劉華寧

摘 要：實(shí)現(xiàn)三維可視化的引戰(zhàn)配合是引戰(zhàn)配合仿真發(fā)展的重要方向，為快速、直觀地評(píng)估引戰(zhàn)配合效果奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。為了解決基于Matlab目標(biāo)三維模型與破片動(dòng)態(tài)飛散場(chǎng)的可視化引戰(zhàn)配合仿真難題，本文提出了目標(biāo)“點(diǎn)集化”的思想，采用通用化建模軟件Creo完成目標(biāo)三維建模及目標(biāo)坐標(biāo)系定義并形成STP或IGS結(jié)果文件，再利用UG完成模型格式轉(zhuǎn)換形成STL文本文件，進(jìn)而利用Matlab進(jìn)行目標(biāo)三維模型“點(diǎn)集”提取，導(dǎo)入引戰(zhàn)配合模型計(jì)算后形成戰(zhàn)斗部起爆時(shí)刻目標(biāo)在彈體坐標(biāo)系下的“點(diǎn)集”及破片空間坐標(biāo)“點(diǎn)集”，最后利用Matlab進(jìn)行目標(biāo)和破片場(chǎng)的復(fù)現(xiàn)可得到三維可視化的引戰(zhàn)配合效果。研究結(jié)果表明：采用該方法可將大尺寸典型目標(biāo)簡(jiǎn)化成用多邊形來(lái)定義多面體，形成可被Matlab快速處理的目標(biāo)模型，可用于引戰(zhàn)配合仿真計(jì)算，為在Matlab下實(shí)現(xiàn)引戰(zhàn)配合三維可視化提供了新的技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞：Maltab;三維顯示;引戰(zhàn)配合;可視化仿真

0? 引言

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的引戰(zhàn)配合是一項(xiàng)十分復(fù)雜的過(guò)程，它涉及多個(gè)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，其技術(shù)分析和結(jié)果確認(rèn)的常用辦法是通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)。但實(shí)物試驗(yàn)不僅周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，且具有統(tǒng)計(jì)特性的總體性能指標(biāo)是實(shí)物試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的，少數(shù)試驗(yàn)給出的結(jié)果置信水平較低，仿真技術(shù)是解決這一難題的有效技術(shù)手段。引戰(zhàn)配合可視化仿真技術(shù)可以重復(fù)地實(shí)現(xiàn)整個(gè)引戰(zhàn)配合過(guò)程，代替或部分代替實(shí)彈打靶試驗(yàn)，可以縮短研制周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)國(guó)外對(duì)三種不同地空導(dǎo)彈愛(ài)國(guó)者、羅蘭特、尾刺的研制過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)，采用仿真技術(shù)后靶試試驗(yàn)減少了30%～60%，研制費(fèi)用節(jié)省了10%～40%，研制周期縮短30%～40%[1-3]。

引戰(zhàn)配合三維計(jì)算機(jī)仿真通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，包括目標(biāo)模型、引信模型、戰(zhàn)斗部破片飛散模型、破片命中目標(biāo)模型等，在計(jì)算機(jī)上模擬引戰(zhàn)配合全過(guò)程。三維計(jì)算機(jī)仿真和物理仿真相比較，優(yōu)點(diǎn)在于它的代價(jià)低，并可以模擬物理仿真中難以模擬的情況，Matlab軟件強(qiáng)大的數(shù)值算法技術(shù)和圖形圖像處理技術(shù)為引戰(zhàn)配合的三維計(jì)算機(jī)仿真創(chuàng)造了良好的條件，國(guó)內(nèi)外正在開(kāi)發(fā)大量引戰(zhàn)配合仿真軟件，引戰(zhàn)配合目標(biāo)模型是當(dāng)前研究的重要方向，目標(biāo)建模方法的不斷完善，使基于Matlab的引戰(zhàn)配合三維仿真成為研究引戰(zhàn)配合的重要手段。

本文所做的工作就是基于通用三維建模軟件完成引戰(zhàn)配合用的目標(biāo)三維建模、前處理及后處理顯示，它是建立在引戰(zhàn)配合理論及計(jì)算模型基礎(chǔ)之上，使用Matlab的處理手段和方法處理引戰(zhàn)配合形成的目標(biāo)空間位置及破片場(chǎng)空間位置，并用三維仿真手段展現(xiàn)引戰(zhàn)配合效果，指導(dǎo)引戰(zhàn)系統(tǒng)完善設(shè)計(jì)。

1? 坐標(biāo)系及格式定義

引戰(zhàn)配合常用坐標(biāo)系包括彈體坐標(biāo)系（OX1Y1Z1）和目標(biāo)坐標(biāo)系（OXmYmZm），詳細(xì)定義如下：

彈體坐標(biāo)系：通常以導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，X1軸沿著彈軸方向，向前為正;Y1軸位于導(dǎo)彈縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，過(guò)原點(diǎn)垂直于X1軸，向上為正;Z1軸符合右手系。

目標(biāo)坐標(biāo)系：通常以目標(biāo)重心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，Xm軸沿著目標(biāo)軸線方向，向前為正;Ym軸位于目標(biāo)縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，過(guò)原點(diǎn)垂直于Xm軸，向上為正;Zm軸符合右手系。

STL文件格式：STL是由3D Systems軟件公司創(chuàng)立、原本用于立體光刻計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的文件格式，僅描述三維物體的表面幾何形狀，由三角面片的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)及法向量構(gòu)成，有文字和二進(jìn)碼兩種型式。

2? 破片飛散場(chǎng)表征

地空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部類型多采用破片式殺傷戰(zhàn)斗部，主要靠高速破片殺傷空氣動(dòng)力目標(biāo)，因此在進(jìn)行毀傷模擬時(shí)主要考慮破片毀傷。

破片動(dòng)態(tài)飛散場(chǎng)模擬：影響破片動(dòng)態(tài)飛散場(chǎng)效果的主要因素包括破片初速度、破片衰減系數(shù)、破片飛散角、導(dǎo)彈和目標(biāo)速度三分量（利用遭遇時(shí)刻的導(dǎo)彈速度、目標(biāo)速度及彈道參數(shù)求解得到）等，因此，對(duì)破片動(dòng)態(tài)飛散場(chǎng)的模擬主要考慮上述幾個(gè)因素，可以采用粒子系統(tǒng)思想模擬破片飛散過(guò)程，并采用射線法實(shí)現(xiàn)可視化仿真，不考慮破片質(zhì)量[4-5]。根據(jù)起爆時(shí)導(dǎo)彈的速度參量、目標(biāo)速度參量、戰(zhàn)斗部破片的初速度參量計(jì)算出戰(zhàn)斗部全方位破片飛散方向角（破片飛散方向與彈軸正向的夾角），以破片飛散方向角、破片最大飛散距離計(jì)算得到任意射線在飛散距離端三坐標(biāo)，在戰(zhàn)斗部360°范圍內(nèi)繪制出破片的飛散射線，形成空心錐形空間區(qū)域，即戰(zhàn)斗部破片的動(dòng)態(tài)殺傷區(qū)域如圖1 所示。

2? 三維建模與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

為了實(shí)現(xiàn)在Matlab中三維顯示破片場(chǎng)及爆炸時(shí)刻目標(biāo)與導(dǎo)彈的空間位置關(guān)系，在目標(biāo)坐標(biāo)系下建立目標(biāo)三維模型，并形成STL格式的目標(biāo)三維模型“點(diǎn)集”，具體過(guò)程如下：

首先，通過(guò)收集典型目標(biāo)的相關(guān)幾何參數(shù)，再利用Creo軟件建立三維模型，詳細(xì)建模過(guò)程參見(jiàn)UG建模標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

然后，利用Creo軟件進(jìn)行坐標(biāo)系重新定義，使目標(biāo)三維模型滿足目標(biāo)坐標(biāo)系要求，操作過(guò)程如下：

①點(diǎn)擊“坐標(biāo)系”彈出坐標(biāo)系設(shè)置窗口;

②選定已有坐標(biāo)系為參考，并通過(guò)X、Y、Y偏移值將新建坐標(biāo)系設(shè)置在目標(biāo)重心;

③設(shè)置坐標(biāo)系“方向”，使X、Y、Y軸滿足目標(biāo)坐標(biāo)系規(guī)定方向;

④通過(guò)另存設(shè)置選定新建坐標(biāo)系為模型坐標(biāo)系，形成目標(biāo)坐標(biāo)系下模型，如圖2所示。

最后，利用UG三維模型軟件重新打開(kāi)目標(biāo)三維模型，通過(guò)“導(dǎo)出”方式選定“STL”輸出后選擇“文本”格式，通過(guò)設(shè)置“三角公差”和“相鄰公差”，一般取10，將模型另存為目標(biāo)“點(diǎn)集”格式。

利用Matlab編制前處理程序完成目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)提取和目標(biāo)三維可視化呈現(xiàn)，主要思路為根據(jù)STL文件中數(shù)據(jù)輸出規(guī)則，進(jìn)行數(shù)據(jù)位置定位并分別提取，而后利用“fill3”以每三個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)為一組進(jìn)行目標(biāo)三維重構(gòu)，由Matlab重構(gòu)的RQ-4b模型如圖3所示。

通過(guò)上述方法，完成了目標(biāo)等比例模型在Matlab中的可視化，利用Fortran程序中的目標(biāo)坐標(biāo)定義，可以將Matalb提取的目標(biāo)三維“點(diǎn)集”導(dǎo)入其中計(jì)算，進(jìn)而通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換輸出戰(zhàn)斗部起爆時(shí)刻目標(biāo)在彈體坐標(biāo)系中的相對(duì)位置關(guān)系，進(jìn)而表征出破片場(chǎng)和目標(biāo)的位置關(guān)系，即完成引戰(zhàn)配合效果的三維可視化，如圖4所示。

3? 結(jié)論

本文從引戰(zhàn)配合三維可視化實(shí)現(xiàn)的需求出發(fā)，利用常用的三維建模軟件實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)在Matlab中的重構(gòu)，并與引戰(zhàn)配合計(jì)算模型結(jié)合，利用提取的目標(biāo)“點(diǎn)集”進(jìn)行仿真計(jì)算，進(jìn)而得到了戰(zhàn)斗部起爆時(shí)刻彈體系下目標(biāo)空間三坐標(biāo)集合，再利用Matlab圖像處理功能復(fù)現(xiàn)了破片場(chǎng)命中目標(biāo)情況。

通過(guò)該方法使引戰(zhàn)配合仿真從傳統(tǒng)的二維角度配合表征向三維實(shí)體配合表征轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了引戰(zhàn)配合三維可視化，為更直觀地反應(yīng)引戰(zhàn)配合效果奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn) ：

[1]馮燕. 引戰(zhàn)配合系統(tǒng)三維可視化仿真研究[D].西安電子科技大學(xué)，2007.

[2]陳峰. 彈目交會(huì)三維可視化仿真技術(shù)研究[D].沈陽(yáng)理工大學(xué)，2015.

[3]蔡亞菲. 引戰(zhàn)配合可視化仿真關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué)，2015.

[4]王宏，萬(wàn)夕干.地空導(dǎo)彈攔截空中目標(biāo)可視化研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)， 2016（3）：22-24.

[5]周 宗 海.引戰(zhàn)配合可視化及其實(shí)現(xiàn)[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2001（4）：52-57.