視景仿真技術(shù)在空空導(dǎo)彈遙測(cè)數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用

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1、視景仿真技術(shù)在空空導(dǎo)彈遙測(cè)數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用 馮玉潔 劉占渠 （中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院， 洛陽(yáng)， 471009） 摘要： 以導(dǎo)彈的位置、姿態(tài)等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并通過Vega Prime-Creator-VC++仿真開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈從發(fā)射、飛行至攻擊目標(biāo)的視景仿真。本文介紹了開發(fā)系統(tǒng)所需要的建模軟件Multigen creator 和仿真驅(qū)動(dòng)軟件Vega Prime，使用Multigen creator 建立三維模型，通過Vega Prime創(chuàng)建仿真環(huán)境的過程，并采用Visual + + 6. 0 平臺(tái)，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)數(shù)據(jù)分析視景仿真系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：視景仿真；導(dǎo)彈；遙測(cè)數(shù)據(jù)分析

2、1引言 基于空空導(dǎo)彈的特殊性，在其各研制階段所進(jìn)行的各種驗(yàn)證產(chǎn)品性能或研發(fā)成果的發(fā)射試驗(yàn)中，均需通過遙測(cè)手段實(shí)時(shí)傳送信息，了解導(dǎo)彈在空中的工作狀態(tài)，判斷試驗(yàn)效果。 這要求地面遙測(cè)接收系統(tǒng)要能夠快速、準(zhǔn)確的給試驗(yàn)指揮者及參試的技術(shù)人員提供各種信息，以助其對(duì)后續(xù)操作做出準(zhǔn)確判斷。 本文研究了如何將視景仿真技術(shù)應(yīng)用于空空導(dǎo)彈遙測(cè)數(shù)據(jù)分析中，以導(dǎo)彈遙測(cè)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，構(gòu)造三維仿真空間視景，實(shí)時(shí)的將導(dǎo)彈在空中的姿態(tài)、位置等信息顯示在工作人員面前。系統(tǒng)借助于Vega Prime建立視景仿真框架，其間利用碰撞檢測(cè)、環(huán)境效果、粒子系統(tǒng)等多種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)視景仿真顯示。 2視景仿真技術(shù)簡(jiǎn)介 視景仿真是虛

3、擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最重要的表現(xiàn)形式。它是使用戶產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了用戶與所仿真的環(huán)境直接進(jìn)行自然交流【1】。視景仿真采用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)，根據(jù)仿真的目的，構(gòu)造仿真對(duì)象的三維模型或再現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境，達(dá)到非常逼真的仿真效果。 視景仿真分為仿真環(huán)境制作和仿真驅(qū)動(dòng)。仿真環(huán)境制作主要包括：模型設(shè)計(jì)、場(chǎng)景構(gòu)造、紋理設(shè)計(jì)制作等，它要求構(gòu)造出逼真的三維模型、制造逼真的紋理；仿真驅(qū)動(dòng)主要包括：場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)、模型調(diào)動(dòng)處理、分布交互、大地形處理等，它要求高速逼真地再現(xiàn)仿真環(huán)境，實(shí)時(shí)響應(yīng)交互操作等。 3系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 遙測(cè)數(shù)據(jù)分析視景仿真系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)如下：系統(tǒng)渲染逼真的三維虛擬場(chǎng)景，實(shí)時(shí)接收從遙

4、測(cè)地面接收設(shè)備即采集服務(wù)器發(fā)送過來(lái)的遙測(cè)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，以遙測(cè)數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)在模擬的三維靶場(chǎng)視景中實(shí)時(shí)生動(dòng)地顯示載機(jī)、導(dǎo)彈和靶機(jī)三維模型的飛行軌跡、姿態(tài)、彈目交匯等，并要細(xì)致逼真地表現(xiàn)出導(dǎo)彈的空中運(yùn)動(dòng)特征。 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，遙測(cè)數(shù)據(jù)分析視景仿真系統(tǒng)可劃分為通信、數(shù)據(jù)處理、視景顯示等幾部分。通信部分主要完成各部分間的數(shù)據(jù)傳輸工作，系統(tǒng)各部分間的數(shù)據(jù)傳輸流程見圖1。數(shù)據(jù)處理部分著重完成對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)的提取解調(diào)功能。視景顯示部分包含模型建立、視景仿真驅(qū)動(dòng)等與視景仿真顯示效果相關(guān)的功能。系統(tǒng)處理流程如圖1： 圖1 遙測(cè)數(shù)據(jù)分析視景仿真系統(tǒng)處理流程 系統(tǒng)開發(fā)過程由以下三個(gè)步驟構(gòu)成： 1) 使用M

5、ultiGen Creator 構(gòu)造飛行器及地景的OpenFlight 模型； 2) 利用Vega Prime建立仿真環(huán)境：建立程序初始化場(chǎng)景，設(shè)定觀察者，加入對(duì)象物模型，建立大氣環(huán)境等； 3) 在VC 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真過程：通過網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)作支撐進(jìn)行視景對(duì)象模型的驅(qū)動(dòng)與控制。 3.1視景建模 建模是整個(gè)視景仿真系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)。Multigen Creator是業(yè)界領(lǐng)先的三維建模軟件工具集，用于產(chǎn)生高優(yōu)化，高精度的實(shí)時(shí)三維模型，與3D Max、MAYA等建模軟件相比Creator不僅相對(duì)操作簡(jiǎn)單，其生成的模型面也相對(duì)較少，在更新顯示時(shí)耗費(fèi)資源少、渲染速度快，更適用于在實(shí)時(shí)視景

6、顯示系統(tǒng)中高刷新率下也要流暢顯示的要求。因此本系統(tǒng)采用 Multigen Creator作為建模工具。 遙測(cè)數(shù)據(jù)分析視景仿真系統(tǒng)需要建模的對(duì)象有導(dǎo)彈、飛機(jī)、地景、人文景物如接收基站、道路等。作為實(shí)時(shí)視景仿真系統(tǒng)應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)性和逼真性都有很高要求。在建模時(shí)要盡量在減少面的數(shù)量和增加模型逼真度上取得一定平衡。圖2為用Creator建立的空空導(dǎo)彈示意三維視景模型，圖3為用Creator建立的某型號(hào)飛機(jī)三維視景模型。 圖2 示例導(dǎo)彈模型 圖3 示例飛機(jī)模型 3.2.1建模中用到的關(guān)鍵技術(shù) 在建立導(dǎo)彈模型時(shí)要用到了DOF(自由度)。

7、導(dǎo)彈是由多個(gè)部件組成的組合體,某些組件要和它的父節(jié)點(diǎn)之間增加一個(gè)自由度節(jié)點(diǎn)DOF，在Vega Prime程序里可以對(duì)這些自由度進(jìn)行操作[2]，產(chǎn)生諸如舵機(jī)運(yùn)動(dòng)等變形動(dòng)作。下面將說(shuō)明如何為導(dǎo)彈舵面添加DOF： 1） 在Creator中創(chuàng)建一個(gè)DOF節(jié)點(diǎn)，將舵面的Object節(jié)點(diǎn)移到DOF節(jié)點(diǎn)下； 選擇導(dǎo)彈舵面的上層group節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前Parent，在Create 工具箱中點(diǎn)擊Create DOF，新建一個(gè)DOF節(jié)點(diǎn)，在Creator的層次結(jié)構(gòu)圖中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)的d1，雙擊將d1改名為d_helm。建好DOF節(jié)點(diǎn)后，將舵面的Object節(jié)點(diǎn)移到d_helm節(jié)點(diǎn)下。 2） 建立DOF的局部

8、坐標(biāo)系統(tǒng)； 在層次結(jié)構(gòu)圖中選擇d_helm節(jié)點(diǎn)，選擇Local-DOF->Position DOF調(diào)出Position DOF 對(duì)話框，用鼠標(biāo)中鍵先選擇一點(diǎn)作為局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)，然后在所選點(diǎn)沿導(dǎo)彈坐標(biāo)系X軸方向上選一個(gè)點(diǎn)確定局部坐標(biāo)系的X軸向，如此再定好Y軸向。 3） 設(shè)置DOF約束條件； 選擇Local-DOF>Set DOF Limits調(diào)出Set DOF Limits對(duì)話框，在對(duì)話框中設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸并輸入舵面所能旋轉(zhuǎn)的最大角度。 把每個(gè)可動(dòng)部件都按上述方法設(shè)置后就可以在程序中驅(qū)動(dòng)其相對(duì)彈體做二級(jí)運(yùn)動(dòng)了。DOF節(jié)點(diǎn)在模型數(shù)據(jù)庫(kù)的層次結(jié)構(gòu)圖中的位置如圖4。添加好DOF后，通過Vega P

9、rime實(shí)現(xiàn)對(duì)于DOF的實(shí)時(shí)控制。Vega Prime的API提供了vsDOF類實(shí)現(xiàn)對(duì)模型DOF節(jié)點(diǎn)的控制。在程序中先通過指定控制件DOF節(jié)點(diǎn)名稱如d_helm，找到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)指針賦給一個(gè)vsDOF類實(shí)例，調(diào)用vsDOF類的setRotateH()接口可以實(shí)現(xiàn)控制舵面相對(duì)導(dǎo)彈體轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。 圖4 DOF節(jié)點(diǎn)在層次結(jié)構(gòu)圖中的位置 3.2基于Vega Prime的視景仿真應(yīng)用 要實(shí)現(xiàn)仿真過程，軟件要實(shí)時(shí)接收導(dǎo)彈模型和飛行器的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)3D 模型做動(dòng)態(tài)演示。這部分功能通過VC編程控制實(shí)現(xiàn)，整個(gè)軟件系統(tǒng)采用服務(wù)器-客戶端的模式運(yùn)行，服務(wù)器對(duì)接收的遙測(cè)數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到客戶端進(jìn)行視

10、景仿真顯示。 視景仿真應(yīng)用系統(tǒng)中有三個(gè)主驅(qū)動(dòng)對(duì)象：導(dǎo)彈、載機(jī)和靶機(jī)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，服務(wù)器在接收到遙測(cè)地面接收設(shè)備傳送過來(lái)的遙測(cè)數(shù)據(jù)包后，將其中視景仿真系統(tǒng)所需要的部分信息（如：導(dǎo)彈的位置、姿態(tài)等）解算出來(lái)，并重新封裝成視景仿真顯示端支持的數(shù)據(jù)幀格式向外廣播發(fā)送。顯示客戶端在收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀后，建立數(shù)據(jù)解析線程，如解析出有效數(shù)據(jù)，則重置顯示窗口設(shè)置，激活用戶操作界面，然后用解析得到的數(shù)據(jù)更新視景應(yīng)用程序中的視景對(duì)象狀態(tài)。 3.2.1創(chuàng)建視景仿真應(yīng)用 本系統(tǒng)用Vega Prime及Visual C++作為軟件開發(fā)平臺(tái)。 典型的Vega Prime 程序流程是先初始化vp 環(huán)境，接著創(chuàng)建v

11、pApp 實(shí)例，然后加載場(chǎng)景acf 文件，通過場(chǎng)景配置和幀循環(huán)加以控制，最后在退出前關(guān)閉。本系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)如下： 1）加載 ACF文件初始化vp 環(huán)境，配置場(chǎng)景樹及控制對(duì)象。 在構(gòu)建本系統(tǒng)時(shí)，首先使用Vega Prime提供的圖形用戶界面Lynx Prime定義窗口、通道、場(chǎng)景、各個(gè)物體、碰撞檢測(cè)、環(huán)境及環(huán)境特效、交互設(shè)備等，并對(duì)它們進(jìn)行初始化，生成視景顯示所需要的逼真的地形、地物及天氣情況特效，存儲(chǔ)為ACF文件。在應(yīng)用系統(tǒng)的程序中實(shí)現(xiàn)加載定義好的ACF文件并使其中的配置生效通過調(diào)用函數(shù)vp::initialize ( ) 、vpKernel::instance()->define ( )

12、 、vpKernel::instance()->configure ( ) 來(lái)完成。加載完ACF文件后在ACF中的各種配置已生效，可以運(yùn)行觀察效果。 初始化完成后就要找控制的場(chǎng)景對(duì)象導(dǎo)彈Object和觀察者observer，觀察者很重要，它就像一臺(tái)攝像機(jī)，它所攝取的視景內(nèi)容也就是操作者將在屏幕上看到的內(nèi)容。完成這兩部進(jìn)入主循環(huán)前的操作就做好了。 2）完成Vega Prime的幀循環(huán)處理程序。 Vega Prime以幀循環(huán)為主要循環(huán)。幀循環(huán)程序由函數(shù)vpKernel::instance()->beginFrame()控制開始循環(huán)，由函數(shù)vpKernel::instance()->endFr

13、ame()控制結(jié)束循環(huán)。循環(huán)體中的程序以運(yùn)行時(shí)接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包為輸入，將數(shù)據(jù)包中的參數(shù)解析后，驅(qū)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)模型，更新其狀態(tài)信息，同時(shí)完成碰撞檢測(cè)、特效處理等操作，接著更新觀察者的狀態(tài)，設(shè)置好vpObserver的位置及自由度，并根據(jù)觀察者所在位置和視點(diǎn)方向，判斷場(chǎng)景中哪些需要渲染，根據(jù)判斷結(jié)果渲染場(chǎng)景，完成本次幀循環(huán)。 在仿真循環(huán)體內(nèi)將接收到的數(shù)據(jù)包解調(diào)后得到導(dǎo)彈的位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將視景中巡航導(dǎo)彈的位置姿態(tài)設(shè)為與之一致，這通過setTranslate ( ) 和setRotateH( ) 這兩個(gè)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。視景仿真流程圖如圖5所示。 圖5 視景仿真流程圖 3.3視景仿真的顯示結(jié)果

14、 完成視景仿真系統(tǒng)開發(fā)后，按圖1的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建起遙測(cè)數(shù)據(jù)分析視景仿真系統(tǒng)硬件平臺(tái)，使用某型號(hào)歷史遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放顯示，測(cè)試系統(tǒng)顯示效果。首先導(dǎo)彈隨載機(jī)起飛，在發(fā)射信號(hào)發(fā)出后導(dǎo)彈發(fā)射，在空中按定義軌跡飛行一段時(shí)間，在和靶機(jī)相遇后爆炸。圖6為姿態(tài)多視窗顯示效果圖，圖7為軌跡大視景顯示效果圖。 圖6 姿態(tài)多視窗顯示效果圖 圖7 軌跡大視景顯示效果圖 4結(jié)束語(yǔ) 本文研究將視景仿真技術(shù)引入遙測(cè)數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，利用視景仿真技術(shù)將空空導(dǎo)彈在試驗(yàn)過程中的飛行姿態(tài)、軌跡形象生動(dòng)地實(shí)時(shí)展示在參試人員面前，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的最大利用價(jià)值。該系統(tǒng)現(xiàn)已能滿足某重點(diǎn)型號(hào)空空導(dǎo)彈的使用要求。另外模型簡(jiǎn)化、動(dòng)態(tài)地形和

15、多分辨率模型的融合等技術(shù)將是該領(lǐng)域研究的前沿，也是我們下一步研究的主要方向。 參考文獻(xiàn)： [1] 吳義明，齊歡 導(dǎo)彈對(duì)抗的視景仿真 計(jì)算機(jī)仿真[J]，2005-8，22（8）：28-31 [2]王乘，周向清，李利軍等.Creator可視化仿真建模技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005 Application of Scene Simulation Technology in Telemetry Data Analysis For Airborne Missile Feng Yujie (China Airborne Missile Academy,Luo

16、yang 471009) Abstract: This paper takes the missile's position and bearing data as the database of flight status, scene simulation of missile launch-flight-attack is implemented on a Vega Prime-Creator-VC++ simulation developing platform. This paper discusses the software Multigen creator and Vega

17、 Prime which are used in simulation , and then creates some 3D models with Multigen creator and the simulation environment with Vega Prime. Finally it receives the light data from the network and realizes the scene simulation system of plane with Visual C ++ 6. 0. Key words:scene simulation;missile;telemetry data analysis. 作者簡(jiǎn)介 馮玉潔（1984-），女，河南洛陽(yáng)，助理工程師，學(xué)士。2005年畢業(yè)于桂林電子工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)專業(yè)，主要研究方向?yàn)檫b測(cè)數(shù)據(jù)處理，聯(lián)系電話：0379-63385232，通信地址：洛陽(yáng)030信箱10分箱 471009，E-mial:fyj702@。 劉占渠，男，河南偃師，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)彈設(shè)計(jì)，聯(lián)系電話：0379-63384769 7