空間攔截仿真平臺設計

劉 哲 董長虹 韓 潮

(北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191)

空間攔截仿真平臺設計

劉 哲 董長虹 韓 潮

(北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191)

仿真平臺研制是系統仿真的重要課題.根據空間攔截過程仿真的需要，提出了一個可集成多種空間攔截任務、便于擴展、具有完善可視化功能的仿真平臺設計方案.介紹了仿真平臺的層次劃分、各層次的主要功能以及層次間的關系.詳細闡述了仿真平臺的整體框架.重點研究了平臺可視化的實現技術和集成多種攔截任務的具體方法.實際應用表明:該平臺可以完成多種空間攔截任務的仿真并具備足夠的擴展能力，完備的可視化功能更為空間攔截問題的研究提供了便利.

仿真;設計;多任務;可視化

隨著計算機技術的迅速發展，航空航天領域仿真軟件正向著通用化、可視化的方向發展.國外如美國AGI公司研制的STK(Satellite Tool Kit)，是可執行陸、海、空、天、電(磁)等多種任務的仿真平臺.STK應用內嵌的三維顯示模塊提供逼真的三維顯示環境［1］.再如文獻［2］開發的開源飛行模擬軟件包FlightGear，其核心的JSBSim飛行動力學引擎可以模擬多種航空飛行器的真實飛行，同時利用了OSG(Open Scence Graphic)圖形庫進行飛行場景的組織和渲染.當前國內也有仿真平臺研發的報道，如基于HLA(High Level Architecture)，以及 OpenGL(Open Graphics lib)［3］的仿真平臺.

針對空間攔截任務，目前國內外很少有成熟的仿真平臺公開發行.其原因:①出于軍事安全的考慮，如STK的攔截飛行工具模塊(IFT，Intercept Flight Tools)和導彈飛行工具模塊(MFT，Missile Flight Tools)僅在美國國內銷售;②由于攔截問題本身的復雜性:由于不同型號的攔截器其動力學模型有差異，制導體制也相去甚遠，即便是同種攔截器，面對不同性能的目標時其相應的攔截策略也大相徑庭.針對這種情況，自主研制一款集通用性(即可進行多種空間攔截任務的仿真)和完善的可視化能力于一身的仿真平臺很有必要.

本文首先介紹了仿真軟件的層次劃分和各層次的主要功能，然后詳細闡述仿真軟件的系統設計與實現，重點討論仿真軟件層次內和層次間的服務與連接關系、建立于這些關系基礎之上的多任務集成與擴展的實現方法、多視圖的實現方法等.此外，文中還對攔截程序的文件配置方式和仿真場景的保存與恢復加以說明.

1 仿真軟件的層次劃分

本文將空間攔截仿真軟件系統按功能的不同劃分為3個層次:界面層、邏輯層、數據層.軟件界面用于獲得用戶的輸入，包括輸入的數據及仿真進程的控制指令，并以多個視圖的方式從不同角度表現邏輯層對輸入數據的處理結果;邏輯層是軟件的核心層次，將輸入數據帶入該層中的仿真程序進行計算，同時在計算過程中響應用戶對仿真進程的控制指令，最后將得到的計算結果送給界面層顯示或數據層保存;數據層則負責數據文件的讀取和保存，本文的數據文件包括對邏輯層中的空間攔截程序進行初始值配置的文本文件及保存仿真場景數據的二進制文件.

仿真軟件的3個層次中每2個層次間都有直接的關聯，見圖1.界面層可以控制邏輯層中的仿真進程的進行，也可調用數據層的配置程序對邏輯層中仿真程序進行初始參數配置.界面層的視圖數據和邏輯層的仿真程序當前狀態可以通過數據層存儲為仿真場景文件，數據層也可讀取仿真場景文件完成界面層和邏輯層仿真數據的恢復.

圖1 仿真軟件的3個層次

2 系統的設計與實現

軟件系統的設計主要是將系統劃分為不同功能的模塊，明確各模塊間的層次關系，確定模塊間的接口及人機交互界面等.通常采用面向對象(object oriented)的設計方法，并在設計過程中遵循一定的設計模式［4］.

2.1 邏輯層的3層庫架構及其擴展方法

1)邏輯層的3層庫架構.本文將邏輯層劃分為3個層次:底層工具箱、飛行器模型庫、飛行程序類庫.

邏輯層中需囊括通用的工具、方法、模型、算法，這些功能比較獨立和基礎，組成了邏輯層的底層工具箱，為上層提供支持.為縮短研制周期，工具箱并未完全抽象成類，一部分由本實驗室既有靜態函數組成，這些靜態函數接口定義明確，使用方便，計算結果準確.底層工具箱的構成見圖2，圖中灰色模塊已封裝成類.

圖2 底層工具箱預置工具

邏輯層中還預置了不同的攔截導彈和目標模型.

預置的攔截導彈模型分為兩種，這兩種攔截導彈為攔截不同的目標而設計.兩種模型都可進行全彈道仿真.導彈彈道跨越大氣層內外，大氣層內彈道計算通過調用底層庫的數值積分函數，解算地心慣性坐標系下六自由度運動方程完成，大氣層外彈道計算通過軌道預報器完成.攔截導彈調用底層庫的坐標變換函數完成地心慣性坐標系與諸如發射坐標系、發射慣性坐標系、彈道坐標系、本體坐標系等的坐標系變換.底層庫的插值函數、大氣模型用于計算攔截導彈的氣動力系數.

預置的目標模型涵蓋了大氣層內、外飛行的不同種類飛行器.這些模型的彈道數據的產生方式有兩種:通過仿真平臺實時計算或讀入給定的彈道數據然后按需要進行插值;彈道數據的實時計算同樣由底層庫來支持.

以上飛行器模型全部封裝成了類，形成了飛行器模型類庫，類庫組成見圖3.這是邏輯層的第2層，應用底層庫的服務，同時為上層提供服務.

邏輯層頂層為飛行程序類庫.飛行程序類內嵌多種制導律，用于攔截導彈的初、中、末制導;在攔截過程中，飛行程序類需要得到目標及攔截導彈的狀態信息，應用這些信息計算彈、目相對運動參數，并通過內嵌的制導規律計算出攔截導彈的控制指令，傳送給攔截導彈控制其飛行.這樣，飛行程序類相當于一個中介，協調導彈和目標的交互.因此，應用 Mediator(中介者)［4］設計模式設計飛行程序類.針對不同類型的攔截導彈及目標，邏輯層預置了3類Mediator，見圖3.頂層庫中每一個Mediator都具有對它所包含的攔截彈的攔截全程進行仿真的能力.

圖3 邏輯層的飛行程序類庫

2)邏輯層的擴展方法.仔細分析圖3可以得到邏輯層自頂向下的擴展方案.如果邏輯層頂層預置的 Mediator 1，Mediator 2，Mediator 3中的導彈和目標的數據交互方式不能滿足仿真需求，研究人員可自行開發新的Mediator，如圖3中的Mediator 4，在Mediator 4中重新定義滿足需要的數據交互方式.擴展的Mediator中包含的攔截導彈和目標可以使用飛行器模型庫中預置的模型，如果沒有合適的模型，則可先對飛行器模型庫進行擴充，定義新的模型，再將模型集成到擴展的Mediator中.如果擴展的飛行器模型需要額外的底層工具的支持，則再對底層工具箱進行擴展.

2.2 界面層文檔/視圖模式和GDI動畫的實現

1)界面層的文檔/視圖模式.由第1節可知，界面層需要實現與邏輯層的交互，并且需要具備多視圖顯示的能力.本文采用 MFC(Microsoft Foundation Classes)多文檔應用程序框架設計人機界面，可以滿足界面層的需求.MFC的全面介紹參見文獻［5］.為滿足仿真平臺的性能需求，采用Microsoft的GDI(Graphics Device Interface)實現了符合要求的動畫，GDI的深入闡釋參見文獻［6］.

文檔/視圖是MFC的基石，其最大好處是將數據與視圖分離.對MFC的文檔/視圖的透徹講解參見文獻［7］.MFC的多文檔應用程序框架提供了文檔模板類來記錄文檔與視圖的關聯信息.一個應用程序可以擁有多個模板，一個模板默認關聯一個文檔，一個文檔可以關聯多個視圖.結合邏輯層的特點，直接利用MFC的多文檔應用程序框架，完成了界面層的設計.

圖4 仿真平臺詳細架構

界面層內部詳細結構參見圖4.圖4中，將一個飛行程序類的實例作為一個文檔的成員變量，這樣邏輯層與界面層就關聯起來.運行應用程序時，首先通過圖4或圖5中①所示的目標選擇對話框選擇特定的文檔模板，利用文檔模板中記錄的文檔和視圖的關聯信息來實例化文檔及與其相關聯的視圖，同時也實例化了飛行程序，為仿真做好準備.

2)基于GDI的動畫技術.近年來，體系完整、功能強大的開源圖形庫層出不窮.如OpenInventor，OSG，OGRE等.前兩者提供的功能較為底層，基本上是對OpenGL的面向對象封裝，并提供場景圖結構，方便3D場景的管理.OGRE是一款游戲引擎，提供強大的游戲場景渲染和游戲資源的管理能力，主要面向3D游戲的開發者.

如果使用上述圖形庫實現仿真平臺的動畫視圖，會達到逼真的顯示效果，但開源圖形庫體系龐大而復雜，使用過程中往往有不可預料的問題發生，難于掌控，對開發人員的知識水平、經驗要求較高.同時，3D場景運行時往往需要更多的計算機資源，對運行環境的要求都較高.為在有限時間實現多視圖，保證質量，滿足需求，本文直接使用GDI實現動畫.

GDI較為底層，只提供2D繪圖能力，并不支持3D渲染和動畫，所以需要自行實現.GDI動畫的關鍵技術在于兩個方面:使用雙緩存技術避免動畫的閃爍;依據計算機圖形學完成3D數據的正則投影、透視投影和視點切換.圖4中，每個文檔都關聯一個視圖列表，每個列表都包含了一組視圖，包括2D視圖、3D視圖、曲線視圖.程序運行時，文檔包含的飛行程序實例進行計算得到相關數據，文檔將這些數據送到與其關聯的視圖，對視圖進行更新.本文實現的曲線視圖、2D動畫視圖、3D動畫視圖見圖5.

圖5 仿真平臺的多視圖人機交互界面

2.3 數據層的XML配置及場景的保存與恢復

本文使用XML格式的文本文件保存仿真平臺模型的配置參數，如圖5所示的XML配置文件，③是目標衛星的6個初始軌道根數.為完成配置文件的生成和解析，本文實現了飛行程序配置模塊.數據層中的飛行程序配置模塊也實現為文檔的一個成員變量，通過文檔來實現配置模塊對飛行程序的配置動作.具體的執行流程是:由圖4或圖5中②標示的配置文件選擇框選擇對應于特定目標的配置文件，然后由文檔調用飛行程序配置模塊對配置文件進行解析，解析得到的數據對文檔中的飛行程序進行配置.

仿真場景文件中存儲的數據包括2個部分:視圖列表中的視圖數據和飛行程序當前狀態數據.仿真平臺通過讀取仿真場景文件可以復現場景.如圖4所示，由于視圖列表和飛行程序都與文檔直接關聯，故文檔可直接得到這些數據，從而將仿真場景數據保存為仿真場景文件.恢復場景時，如圖4中①所示，先由仿真場景文件選擇對話框相應的仿真場景文件，則MFC框架會選擇合適的文檔模板，創建模板關聯的文檔和視圖，然后通過文檔讀取仿真場景文件中的數據，對視圖及飛行程序進行賦值，從而完成仿真場景的重現.

3 仿真平臺一體化擴展及仿真實例

3.1 仿真平臺的一體化擴展

仿真平臺的一體化擴展指的是依據界面層、邏輯層和數據層的結構關系，3個層次同時進行功能性擴展.圖4虛線標示的部分即為3個層次的擴展部分.2.1節已闡述了邏輯層的擴展方法，由圖4知，在邏輯層增加了新類型的飛行程序之后，界面層需要新定義一個文檔和文檔模板，將新的飛行程序作為新文檔的成員變量.文檔關聯的視圖完全可以復用已有的2D、3D和曲線視圖.

3.2 仿真實例

下面詳細描述彈道導彈攔截衛星，并且彈道末段使用比例導引法時的仿真流程.第1步選擇“文件”菜單下的“新建”，打開圖5中①所示的目標選擇對話框，選擇“人造衛星”后，打開攔截人造衛星的仿真場景;第2步打開“文件”菜單下的“導入配置文件”對話框，選擇一個場景配置文件，通過場景配置文件讀入導彈、目標的相關參數.當末制導律為比例導引時，點擊“配置”菜單中的“當前配置”，在制導律選擇下拉框中選擇“比例導引”.其它配置參數保持默認值.之后點擊仿真進程控制中的“繼續”按鈕，開始運行仿真程序，則界面上將動態輸出隨時間變化的攔截導彈和衛星的飛行軌跡.點擊工具欄上的“保存”按鈕則可以將仿真生成的導彈和衛星數據保存為二進制文件.

4 結論

本文詳細設計并實現了通用、具有完善的可視化能力的空間攔截仿真平臺.該平臺分為界面層、邏輯層、數據層3個層次.界面層采用MFC的多文檔應用程序框架，界面層的文檔將邏輯層、數據層以及視圖列表相互聯系，可以通過增加文檔模板的形式增加新的飛行程序，從而集成更多的飛行程序，即完成仿真平臺的擴展;界面層應用GDI實現了多個視圖.邏輯層采取模塊化、層次化設計.數據層實現了仿真場景保存、恢復以及飛行程序配置文件的生成和解析.該平臺的設計和實現方式對于航空航天仿真軟件的研制具有一定的參考價值.

References)

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［5］ Kruglinski D J.Programming micros oft visual C++6.0 技術內幕［M］.5版.北京:北京希望電子出版社，2002:3－542 Kruglinski D J.Programming micros oft visual C++6.0［M］.5th ed.Beijing:Beijing Hope Electronic Press，2002:3 － 542(in Chinese)

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(編 輯:張 嶸)

Simulation platform design for space intercept

Liu Zhe Dong Changhong Han Chao

(School of Astronautics，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

It is important for system simulation to build up a simulation platform.A simulation platform scheme，which was able to integrate varied space intercept missions，easy to extend，and with perfect visualization ability，was presented.The hiberarchy of the platform，main functions of each layer，and relationship between layers were introduced.The platform's architecture was described in detail.The implementation of visualization and concrete approaches to integrate varied missions were particularly studied.It is demonstrated through practice that this platform is capable of performing multi space intercept tasks，easy enough to extend，and convenient to study space intercept problems due to its powerful visualization.

simulation;design;multitasking;visualization

TP 391.9

A

1001-5965(2011)03-0355-05

2010-01-08

劉 哲(1985－)，男，遼寧阜新人，碩士生，neo_csdn@Yeah.net.