馬勇 譚瑋

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210017

引言

隨著技術(shù)的不斷成熟以及在實(shí)戰(zhàn)中的成功應(yīng)用，無(wú)人機(jī)已經(jīng)確立了其在信息化作戰(zhàn)中的重要地位，通過(guò)C4I系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行一體化指揮控制也就成為一個(gè)熱門(mén)課題。為了能夠形象直觀地反映C4I系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)的監(jiān)視和指揮控制情況，驗(yàn)證系統(tǒng)給出的任務(wù)規(guī)劃、戰(zhàn)法、控制決策等的正確性，迫切需要對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行模擬仿真，并與系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和模擬無(wú)人機(jī)之間指揮控制的動(dòng)態(tài)交互過(guò)程。

由于飛機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，需要建立動(dòng)力學(xué)、操縱系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)等仿真模型，涉及的各種參數(shù)非常多，相互之間交互又非常復(fù)雜，因而研制全新的仿真無(wú)人機(jī)系統(tǒng)將是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。

FlightGear飛行模擬器是一個(gè)開(kāi)放源代碼、多平臺(tái)的飛行模擬器發(fā)展項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，F(xiàn)lightGear不但以其強(qiáng)大的真實(shí)仿真功能吸引了眾多的飛行模擬愛(ài)好者，而且其開(kāi)放式的程序構(gòu)架和預(yù)留的外部數(shù)據(jù)輸入/輸出接口，贏得了專(zhuān)業(yè)用戶的青睞，成為眾多科研部門(mén)的飛行仿真可視化引擎。由于FlightGear的上述優(yōu)勢(shì)，我們最終選擇將FlightGear經(jīng)二次開(kāi)發(fā)改造成無(wú)人機(jī)模擬器，以滿足模擬無(wú)人機(jī)平臺(tái)的需要。

1 功能描述

經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)和改造后的FlightGear，最終成為一個(gè)獨(dú)立的無(wú)人機(jī)模擬作戰(zhàn)平臺(tái)，該平臺(tái)能實(shí)時(shí)接收C4I系統(tǒng)的指控命令，模擬進(jìn)行任務(wù)處理，執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，并在三維場(chǎng)景中加以展現(xiàn)，同時(shí)將產(chǎn)生的空情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳，從而實(shí)現(xiàn)與C4I系統(tǒng)的集成。

具體而言，改造后的無(wú)人機(jī)模擬器主要具有以下功能：

（1）實(shí)時(shí)接收來(lái)自C4I系統(tǒng)的指揮控制命令，控制自動(dòng)駕駛儀驅(qū)動(dòng)模擬無(wú)人機(jī)按指定的速度、高度、航向或指定的俯仰、滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行自主飛行，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的起飛、降落、巡航、地形跟蹤、載荷飛行等飛行過(guò)程；指控命令還能直接操作舵面完成筋斗、滾轉(zhuǎn)等復(fù)雜機(jī)動(dòng)動(dòng)作；與此同時(shí)，模擬器將自身的精確定位信息和狀態(tài)信息回傳給C4I系統(tǒng)。

（2）具備逼真的三維虛擬場(chǎng)景，主要包括三方面：一是由地形地貌、天空背景、光照、機(jī)場(chǎng)、跑道、建筑等組成的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，二是包括自然現(xiàn)象（風(fēng)、雨等）和特殊場(chǎng)景（火焰、爆炸）等組成的特效展現(xiàn)，三是能進(jìn)行六自由度機(jī)動(dòng)的無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)展現(xiàn)。目前，無(wú)人機(jī)模擬器的三維場(chǎng)景顯示效果如圖1所示。

（3）具有靈活的xml配置文件，使得無(wú)人機(jī)的構(gòu)型、氣動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)駕駛儀等參數(shù)都是可配置的。根據(jù)實(shí)際機(jī)型進(jìn)行配置后，無(wú)人機(jī)模擬器能實(shí)現(xiàn)對(duì)各種性能無(wú)人機(jī)的模擬。只要將待模擬無(wú)人機(jī)的相關(guān)參數(shù)提取后加入配置文件中，即可完成對(duì)無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的配置，而不需要額外進(jìn)行軟件代碼改動(dòng)。

（4）能夠通過(guò)多個(gè)視角觀察無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)，同時(shí)顯示界面下方可以看到飛機(jī)主要參數(shù)、任務(wù)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示；界面上方呈現(xiàn)以無(wú)人機(jī)為中心小地圖，展示無(wú)人機(jī)及其周?chē)涨闋顩r，同時(shí)也直觀顯示出截?fù)艟€、方案線等任務(wù)信息。

圖1 無(wú)人機(jī)模擬器三維場(chǎng)景顯示效果

2 開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程

基于FlightGear的無(wú)人機(jī)模擬器主要由xml配置文件和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。xml配置文件負(fù)責(zé)模擬器各個(gè)模塊的參數(shù)初始化，系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先讀取配置文件，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行注冊(cè)和初始化，最后進(jìn)入主循環(huán)，對(duì)各分系統(tǒng)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

圖2 FlightGear各模塊結(jié)構(gòu)圖

軟件系統(tǒng)主要由場(chǎng)景、飛機(jī)、環(huán)境和用戶接口四個(gè)分系統(tǒng)組成。各個(gè)系統(tǒng)模塊之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系大致如圖2所示。其本身具有如下關(guān)鍵技術(shù)：

基于OpenGL建立的三維飛行仿真引擎，仿真功能強(qiáng)大，場(chǎng)景內(nèi)容豐富、逼真，并能根據(jù)需要靈活增減三維仿真模型；

對(duì)飛機(jī)本體仿真功能強(qiáng)大，能逼真仿真自動(dòng)駕駛儀、機(jī)艙、操控部件、電氣系統(tǒng)、平顯系統(tǒng)、聲音聲效等；

集成成熟動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)空氣動(dòng)力特征的仿真和對(duì)飛機(jī)六自由度非線性運(yùn)動(dòng)的解算；

通過(guò)xml配置文件對(duì)各仿真系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化定義，使各仿真模型與仿真數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，從而能夠根據(jù)機(jī)型的不同靈活配置和仿真。

具備統(tǒng)一的模型擴(kuò)展接口，通過(guò)繼承接口可以任意增加新的模塊，從而保證模擬器良好的擴(kuò)展功能。

為使無(wú)人機(jī)模擬器成為在C4I系統(tǒng)指揮控制下的模擬作戰(zhàn)平臺(tái)，我們一方面對(duì)模擬器本身進(jìn)行了改造，滿足無(wú)人機(jī)仿真需求，另一方面將模擬器進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)接口開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)與C4I系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)和模擬無(wú)人機(jī)之間指揮控制的閉環(huán)。

對(duì)模擬器本身進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)工作主要包括以下幾方面：

構(gòu)建了滿足無(wú)人機(jī)模擬平臺(tái)需要三維模型，包括無(wú)人機(jī)三維模型、地形模型和機(jī)場(chǎng)、跑道等靜態(tài)物體模型；

根據(jù)待模擬的無(wú)人機(jī)的相關(guān)參數(shù)，對(duì)各個(gè)仿真模型進(jìn)行參數(shù)化配置，其中主要對(duì)動(dòng)力學(xué)模型和自動(dòng)駕駛儀模塊進(jìn)行了大量配置改造工作；

增加了對(duì)C4I系統(tǒng)下發(fā)的飛行計(jì)劃的處理功能，即對(duì)系統(tǒng)給出的任務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出應(yīng)飛指令，并驅(qū)動(dòng)自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行處理；

增加了C4I系統(tǒng)直接控制指令的響應(yīng)功能，如當(dāng)模擬器在收到筋斗、橫滾等復(fù)雜機(jī)動(dòng)動(dòng)作指令時(shí)，先停止自動(dòng)駕駛儀控制，然后直接操作舵面實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)；

對(duì)GUI顯示進(jìn)行改造，如飛機(jī)主要參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、收到系統(tǒng)指令的實(shí)時(shí)顯示、小地圖等功能都是根據(jù)需要對(duì)FlightGear改造實(shí)現(xiàn)的；

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)指揮命令的接收和處理，以及對(duì)外發(fā)送空情等功能，從而達(dá)到C4I系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)模擬平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互的目的。

網(wǎng)絡(luò)接口開(kāi)發(fā)主要增加了模擬器對(duì)C4I系統(tǒng)的指令接收接口和模擬器狀態(tài)對(duì)外發(fā)送的接口，使系統(tǒng)與模擬器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，主要內(nèi)容包括啟動(dòng)、停止命令的響應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)下發(fā)的指揮控制命令的接收和處理、實(shí)時(shí)空情向系統(tǒng)回送等。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口開(kāi)發(fā)，目前實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)交互模型如圖3所示。

圖3 C4I系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)模擬器數(shù)據(jù)交互模型

3 結(jié)束語(yǔ)

基于FlightGear的無(wú)人機(jī)模擬器平臺(tái)可以根據(jù)C4I系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)指揮控制的需求，達(dá)到C4I系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行模擬監(jiān)視和指揮控制的功能。目前該平臺(tái)已開(kāi)始用于向客戶進(jìn)行推介，并取得良好效果。由于具有強(qiáng)大的擴(kuò)展性能，可以預(yù)期，該平臺(tái)必將得到推廣，獲得廣闊的應(yīng)用前景。

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