虚拟射击试验中的航迹融合方法

葛承垄，朱元昌，邸彦强，孟宪国

（军械工程学院，石家庄050003）

虚拟射击试验中的航迹融合方法

葛承垄，朱元昌，邸彦强，孟宪国

（军械工程学院，石家庄050003）

针对高炮武器系统虚拟射击试验中存在的航迹融合问题，研究了航迹在虚拟射击试验中的融合方法。分别通过虚实资源静态分析和动态分析，明确了试验中各试验要素内涵和虚实资源间信息交互的内容。由于虚实资源间交互的信息内容不同，易产生数据格式、信息理解等方面的不一致，且集中表现在数据处理上。因此，从空间一致性维护和时间一致性维护两个方面，给出了航迹在虚拟射击试验中的融合方法。

航迹融合，高炮武器系统，射击试验，虚实结合

0 引言

图1 高炮武器系统虚拟射击试验原理

高炮武器系统作为地面防空部队的重要作战力量，其传统射击精度试验存在试验成本高、试验周期长等突出问题。为有效解决这些问题，本文提出并应用了一种虚拟射击试验方法，其原理示意图如图1所示。试验原理可归纳为：目标测量值数据和目标真值数据的生成是虚拟射击试验的前提，称之为航迹生成；航迹生成后，在实际物理靶场中，经航迹注入接口，目标测量值数据被注入到被试武器系统中，用于解算射击诸元，相当于有靶机在靶场飞行；在虚拟空间中，虚拟靶机由目标真值数据驱动飞行，各虚拟模型与实际物理靶场中对应的试验要素保持状态同步，即虚实同步；当虚拟靶机飞至射击范围后，在实际物理靶场中，被试武器系统对虚拟航迹进行射击，靶场测量设备测量得到弹丸坐标数据，经坐标映射进入虚拟空间，最终在虚拟空间利用目标真值数据和弹丸坐标数据得到脱靶量。

由虚实合成［1］的试验形式可知，虚拟射击试验的一个基本特征是需要多种类型资源相互协同来完成试验，主要涉及到被试高炮武器系统、靶场测量设备和虚拟仿真资源。“相互协同”主要是指试验中虚实资源之间需要交互大量的数据，所以虚拟射击试验可看作是虚实资源与交互数据高度耦合的过程。由于虚实资源对交互数据理解的不一致导致出现了融合问题，且这些数据以航迹数据为主，因此，本文称之为虚拟射击试验中的航迹融合。这里的航迹融合与火控领域的航迹融合［2-3］有本质区别，后者旨在通过航迹关联、滤波、状态估计等技术手段为火控系统提供指挥依据，而本文旨在通过航迹融合实现虚实资源互操作，完成虚拟射击试验。

1 虚实资源静态分析

为了解决此融合问题，首先应该明确虚实资源内涵以及资源性质即虚实资源静态分析。在诸多资源中，部分是真实资源，部分是通过仿真手段得到的“虚拟资源”，二者隶属于不同性质的资源。因此，虚拟试验环境与传统物理靶场的不同之处在于前者的试验要素由不同性质的资源构成，而后者的试验要素均由真实资源构成。虚拟射击试验中的试验要素如表1所示。

表1 虚拟射击试验中的试验要素

被试品是试验中待进行射击精度评估的高炮武器系统，在真实物理靶场中使用高炮武器系统对虚拟航迹进行射击，在虚拟空间中通过虚拟模型展示高炮武器系统的跟踪和射击过程，虚拟模型的跟踪状态和开火等行为由真实武器系统的实际状态来驱动，以达到虚实同步的试验要求，被试品在虚拟射击试验中的资源性质是采用物理设备的真实资源。

被试品目标是高炮武器系统对空射击过程中使用的弹丸，由于在虚拟试验环境中高炮武器系统真实射击，其发射的弹丸真实存在，当靶场测量设备测量到弹丸后，经坐标映射以弹丸坐标数据的形式驱动虚拟空间中的虚拟弹丸模型展示弹丸飞行过程，被试品目标在虚拟试验环境中的资源性质是采用物理设备的真实资源。

参试品是指参与试验的靶场测量设备（主要指光测设备），在虚拟试验环境中光测设备是采用物理设备的真实资源，其主要作用是测量真实弹丸的坐标数据，同时其在虚拟空间中的虚拟模型由光测设备的实际状态来驱动。

参试品目标是指高炮武器系统中作为射击目标的飞机/靶机，在虚拟试验环境中没有真实飞机/靶机，在虚拟空间中飞机/靶机以虚拟模型的可视化形式展示实测目标真值数据，参试品目标在虚拟试验环境中是仿真出来的虚拟资源。

此外，航迹生成得到的数据是驱动虚实资源在虚拟射击试验中协同运行的“动力”。虚拟射击试验中存在的多种虚实资源的运行状态和运行结果相互作用，共同组成整个试验的结果。

2 虚实资源数据流动态分析

为了解决航迹融合问题，需明确虚实资源之间数据交互的具体内容即虚实资源数据流动态分析，进而为解决数据理解不一致的问题给出具体的融合方法。虚拟试验环境中虚实资源信息流如下页图2所示。

虚实资源的信息流主要包括两个方向：“由虚入实”和“由实入虚”。“由虚入实”数据流即由虚拟资源流向真实资源，主要是指针对虚拟飞机/靶机的目标测量值数据注入到真实被试高炮武器系统的火控系统中；“由实入虚”数据流是指由真实资源流向虚拟资源，如真实被试高炮武器系统的状态信息驱动高炮武器系统虚拟模型，保证虚实同步。虚实资源之间交互的信息流主要有以下5类。①目标测量值数据：该信息由航迹生成产生，被注入到真实高炮武器系统的火控系统中，用于解算射击诸元；②目标真值数据：该信息由航迹生成产生，用于驱动虚拟空间中飞机/靶机的虚拟模型在虚拟空间中飞行，并被发送给光测设备以引导其对射击弹丸坐标进行测量；③弹丸坐标数据：该信息由光测设备测量高炮武器系统射出的弹丸坐标而得到，经坐标映射后驱动虚拟空间中虚拟弹丸飞行，并与目标真值数据协同计算脱靶量；④武器系统状态信息：该信息由真实高炮武器系统输出，主要包括高炮位置、炮管指向、开火射击事件等，传递给虚拟空间中的高炮武器系统虚拟模型，以保证虚实一致性；⑤光测设备状态信息：该信息由真实光测设备输出，主要包括设备位置、姿态等，传递到虚拟空间中用于同步光测设备的虚拟模型。

图2 虚实资源数据流

3 虚拟射击试验中的航迹融合

虚实资源对交互数据理解的不一致导致了航迹融合问题的出现。进一步讲，航迹融合问题产生的原因在于真实资源和虚拟资源之间交互的信息内容不同，易产生数据格式、信息理解等方面的不一致、不兼容，且这些问题集中表现在数据处理上。数据处理问题主要涉及如何利用两类不同性质资源输出的数据，通过数据处理以达到评估高炮武器系统射击精度的试验目的，主要包括空间一致性维护和时间一致性维护［4］。

3.1空间一致性

虚拟射击试验中，需要构建基于Virtools（VT）［5］环境下的虚实试验平台，试验系统内部虚实资源之间需要交互大量的数据，而这些数据是在不同的坐标系下定义的，为达到虚实融合的目的，必须首先确保空间一致性，即解决空间配准问题。虚拟射击试验中的空间一致性维护主要涉及系列坐标系的定义及相互转换，难点在于一是满足实装的约束使异构资源对空间的理解一致；二是跨虚实空间，需要寻找和建立中介坐标系进行维护和管理。

图3 虚拟射击试验中的主要坐标系

如图3所示，虚拟射击试验中主要涉及3个坐标系：目标测量值坐标系、目标真值坐标系、VT世界坐标系。其中，目标测量值坐标系和目标真值坐标系都是指大地直角水平坐标系，二者的载体坐标系是在二者基础上衍生的，不再给出载体坐标系详细的定义。目标测量值坐标系是指被试高炮武器系统雷达所采用的坐标系，采用球坐标，记为Oc-Dβε，如图3（a）所示。目标真值坐标系是指真值测量设备对目标交会测量后所得真值数据采用的坐标系，记为Oz-XzpYzpHzp，如图3（b）所示。VT世界坐标系是Virtools中的坐标系，并按照左手法则定义，记为Ov-XvYvZv，如图3（c）所示。其中Xv、Yv、Zv并无具体的方向定义，具体的方向含义需要根据实际应用需求完成对应。

为达到空间一致性维护的目的，必须使试验要素对坐标信息的描述一致，因而就需要以某一坐标系为基准，其他坐标系通过坐标系映射转换为这一坐标系。但由于3个坐标系之间的坐标原点不同且坐标轴的方向/意义不一致、相对关系难以确定，因此，直接以三者中某一坐标系为基准进行坐标系转换非常困难。考虑以其他坐标系为中介的多坐标系映射方法。中介坐标系的建立原则主要有两点：①是其他3个坐标系易于转换为中介坐标系；②是中介坐标系在VT集成环境下应用灵活、方便。构造VT“北天东”坐标系O-XYZ，坐标系之间进行变换时，全部统一转换为VT“北天东”坐标系下的坐标，以达到空间一致性维护的目的。

VT“北天东”坐标系的定义如下：以VT世界坐标系的原点为原点，X（北）轴方向为VT世界坐标系的Zv轴指向，Y（天）轴方向为VT世界坐标系的Yv轴指向，Z（东）轴和XOY平面垂直，方向为VT世界坐标系的Xv轴指向，且符合右手定则。坐标系间变换关系主要是3种：球直变换、旋转和平移［6］。同时，由于被试武器系统雷达和靶场真值测量设备存在航向角、纵摇角、横滚角，应该先把载体坐标系转换为相应的水平坐标系，然后再转换为VT“北天东”坐标系。下面据上所述进行空间配准，空间一致性维护示意图如图4所示。

图4 空间一致性维护

3.1.1目标测量值坐标系→VT“北天东”坐标系

对于目标测量值坐标系来讲，应该先经过球直变换，将目标测量值载体坐标系（球坐标）转换为目标测量值载体坐标系（直角坐标），变换公式为式（1）。然后，经坐标旋转将目标测量值载体坐标系（直角坐标）转换为测量值直角坐标系，变换公式为式（2）。最后经坐标平移，转换为VT“北天东”坐标系，设点Oc在O-XYZ下坐标为（JXc，JYc，JZc），则平移公式为式（3）。

3.1.2目标真值坐标系→VT“北天东”坐标系

对于真值坐标系来讲，先经过坐标旋转将真值载体坐标系转换为真值坐标系，与式（2）类似；然后，经过坐标平移转换为VT“北天东”坐标系，平移公式与式（3）类似。

3.1.3VT世界坐标系→VT“北天东”坐标系

对于VT世界坐标系来讲，将Xv和Zv互换即可得到VT“北天东”坐标系，变换关系见式（4）。

3.2时间一致性

图2给出了虚拟射击试验中虚实资源交互的5种信息流。由于被试武器系统姿态信息和光测设备姿态信息分别由目标测量值数据和目标真值数据解算而来，因此，在时间配准问题上只要将目标真值数据、目标测量值数据和弹丸坐标数据进行时间配准即可。下面以目标真值数据和目标测量值数据的时间配准为例进行分析。高炮武器系统射击精度试验中，光测设备和被试武器系统雷达的采样率不同，且被试武器系统雷达扫描周期并不固定，因此，来自二者的观测数据通常不是在同一时刻得到的，观测数据存在时间差。所以，在虚实融合之前必须将这些观测数据同步，也就是统一“时基”，以得到被试武器系统雷达和光测设备在同一时刻下针对同一目标的测量数据。在进行时间一致性维护前，必须首先确保目标测量值数据和目标真值数据按照实际采样间隔发送给相应的试验要素。以目标真值数据的发送为例，其发送过程如图5所示。目标测量值数据的发送与之类似。

图5 目标真值数据的发送过程

考虑利用扫描周期较长的目标真值时间作为公共处理时间，把目标测量值时间统一到目标真值时间上。这里的时间配准问题和数据融合中的多传感器时间配准［7］有显著差异。在多传感器时间配准中，通常将高精度的数据配准到低精度的数据上，精度的概念是针对扫描周期的长短界定的；在本文中虽然真值测量设备扫描周期大于被试武器系统雷达，但就测量精度而言，前者高于后者。更为重要的是，本文需要在虚拟空间中利用目标真值数据和弹丸坐标数据计算脱靶量，为确保脱靶量的计算精度，应将目标真值时间作为统一的“时基”。拉格朗日插值是靶场中常用的插值方法，应用拉格朗日插值对目标测量值数据进行外推，拉格朗日插值原理不再赘述。基于拉格朗日插值外推的示意图如图6所示。

图6 基于拉格朗日外推示意图

从图6可以看出，目标真值数据和目标测量值数据在时间上除少数时刻（如真值时刻0、4T与测量值时刻0、5t）配准外，大部分时刻均不配准，存在时间差，目标测量值数据时间间隔固定为T，目标测量值数据时间间隔不固定如t、p、q等。本文利用的是3点（配准时刻前相邻的3个原始测量值数据点）拉格朗日插值外推，设拉格朗日插值函数为la grange（），其输入参数为已知数据点的时刻和对应数据以及欲求数据对应的时刻；设目标真值数据各时刻对应的数据分别为actual_T0、actual_T、actu-al_2T、actual_3T、…；设目标测量值数据各时刻对应的数据为measuring_t0、measuring_t、measuring_2t、measuring_3t、…；设外推后各时刻对应的目标测量值数据为measuring_T0、measuring_T、measuring_2T、measuring_3T、…；则基于以上分析，利用拉格朗日插值外推可得：

根据以上基本原理，经外推可得到5T、6T、7T等时刻的目标测量值数据。没有利用新配准时刻处的目标测量值数据进行下一配准时刻目标测量值外推的原因在于：新配准时刻处的测量值数据存在外推误差，如果利用此时刻处的测量值数据再进行外推将造成误差积累和误差增加，影响数据的精度。外推前后测量值数据的时间序列对比关系如表2所示。

表2 外推前后测量值数据的时间序列对比

外推前后测量值坐标数据x、y、z局部对比示意图如图7～图9所示。从图7可知，由于测量值曲线变化较快，导致外推曲线在“尖峰”处存在误差，但误差并不大，在其余时刻误差小于0.1；图8、图9中，由于测量值曲线较为平稳，外推曲线的外推误差非常小，在大部分时刻能达到0.01数量级。因此，从测量值外推曲线与测量值曲线的对比中可以看出，测量值外推曲线和测量值曲线的总体差异程度较小，能满足后续脱靶量计算要求。

图7 外推前后测量值坐标x对比示意图

图8 外推前后测量值坐标y对比示意图

图9 外推前后测量值坐标z对比示意图

4 结论

虚拟射击试验是一种虚实结合的试验形式，将航迹等试验数据融合入统一的试验环境中、实现虚实资源互联互操作，是构建虚拟试验环境的重要前提。为保证虚实资源协同进行试验，本文基于虚实资源静态、动态分析，研究了虚拟射击试验中的航迹融合方法，即从维护航迹等数据传递过程中的空间一致性和时间一致性两个方面，分别通过多坐标系映射、基于外推的时间一致性维护，解决了虚拟射击试验中的航迹融合问题，为搭建高炮武器系统虚拟射击试验原型系统创造了条件。

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Research on Flight Path Fusion Method for Virtual Firing Test

GE Cheng-long，ZHU Yuan-chang，DI Yan-qiang，MENG Xian-guo
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Aiming at the flight path fusion problem in virtual firing test for anti-aircraft weapon gun system，the flight path fusion method in virtual firing test is studied in this paper.Test factors’connotation and interactive information contents between virtual resource and actual resource are acquired by static and dynamic analysis of virtual and actual resource respectively.Because of the difference of interactive information contents between virtual resource and actual resource，it is inevitable to lead some discordant aspects to occur，such as data form and information comprehension which are presented evidently in data processing.Overall，the flight path fusion method in virtual firing test is studied in the following two aspects：maintenance of space consistency，maintenance of time consistency.

flight path fusion，anti-aircraft weapon gun system，firing test，virtual and real complex

TP391.9；TJ35

A

1002-0640（2016）11-0098-06

2015-09-25

2015-10-27

葛承垄（1990-），男，山东平阴人，博士研究生。研究方向：武器系统建模与仿真。