迫擊炮綜合訓練模擬系統的設計與實現

黃子才，和春耀，胡庭剛

（昆明陸軍學院，云南 昆明 650207）

隨著計算機圖像技術的發展，虛擬仿真、計算機網絡等技術在國防領域中大量應用，三維成像仿真技術和網絡技術在軍事訓練領域發揮著越來越重要的作用。迫擊炮分隊訓練場地要求高，特別是實彈射擊場地的選擇，限制條件多、安全要求高、保障任務重、耗費人力物力大、訓練效費比低，且訓練組織次數有限，急需一種組織簡單、安全系數高、能有效模擬現實訓練的模擬訓練方式和手段來取代。而在室內通過三維成像技術和網絡技術實現迫擊炮射擊指揮和網絡化訓練是現階段迫擊炮分隊訓練的一個發展方向。

當前，迫擊炮訓練模擬系統的研制與開發存在兩大難題:一是實裝器材與訓練模擬系統連接如何實現實戰化操作和數據的數字化傳輸，保證實裝器材測量模擬數據在系統中的真實可靠性；二是三維地圖地物地貌如何實現與真實訓練場地逼真模擬仿真。為此，本文提出了新一代迫擊炮綜合訓練模擬系統，在上述兩個方面均有所突破。

1 系統簡介

迫擊炮訓練模擬系統利用虛擬現實、彈道仿真、網絡通信、數據庫、嵌入式控制和網絡通信協議等多種技術[5]，實現了迫擊炮分隊射擊指揮綜合訓練的功能，受訓人員根據模擬觀察所的觀察景象和模擬火炮的射擊效果按照各種解決諸元方法及射擊法則指揮射擊，并將作業數據輸入到模擬系統，進行智能化成績評定。

該系統全過程模擬分隊實彈射擊的組織與實施過程，解決了場地限制、實彈射擊安全保障難、組織訓練難、經費有限等訓練中的突出問題。

2 系統功能

根據組訓單位的實際運用需求，迫擊炮綜合訓練模擬系統可采用兩種方式進行訓練:一種是由某個系統進行控制，通過內部網絡通信協議實現所有網絡內其他若干系統同時進行訓練；另一種是單系統自主進行模擬訓練。

2.1 網絡化訓練功能

利用現有的內部網，采用統一的通信協議，實現不同地點、統一訓練系統進行軍官射擊指揮訓練和分隊綜合練習。在系統的引導下，對各種練習科目進行從生成作業條件到完成作業結果的全過程模擬，并能夠對作業結果進行自動成績評定和直觀顯示。

2.2 考核功能

系統可以對各種受訓對象、各個訓練內容進行考核。可以自動記錄作業條件、學員作業結果、作業時間，利用數據庫中存儲了各相關科目的考核大綱與成績評定標準，自動計算標準答案，并給出成績評定結果，包括精度、時間、指揮處置，考核結果存入系統供查閱分析使用。

2.3 教學功能

依據頒發的有關訓練與考核大綱，參考教程、教材，對相關各種訓練內容和教學科目，均配置內容完整、標準規范、符合部隊實際的多媒體教學課件，可以獨立使用，也可以在教學與訓練之間隨意切換，為部隊組織開展教學提供支持與幫助。

2.4 管理功能

系統將訓練科目和成績評定標準作為基礎數據預置在基礎數據庫中（可根據需要變更），使用單位可以利用系統提供的管理維護機制將受訓對象（單位、個人）輸入到系統之中。訓練時，系統自動記錄訓練情況、考核成績，以及相關的題目、作業結果、時間、受訓對象等信息（一經確認保存便不能隨意更改），供查閱、統計、分析和打印，也可進行橫向、縱向的多種分析比較。這對于部隊加強訓練管理，全面客觀地掌握訓練情況，改進訓練措施，提高訓練的針對性具有重要的意義。

3 系統組成

3.1 硬件平臺

迫擊炮訓練模擬系統硬件平臺分為觀察所、炮陣地、系統控制臺和三維仿真顯示終端（見圖1）。具體包括了主控計算機1臺，輔助計算機1～2臺，投影儀1臺，總控臺1座，音響1套，虛擬機光測距機1部、數字化方向盤1部，迫擊炮（配數字化瞄準鏡）火炮1～6門。多系統進行同一訓練時，利用現有的內部網網絡平臺通信（IP4）協議，建立數據的相互傳輸。觀察所虛擬激光測距機和數字方向盤，炮陣地（帶數字化瞄準鏡）通過數字通信與主控計算機進行連接，實現數據實時傳輸。

圖1 迫擊炮綜合訓練模擬系統結構圖

3.2 軟件平臺

軟件開發技術上開發語言使用 VC++，數據庫SQL Server2000，OSG1.0（Open Scene Graph）開源渲染引擎，聲效采用 OALPP 開源聲效引擎，運行系統Windows2000/XP（見圖 2）[5]。

圖2 迫擊炮訓練模擬系統軟件平臺環境

該系統對迫擊炮連排射擊指揮綜合訓練的各個階段進行分布建模，包括迫擊炮訓練模擬系統、想定編輯系統、地圖紋理生成系統、戰場環境生成系統和網絡控制系統等五大系統，還包括一部分訓練和教學輔助系統，如虛擬現實系統、檢測定位系統、仿真運行系統、網絡控制系統、教學管理系統、考核評估系統等。迫擊炮模擬訓練包括計算兵偵察兵計算作業、決定射擊開始諸元、軍官射擊指揮練習、分隊綜合訓練等和網絡化綜合訓練等六個模塊，可根據不同的訓練內容來選擇。系統為受訓人員提供逼真實時的三維戰場環境與目標，利用虛擬計算機、數字方向盤、計算器等作業工具進行連測戰斗隊形、決定目標射擊開始諸元、連長指揮口令的記錄、下達與執行等基本射擊技能的訓練；同時實時監測和執行連長下達的射擊口令，并對指揮員的射擊指揮和分隊的操作過程進行合理評估，考核各級人員指揮、操作的準確性。

4 關鍵技術

4.1 觀察所和炮陣地數字化模擬技術

4.1.1 觀察所數字化模擬技術[3-4]

觀察所模擬是訓練模擬系統的關鍵，該系統主要利用虛擬激光測距機和數字化瞄準鏡來實現。在訓練模擬系統中，距離主要依靠虛擬激光測距機來完成，方向主要依靠數字化方向盤。由于與訓練模擬系統通過通信協議進行適時數據傳輸，一旦模擬系統啟動，系統會適時就模擬場景中觀察所相關參數傳送給虛擬激光測距機和數字換瞄準鏡，首先進入校準界面，利用數字化方向盤來測量投影屏幕中的校準位置（見圖4），從而決定虛擬場景中各個特定物體的位置關系。一經確定后，數字化方向盤轉動量就與系統中虛擬場景有效關聯。當方向盤“十字線”對向虛擬場中的任何目標或位置后，激光測距機會自動解算模擬場景中觀察所到該目標或者位置的距離，方向盤也會給出以3000密位為基準的方向偏差量，在虛擬場景中測量的目標或炸點方向偏差量和實際野戰環境測量值保持一致。這樣，即使在室內實際場地較小，也能有效地模擬野戰環境中觀察所實戰化訓練。

圖3 迫擊炮訓練模擬系統層次結構圖

圖4 虛擬觀察所與屏幕校準界面

4.1.2 炮陣地數字化模擬技術[3-4]

炮陣地數字化模擬是實現陣地操作與系統有效連接的關鍵。為確保模擬訓練的完整和實戰化，該系統充分利用自行研制的迫擊炮數字化瞄準鏡（目前有三種火炮數字化瞄準鏡），通過有線通信方式，實現實時信息傳輸。主要在數字化瞄準鏡內加裝傾角傳感器和彈道模擬器，將火炮射角與數字化瞄準鏡內表尺數值變化對應；方向上變化量，則以基本瞄準點為依據，在方向30-00為基準的基礎上，方向變化后重新瞄準，數字化瞄準境內方向分劃數值也會相對應變化。這樣，正常操作火炮時，數字化瞄準鏡會將表尺和方向數值或變化量實時傳輸至系統內，使系統中射擊口令按照數字化瞄準境內表尺和方向實施射擊。

4.2 彈道模擬技術

目前，國內外火控系統解算射擊諸元所采用的彈道模型分為射表、射表數據擬合、彈丸諸元解析表達式和彈丸運動微分方程組四種方法[4]。通過對比分析和系統需求，選擇利用解彈道微分方程決定射擊諸元。該方法具有消除射表誤差、可以利用實際的氣象條件（如計算機氣象通報），可充分考慮到各種射擊條件之間的相互影響等優點。充分考慮模擬系統需求和計算機運算速度，為減少工作量，選擇與實際彈道最簡單的模型——質點彈道模型，其非標準條件下的微分方程組為

圖5所示為決定射擊諸元的一般解算步驟和方法，包括彈道諸元、氣象諸元、地形諸元的解算[3]。這樣，系統中外彈道的模擬就與實際彈道逼近，既能滿足系統設計與研發的需要，又符合計算機運行速度的要求。

圖5 解彈道方程決定諸元流程框圖

4.3 戰場環境仿真技術[1-2，5]

本套系統的視景顯示采用三維視景仿真技術生成的三維實時虛擬場景，可實時更換觀察所位置、觀察方向，實時顯示戰場動態變化。野戰戰場共有山岳叢林和高寒山地兩類地形，利用OpenGL底層函數繪制。戰場環境通過投影在一個4m×5.3m的大屏幕上顯示。仿真訓練畢竟不能完全代替現地訓練，為了使仿真訓練與現地訓練緊密結合，將現用的等高線地圖轉化成電子地圖，經過斷點續連、去除污點等處理，生成清晰的二維地形圖像，然后進行矢量化，對等高線進行標高，多剖面插值生成數字高程矩陣，再利用OpenGL地形模型導入，設定相應參數，生成三維地形模型文件，再利用小型無人機對訓練基地進行航拍所得的地物地貌，完成真實地形的三維建模。

4.4 網絡通信協議技術[5]

根據仿真的需要，訓練模擬系統和觀察所模擬器、炮陣地數字化瞄準鏡采用RS485通信協議進行數據傳輸；訓練模擬系統與虛擬現實系統采用以太網連接；戰場環境和綜合控制臺連接采用以太網。其中戰場環境內部采用 HLA/IRTI協議，系統間網絡化訓練交聯采用TCP/IP協議，因而通信接口要提供三種模式的通信方式:

· 基于HLA/RTI協議模式；

· 基于TCP/IP協議；

· 基于RS485通信協議技術。

通信接口軟件需作為 HLA/RTI的一個聯邦加入到仿真運行中，其功能是將戰場環境中數據從HLA/RTI協議轉換為RS485通信和TCP/IP方式；將來自RS485的觀察所虛擬激光測距機和炮陣地數字化的數據以及來自 TCP/IP的武器攻擊訓練模擬器數據轉換為HLA/RTI協議數據，即完成指揮控制臺、訓練模擬系統、戰場環境和各數字化（虛擬）設備之間數據的有效轉換和傳輸。

5 結論

經過使用表明，該訓練模擬系統實現了不同部隊迫擊炮分隊同時進行室內三維成像間接測量與實裝設備現場測算無縫融合，方便地模擬分隊綜合訓練的組織與實施全過程，解決了場地限制、實彈射擊安全保障、組織訓練等問題，為迫擊炮分隊訓練提供了一種經濟、有效的訓練方式。

[1]鄭長偉,戍兵,薛青,等.間瞄火炮射擊訓練模擬系統的設計與實現[J].系統仿真學報, 2005,17(9):2127-2129.

[2]王江春.間瞄火炮室內仿真訓練模擬系統研究[J].系統仿真學報,2008,20(8):2018-2022.

[3]張顯景,等.迫擊炮射擊教材[M].北京:八一出版社,1993.

[4]張樂平.炮兵射擊指揮理論[M].北京:解放軍出版社，2005.

[5]郭齊勝,董志明.系統建模與仿真[M].北京:國防工業出版社,2007.