基于VR技術的艦空導彈火控訓練系統設計*

?

基于VR技術的艦空導彈火控訓練系統設計*

成順利，朱鵬磊

(中國人民解放軍92941部隊93分隊，遼寧 葫蘆島125001)

摘要：簡要介紹虛擬現實技術的概念、特征及分類，闡述了艦空導彈火控訓練系統具有的功能、設計思想及組成結構，著重論述了虛擬現實技術在艦空導彈火控訓練系統中的技術應用。

關鍵詞：模擬器；虛擬現實技術；艦空導彈火控訓練系統；仿真

0引言

隨著科學技術的發展，虛擬現實(virtual realiity，VR)技術已經滲透進了軍事訓練的各個方面，并開始在軍事領域中發揮著越來越大的作用。隨著第2代艦空導彈武器系統裝備部隊，這些現代化裝備結構復雜，造價昂貴，維護費用龐大，實戰演練將消耗大量資金和軍用物質且安全性差，這樣造成實裝訓練不足，戰斗力未能得到充分發揮。為此，在武器系統裝備部隊的同時，研制裝備基于VR技術和仿真技術的艦空導彈火控訓練系統[1](以下簡稱訓練系統)既可以節約大量的訓練經費，又能大大提高訓練效益，對于改進訓練效果、提高訓練水平具有極大的輔助和促進作用。

1VR技術

1．1VR技術的概念

VR技術是20世紀90年代末興起的一門嶄新的綜合性信息技術，是現代仿真技術的一個重要研究領域。具體的說就是采用以計算機技術為核心的高科技技術生成逼真的視、聽、觸覺一體化特定范圍的虛擬環境，用戶借助必要的設備以自然的環境與虛擬環境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產生等同真實環境的感受和體驗[2]。

1．2VR技術的特征及分類

VR技術的特征可以歸納為3個“I”，即沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和構想性(imagination)。由于它生成的視覺環境是立體的，音效是立體的，人機交互是和諧友好的，因此VR技術使人和計算機很好地融為一體，給人一種身臨其境的感覺[3]。

根據用戶參與VR的不同形式、沉浸和交互的程度，VR技術主要分為4類：桌面VR、沉浸VR、分布式VR和增強VR。訓練系統采用分布式VR系統實現了整個武器系統內網與外網各系統之間的信息交融和發射過程模擬[4]。

2訓練系統

2.1設計需求

由于訓練系統使用條件屬于實驗室環境，所以溫度、振動以及三防指標要求都已經大大降低，因此可靠性，可維性相對容易實現。對電氣接口、軟件接口、機械接口都應有明確的定義要求，元器件的品種、規格也應按標準選?。卉浖惨窜娪密浖_發規范和軍用軟件接口標準設計[5]。無論在軟件、硬件上盡量做到標準化，通用化，系列化，模塊化。

為了保證訓練系統的逼真性，系統中各模擬器直接與真實系統中的分系統相對應，對信息的處理流程也與真實系統保持一致。

2.2具有的功能

基于VR技術的訓練系統不僅可完成各單元的模擬訓練和虛擬訓練，還具有作戰指揮、實時顯示控制、作戰效能仿真，故障設置及診斷，專家成績評定，原理教學及記錄重演等多項功能。其最終用戶主要是院校學員及作戰部隊，其主要功能包括：

(1) 訓練系統與實際裝備應該保持相同外觀特性(包括幾何尺寸，外形特征，顏色，開關按鈕的型號，指示燈顏色)，使指戰員感官認識相同，能夠迅速投入實裝操作。

(2) 訓練系統與實際裝備必須保持相同的操作特性(包括操作順序，顯示頁面的格式，開關指示燈操作狀態，實際邏輯關系)，養成良好的操作習慣，再熟中生巧。

(3) 訓練系統與實際裝備完成戰斗過程的操作條例相同。武器裝備在戰斗過程中受戰術技術條件的限制，多種邏輯關系的制約，操作步驟之間有一定的時間間隔和等待條件發生的約束，信號傳遞關系。訓練系統必須準確客觀的模擬這些現象，只有這樣在訓練系統上訓練后立即可投入實裝，轉入作戰使用。

1) 訓練可分單人的戰位操練和多人協同訓練，可用自動命題和人工命題2種方式，設定導彈攻擊的訓練內容，對模擬作戰過程每一個操作動作均能記錄、評估；

2) 任意設置作戰環境，包括地理位置、作戰海域、敵艦類型、編隊、海情、氣溫、我方武器所處狀態等；

3) 可任意設定故障部位，甚至是實裝不常見的故障，用這種辦法開發指戰員的智力，使其具有面對可能出現的故障能正確分析、果斷處理的能力；

4) 記錄每一個操作動作，并隨時可停止操作，講評操作存在問題和指明正確操作方式和顯示狀態；

5) 記錄訓練時間和效果，并存檔以備考核分析；

6) 訓練系統各個子系統均可單個自檢，也可在綜合顯控臺上控制自檢。從總體上把握所有開關，指示燈的好壞，從而減少訓練準備時間；

7) 對裝備使用維護方法及組成原理等理論方面問題具有幫助學習功能，并對不同級別人員進行分層次訓練培養；

8) 導彈發射后，可提供在該操作背景情況下的實時導彈飛行仿真彈道并給出命中概率；

9) 根據上級指令可設計接敵航跡，給出戰斗航向，發射導彈時機，退出戰斗航跡，結合作戰思想反復演練，并給出對抗效果分析和計算發射導彈數量。

(4) 通過VR技術建立虛擬的戰區地形、氣象、戰場態勢以及導彈武器配置情況，為指揮員提供決策支持。

(5) 指揮員在VR中進行交互操作，訓練系統根據輸入的作戰方案和導彈摧毀概率進行演示，并向指揮員推薦具體的作戰方案輔助決策。

(6) 通過訓練系統對指揮員制定的各種作戰方案進行定性和定量分析，提出合理的評估意見，并給出評估。

2.3總體結構設計

訓練系統的邏輯結構與實際武器系統的結構組成相對應，總體結構是分布式的，各子系統之間通過網絡進行通信，主要由2種仿真網絡系統組成，其中：仿真作戰系統網為艦載作戰系統網的仿真網，用于模擬艦艇作戰系統網，是艦上各系統設備模塊之間交互公共作戰信息的網絡；仿真導彈武器系統內部網為艦空導彈火控系統內部網的仿真網，是仿真導彈武器系統內部進行信息交互的網絡[5-6]。

訓練系統設備外形、操作控制臺、作戰軟件界面等均高度仿真武器系統實裝。操作控制臺按鍵、旋鈕等開關的控制信號通過I/O控制卡采集，按照武器系統作戰邏輯和操作流程處理這些信號[7]。訓練系統主要包括：雷達、綜合顯控臺、通道顯控臺(A和B)、發控機柜、發射裝置、綜合導航、通用/附屬設備、訓練機柜、時統設備、作戰指控、導彈模擬器和網管設備[7]。

訓練系統組成結構[8]如圖1所示。

綜合顯控臺模擬器是訓練模擬器的控制中心，是指揮員、操作員與武器系統之間的交互界面，主要負責監視和評定防區態勢，顯示整個戰術情況，用于設置導彈武器系統狀態和故障模式，記錄和處理各節點送來的控制信息，通過與資源數據庫的信息進行匹配，演示教學內容，對操作手進行評估，并將評估結果存入數據庫。在綜合顯控臺模擬器上實現了對指揮員的決策支持、輔助決策及決策評估。

通道顯控臺(A和B)模擬器主要模擬接收相應的火力單元的火力分配信息并顯示，接收綜合顯控臺監控、控制命令，顯示攔截目標航跡，攔截可行性計算顯示，攔截狀態表顯示，監測本通道工作狀態，作戰進程顯示，執行發射命令，動態顯示模擬導彈軌跡及攔截目標過程。

雷達模擬器信息生成與顯控臺采用虛擬儀器技術，設計了武備系統設備操作面板，另外運用現場采集音響等多媒體信息和觸摸屏操作，最大程度的仿真儀器設備的操作環境。采用計算機仿真技術與靶試數據相結合，模擬目標及導彈軌跡，按照目標運動規律、彈道及引導規律形成目標及導彈參數。

綜合導航模擬器實現對艦載導航設備進行模擬，完成綜合導航設備信息的模擬功能，包括綜合導航顯控臺模擬器、計程儀模擬器、平臺羅經模擬器、船舶氣象儀模擬器和測深儀模擬器。

通用/附屬設備模擬器采用虛擬儀器形式來仿真設備操作面板的方式來實現。

訓練機柜模擬器采集并記錄仿真過程中產生的各種數據，為重演作戰/訓練過程、分析作戰/訓練結果和評定武器系統性能提供重要依據，并對所記錄的數據進行分析和處理，重新生成作戰/訓練過程，為總結作戰經驗，提高操作水平，分析判斷敵方的戰術和技術手段，研究新的使用策略和方法提供依據。

發控機柜模擬器動態顯示發射時序和與模擬導彈交互的信息。

發射裝置模擬器采用Creator構建發射裝置的三維模型，運用Vega構建場景數據，通過接收信息生成控制模型節點屬性和場景數據，演示導彈發射過程。

圖1　艦空導彈火控訓練系統組成結構圖Fig.1　Structure of shiptoair missile fire control training system

3VR技術在訓練系統中的應用

3.1開發平臺

(1) 硬件平臺

采用一臺高性能計算機服務器作為整個系統的數據處理中心及指揮監控中心，一臺圖形工作站作為三維圖形處理中心，并行12臺臺式機和一臺交換機構成整個微機網絡系統。

(2) 軟件平臺

采用先進的網絡操作系統并配以虛擬儀器軟件及功能強大的高級開發語言；動畫生成與處理則采用先進的計算機圖形技術，并配以先進的圖形動畫設計軟件，多媒體系統將各種聲、光、圖形及動畫等有效地結合在一起，產生如臨實際的訓練效果。主要用的軟件工具有：NT4.0+Servicepack CreatorproWindows6.0操作系統，高級體系結構HLA，網絡相關應用程序JBuilder，VC++6.0，MultiGen三維建模軟件、Audio works2、GL Studio和Vega視景仿真開發軟件包。

3.2訓練系統中VR技術應用

(1) 作戰使用功能仿真

在系統的作戰使用功能中，首先根據雷達模擬器給出目標信息，為保證系統的處理精度和數據穩定性，一般進行濾波平滑、插值、外推等處理，形成航跡信息；其次指揮控制火控系統相應的設備，設置相應的狀態，進行實時的解算，在合適的時機由指揮員發送命令控制模擬導彈發射，實現對模擬目標的攻擊。該部分仿真內容是作戰使用功能仿真系統的核心內容，主要由武器系統作戰軟件來實現，具體包括武器系統信息處理、信息通信與交互、各種復雜解算及轉換、命令形成與執行等內容。在作戰使用功能仿真中，通過構建與實際導彈武器火控系統軟件需求相同的虛擬環境，完全火控系統作戰軟件仿真，使之能夠在仿真環境中模擬進行與實際系統相同的運行過程，從而實現對武器系統作戰使用功能的仿真[9]。

(2) 動態環境建模技術

虛擬環境的建立是VR技術的核心內容。動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。

1) 軍艦和導彈模型的創建

在軍艦和導彈各基本部件準確的幾何數據資料的基礎上，采用面向對象的樹型層次結構化設計模型，這樣既方便組織管理，又增添了三維模塊的重要性。在需要維護和改進時只需修改目標節點，而其他部分保持不變。軍艦和導彈等各個組成部分的形狀很不規則，很難簡單地用一個幾何體來模擬，為了使模型既能保證一定的逼真度，又能滿足采用樹型層次結構化設計需求，在構建軍艦和導彈模型時，將整個不規則的軍艦、導彈等組成部分分解成若干個相對規則的基本部件，將每個基本部件簡化為一個或幾個基本幾何元素的組合，基本幾何元素的確定以描述方便為基礎，并能夠利用它們方便地組合成各種幾何形狀，軍艦和導彈的各個基本部件就是這些基本幾何元素的組合。根據組合后的軍艦和導彈描述，用CreatorPro構造軍艦和導彈的三維幾何模型?？紤]到在艦艇航行和導彈飛行過程中，只用描述軍艦和導彈整體的運動情況，這樣在用Vega進行視景驅動時僅僅設置這一整體模型的運動即可，簡便了操作[10]。在各個三維模型構建完成之后，對模型進行紋理貼圖，最終生成軍艦、導彈的三維模型。

2) 海戰場環境模擬技術

虛擬海洋環境建模技術是訓練系統作戰仿真的重要組成部分。因為在仿真環境中，人需要以一種接近實際被仿真的裝備方式感知周圍環境，逼真的虛擬的海洋環境可以使模擬訓練具有真實性，還可以作為作戰演練、戰場態勢分析、武器性能仿真提供有力的環境支持。

系統中模擬的海戰場環境內容主要包括：大面積真實感海浪場景的建模與實施繪制；自然現象：溫度、濕度、風向、海情、能見度、光暈、日出日落、晝夜、動態3D云層；實體與環境交互效應，如艦船航跡流、導彈與飛機尾跡、爆炸效果、導彈發射效果等。

3) 作戰過程模擬

大量采用交互式3D技術、VR技術模擬作戰的戰術背景(目標批次、目標類型等)以及系統作戰全過程(目標侵入、搜索雷達送目指、發射裝置開艙口蓋、導彈發射、彈目交會等)，并以全3D虛擬現實方式顯示[11]。

4) 視景仿真底層驅動引擎

本訓練系統框架的主要核心底層是仿真引擎驅動，它將主要負責整個數據調度、運算、繪制和輸入輸出等。系統具體采用VC++6.0、Vega視景仿真開發軟件包開發，首先利用Vega開發系統創建一個Vpapp類對象或則派生類對象，場景初始化階段在Lynx Prine中完成，根據需要導入前面創建的三維模型，完成場景初始配置，然后通過調用不同函數按步驟實現環境初始化工作、解析相應項目文件、完成系統配置、進入幀循環、完成場景的更新顯示及狀態變化等。

(3) 音效跟蹤及合成技術

利用不同聲源的聲音到達某一特定地點的時間差、相位差、聲壓差等進行虛擬環境的聲音跟蹤以及多種聲音的合成與聲音空間化技術。

系統采用高保真虛擬三維聲音仿真模塊Audio works2。模擬聲音主要包括：海水與艦船自身聲響；艦船與海面相互作用音響；海風、下雨、雷電等自然聲響；導彈發射、飛行、爆炸音響；武器系統設備工作發出的音響，如報警、提示等；操作人員信息交流語言等[11]。

(4) 裝備儀器面板模塊仿真

對于訓練系統來說，其場景中的很大一部分是由裝備儀器面板組成的，因此，對于這裝備儀器面板邏輯模擬的真實程度，在很大程度上決定了整個系統的訓練效果。我們利用GL Studio進行裝備儀器面板的仿真設計。由于采用了設備真實紋理，操作面板逼真度高。

(5) 高性能計算處理技術

高性能計算處理技術主要包括同步技術、模型的標定技術、數據轉換和數據預處理技術，多維信息數據的融合、數據壓縮以及數據庫的生成，包括命令識別、語言識別以及各種信息的檢測等在內的模式識別，分布式與并行計算及遠程網絡技術等[12]。

4結束語

VR技術運用于訓練系統中，能夠直觀的反映艦空導彈火控系統作戰訓練中涉及到的各個因素，能夠根據訓練結果將作戰訓練情況可視化，同時結合回放便于對訓練情況的分析與評估。我們的訓練系統設計進入了尾聲，下一步將重點研究完善根據訓練系統仿真結果動態生成作戰訓練的三維模型問題，增加虛擬仿真的真實性，為艦空導彈武器系統訓練提供更為有效的手段。

參考文獻：

[1]方輝煜.防空導彈武器系統仿真[M].北京：宇航出版社，1995：87-89.

FANG Hui-yu.Air Defense Missile Simulation[M].Beijing：Publishing House of Aerospace，1995：87-89.

[2]雄光楞.先進仿真技術與仿真環境[M].北京：國防工業出版社，1997:36-39.

XIONG Guang-leng.Advanced Simulation Technology And Simulation Environment[M].Beijing：Nationl DefenceIndustry Press，1997:36-39.

[3]黃柯棣.系統仿真技術[M].長沙:國防科技大學出版社，1998：121-123.

HUANG Ke-di.System Simulation Technology[M].Changsha:National University of Defense Technology Press，1998：121-123.

[4]龔光紅，王形仁.先進分布式仿真技術的發展與應用[J].系統仿真學報，2004，16(4)：57-61.

GONG Hong-guang，WANG Xing-ren.The Development and Application of Advanced Distributed Simulation Technology[J].Journal of System Simulation，2004，16(4)：57-61.

[5]莫世鋒，李勤.一種面向分布式仿真的網絡通訊構件[J].系統仿真學報，2005，17(12)：852-853.

MO Shi-feng，LI Qin.A Kand of Distributed simulation Oriented Nework Communication Components[J].Journal of System Simulation，2005，17(12)：852-853.

[6]曹力，劉嘵平.局域網中分布式仿真系統的通訊模型[J].系統仿真學報，2007，19(13)：2951-2954.

CAO Li，LIU Xiao-ping.Local Area Network(LAN) in the Distributed Simulatioan Technology[J].Journal of System Simulation，2007，19(13)：2951-2954.

[7]劉藻珍,魏華梁.系統仿真[M].北京：北京理工大學出版社，1998.

LIU Zao-zhen,WEI Hua-liang. System Simulation[M].Beijing：Beijing Institute of Technology Press，1998.

[8]唐金國.艦空導彈作戰使用虛擬訓練系統研制[J].系統仿真學報，2009，21(S1)：34-37.

TANG Jin-guo.The Ship to Air Missile Combat Use Virtual Training System Is Being Developed[J].Journal of System Simulation，2009，21(S1)：34-37.

[9]徐學文．現代作戰模擬[M].北京：科學出版社，2001.

XU Xue-wen．Modern Warface Simulation [M]. Beijing：Science Press，2001.

[10]陽有明，陳儒.VR．PIatform虛擬現實技術在多媒體課件中的應用[J].軟件導刊，2012,1l(3)，180-181.

YANG You-ming,CHEN Ru. VR．PIatform Virtual Reality Technology in the Application of Multimedia Courseware.Software Tribune，2012，1l(3)，180-181.

[11]陳靜.分布式虛擬地形場景仿真研究[J].系統仿真學報，2007，19(13)：2931-2934.

CHEN Jing.Distributed Virtual Terrain Scene Simulation[J]. Journal of System Simulation，2007，19(13)：2931-2934.

[12]吳重光.仿真技術[M].北京:化學工業出版社，2000：101-103.

WU Chong-guang.Simulation Technology[M]. Beijing:Chemical Industry Press，2000:101-103.

Ship to Air Missile Fire Control Training System Based on VR Technology Design

CHENG Shun-li，ZHU Peng-lei

(PLA，No.92941 Troop,93 Element，Liaoning Huludao 125001,China)

Abstract:The concept, characteristic and classification of virtual reality technology are briefly introduced. The functions, the design idea and structure of the shiptoair missile fire control training system are expounded. And the virtual reality technology applied in shiptoair missile fire control training system is specially analyzed.

Key words:simulator；virtual reality technology；ship to air missile fire control training system;simulation

中圖分類號：TJ762.3+3;TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-02-0180-05

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.029

通信地址：125001遼寧省葫蘆島市連山區新華大街45號

作者簡介：成順利(1965-)，男，遼寧省葫蘆島人。高工，本科，研究方向為導彈武器系統試驗工程。

* 收稿日期：2014-05-22；
修回日期：2014-07-27