曹立飛，曹紅松，劉鵬飛，張芝源，李金新，李 超

(1. 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051； 2. 陸軍炮兵防空兵學(xué)院鄭州校區(qū)，河南 鄭州 450052；3. 中國人民解放軍第3606工廠，山西 侯馬 043000)

隨著軍事智能化的作戰(zhàn)樣式、 戰(zhàn)爭形態(tài)的加速演變，武器裝備的升級(jí)換代以及保障技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)地面防空作戰(zhàn)也提出了更高的要求，并進(jìn)一步推動(dòng)了地面防空作戰(zhàn)力量機(jī)械化、 信息化、 智能化融合發(fā)展，新型防空武器裝備的訓(xùn)練和試驗(yàn)面臨諸多挑戰(zhàn).

當(dāng)前，靶彈作為特定的戰(zhàn)場目標(biāo)特性模擬器，是考核武器裝備戰(zhàn)技指標(biāo)、 驗(yàn)證作戰(zhàn)效能、 提高訓(xùn)練水平的重要手段[1,2]，戰(zhàn)斗力生成能力也直接取決于靶彈技術(shù)的發(fā)展水平[3,4]. 由于使用靶機(jī)等設(shè)備作為靶彈進(jìn)行地空導(dǎo)彈射擊操作訓(xùn)練成本居高不下[5]，且飛行速度較低致使訓(xùn)練效果差. 基于此，制式火箭彈改造為靶彈是主要發(fā)展方向之一. 目前，用于配合地空導(dǎo)彈訓(xùn)練的靶彈主要有： 頭部噴射曳光火箭靶彈[6]、 中高空超音速有控火箭靶彈[7]、 TDI-CCD光靶彈[8]等.

由于任務(wù)規(guī)劃需求逐漸增多，同時(shí)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐步發(fā)展[9]，圍繞智能化作戰(zhàn)環(huán)境下的地面防空作戰(zhàn)需求，解決實(shí)際作戰(zhàn)中的薄弱和重點(diǎn)環(huán)節(jié)成為亟待解決的重要難題. 因此，有必要對(duì)傳統(tǒng)的訓(xùn)練體系進(jìn)行補(bǔ)充和完善[10]. 而目前虛擬試驗(yàn)所代表的驗(yàn)證手段日益成熟，其理念和方法也得到初步認(rèn)可.

本文依照“精確任務(wù)支持、 仿真系統(tǒng)驗(yàn)證”的設(shè)計(jì)思路，開發(fā)了一套高速靶彈任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，并構(gòu)建了基于VR-Forces的虛擬仿真模塊，以訓(xùn)練試驗(yàn)數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，提供可視化分析與決策，為地面防空日常訓(xùn)練提供輔助決策支持，更好地滿足了防空作戰(zhàn)訓(xùn)練需求.

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

靶彈任務(wù)規(guī)劃與虛擬仿真系統(tǒng)由4個(gè)子系統(tǒng)組成，分別為靶彈彈道及射表計(jì)算子系統(tǒng)、 靶彈及導(dǎo)彈任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)、 數(shù)據(jù)傳輸與處理子系統(tǒng)和VR-Forces虛擬仿真子系統(tǒng). 系統(tǒng)功能模塊及功能設(shè)計(jì)如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)整體框架Fig.1 Function design of task planning system

靶彈彈道及射表計(jì)算子系統(tǒng)包括計(jì)算參數(shù)配置模塊、 6自由度彈道計(jì)算模塊和多任務(wù)射表計(jì)算模塊，能夠進(jìn)行靶彈彈道和多任務(wù)射表計(jì)算.

靶彈任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)包括靶彈任務(wù)規(guī)劃模塊、 導(dǎo)彈任務(wù)規(guī)劃模塊和訓(xùn)練方案優(yōu)化模塊，能夠基于地形數(shù)據(jù)對(duì)靶彈和導(dǎo)彈發(fā)射任務(wù)進(jìn)行方案布置并在地圖進(jìn)行展示.

數(shù)據(jù)傳輸與處理子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)交換與解析模塊、 彈道諸元分析統(tǒng)計(jì)模塊和規(guī)劃方案報(bào)告生成模塊，可通過提供的軟硬件接口對(duì)氣象數(shù)據(jù)和定位定向數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和管理，同時(shí)對(duì)彈道計(jì)算和方案規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和導(dǎo)出.

VR-Forces虛擬仿真子系統(tǒng)基于VR-Forces提供的虛擬視景仿真引擎進(jìn)行虛擬靶場布置、 彈道可視化仿真和訓(xùn)練任務(wù)預(yù)演等.

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

系統(tǒng)開發(fā)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，提出如圖2 所示的系統(tǒng)開發(fā)方案. 首先，針對(duì)靶彈任務(wù)規(guī)劃及仿真需求，明確高速靶彈訓(xùn)練內(nèi)容； 其次，劃分軟件模塊并確定軟件數(shù)據(jù)接口及協(xié)議，采取分模塊開發(fā)、 按需集成的模式進(jìn)行軟件開發(fā)[11]； 最后，進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào)、 軟件功能測試及修改.

圖2 軟件開發(fā)流程Fig.2 software development process

根據(jù)系統(tǒng)主要功能模塊，首先，基于Android進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃3個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)，主要通過Android Studio進(jìn)行界面設(shè)計(jì)并采用JNI實(shí)現(xiàn)安卓平臺(tái)的彈道計(jì)算； 其次，基于OSMDroid實(shí)現(xiàn)基于視景地圖的任務(wù)規(guī)劃模塊； 最后，基于VR-Forces提供的C++ 二次開發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)靶彈虛擬仿真訓(xùn)練.

2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

2.1 基于Android的彈道及射表計(jì)算

在靶彈任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中，彈道及射表計(jì)算是任務(wù)規(guī)劃的核心，改造后的靶彈由于氣動(dòng)特性及結(jié)構(gòu)改變，不能繼續(xù)使用原有制式火箭彈的成熟射表，需根據(jù)供靶要求實(shí)地計(jì)算發(fā)射位置、 方角位和射角等參數(shù)，也需要對(duì)高速靶彈彈道及射表進(jìn)行重新計(jì)算和規(guī)劃. 為了方便任務(wù)規(guī)劃使用，本文基于手持式便攜Android設(shè)備進(jìn)行彈道計(jì)算的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).

1) 射表快速計(jì)算原理

由于射表計(jì)算過程中傳統(tǒng)迭代法通過射程求解射角速度較慢，為了快速計(jì)算靶彈射表，進(jìn)而求解該射程下對(duì)應(yīng)的彈道諸元和供靶參數(shù)，本文采用快速彈道求解方法，同時(shí)，通過JNI接口實(shí)現(xiàn)彈道和射表的高效計(jì)算.

射表快速計(jì)算流程如圖3 所示，首先，選取輸入射程范圍中的上下界射程進(jìn)行相應(yīng)射角的求解； 然后，通過特征點(diǎn)，求解出對(duì)應(yīng)的射角； 最后，通過最小二乘法擬合出射角與射程對(duì)應(yīng)的曲線方程，通過該曲線方程求解出給定射程范圍中其他射程對(duì)應(yīng)的射角.

圖3 射表快速計(jì)算流程

2) 計(jì)算模塊開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

由于彈道和射表實(shí)時(shí)計(jì)算運(yùn)算量大、 占用系統(tǒng)資源多，為解決Android平臺(tái)上Java語言運(yùn)算速度慢、 效率低的問題，采用Java和C++語言混合編程，通過調(diào)用Java Native Interface (JNI)接口實(shí)現(xiàn)Java代碼和其他語言(C++)的代碼交互[12]，獲取卓越的計(jì)算性能. 在Android Studio平臺(tái)中JNI接口調(diào)用通過其提供的Native Development Kit (NDK)原生開發(fā)工具包來實(shí)現(xiàn)，使用該工具進(jìn)行開發(fā)可有效提高彈道和射表實(shí)時(shí)計(jì)算的速度和效率.

靶彈彈道及射表計(jì)算由計(jì)算參數(shù)配置模塊、 6自由度彈道計(jì)算模塊和多任務(wù)射表計(jì)算模塊3部分組成. 首先將6自由度彈道解算的C++模塊和Java結(jié)合，通過JNI接口將彈道結(jié)果傳遞到Java應(yīng)用層； 再將提取的靶彈供靶指標(biāo)通過SmartTable模塊創(chuàng)建的表格進(jìn)行顯示即可完成射表快速計(jì)算； 最后采用TChart提供的繪圖控件進(jìn)行彈道曲線繪制. 該模塊實(shí)現(xiàn)如圖4 所示.

圖4 彈道及射表快速計(jì)算程序Fig.4 Ballistics and firing table fast calculation

2.2 基于OSMDroid的任務(wù)規(guī)劃

任務(wù)規(guī)劃模塊主要功能為基于地理信息進(jìn)行靶彈和導(dǎo)彈的發(fā)射陣地方案布置，主要分為以下4個(gè)步驟：

1) 靶彈任務(wù)指標(biāo)確定： 根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)中的導(dǎo)彈類型、 靶彈模擬的目標(biāo)類型來確定靶彈的供靶指標(biāo)(靶彈飛行速度、 飛行高度、 可供靶時(shí)間、 彈道傾角等)； 然后依據(jù)指標(biāo)進(jìn)行靶彈彈道及射表計(jì)算以確定最優(yōu)發(fā)射參數(shù).

2) 發(fā)射陣地確定： 通過定位信息自動(dòng)切換地圖到實(shí)際訓(xùn)練場地區(qū)域后選擇合適的靶彈和導(dǎo)彈發(fā)射位置以及靶彈落區(qū)，根據(jù)地圖信息確保訓(xùn)練區(qū)域達(dá)到發(fā)射和訓(xùn)練要求；

3) 任務(wù)規(guī)劃： 通過已確定的供靶指標(biāo)和發(fā)射位置等參數(shù)進(jìn)行任務(wù)方案規(guī)劃，求解導(dǎo)彈航路捷徑、 靶彈射角、 射向等參數(shù)，并在地圖上展示航路捷徑、 落區(qū)范圍、 靶彈飛行區(qū)域等.

任務(wù)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)及參數(shù)設(shè)置界面如圖5 所示. 該模塊使用OSMDroid進(jìn)行開發(fā)[13]，OSMDroid包含一個(gè)模塊化的地圖操作API，支持在線和離線地圖、 覆蓋地圖、 標(biāo)注圖標(biāo)、 位置跟蹤和繪制形狀. 首先通過MapView實(shí)現(xiàn)地圖瓦片數(shù)據(jù)的加載，然后實(shí)現(xiàn)點(diǎn)線面繪制以及定位功能，最后添加Overlay點(diǎn)擊事件實(shí)現(xiàn)取點(diǎn)功能.

圖5 任務(wù)規(guī)劃參數(shù)設(shè)置界面Fig.5 Task planning parameter setting interface

2.3 基于VR-Forces的虛擬仿真

VR-Forces是一款兵力生成以及戰(zhàn)場仿真軟件，其配套工具豐富，包括想定編輯器、 實(shí)體編輯器、 對(duì)象參數(shù)數(shù)據(jù)庫編輯器以及地形數(shù)據(jù)庫工具等，極大地方便用戶進(jìn)行想定編寫和戰(zhàn)場環(huán)境模擬[14,15]. 采用面向?qū)ο蟮乃枷耄渲?，每個(gè)實(shí)體都有對(duì)象的行為和屬性，可對(duì)戰(zhàn)術(shù)指揮訓(xùn)練、 計(jì)算機(jī)兵力生成等模擬訓(xùn)練提供所有必要的仿真模擬.

基于VR-Forces的靶彈訓(xùn)練虛擬仿真模塊主要是為模擬地面防空部隊(duì)在面對(duì)敵方來襲的低、 中、 高速靶標(biāo)的場景下，對(duì)士兵操作單兵便攜式防空武器和車載式防空導(dǎo)彈進(jìn)行針對(duì)性的戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練及模擬，并提供對(duì)空攔截作戰(zhàn)訓(xùn)練的輔助決策支持. 基于虛擬仿真模塊的仿真需求，并結(jié)合VR-Forces仿真平臺(tái)的特點(diǎn)，給出的仿真模塊整體框架如圖6 所示.

圖6 虛擬仿真模塊整體框架Fig.6 The framework of virtual simulation module

在VR-Forces中，仿真實(shí)體用來表示兵力，在環(huán)境中扮演角色并對(duì)環(huán)境做出響應(yīng)，執(zhí)行任務(wù)，模擬物理行為[15]. 仿真實(shí)體是仿真系統(tǒng)中的重要組成部分，也是影響戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練結(jié)果的直接因素. 為了可以更加準(zhǔn)確地模擬不同平臺(tái)和武器之間的交互，需要對(duì)仿真環(huán)境中訓(xùn)練場景、 仿真實(shí)體和運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行實(shí)物化建模并在Windows平臺(tái)下，基于MAK VR-Forces 4.2，以Visual Studio 2010為開發(fā)環(huán)境，QT 4.7.4為GUI框架，開發(fā)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真模塊. 其開發(fā)流程為：

1) 訓(xùn)練場景建模. 由于靶彈訓(xùn)練一般在固定場地，所以選定常用訓(xùn)練場地并獲取其地形數(shù)據(jù)(高程數(shù)據(jù)、 影像和特征數(shù)據(jù))，然后通過TDB工具制作地形數(shù)據(jù)文件，將地形數(shù)據(jù)導(dǎo)出為MTF Files，便可通過VR-Forces進(jìn)行加載并使用.

2) 仿真實(shí)體建模. 采用CAD軟件建立靶彈訓(xùn)練過程中涉及的靶彈、 單兵導(dǎo)彈及地空導(dǎo)彈模型并導(dǎo)出為stl格式，通過Multigen Creator軟件對(duì)模型進(jìn)行處理并生成VR-Forces可用的flt格式，再通過Entity Editor工具將模型添加到武器和實(shí)體庫中以供調(diào)用.

3) 實(shí)體運(yùn)動(dòng)學(xué)建模. 實(shí)體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型主要用于描述空中靶標(biāo)和防空導(dǎo)彈的物理行為，可分別定義傳感器、 控制器和執(zhí)行器來完成實(shí)體模型如靶彈和導(dǎo)彈的任務(wù)執(zhí)行和決策、 信息處理以及與其他實(shí)體進(jìn)行交互[16]； 在靶彈虛擬仿真中，可以實(shí)現(xiàn)通信模擬、 靶彈探測、 消息傳輸以及修改實(shí)體位置、 速度、 毀傷等內(nèi)容，可以更加真實(shí)的模擬實(shí)際訓(xùn)練內(nèi)容.

4) 靶彈與導(dǎo)彈彈道仿真實(shí)現(xiàn). 由于VR-Forces平臺(tái)本身只采用簡單拋物線進(jìn)行彈道模擬，這樣無法反應(yīng)真實(shí)彈道運(yùn)動(dòng)軌跡，所以通過VR-Forces提供的Plug-in接口來實(shí)現(xiàn)靶彈彈道控制. 基本流程為： ① 定義一個(gè)執(zhí)行器，通過執(zhí)行器獲取靶彈或?qū)棤顟B(tài)信息(位置、 速度、 運(yùn)動(dòng)方向和旋轉(zhuǎn)速度)； ② 定義彈體坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系并計(jì)算出實(shí)體的狀態(tài)變化及相關(guān)加速度變化； ③ 通過不同時(shí)刻和位置及速度計(jì)算出實(shí)體速度增量、 位置增量、 角速度和角度方位； ④ 將所有信息通過接口Plug-in更新到場景中. 至此便可在VR-Forces中實(shí)現(xiàn)靶彈質(zhì)點(diǎn)彈道方程. 靶彈運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)如圖7 所示.

圖7 靶彈彈道仿真Fig.7 Ballistic simulation of target projectile

5) 靶彈與導(dǎo)彈任務(wù)分配. 通過以上步驟已經(jīng)建立了虛擬訓(xùn)練仿真的基本場景，現(xiàn)通過想定編輯模塊分別為靶彈和導(dǎo)彈編寫Entity Plans，然后通過設(shè)置Task向?qū)嶓w分配任務(wù)，為導(dǎo)彈設(shè)置雷達(dá)探測范圍并開啟自主攻擊模型，使導(dǎo)彈可以在發(fā)現(xiàn)靶彈目標(biāo)后自主攻擊.

3 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證靶彈任務(wù)規(guī)劃與虛擬仿真的各項(xiàng)功能，本文選取便攜式地空導(dǎo)彈供靶指標(biāo)進(jìn)行仿真分析，各項(xiàng)供靶指標(biāo)見表 1. 為了方便訓(xùn)練使用，任務(wù)規(guī)劃軟件搭載于軍用便攜式平板之上，如圖8 所示，可供訓(xùn)練人員靈活操作.

表 1 供靶指標(biāo)Tab.1 Indicators of target

圖8 硬件平臺(tái)Fig.8 Hardware platform

3.1 彈道及射表計(jì)算驗(yàn)證

選定最大射程范圍為5 km～6 km進(jìn)行射表計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9 所示，由此可得滿足供靶指標(biāo)的靶彈射角應(yīng)處于32.1°～36.74°之間，此時(shí)飛行時(shí)間大于26 s，射程小于6 km，靶彈供靶段飛行速度為206 m/s～280 m/s，滿足供靶指標(biāo)要求.

圖9 射表計(jì)算結(jié)果Fig.9 The result of firing table calculates

3.2 發(fā)射任務(wù)規(guī)劃驗(yàn)證

任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)是依據(jù)導(dǎo)彈的工作過程及性能指標(biāo)制定相應(yīng)的靶彈發(fā)射策略和方案，用戶可在地圖上選點(diǎn)，以確定靶彈發(fā)射位置和落區(qū)，也可直接輸入經(jīng)緯度坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)選點(diǎn)，選點(diǎn)完成后通過解算給出導(dǎo)彈航路捷徑、 發(fā)射位置、 攻擊方式(迎攻或尾追)等參數(shù)，并在地圖上展示，以供用戶選擇使用. 在地圖上進(jìn)行一次任務(wù)規(guī)劃操作結(jié)果如圖10 所示，分別確定靶彈和導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)以及靶彈落區(qū)，會(huì)自動(dòng)解算得出任務(wù)規(guī)劃結(jié)果，其中，白線為靶彈彈道，黑線為導(dǎo)彈航路捷徑，圖上還會(huì)標(biāo)記相關(guān)訓(xùn)練信息方便查看.

圖10 任務(wù)規(guī)劃結(jié)果Fig.10 Task planning results

3.3 VR-Forces的虛擬仿真驗(yàn)證

通過彈道計(jì)算和任務(wù)規(guī)劃確定導(dǎo)彈防空訓(xùn)練方案后，可在虛擬仿真模塊中進(jìn)行訓(xùn)練預(yù)演和方案評(píng)估，靶彈訓(xùn)練虛擬仿真場景如圖11 所示，進(jìn)行虛擬仿真時(shí)首先分別布置靶彈發(fā)射陣地和導(dǎo)彈陣地，然后分別為靶彈和導(dǎo)彈配置仿真參數(shù)及任務(wù)計(jì)劃，開始仿真后會(huì)根據(jù)靶彈和導(dǎo)彈飛行路徑預(yù)先繪制出運(yùn)動(dòng)軌跡如圖中防空訓(xùn)練場景所示.

圖11 虛擬仿真場景Fig.11 Virtual simulation scenario

4 結(jié) 論

本文針對(duì)地空導(dǎo)彈訓(xùn)練中高速靶彈任務(wù)規(guī)劃問題，提出了一種基于安卓平臺(tái)的高速靶彈任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，采用彈道快速解算與混合編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了彈道與射表的快速計(jì)算，使用OSMDroid開發(fā)了基于地圖的發(fā)射任務(wù)規(guī)劃模塊； 基于VR-Forces仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了高速靶彈虛擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，可進(jìn)行多種任務(wù)場景下高速靶彈與地空導(dǎo)彈的訓(xùn)練過程，并對(duì)仿真態(tài)勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示； 完成了高速靶彈任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)開發(fā)，經(jīng)過測試驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足任務(wù)規(guī)劃要求，可以極大提高地空導(dǎo)彈的訓(xùn)練次數(shù)與質(zhì)量，有效縮短戰(zhàn)斗力生成周期，降低常規(guī)訓(xùn)練成本.