穩瞄穩向系統可視化仿真平臺研究

高偉偉，王廣龍，高鳳岐，高 爽，賈 波

（1.軍械工程學院納米技術與微系統實驗室，河北 石家莊 050003；2.北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京 100191；3.西安軍代局駐803廠軍代室，陜西 西安 710043）

穩瞄穩向系統可視化仿真平臺研究

高偉偉1，王廣龍1，高鳳岐1，高 爽2，賈 波3

（1.軍械工程學院納米技術與微系統實驗室，河北 石家莊 050003；2.北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京 100191；3.西安軍代局駐803廠軍代室，陜西 西安 710043）

以防空作戰條件下穩瞄穩向系統的研究需求為背景，為實現作戰過程的三維一體化仿真，設計基于MFC框架的OpenGL可視化仿真平臺實現方案；建立穩瞄穩向系統可視化仿真平臺所需的3D模型；通過模型格式轉換與加載、模型位姿控制數據的讀取，模擬防空作戰條件下4個階段的穩瞄穩向過程。通過與實測數據的連接表明：該可視化仿真平臺可作為穩瞄穩向系統性能的驗證平臺，對系統性能進行直觀的評判，具有一定的參考價值。

穩瞄穩向；可視化仿真；MFC框架；OpenGL

0 引 言

穩瞄穩向是指在載體機動條件下，保持瞄準設備與載體姿態變化相隔離，以使瞄準設備穩定指向目標的過程。以防空戰為例，在目標捕獲、目標跟蹤、穩定瞄準和目標打擊4個階段中，均需要利用穩瞄穩向系統，以保持光電瞄準設備的運動與載體的運動相隔離，從而使這4個階段不受載體姿態變化的影響。按照傳統的研制方法，對穩瞄穩向系統性能的驗證需要實際試驗的支持，例如場地和大量人員及輔助設備；而且根據要求需要飛機與導彈戰車在幾種不同速度、不同軌跡、不同環境（如天氣、路況等）條件下進行試驗，其研制過程漫長而且花費巨大。目前，國內對穩瞄穩向系統的仿真研究大多還處在二維仿真階段，即只能通過解算顯示數據、繪制二維曲線等。這樣的仿真不僅不直觀且難理解。同時，加大了對仿真結果正確與否的驗證難度。在經費有限的情況下，對穩瞄穩向系統的研究難以得到實際試驗的支持；而基本的二維仿真結果不直觀，且驗證復雜；這就需要尋求另外一種方式——可視化仿真技術。本文通過可視化仿真技術對目標、武器、環境等試驗部分進行建模，并采用模型讀入、軌跡設定、程序控制等方法對試驗裝備狀態及環境進行模擬，為穩瞄穩向系統的研究提供可視化驗證平臺[1-3]。

圖1 穩瞄穩向系統可視化仿真平臺實現方案

1 穩瞄穩向系統可視化仿真平臺實現方案

以防空試驗為例，對穩瞄穩向系統進行可視化仿真研究，首先需要建立3D模型，如飛機模型、瞄準設備視場模型以及導彈模型；其次需要建立一個軟件環境，并在該軟件環境下實現對各模型的讀入、顯示與控制；最后，需要將實際數據與仿真環境結合，實現防空試驗條件下各模型狀態、環境的模擬，最終實現對穩瞄穩向系統性能的驗證與評價。

在可視化三維仿真研究方面，OpenGL（open graphic library）具有繪制三維圖形的各項功能，它是處理專用圖形硬件的軟件接口，支持可視化的實現，它是三維的計算機圖形和模型庫，獨立于窗口系統和操作系統[4]。以OpenGL為基礎開發的應用程序可以方便地在各個平臺間移植，特別是在三維圖形的功能上非常優良[5]；然而，OpenGL并沒有提供三維模型的高級命令，也是通過基本的幾何圖元——點、線及多邊形來建立三維立體模型的，這使得建立結構復雜的3D模型工作量很大[6]。與OpenGL相比，采用3dsMax軟件建立3D模型可大大減小工作量，且建立的模型效果更加逼真，但3dsMax軟件建立的3D模型交互性較差，實現實時控制較困難[7-8]。綜合OpenGL的控制優勢和3dsMax的建模優勢，首先采用3dsMax建立穩瞄穩向系統可視化仿真平臺中各模型，然后將這些模型轉化為OpenGL程序，并對其進行控制。

由于OpenGL是3D圖形的底層圖形庫，不能直接用以描述場景[9]；為此，可利用VC++環境下MFC提供的基于Windows的應用程序框架，使用豐富的窗口和事件管理函數來調用OpenGL函數實現3D模型的顯示與控制[10]。

綜上分析，穩瞄穩向系統可視化仿真平臺實現方案如圖1所示。采用3dsMax軟件建立.3ds格式的3D模型，并通過View3ds將.3ds模型轉換為相應的OpenGL可讀的.h與.gl文件；在VC++環境中建立基于MFC的仿真平臺框架，并在該框架下對OpenGL環境進行渲染與初始化；通過加載各模型轉換得到.h與.gl文件，采用OpenGL程序讀取各模型信息，通過加載實測或設定數據，實現對模型速度、位置、姿態的控制，最終實現穩瞄穩向系統各模型的可視化仿真，通過仿真結果對穩瞄穩向系統性能進行評價。

2 模型的建立與轉換

基于3dsMax在3D建模方面的優勢，在3dsMax環境下，對飛機、瞄準設備視場環（簡稱瞄準環）、導彈分別建模，得到結果如圖2～圖4所示。

各模型圖中分為4個模塊，分別為3D模型的頂視圖、前視圖、左視圖以及透視圖，在建立模型后分別將其導出，并存儲為.3ds格式文件。

采用View3ds軟件將.3ds格式的模型信息轉化為.gl與.h文件，用以在基于VC++的MFC框架下，采用OpenGL語言對模型進行讀入與控制。

3 模型信息的讀入與控制

3.1 仿真平臺框架的建立

穩瞄穩向系統可視化仿真平臺是在Visual C++ 6.0上利用MFC和OpenGL進行開發的，在創建各系統之前，首先要創建應用程序框架，為后續系統的開發提供基礎。本文通過構建一個基于單文檔的OpenGL圖形程序框架，在此框架的基礎上利用OpenGL進行場景繪制，并利用MFC類庫函數進行各種功能的設計與實現。構建一個基于單文檔的OpenGL圖形程序框架，需要為一個基于單文檔的MFCAppWizard（exe）工程進行相關的初始化設置，包括：OpenGL庫文件和頭文件的添加，窗口函數的重載，創建像素格式和繪制描述表等，最終編譯運行，生成基于OpenGL的仿真平臺框架。

圖2 飛機模型

圖3 瞄準環模型

圖4 導彈模型

3.2 模型信息的載入

通過View3ds軟件將.3ds格式的模型信息轉化為.gl與.h文件后，將這些文件導入到當前工程目錄中，在初始化部分加入相應代碼。以飛機模型feiji. 3ds轉換生成的feiji.gl與feiji.h為例，對其進行載入的基本步驟如下：

步驟1：將feiji.gl與feiji.h導入當前工程目錄中；

步驟2：在CView.cpp中包括頭文件：#include“feiji.h”；

步驟3：在初始化部分加入代碼：

步驟4：在構建好的框架程序中，在CView.cpp中添加成員函數RenderScene（）。在此函數中調用其列表glCallList（MODEL）進行飛機模型的繪制。

瞄準環模型轉換文件 miaoz.gl、miaoz.h與導彈模型轉換文件 missile.gl、missile.h的載入方法同上。

3.3 模型位姿狀態的控制

在載入模型信息后，需要對模型位姿狀態進行控制，其中主要用到OpenGL的模型變換函數glTranslatef（x，y，z）、glRotatef（angle，x，y，z）。

glTranslatef（x，y，z）用指定的x，y，z值沿x軸、y軸、z軸平移物體，以實現模型位置在屏幕中的移動。glRotatef（angle，x，y，z）中，第 1個變量 angle制定模型旋轉的角度，單位為度，后3個變量表示以原點（0，0，0）到（x，y，z）的連線為軸線逆時針旋轉物體，以實現模型姿態在屏幕中的變化。

以飛機的位姿狀態控制為例，飛機的位姿分為位置和姿態。位置由X、Y、Z3個坐標值確定，姿態包括俯仰、翻滾和偏航3個歐拉角。以機體坐標系為基準，飛機的位置變換，即沿OpenGL世界坐標系的3個坐標軸進行平移。飛機的姿態變換，即繞著機體坐標系的3個軸進行旋轉。飛機的俯仰為繞X軸旋轉，翻滾為繞Z軸旋轉，偏航為繞Y軸旋轉。飛機的位姿控制由OpenGL模型轉換函數glTranslatef（）和glRotatef（）完成。在繪制飛機前調用相應控制函數，通過不斷地改變3個坐標值和各角度值，實現飛機的位姿變換。

瞄準環模型與導彈模型的位姿狀態控制方法同上。

4 穩瞄穩向系統可視化仿真平臺的實現

在防空作戰中，對飛行目標（本文設定飛行目標為飛機）的打擊可分為目標捕獲階段、目標跟蹤階段、穩定瞄準階段以及目標打擊階段。在實際防空作戰中，瞄準設備安裝在運動載體上，載體姿態的變化會對瞄準設備的姿態產生影響，一次姿態的跳變可能導致目標偏離至視場外，使得瞄準視場中不能穩定的出現目標。因此，在這4個階段中，均需要利用穩瞄穩向系統，以保持光電瞄準設備的運動與載體的運動相隔離，從而使4個階段對目標的捕獲、跟蹤、瞄準、打擊不受載體姿態變化的影響。根據穩瞄穩向系統可視化仿真平臺的開發需求，本文建立了基于VC++環境的MFC仿真平臺框架，并在該框架下對OpenGL環境進行渲染與初始化；通過讀入所建模型，以及模型驅動數據，實現了模型位姿的控制與顯示，逼真的模擬了防空作戰條件下4個階段（從左至右依次為目標捕獲、跟蹤、瞄準、打擊階段）的穩瞄穩向過程，如圖5所示。

圖5 防空作戰4個階段模擬演示

在穩瞄穩向系統可視化仿真平臺中，以3dMax建立的飛機模型模擬飛行目標，用瞄準環模型包含的視場區域模擬光電瞄準設備捕獲視場，導彈模型為打擊武器。通過讀取飛機、瞄準環與導彈的位置與姿態驅動數據，在仿真平臺中觀察瞄準環視場區域對飛機的捕捉、跟蹤與瞄準情況，可對穩瞄穩向系統的性能進行驗證。若瞄準環視場區域在4個階段分別能對飛機進行捕獲、穩定跟蹤、穩定瞄準直到命中目標，則說明穩瞄穩向系統性能滿足要求，若出現丟失目標或不能穩定瞄準的情況，則說明系統性能不滿足指標要求。依照以上標準，圖5的仿真結果表明，設計的穩瞄穩向系統性能符合指標要求。

5 結束語

以防空戰為例，根據穩瞄穩向系統的要求設計了穩瞄穩向系統可視化仿真平臺實現方案；建立了相應的3D模型，構建了基于VC++環境的MFC穩瞄穩向系統仿真平臺框架，在該框架下對OpenGL環境進行渲染與初始化；通過編程與模型數據的驅動模擬了防空作戰條件下4個階段的穩瞄穩向過程，實現了穩瞄穩向系統可視化仿真平臺的開發。該平臺可用于防空作戰條件下的穩瞄穩向系統性能的驗證，通過模型與場景的替換亦可實現不同作戰環境下穩瞄穩向系統性能的驗證，具有一定的參考價值。

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Study on visual simulation platform of stable targeting system

GAO Wei-wei1，WANG Guang-long1，GAO Feng-qi1，GAO Shuang2，JIA Bo3
（1.Nanotechnology and Microsystems Laboratory，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）3.Military Representative Office of 803 Factory，Xi’an 710043，China）

According to the research needs of stable targeting under air defense conditions，an achieve program adopt OpenGL based on MFC is designed to achieve operational integration process of the three-dimensional simulation.Some 3D models are modeling as need，through the model and control data read，four stages of stable targeting under air defense conditions are realistically simulated.In connection with the actual measurement data，the visual simulation system can be a verification platform for evaluating the performance of stable targeting system，which can give an intuitive judgment.In summary，the study on visual simulation platform of stable targeting system will be important military significance and reference value.

stable targeting；visual simulation；MFC；OpenGL

TJ06；TJ810.3+7；TP391.9；TN911

：A

：1674-5124（2014)06-0137-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.035

2014-02-24；

：2014-04-29

高偉偉（1986-），男，博士研究生，研究方向為微型測控系統。