nèi)部組網(wǎng)方式復(fù)雜、部署復(fù)雜，定位信號(hào)容易遮擋等問題，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)度降低。

針對(duì)上述便攜式防空導(dǎo)彈模擬訓(xùn)練裝備存在的問題，本文基于Unity3D軟件平臺(tái)和瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈、訓(xùn)練控制臺(tái)組成的硬件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出一套基于Unity3D的便攜式防空導(dǎo)彈虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。通過運(yùn)用3ds Max等三維建模軟件，成功搭建便攜式防空導(dǎo)彈虛擬訓(xùn)練環(huán)境。綜合考慮目標(biāo)機(jī)型、航路、目標(biāo)速度和高度、航路捷徑、斜距以及射擊方式等因素，對(duì)作戰(zhàn)目標(biāo)航跡進(jìn)行分析、模擬與仿真，為參訓(xùn)人員提供典型航跡，以便射手進(jìn)行搜索、瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤等操作的訓(xùn)練。采用的紅外虛擬仿真技術(shù)，滿足尋路系統(tǒng)對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境和目標(biāo)進(jìn)行紅外模擬仿真的訓(xùn)練需求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)包括訓(xùn)練監(jiān)控臺(tái)和瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈，軟件系統(tǒng)包括3ds Max建模、場(chǎng)景設(shè)計(jì)和軟件功能設(shè)計(jì)。通過武器系統(tǒng)半實(shí)物硬件與虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的交互實(shí)現(xiàn)便攜式防空導(dǎo)彈的各種功能和操作仿真。

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件主要由訓(xùn)練控制臺(tái)和瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈組成。訓(xùn)練控制臺(tái)主要包括主板、電子硬盤、LCD顯示屏、無(wú)線模塊、供電模塊、電源管理單元等組成。瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈主要由瞄準(zhǔn)訓(xùn)練單元、發(fā)射機(jī)構(gòu)和場(chǎng)景模擬器等組成。訓(xùn)練控制臺(tái)和瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈均集成無(wú)線模塊（2.4GHz），可提供高達(dá)150Mbps的無(wú)線傳輸速率，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件組成及網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)硬件組成及網(wǎng)絡(luò)連接圖

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 3ds Max建模

本文采用3ds Max軟件進(jìn)行模型構(gòu)建，模型類型主要包括作戰(zhàn)目標(biāo)、瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈、瞄準(zhǔn)具和誘餌彈等。其中，作戰(zhàn)目標(biāo)主要包括F-16D殲擊機(jī)、SU-37戰(zhàn)斗機(jī)、A-10B攻擊機(jī)和B-52H轟炸機(jī)等，瞄準(zhǔn)具包含機(jī)械瞄準(zhǔn)具、光學(xué)瞄準(zhǔn)具和紅外夜視瞄準(zhǔn)具等。本文建模過程以F-16D殲擊轟炸機(jī)為例，首先所需建設(shè)模型的外形比例、結(jié)構(gòu)、外觀材質(zhì)等方面進(jìn)行分析，按照1:1的比例使用3ds Max工具分別進(jìn)行建模，然后使用ZBrush等模型精細(xì)加工工具對(duì)模型的細(xì)節(jié)進(jìn)行雕刻，制作成精細(xì)的原始模型；隨后采用貼圖繪制技術(shù)，使用貼圖代替部分模型，在資源占用最小情況下更好的展現(xiàn)模型細(xì)節(jié)；最后對(duì)模型進(jìn)行渲染，確保目標(biāo)外觀逼真、飛行效果逼真。

1.2.2 場(chǎng)景設(shè)計(jì)

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的場(chǎng)景由基本戰(zhàn)場(chǎng)地形、作戰(zhàn)天氣、作戰(zhàn)時(shí)間組成。其中戰(zhàn)場(chǎng)地形包括丘陵、城市、平原、海島四種基本戰(zhàn)場(chǎng)地形，作戰(zhàn)天氣包括白天晴空無(wú)云、晴空少云、晴空多云，夜間晴朗、多云，作戰(zhàn)時(shí)間包括上午、中午、黃昏、夜間。本文的戰(zhàn)場(chǎng)地形生成過程主要有6個(gè)步驟，分別為地形素材準(zhǔn)備、基本戰(zhàn)場(chǎng)地貌生成及修理、地表紋理貼圖、地表植被疊加、場(chǎng)景內(nèi)模型的放置和地形細(xì)節(jié)設(shè)置等步驟。根據(jù)作戰(zhàn)天氣需求，選好相對(duì)應(yīng)的天空背景圖素材，然后采用Cubemap技術(shù)對(duì)天氣背景圖進(jìn)行無(wú)縫銜接，并根據(jù)作戰(zhàn)時(shí)間的變化相應(yīng)調(diào)整天空背景的旋轉(zhuǎn)角度以及作戰(zhàn)地形場(chǎng)景內(nèi)的光照強(qiáng)度。場(chǎng)景內(nèi)模型采用貼圖繪制技術(shù)，面數(shù)少又能體現(xiàn)細(xì)節(jié)，占用資源少。場(chǎng)景畫面清晰、流暢、不卡頓、渲染效果好、逼真度高。

1.2.3 軟件功能設(shè)計(jì)

便攜式防空導(dǎo)彈虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件涵蓋作戰(zhàn)訓(xùn)練環(huán)境仿真、武器裝備操作仿真以及虛擬設(shè)備交互等環(huán)節(jié)，通過Unity3D軟件搭建系統(tǒng)軟件框架，按功能劃分系統(tǒng)軟件主要包括場(chǎng)景仿真和漫游軟件、瞄準(zhǔn)訓(xùn)練軟件、虛擬交互軟件以及監(jiān)控評(píng)定軟件。

用戶通過系統(tǒng)主界面（如圖2(a)所示）進(jìn)入相應(yīng)的操作界面。場(chǎng)景仿真與漫游軟件用于展現(xiàn)貼近實(shí)戰(zhàn)的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境（如圖2(b)所示）。瞄準(zhǔn)訓(xùn)練軟件分為射手操作仿真、目標(biāo)模擬、氣候環(huán)境模擬和音效模擬等系統(tǒng)。瞄準(zhǔn)訓(xùn)練軟件通過加載地形、瞄準(zhǔn)具、彈筒、作戰(zhàn)目標(biāo)、誘餌彈等模型，使用Particle System模擬出雨雪的粒子效果和AudioSoure控件模擬音效，并通過Unity3D接口編程，實(shí)現(xiàn)搜索、瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤等操作的瞄準(zhǔn)訓(xùn)練（如圖2(c)所示）。虛擬交互軟件以Unity3D為平臺(tái)輔以PICO虛擬視景眼鏡、姿態(tài)陀螺儀和發(fā)射機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了作戰(zhàn)環(huán)境場(chǎng)景的立體顯示、姿態(tài)感知以及武器操作的人機(jī)交互操作。監(jiān)控評(píng)定軟件用于實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，訓(xùn)練過程中的過程監(jiān)控和訓(xùn)練控制，以及訓(xùn)練結(jié)束后的成績(jī)?cè)u(píng)定與分析等功能（如圖2(d)所示）。

圖2：虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 空中目標(biāo)航跡仿真

2.1.1 空中目標(biāo)航跡分析直線飛行是作戰(zhàn)目標(biāo)飛行時(shí)最常見的航跡，也是作戰(zhàn)目標(biāo)巡航最常用的飛行方式。按照速度是否變化，直線航跡可以分為等速直線飛行和變速直線飛行；按照飛行時(shí)目標(biāo)高度是否變化，可以將直線飛行分為水平面內(nèi)直線飛行和鉛垂面內(nèi)直線飛行，本文的模擬作戰(zhàn)目標(biāo)采用等速鉛垂面內(nèi)直線飛行。目標(biāo)航跡特征參數(shù)主要包括目標(biāo)機(jī)型、航路、目標(biāo)速度和高度、航路捷徑、斜距以及射擊方式等。典型航跡數(shù)據(jù)表還給出了每條航路的三個(gè)典型關(guān)鍵點(diǎn)信息，包含了目標(biāo)在關(guān)鍵點(diǎn)相對(duì)于射手的斜距、仰角、移動(dòng)角速度。

2.1.2 空中目標(biāo)航跡數(shù)學(xué)模型建立

便攜式防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)過程中作戰(zhàn)目標(biāo)飛行示意圖如圖3所示。

圖3：作戰(zhàn)過程中目標(biāo)飛行示意圖

其中，O為導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)、h為目標(biāo)高度、d、d、d分別為目標(biāo)進(jìn)入點(diǎn)斜距、進(jìn)入發(fā)射區(qū)點(diǎn)斜距和離開發(fā)射區(qū)點(diǎn)斜距，1為航路捷徑，即導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)航路投影的垂直距離。

2.1.2.1 目標(biāo)航跡的計(jì)算

由圖7可知，目標(biāo)航跡是以射手為圓心目標(biāo)捷徑為半徑的圓O的任意一條切線。為了方便計(jì)算，本文基于左手坐標(biāo)系，設(shè)射手位置為原點(diǎn)，射手正前方為z軸正方向，選取經(jīng)過O與zy面交點(diǎn)的切線為目標(biāo)航跡。已知參數(shù)有目標(biāo)進(jìn)入斜距d1、進(jìn)入發(fā)射區(qū)斜距d2、離開發(fā)射區(qū)斜距d3、以及基本特征數(shù)據(jù)。根據(jù)以上信息計(jì)算目標(biāo)進(jìn)入點(diǎn)坐標(biāo)為：

圖7：瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈與PICO眼鏡交互效果

目標(biāo)航跡就是從目標(biāo)進(jìn)入點(diǎn)開始沿x軸正方向或者負(fù)方向以速度v勻速飛行，飛行時(shí)間為t。當(dāng)航路方向?yàn)橛視r(shí)，沿x軸正方向飛行，目標(biāo)航跡x軸的坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算公式為：

當(dāng)航路方向?yàn)樽髸r(shí)，沿x軸負(fù)方向飛行，目標(biāo)航跡x軸的坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算公式為：

2.1.2.2 目標(biāo)移動(dòng)角速度計(jì)算

設(shè)射手到目標(biāo)進(jìn)入點(diǎn)到水平面的投影點(diǎn)的向量與目標(biāo)捷徑的夾角為β，目標(biāo)沿目標(biāo)航跡以速度v飛行時(shí)間t后到達(dá)點(diǎn)d，設(shè)目標(biāo)進(jìn)入點(diǎn)到水平面的投影點(diǎn)的向量與射手到d點(diǎn)到水平面的投影的夾角為α，可得：

由式（4）可得：

目標(biāo)角速度ω可以對(duì)α求導(dǎo)得出：

根據(jù)上述公式用戶只需要輸入目標(biāo)類型、目標(biāo)進(jìn)入方式、航路方向、目標(biāo)高度、目標(biāo)速度、目標(biāo)捷徑以及該航跡上的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的斜距等參數(shù)可確認(rèn)16條瞄準(zhǔn)訓(xùn)練裝置典型發(fā)射區(qū)特征數(shù)據(jù)中的一條。

2.2 紅外虛擬仿真

紅外線是一種電磁波，位于可見光紅光外端，在絕對(duì)零度（-273℃）以上的物體都能夠輻射紅外能量。通常來(lái)說，紅外輻射強(qiáng)度與物體向外發(fā)出的溫度成正比。便攜式防空導(dǎo)彈在夜間射擊時(shí)，通常配備紅外瞄準(zhǔn)具，便于搜索、捕獲、跟蹤紅外弱小目標(biāo)。為了貼近部隊(duì)訓(xùn)練實(shí)戰(zhàn)化需求，特別是部隊(duì)夜間訓(xùn)練需求，對(duì)作戰(zhàn)場(chǎng)景的紅外仿真變得十分必要。

為了在Unity3D實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景不同時(shí)刻、不同材質(zhì)的紅外仿真效果，本文基于材質(zhì)的熱計(jì)算模型，通過迭代方式求解出材質(zhì)表面的溫度場(chǎng)。仿真前，開發(fā)人員通過Unity3D編輯器選擇場(chǎng)景內(nèi)物體的材質(zhì)，并設(shè)置場(chǎng)景時(shí)刻，以供仿真時(shí)算法調(diào)用設(shè)置參數(shù)，完成虛擬場(chǎng)景的紅外仿真，Unity3D中紅外場(chǎng)景編輯界面如圖4所示。

圖4：Unity3D中紅外場(chǎng)景編輯界面

材質(zhì)表面熱平衡方程的具體求解的算法流程如圖5所示?？紤]到算法計(jì)算量大，算法實(shí)現(xiàn)過程中，我們采用運(yùn)行效率較高的C++語(yǔ)言進(jìn)行編寫，并編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)場(chǎng)景軟件在仿真過程中通過調(diào)用Unity3D的腳本，求解不同種材質(zhì)的理想溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)紅外仿真效果。

圖5：熱平衡方程求解算法流程圖

本系統(tǒng)紅外場(chǎng)景仿真是在PICO虛擬視景眼鏡中完成，作為嵌入式設(shè)備其圖形渲染能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及PC機(jī)。因?yàn)?，為了提高圖形渲染效率，本文在求解熱平衡方程時(shí)，設(shè)置了求解過程的迭代次數(shù)的上限，并給出了求解結(jié)果的容許誤差，當(dāng)計(jì)算迭代次數(shù)達(dá)到上限值或求解結(jié)果小于容許誤差時(shí)，則中止迭代。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)還包含表2中材質(zhì)的熱輻射紅外參數(shù)屬性，根據(jù)場(chǎng)景編輯時(shí)選擇的材質(zhì)類型將求解出不同材質(zhì)表面在不同時(shí)刻時(shí)的理想溫度場(chǎng)分布，從而獲得紅外灰度值。隨后，利用GPU的紋理繪制操作將結(jié)果傳遞至用于繪制的著色器紋理中，并得到通過加速計(jì)算后的物體表面效果，完成虛擬場(chǎng)景的紅外仿真，紅外仿真場(chǎng)景效果如圖6所示。

圖6：紅外仿真場(chǎng)景效果

2.3 虛擬交互系統(tǒng)

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸感，我們選用虛擬現(xiàn)實(shí)顯示效果良好的PICO虛擬視景眼鏡顯示模塊和瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈作為操作交互設(shè)備模塊。PICO虛擬視景眼鏡通過安裝部署Android版本的瞄準(zhǔn)訓(xùn)練軟件，可以看到便攜式防空導(dǎo)彈虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境以及作戰(zhàn)目標(biāo)、模擬瞄準(zhǔn)具等3D虛擬現(xiàn)實(shí)效果，通過瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈實(shí)時(shí)上傳的陀螺數(shù)據(jù)和操作信息從而實(shí)現(xiàn)便攜式防空導(dǎo)彈武器流程操作。因此，當(dāng)我們穿戴上PICO虛擬視景眼鏡時(shí)，將在腦海中產(chǎn)生3D立體感，使得系統(tǒng)模擬出的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境更加逼真，如圖7所示。

瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈主要采用發(fā)射機(jī)構(gòu)作為交互設(shè)備，采用與實(shí)裝一致的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了人的操作和仿真系統(tǒng)之間的自然交互。瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈內(nèi)部選用具有最新MEMS慣性測(cè)量技術(shù)的陀螺儀轉(zhuǎn)角儀，可通過動(dòng)態(tài)姿態(tài)分析算法，實(shí)時(shí)輸出瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈三軸（X、Y、Z）的實(shí)時(shí)角速度和角加速度。其具有抗磁場(chǎng)干擾強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好和分辨精度高等特點(diǎn)，用于采集瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈當(dāng)前的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、角速度、射擊角度以及引入的前置量等姿態(tài)信息，為判定瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈發(fā)射時(shí)機(jī)提供數(shù)據(jù)支撐。

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)是否滿足便攜式防空導(dǎo)彈訓(xùn)練需求，作者所在單位邀請(qǐng)了部隊(duì)7名便攜式防空導(dǎo)彈射手對(duì)該系統(tǒng)各個(gè)功能模塊進(jìn)行了演練。系統(tǒng)的主要測(cè)試指標(biāo)分為：

（1）系統(tǒng)軟件畫面的流暢度；

（2）系統(tǒng)場(chǎng)景的逼真度；

（3）系統(tǒng)的交互性；

（4）系統(tǒng)的紅外模擬效果；

（5）系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)一致性。

經(jīng)過7名專業(yè)射手的共同測(cè)試與交流表明，該虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)在操作瞄準(zhǔn)訓(xùn)練彈進(jìn)行操作訓(xùn)練時(shí)，虛擬模型能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)扳機(jī)和按鈕的指令，沒有停頓感，畫面比較流暢，具有較強(qiáng)的交互性能和穩(wěn)定性，系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)一致性得到了參與測(cè)試的部隊(duì)射手們的一致認(rèn)可。部隊(duì)射手同時(shí)也提出在進(jìn)行紅外場(chǎng)景切換時(shí)，會(huì)有一點(diǎn)卡頓，后期需要對(duì)紅外虛擬仿真算法的實(shí)時(shí)性做進(jìn)一步的優(yōu)化。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1：實(shí)驗(yàn)者測(cè)試結(jié)果表

4 結(jié)論

本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與便攜式防空導(dǎo)彈訓(xùn)練相結(jié)合，采用Unity3D研發(fā)了一套便攜式防空導(dǎo)彈虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。通過運(yùn)用3ds Max等三維建模軟件，成功搭建了便攜式防空導(dǎo)彈虛擬訓(xùn)練環(huán)境。綜合考慮目標(biāo)機(jī)型、航路、目標(biāo)速度和高度、航路捷徑、斜距以及射擊方式等因素，對(duì)作戰(zhàn)目標(biāo)航跡進(jìn)行了分析、模擬與仿真，為參訓(xùn)人員提供典型航跡，以便射手進(jìn)行搜索、瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤等操作的訓(xùn)練。采用的紅外虛擬仿真技術(shù)，滿足系統(tǒng)對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境和目標(biāo)進(jìn)行紅外模擬仿真的訓(xùn)練需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)沉浸感強(qiáng)，交互效果良好，可以滿足便攜式防空導(dǎo)彈射手的訓(xùn)練需求。