李 劍， 楊小強

（1.南京安爾瑞電子科技有限公司， 江蘇 南京 210000； 2.陸軍工程大學， 江蘇 南京 210007）

引言

新型火箭布雷車模擬訓練器可以準確模擬實裝操作方法、步驟，縮短訓練時間、節(jié)約訓練經(jīng)費、提高訓練效果，并且降低裝備損耗，保持戰(zhàn)備完好率，解決布雷車列裝部隊后訓練水平低、訓練手段落后的實際問題，特別是野戰(zhàn)條件下無法開展的實裝、實彈訓練科目，也可在模擬訓練器中反復練習，對于提高裝備訓練水平有著重要的現(xiàn)實意義和巨大的軍事經(jīng)濟價值[1-2]。

1 系統(tǒng)的總體方案設計

1.1 火箭布雷車模擬訓練系統(tǒng)操作席位布局設計

為全面訓練炮班成員操作技能，準確模擬布雷車作業(yè)步驟，必須根據(jù)實裝合理設計操作席位，確定模擬操縱部件與傳感器安裝位置，使操控系統(tǒng)與實裝布局基本一致，結合逼真的虛擬三維視景輸出，實現(xiàn)高度的沉浸感與表現(xiàn)力。

模擬訓練器共設置駕駛席、炮長席、指揮席、半自動操作席、操瞄席、監(jiān)控席等六個操作席位，主要用于布雷作業(yè)考核訓練。重點突出“導、控、仿、裁、評”一體化的布雷作業(yè)模擬仿真訓練理念；“導”在模擬訓練器的監(jiān)控席上完成布雷作業(yè)訓練科目的下達與過程管理；“控”在布雷車監(jiān)控席上完成對各席位的監(jiān)控管理；“仿”在模擬器各席位上通過半實物操作部件完成布雷車各類作業(yè)動作的虛擬仿真訓練；“評”通過在各個席位上設置過程評判參數(shù)及評估指標體系，完成對各個作業(yè)步驟的準確性評判；“裁”通過監(jiān)控席對布雷彈散步面積是否符合技術要求給出訓練成績，實現(xiàn)了作業(yè)過程及作用結果的綜合評判。

駕駛席用于訓練駕駛員的基本駕駛技能，炮長席考核炮長的指揮通信能力，操瞄席與半自動操作席實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)失效情況下的裝填彈、瞄準與操炮訓練，指揮席屬于輔助操作席位，是整個操控系統(tǒng)的控制終端，將指揮觀察終端軟件移植到PC機上，作為系統(tǒng)通信節(jié)點，解算射擊諸元，下達作戰(zhàn)命令，實現(xiàn)火箭布雷系統(tǒng)的多車協(xié)同作業(yè)訓練。監(jiān)控席，通過切換不同視角，能夠?qū)δM訓練器的其他各席位發(fā)布指令并且監(jiān)控器運行狀態(tài)。圖1為模擬訓練系統(tǒng)席位布局圖。

圖1 模擬訓練系統(tǒng)席位布局圖

1.2 硬件系統(tǒng)總體方案設計

硬件系統(tǒng)的關鍵問題是準確、及時地檢測操縱動作順序、力度、行程以及時間等特性參數(shù)，因此硬件設計的重點在于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)，其組成包括模擬操縱部件、傳感器、節(jié)點微處理器、通信接口電路、CAN通信總線、視景顯示與運動控制計算機[3]，如下頁圖2所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用傳感器檢測模擬操縱部件的動作信號，將位置、速度、加速度等物理量轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、通信接口電路進入單片機，進行數(shù)據(jù)計算與處理，單片機根據(jù)通信協(xié)議向CAN總線發(fā)送相應的數(shù)據(jù)報文，驅(qū)動虛擬三維視景與模擬發(fā)射裝置，輸出布雷車行駛、發(fā)射作業(yè)場景。

圖2 硬件系統(tǒng)總體方案

1.3 軟件系統(tǒng)總體設計

火箭布雷車模擬訓練器軟件系統(tǒng)，包括火箭布雷車仿真訓練模擬和火箭布雷車訓練仿真配置管理系統(tǒng)兩大部分和數(shù)據(jù)存儲模塊，如圖3所示。

1.3.1 虛擬仿真

虛擬仿真是火箭布雷車模擬訓練器中的核心模塊，主要包括訓練模式模塊、考核模式模塊、教學模式模塊、成績查詢模塊、進度加載模塊、系統(tǒng)配置模塊。

1）訓練模式模塊：主要是進行火箭布雷車仿真訓練，其中包括火箭布雷車駕駛、裝填彈、操炮、火箭布雷車發(fā)射、火箭布雷車撤收等仿真訓練科目。

2）考核模式模塊：主要進行科目訓練考核，考核過程中有時間限制，并且沒有訓練步驟提示。而且訓練過程中存在致命錯誤，如果訓練過程中出差，訓練考核立刻結束。

3）教學模式：該模塊中分為三部分內(nèi)容：理論學習、理論考試和考試成績查詢。

4）成績查詢：對于各個科目進行的訓練成績進行查看。可根據(jù)不同條件進行查詢，例如：用戶名、科目、訓練日期、分數(shù)區(qū)間等條件進行查詢。

5）進度加載：根據(jù)在訓練過程中臨時存檔的記錄進行讀檔的操作，并且讀檔后場景、訓練步驟、訓練分數(shù)等都能恢復之前的操作，可繼續(xù)上次存檔的時候進行訓練。

6）系統(tǒng)配置：可定制系統(tǒng)中的聲音是否打開或關閉、配置水域效果是高級還是低級、植被效果的高低配置等[4-5]。

1.3.2 配置系統(tǒng)

1）教學管理：上傳、修改、刪除教學文件（包括視頻、音頻）；

2）科目：添加、修改、刪除科目信息（由于科目使定制，此處修改科目，只能修改科目名稱、科目描述信息，目前不能添加科目）；

3）訓練規(guī)則：添加、修改、刪除訓練規(guī)則，配置訓練規(guī)則中的單個步驟的總分數(shù)，及規(guī)則的訓練完成時間等；

4）步驟、條件限制：配置訓練規(guī)則中的步驟的分數(shù)、限制條件、致命錯誤標志等。

1.3.3 數(shù)據(jù)庫存儲

數(shù)據(jù)庫采用目前最流行的SQLSERVER數(shù)據(jù)庫。

2 模擬訓練仿真軟件設計

2.1 火箭布雷彈彈道模型分析

針對仿真軟件彈道規(guī)劃及落點確定，需要對火箭布雷彈進行數(shù)值建模分析。某型火箭布雷彈發(fā)射時，當發(fā)射電路接通后，火箭發(fā)動機的電點火具發(fā)火，引燃電點火藥盒，點燃發(fā)射藥，燃燒室內(nèi)產(chǎn)生高溫、高壓氣體，沖開密封罩，形成推力，推動火箭布雷彈沿定向器運動，當火箭布雷彈離開定向器依靠穩(wěn)定器沿彈道飛行至預定時間，由傳火藥點燃推出發(fā)動機的點火藥，引燃發(fā)火藥，產(chǎn)生高溫、高壓氣體，形成推力，并在彈筒后錐部內(nèi)腔中形成燃氣壓力，在推力和燃氣壓力的共同作用下，推板推動彈筒內(nèi)的地雷向前運動，將地雷撒布在空中，進而落在地面，形成一定面積的地雷場。上述運動原理可將布雷彈在空氣中運動的全彈道分為三大部分研究。

第一部分為火箭彈從發(fā)射出定向管后到開倉與地雷分離。此段彈道模型類似于普通的火箭彈外彈道研究，一般來說，火箭彈在空中的運動規(guī)律分為兩個部分，即主動段和被動段。記推力加速度/mV，空氣阻力加速度 ax=CH（y）F（v，a），則可得到火箭彈在主動段的運動微分方程組：

在給定的初始條件下，求解該方程組，主要目的是求點 k 諸元 vk，θk，xk，yk，繼而求解被動段的運動規(guī)律，對火箭布雷彈而言，主動段不長，只有數(shù)十米，即使xk，yk有些誤差，對全程的影響不大，而切線傾角θ在全主動段變化也很小，一般為3°以下，因此，影響計算射程準確性的主要諸元時vk，它是彈體動能的來源，對射程的大小和準確性影響較為明顯。

對公式（1）建立求解方程，采用基于Runge-Kutta公式的模糊仿真法進行求解，該方法為較為客觀地描述布雷彈分離點的位置提供了操作性很強的數(shù)學方法。限于篇幅，本文不詳細介紹算法的求解過程，具體可參考相關文獻。

第二段從地雷與火箭彈分離到地雷上的降落傘完全張滿。地雷剛從雷艙推出，仍保持為一直桿狀態(tài)作整體飛行約0.5 s，0.8 s后地雷的傘衣全部張滿。根據(jù)地雷在空中飛行的特點，該段假設地雷開始保持原來裝配狀態(tài)成一直桿作整體飛行，0.5 s后，系統(tǒng)突然失穩(wěn)，降落傘瞬時張滿的條件下，由于開艙火藥的加速過程，其速度大于開艙時火箭彈的速度，并基本保持不變。因此，該段模型認為開艙后地雷的速度等于開艙時布雷彈的速度與地雷的速度之和，并且保持不變。建立外彈道模型。

取n個不等距節(jié)點為xi（i=0，1，2，…，n），其相應的函數(shù)值為yi（i=0，1，2，…，n），利用拋物線插值方法計算任意點t點的函數(shù)近似值為：

第三段從地雷降落傘張滿到地雷落地。由于地雷采用了降落傘減速裝置，在戰(zhàn)斗部未打開之前，受阻力較小，開傘后飛行阻力增大，彈道偏離原彈道線，加之氣動力特性及降落傘增阻過程的復雜性，因此，降落傘張滿到地雷落地這一段將雷—傘作為一個整體，進行外彈道模型研究。

根據(jù)前面建立的三段不同彈道計算模型，針對新型火箭布雷車布雷彈的特性參數(shù)，編寫了通用計算程序[6]。該程序能夠在任何大氣條件下進行彈道解算計算。根據(jù)給定的彈道初始條件以及彈道特征參數(shù)，利用上面給出的彈道模型和彈道軟件計算射角為48°的彈道曲線，如圖4所示。

圖4 射角為48°時的彈道曲線

2.2 仿真系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

2.2.1 仿真系統(tǒng)結構

圖5為仿真系統(tǒng)框架結構。駕駛席與炮長席公用一臺主機，操瞄席和半自動操作席公用一臺主機，指揮席與監(jiān)控席公用一臺主機，通過分屏技術，每臺主機外接兩臺顯示器，席位與顯示器一一對應。

三臺主機分別接入以太網(wǎng)，駕駛席與炮長席主機作為客戶端1，操瞄席和半自動操作席主機作為客戶端2，指揮席與監(jiān)控席主機作為服務器端，主機之間數(shù)據(jù)交互通過TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議進行傳輸，駕駛席與炮長席的數(shù)據(jù)交互、操瞄席和半自動操作席的數(shù)據(jù)交互、指揮席與監(jiān)控席的數(shù)據(jù)交互都是進程內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞。每個席位都對應硬件操作臺，通過串口對硬件數(shù)據(jù)進行采集發(fā)送[7]。

圖5 仿真系統(tǒng)框架

2.2.2 三維場景仿真

三維視景仿真以Unity 3D游戲引擎為開發(fā)平臺，以視景仿真數(shù)據(jù)庫為基礎，通過3D技術逼真地生成布雷車駕駛操作過程、布雷裝備發(fā)射過程和火箭布雷彈的布雷過程等場景[8]。包括地面環(huán)境模擬、裝備及火箭彈運行模擬、火箭彈發(fā)射效果、動態(tài)布雷效果等。

3 結語

新型火箭布雷車模擬訓練系統(tǒng)解決了目前工程兵部隊受場地、經(jīng)費、安全性等因素導致的實裝訓練無法開展的技術難題，為工程兵部隊開展新型火箭布雷車的訓練與教學提供了一種貼近實戰(zhàn)的模擬訓練系統(tǒng)。模擬訓練系統(tǒng)設置了駕駛席、炮長席、操瞄席、半自動操作席、指揮席、監(jiān)控/導調(diào)席等角色席位的模擬，可用于布雷班組按照布雷車實際作業(yè)過程，提供滿足布雷班組協(xié)同作業(yè)需要的布雷車戰(zhàn)術作業(yè)模擬訓練環(huán)境。該模擬訓練系統(tǒng)對于提高火箭布雷裝備訓練技能、提高士兵訓練積極性、節(jié)約裝備訓練成本有重要意義。