張千宇，郭 巍，張 楊

（海軍航空工程學(xué)院指揮系，山東 煙臺(tái) 264001）

模擬訓(xùn)練以安全、經(jīng)濟(jì)、可控、無風(fēng)險(xiǎn)、不受氣候條件和場(chǎng)地空間限制、既能按常規(guī)進(jìn)行操作訓(xùn)練、又能培訓(xùn)處理各種事故的應(yīng)變能力以及訓(xùn)練的高效率、高效益等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，一直受到各國(guó)軍方的高度重視，特別面對(duì)武器裝備日趨復(fù)雜化、購(gòu)買武器費(fèi)用不斷提高的現(xiàn)狀，致使世界各國(guó)軍事部門均將模擬器視為軍事訓(xùn)練必不可少的甚至是唯一安全、經(jīng)濟(jì)而有效的工具和手段，加以重點(diǎn)發(fā)展。美軍是世界上最早開展模擬訓(xùn)練研究和應(yīng)用的。其技術(shù)和裝備一直居于國(guó)際領(lǐng)先地位。長(zhǎng)期以來，主要發(fā)展各類武器裝備的使用操作訓(xùn)練模擬器，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅1995～2000年用于三軍的模擬裝備費(fèi)用就高達(dá)36億美元。俄羅斯同樣是世界上的模擬訓(xùn)練的大國(guó)和強(qiáng)國(guó)。應(yīng)該說，俄羅斯在發(fā)展訓(xùn)練模擬器上是不惜代價(jià)的，其數(shù)量約占世界之半，僅俄試飛院就擁有昂貴的空中飛行模擬器十余種。他們的先進(jìn)武器裝備幾乎都編配有相應(yīng)的訓(xùn)練模擬器。西歐軍事強(qiáng)國(guó)（如英、法、德等國(guó)）也十分重視模擬訓(xùn)練，模擬訓(xùn)練技術(shù)及應(yīng)用處于世界領(lǐng)先行列。

1 模擬器發(fā)展概況

我國(guó)是發(fā)展和應(yīng)用模擬訓(xùn)練技術(shù)較早的國(guó)家之一。二十世紀(jì)六十年代初開始研制和使用射擊練習(xí)器和簡(jiǎn)易飛行模擬器。二十世紀(jì)八十年代以來模擬訓(xùn)練進(jìn)入了迅速發(fā)展階段，先后研制成功殲-6、殲-7、殲-8D、轟-6C等飛行模擬器，及HQ-2、HQ-7、HQ-6、C-300等防空導(dǎo)彈武器的指揮控制模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。相繼掌握了計(jì)算機(jī)成像、圖形/圖像顯示技術(shù)、多媒體技術(shù)以及精確控制機(jī)體和彈體運(yùn)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)等。二十世紀(jì)九十年代在分布式交互仿真（DIS）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和計(jì)算機(jī)生成兵力（CGF）技術(shù)等方面的研究和應(yīng)用上獲得了跨越式發(fā)展。

隨著國(guó)防現(xiàn)代化的發(fā)展，武器系統(tǒng)規(guī)模日益龐大，技術(shù)更加先進(jìn)和復(fù)雜，系統(tǒng)造價(jià)也更加昂貴，雖然訓(xùn)練時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)性的可能性降低了，但是一旦操作不當(dāng)，引起的破壞性和危險(xiǎn)性卻大為增加。因此，提高訓(xùn)練的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性至關(guān)重要。為了較好的解決這一問題，需要有相應(yīng)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠模擬實(shí)際裝備的工作環(huán)境和工作狀況，價(jià)格要低廉，能夠避免采用實(shí)裝進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)的巨大危險(xiǎn)性和高昂代價(jià)[1-2]。

2 導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)模型

某型導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)模型的建立可以為導(dǎo)彈攻擊的視景仿真或描述運(yùn)動(dòng)軌跡提供數(shù)據(jù)來源，使系統(tǒng)更加貼近實(shí)際，利于提高學(xué)習(xí)、訓(xùn)練質(zhì)量。

導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)模型的實(shí)現(xiàn)要盡量接近實(shí)際，以便能夠最大可能的反映出不同裝訂參數(shù)下導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、軌跡等，最好能夠得到具體導(dǎo)彈的實(shí)際模型。

某型導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)可以分解為隨質(zhì)心的移動(dòng)和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)。我們?cè)谶M(jìn)行導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)的控制時(shí)首先應(yīng)確定其運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系：

Odxdydzd—表示大地坐標(biāo)系

Ojxjyjzj—表示艦艇坐標(biāo)系

OfxfyFzF—表示發(fā)射坐標(biāo)系

O1x1y1z1—表示彈體坐標(biāo)系

具體的坐標(biāo)之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 某型導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系Fig.1 Coordanition system of ship monted missile

有關(guān)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)的一些相關(guān)參數(shù)是可以得到的，有了這些參數(shù)，可以利用現(xiàn)有的公式進(jìn)行導(dǎo)彈速度的求解，得到導(dǎo)彈在任何時(shí)刻t的速度矢量，通過對(duì)這些速度矢量在各自的坐標(biāo)軸上的積分，就可以得出導(dǎo)彈在某一時(shí)刻t時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括導(dǎo)彈的空間坐標(biāo)（x，y，z）、以及導(dǎo)彈的姿態(tài)角（偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角）、導(dǎo)彈的速度（空速）。

3 導(dǎo)彈模擬器設(shè)計(jì)

導(dǎo)彈模擬器在整個(gè)系統(tǒng)中主要起到近似模擬實(shí)際的導(dǎo)彈在射前檢查、參數(shù)裝訂、發(fā)射控制、目標(biāo)攻擊的過程中的姿態(tài)變化，配以一定的環(huán)境背景和逼真的視頻、音頻效果，渲染出臨近實(shí)戰(zhàn)的氛圍，有利于激發(fā)參訓(xùn)者的戰(zhàn)斗意識(shí)，提高訓(xùn)練的熱情和效率。

本文設(shè)計(jì)的模擬器在實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)的過程中所要達(dá)到的控制上的要求：

1）接收彈道計(jì)算仿真結(jié)果并據(jù)此控制導(dǎo)彈姿態(tài)。

2）仿真系統(tǒng)動(dòng)畫演示及聲音媒體表現(xiàn)；

3）可視化駕馭功能，可以不同的視角對(duì)導(dǎo)彈狀態(tài)進(jìn)行觀察。

在導(dǎo)彈模擬器上，主要仿真對(duì)象是導(dǎo)彈、艦艇。其中導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)規(guī)律根據(jù)導(dǎo)彈空間運(yùn)動(dòng)模型和導(dǎo)彈導(dǎo)引率編寫；敵我艦艇運(yùn)動(dòng)假設(shè)只是考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，在勻速直線運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上根據(jù)來襲導(dǎo)彈的相對(duì)距離和方位進(jìn)行機(jī)動(dòng)。

在程序中為了能響應(yīng)整個(gè)示教系統(tǒng)的各種操作，需要在收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后，及時(shí)的進(jìn)行判斷是否需要本系統(tǒng)做出反應(yīng)，比如，在收到“開蓋”的指令后，若沒有設(shè)置“開蓋故障”，則在三維圖像顯示畫面中控制導(dǎo)彈發(fā)射架的蓋子打開，打開到位后使“開蓋到位”的標(biāo)志量有效，并將更改后的數(shù)據(jù)發(fā)向網(wǎng)絡(luò)，而后控制臺(tái)會(huì)根據(jù)“開蓋到位”標(biāo)志量點(diǎn)亮控制臺(tái)面板上的“開蓋到位”指示燈，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)其它部分的狀態(tài)顯示也會(huì)相應(yīng)地進(jìn)行更改。當(dāng)有導(dǎo)彈發(fā)射后要邊解算導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)模型邊驅(qū)動(dòng)三維動(dòng)畫，所以要在Visual C++環(huán)境下運(yùn)行Vega應(yīng)用程序。

4 Vega的基本框架

Vega是虛擬現(xiàn)實(shí)軟件MultiGen的一部分。Vega的作用是將Creator制作的三維模型渲染成場(chǎng)景、在場(chǎng)景上瀏覽、查詢、實(shí)例演示。Vega由Lynx軟件、多種動(dòng)態(tài)聯(lián)接庫(kù)（DLL）、函數(shù)庫(kù)（Lib）、應(yīng)用程序接口（API）組成[3-6]。

在Visual C++中應(yīng)用Vega首先要對(duì)頭文件和庫(kù)文件路徑進(jìn)行如下設(shè)置：

1）在 Visual C++的菜單項(xiàng)“Tools”選項(xiàng)中，選擇“Directories”標(biāo)簽，將“Show directories for：”選為“Include files”。

2）若“c:paradigmvegainclude”（ c:paradigmvegainclude為Vega的安裝路徑）未出現(xiàn)在列表中，則將其添加進(jìn)來。

3）再將“Show directories for：”選為“Library files”。

4）若“c：paradigmvegalib”未出現(xiàn)在列表中，則將其添加進(jìn)來。

Vega應(yīng)用程序的啟動(dòng)步驟。

1）系統(tǒng)初始化：由函數(shù)vgInit Sys（）完成初始化Vega系統(tǒng)并創(chuàng)建共享內(nèi)存以及信號(hào)量等。

2）系統(tǒng)定義：由函數(shù) vgDefineSys （“my.adf”）讀入 ADF文件，完成應(yīng)用程序各個(gè)類的屬性的定義和初始化。

3）系統(tǒng)配置：通過調(diào)用函數(shù)vgConfigSys（）完成配置并啟動(dòng)系統(tǒng)。因此，每一個(gè)Vega應(yīng)用程序都必須包含以下函數(shù)語句：

vgInitSys（ ） ； //系統(tǒng)初始化

vgDefineSys （“Ddgj.adf”）； //系統(tǒng)定義，載入“.adf”文件

vgConfigSys（ ）； //系統(tǒng)配置

while （1）

{

vgSyncFrame（） ； //幀同步

vgFrame（）； //幀顯示

…… //系統(tǒng)仿真代碼或入口

}

Vega應(yīng)用程序每次執(zhí)行主循環(huán)刷新顯示幀時(shí)，都要調(diào)用vgSyncFrame（）和 vgFrame（），vgSyncFrame（）函數(shù)完成幀同步，vgFrame（）函數(shù)則完成幀的顯示。另外也可以在主循環(huán)中加入用戶的系統(tǒng)仿真模塊。

5 基于MFC的Vega應(yīng)用程序開發(fā)過程

為了產(chǎn)生一個(gè)基于MFC的Vega應(yīng)用程序，首先要生成一個(gè)基于MFC的Visual C++單文檔應(yīng)用程序項(xiàng)目，通過AppWizard生成一個(gè)單文檔應(yīng)用程序框架完成新項(xiàng)目的建立。

為了將Vega的基本程序框架合理地嵌入到單文檔應(yīng)用程序框架中，必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)啟動(dòng)一個(gè)Vega線程，由該線程完成虛擬場(chǎng)景的驅(qū)動(dòng)和渲染?？梢栽贑View類和CMyView類之間再插入一個(gè)CVegaView類，在這個(gè)CVeg aView類中加入Vega線程代碼及其啟動(dòng)函數(shù)，并在該線程中嵌入Vega的各個(gè)相關(guān)功能（主要為上述的建立Vega程序的3個(gè)步驟）。

由于是派生自CView類，CVegaView就擁有所有CView類的成員函數(shù)和消息映射。我們還必須為其添加專門的成員函數(shù)以完成建立Vega應(yīng)用程序的必要步驟。其中最主要的函數(shù)就是RunVega（），它的作用就是開啟Vega渲染線程和一些必要的初始設(shè)置。函數(shù)的主要代碼如下：

void CVegaView::RunVega（void ）

{

vegaThread=afxBeginThread（ RunVegaApp， this）；

win=vgGetWin（ 0 ）；

chan=vgGetChan（ 0 ）；

obs=vgGetObserv（ 0 ）；

scene=vgGetScene（ 0 ）；

vgProp（win，VGWIN_WINBORDER，0）；

}

線程函數(shù)RunVegaApp（）是一個(gè)全局函數(shù)，作為啟動(dòng)Vega線程的入口，完成Vega函數(shù)“初始化、定義、系統(tǒng)配置”和仿真循環(huán)的計(jì)算，其基本內(nèi)容如下：

UINT RunVegaApp（LPVOID pParam ）

{

CVegaView*pOwner= （CVegaView*）pParam；

vgInitWinSys（ AfxGetInstanceHandle（），

pOwner->GetSafeHwnd（） ）；

vgDefineSys（ pOwner->getAdfName（） ）；

vgConfigSys（）；

while（pOwner->getContinueRunning（））

{

vgSyncFrame （）；

vgFrame （）；

……. //系統(tǒng)仿真的相關(guān)運(yùn)算等操作

}

vgSyncFrame（）；

return 0；

}

至此，Vega渲染的函數(shù)就已經(jīng)基本完成，為了讓場(chǎng)景渲染到MFC的View里，還必須把主程序的View類 （假設(shè)為CMyView）的基類改成所引入的CVegaView類，也就是說，MFC的View就是Vega場(chǎng)景渲染區(qū)域，這也是我們?cè)O(shè)計(jì)CVegaView類的初衷。更改了基類之后，同時(shí)也要把該類的消息映射宏的基類參數(shù)進(jìn)行修改。在各文件中包含了適當(dāng)?shù)念^文件之后，一個(gè)完整的基于MFC的Vega應(yīng)用程序基本完成。

在飛行仿真過程中，可以配合鼠標(biāo)或鍵盤使多個(gè)視窗在主窗口和輔助窗口中切換，從而使重要視窗更便于觀察。由于Vega主循環(huán)每循環(huán)一次虛擬場(chǎng)景刷新一幀，因此我們?cè)赩ega主循環(huán)每循環(huán)一次時(shí)完成一次導(dǎo)彈數(shù)學(xué)模型的數(shù)值求解積分，并由計(jì)算求得的導(dǎo)彈空間位置和姿態(tài)位置來設(shè)置導(dǎo)彈在當(dāng)前幀中的位置。

該模擬器將基于計(jì)算機(jī)數(shù)值解法的彈道仿真和基于Visual C++的Vega虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈飛行的可視化。

圖2 導(dǎo)彈模擬器的視景仿真效果Fig.2 Scence simulation result of missile simulator

6 結(jié)束語

導(dǎo)彈模擬器是快速有效形成戰(zhàn)斗力的必需。本文研究了某型導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)模型，提出了某型導(dǎo)彈模擬器的設(shè)計(jì)思路；建立了基于MFC的Vega應(yīng)用程序開發(fā)過程，實(shí)現(xiàn)了某型導(dǎo)彈模擬器的研制。

[1]喬海巖，可偉，姚廷偉.艦船及艦載導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)軌跡模擬器設(shè)計(jì)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2012（34）：30-47.QIAO Hai-yan，KE Wei，YAO Ting-wei.Design of the ships and sea-based missile track simulator[J].Ship Science and Technology，2012（34）：30-47.

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