反辐射导弹辐射式仿真试验可视化技术研究＊

肖本龙 傅亦源 张 宇 杨黎都

（1.63880部队 洛阳 471003）（2.上海机电工程研究所 上海 200233）

1 引言

反辐射导弹（Anti－Radiation－Missile，ARM）作为现代武器系统的关键成员之一，半实物仿真在其型号研制、性能验证等方面发挥了关键的作用。ARM辐射式仿真试验是指其关键部件如导引头、自动驾驶仪等在回路的闭环半实物仿真试验，通过在微波暗室内构建真实、典型的目标信号、背景信号等战场电磁环境，并引入三轴仿真转台，模拟ARM从发射指令到在控制指令下完成近区攻击过程中导弹的物理姿态以及攻击效果，以实现ARM在不同战情设置情况下作战效能的综合评估。

可视化仿真采用计算机图形图像技术，根据仿真目的，构造仿真对象的三维模型或再现真实的环境，能够达到非常逼真的仿真效果，客观、实时地再现仿真过程，为用户提供一个多视点、多角度、多层次观察仿真进程的人机交互环境。由于辐射式半实物仿真试验系统属于硬实时系统，对实时性的要求非常苛刻，ARM辐射式仿真试验可视化研究遵从仿真试验系统的实时网协议规定，通过 Windows与RTX之间的数据交互，实现仿真试验与可视化的实时同步，为试验评估人员提供一种更加直观、便捷的分析手段。

2 开发平台的选择

ARM辐射式仿真试验可视化既要清晰地展示飞行动画场景，又要满足试验实时性的要求。目前用于三维场景可视化仿真的工具已比较多，如 MultiGen Creator、Multi－Gen Vega、OpenGL等。相比之下，MultiGen Creator／Vega等作为一种工具软件，虽然能够节省部分开发时间，但是这些软件局限于离线制作动画，进行可视化仿真，开发出的产品很难在不同的操作系统之间移植，且主要侧重于三维对象的建模，缺乏对场景和模型的实时控制，较难用于可视化系统的二次开发。开放性图形库OpenGL既能实现对场景的编辑，也能实现对场景和对象的实时控制。OpenGL可与Visual C＋＋紧密结合，实现有关计算和图形算法，保证算法的正确性和可靠性。在动画实时显示方面，OpenGL采用双缓存技术，实现动画的连续无闪烁响应，符合ARM辐射式仿真试验可视化的要求。

3 系统设计

3.1 系统总体框架

系统完成的功能包括虚拟场景的绘制、视点的跟踪与切换、导弹飞行数据的驱动，按照模块化和面向对象的设计思想，将系统分为不同模块，如图1所示。

其中各模块的功能如下：

· 开发环境模块：主要用于构建系统的开发环境，系统在Visual C＋＋环境下利用MFC和OpenGL进行开发的，考虑到在单文档绘制OpenGL图形较为简单，因此构建一个基于单文档的OpenGL图形程序框架。具体包括OpenGL库文件和头文件的添加，窗口函数的重载等。

图1 系统总体框架示意图

· 导弹建模模块：主要用于ARM的三维建模，并完成三维模型的加载。

· 自然场景模块：主要用于创建飞行环境中的典型景物如地面、天空、树木、攻击目标等的造型。

· 坐标转换模块：主要用于将仿真试验系统中使用的大地坐标系、弹体坐标系转换为OpenGL世界中的坐标系。

· 数据驱动模块：主要用于从仿真试验系统中的实时内存网上获取用于ARM飞行驱动的数据。

·动画绘制模块：根据获取到的ARM实时飞行数据对飞行画面进行重绘。

· 视点切换模块：为实现多角度、全方位的观察，可根据需要从不同视角切换ARM飞行过程的显示。

· 结果显示模块：仿真试验结束后，对ARM仿真全程中飞行数据以曲线的方式进行显示，以便对仿真过程进行全面评估。

根据系统的总体框架，系统的设计流程图如图2所示。

图2 系统的设计流程图

3.2 关键技术

3.2.1 导弹的建模与加载

本系统采用MilkShape3D创建导弹模型（其文件格式为MS3D），在工程中加入用于加载MS3D的类文件，分别是MilkshapeModel.h和MilkshapeModel.cpp，通过在视类中包含类的头文件，在绘制场景时调用loadModelData（）函数即可将制作好的导弹三维模型导入视景仿真程序，使模型绘制的复杂程度大大地简化。

3.2.2 攻击目标的构建

ARM攻击的目标一般是雷达等电子装备，这些装备的构造较为复杂，外形的平面和顶点较多，如直接使用OpenGL进行绘制，难以达到逼真的效果。因此，目标的绘制考虑使用与ARM同样的建模方法，即先在MilkShape3D里创建目标的三维模型，再通过模型的加载类将模型载入到仿真程序中。

3.2.3 数据驱动

为保证ARM辐射式仿真试验数据通信的实时性，其通信接口工作在RTX实时扩展系统下，而可视化系统是基于Windows环境进行构建的，通过黑板式通信接口将二者有机联系，实现ARM飞行驱动数据的实时获取，其基本实现方法如图3所示。

3.2.4 坐标的转换

ARM飞行中的位置和姿态是以地面坐标系XdYdZd中三个坐标值和弹体坐标系中的方位、俯仰、横滚三个姿态角确定的。地面坐标系原点选取在发射点上，Xd轴是弹道面与水平面交线，指向目标为正，Yd轴沿垂线向上，Zd轴与其他两轴垂直并构成右手坐标系。而在OpenGL坐标系X0Y0Z0中计算机屏幕为X0Y0平面，Z0轴由计算机屏幕指向观察者，Z0为负值时景物才能在屏幕上显示。因此，需要对两个坐标系进行变换以实现数据表述的统一，两坐标系关系示意图如图4所示。

图3 实时数据通信方式

图4 坐标系关系示意图

3.3 主要函数说明

1）InitOpenGL（）：用于初始化OpenGL场景，生成绘制描述表并置当前绘制描述表。

2）ReadTestData（）：该函数以仿真试验节拍为中断，实时读取实时内存网上的ARM位置姿态数据，并存入缓存以备绘制动画。

3）ViewpointTrans（）：用于完成仿真视角的变换处理，实现空间不同位置导弹飞行姿态观察。

4）OnTimeEvent（）：该函数以仿真试验节拍为中断，完成飞行场景、导弹的绘制，实现飞行动画的驱动。

5）DrawWave（）：对仿真试验数据进行获取，并随飞行过程实时动态绘制飞行位置、姿态数据曲线。

4 系统实现

系统利用OpenGL的双缓存技术，实现了平滑的实时动画效果。使用双缓存技术时，OpenGL分配两个帧缓存区，在连续显示三维曲面时，一个帧缓冲区中的数据执行绘制曲面命令的同时，另一个帧缓存区中的数据进行图形显示。当后台视频缓存中的数据要求显示时，OpenGL就将它拷贝至前台视频缓存，显示硬件不断地读可见视频缓存中的内容，并把结果显示在屏幕上。应用双缓存技术，可以避免在进行实时可视化时由于时间延迟而产生的画面闪烁问题。

系统实时读取仿真试验中实时内存网上的ARM位置和姿态数据，利用数据到达事件作为中断，使得每收到一次数据，ARM的位置和姿态马上进行更新显示，从而实现ARM攻击过程的实时可视化。可视化系统界面如图5所示。界面的上部为ARM辐射式仿真试验过程中的实时飞行姿态动画，下部分别为当前战情信息显示和ARM位置、姿态的数据曲线显示，系统在仿真试验结束后对ARM全程飞行数据进行记录入库，可在试验后进行重放。

5 结语

可视化系统是在仿真试验系统的框架规定下开发的，其接口完全移植于仿真试验系统，便于今后二次开发的实现。可视化系统在仿真试验过程中接收仿真试验控制指令，如试验开始、试验冻结、试验停止等，并在动画显示中予以体现。实时可视化和非实时可视化主要的差别在于驱动数据不同，本系统虽为实时可视化系统，但支持单机状态下接收外部数据文件的非实时驱动，可以用于试验后根据录取数据重现仿真试验过程，以科学、准确地对ARM作战性能进行评估。

［1］于淼，焦淑红.基于VC＋＋与OpenGL的船舶三维模型可视化应用［J］.信息技术，2011（6）：161－163.

［2］岳利群，夏青，黄勇.利用OpenGL实现武器装备模型运动可视化［J］.测绘科学，2010，35（6）：120－122.

［3］张明明，傅忠谦，等.基于OpenGL的导弹红外仿真研究［J］.红外技术，2011，33（6）：361－364.

［4］周杰，高洪林，周文林.基于OpenGL的新型水雷三维仿真训练系统［J］.计算机系统应用，2011，20（4）：11－13.

［5］龚铮，张科.弹舰电子对抗的视景仿真技术研究和应用［J］.弹舰与制导学报，2008，28（2）：219－221.

［6］高颖，黄罗军，许志国.基于OpenGL的某导弹视景仿真技术研究［J］.兵工学报，2007，28（1）：125－127.

［7］李纲，章校，黄地龙.仿真实时视景演示系统的研究与开发［J］.弹箭与制导学报，2005，25（3）：218－220.

［8］禹海全，郝永生，姚志敏.对三种常用视景仿真软件的功能比较研究［J］.计算机仿真，2006，23（2）：174－176.

［9］Shreiner D，Woo M，Nerder J，et al.OpenGL programming guide［M］.5th ed.Ontario，Canada：Addison－Wesley Professional，2005：1－2.

［10］陈其，刘国良，曾航，等.OpenGL三维图形系统开发与实用技术［M］.重庆：重庆大学出版社，2003：16－24.

［11］徐琦，方澄.基于反射内存网的多飞行模拟器时间同步［J］.火力与指挥控制，2009，34（11）：164－166.