基于半实物仿真技术的火箭布雷车模拟训练系统研制

李 剑， 杨小强

（1.南京安尔瑞电子科技有限公司， 江苏 南京 210000； 2.陆军工程大学， 江苏 南京 210007）

引言

新型火箭布雷车模拟训练器可以准确模拟实装操作方法、步骤，缩短训练时间、节约训练经费、提高训练效果，并且降低装备损耗，保持战备完好率，解决布雷车列装部队后训练水平低、训练手段落后的实际问题，特别是野战条件下无法开展的实装、实弹训练科目，也可在模拟训练器中反复练习，对于提高装备训练水平有着重要的现实意义和巨大的军事经济价值[1-2]。

1 系统的总体方案设计

1.1 火箭布雷车模拟训练系统操作席位布局设计

为全面训练炮班成员操作技能，准确模拟布雷车作业步骤，必须根据实装合理设计操作席位，确定模拟操纵部件与传感器安装位置，使操控系统与实装布局基本一致，结合逼真的虚拟三维视景输出，实现高度的沉浸感与表现力。

模拟训练器共设置驾驶席、炮长席、指挥席、半自动操作席、操瞄席、监控席等六个操作席位，主要用于布雷作业考核训练。重点突出“导、控、仿、裁、评”一体化的布雷作业模拟仿真训练理念；“导”在模拟训练器的监控席上完成布雷作业训练科目的下达与过程管理；“控”在布雷车监控席上完成对各席位的监控管理；“仿”在模拟器各席位上通过半实物操作部件完成布雷车各类作业动作的虚拟仿真训练；“评”通过在各个席位上设置过程评判参数及评估指标体系，完成对各个作业步骤的准确性评判；“裁”通过监控席对布雷弹散步面积是否符合技术要求给出训练成绩，实现了作业过程及作用结果的综合评判。

驾驶席用于训练驾驶员的基本驾驶技能，炮长席考核炮长的指挥通信能力，操瞄席与半自动操作席实现自动控制系统失效情况下的装填弹、瞄准与操炮训练，指挥席属于辅助操作席位，是整个操控系统的控制终端，将指挥观察终端软件移植到PC机上，作为系统通信节点，解算射击诸元，下达作战命令，实现火箭布雷系统的多车协同作业训练。监控席，通过切换不同视角，能够对模拟训练器的其他各席位发布指令并且监控器运行状态。图1为模拟训练系统席位布局图。

图1 模拟训练系统席位布局图

1.2 硬件系统总体方案设计

硬件系统的关键问题是准确、及时地检测操纵动作顺序、力度、行程以及时间等特性参数，因此硬件设计的重点在于数据采集系统的开发，其组成包括模拟操纵部件、传感器、节点微处理器、通信接口电路、CAN通信总线、视景显示与运动控制计算机[3]，如下页图2所示。

数据采集系统利用传感器检测模拟操纵部件的动作信号，将位置、速度、加速度等物理量转换为电信号，经过调理电路、A/D转换电路、通信接口电路进入单片机，进行数据计算与处理，单片机根据通信协议向CAN总线发送相应的数据报文，驱动虚拟三维视景与模拟发射装置，输出布雷车行驶、发射作业场景。

图2 硬件系统总体方案

1.3 软件系统总体设计

火箭布雷车模拟训练器软件系统，包括火箭布雷车仿真训练模拟和火箭布雷车训练仿真配置管理系统两大部分和数据存储模块，如图3所示。

1.3.1 虚拟仿真

虚拟仿真是火箭布雷车模拟训练器中的核心模块，主要包括训练模式模块、考核模式模块、教学模式模块、成绩查询模块、进度加载模块、系统配置模块。

1）训练模式模块：主要是进行火箭布雷车仿真训练，其中包括火箭布雷车驾驶、装填弹、操炮、火箭布雷车发射、火箭布雷车撤收等仿真训练科目。

2）考核模式模块：主要进行科目训练考核，考核过程中有时间限制，并且没有训练步骤提示。而且训练过程中存在致命错误，如果训练过程中出差，训练考核立刻结束。

3）教学模式：该模块中分为三部分内容：理论学习、理论考试和考试成绩查询。

4）成绩查询：对于各个科目进行的训练成绩进行查看。可根据不同条件进行查询，例如：用户名、科目、训练日期、分数区间等条件进行查询。

5）进度加载：根据在训练过程中临时存档的记录进行读档的操作，并且读档后场景、训练步骤、训练分数等都能恢复之前的操作，可继续上次存档的时候进行训练。

6）系统配置：可定制系统中的声音是否打开或关闭、配置水域效果是高级还是低级、植被效果的高低配置等[4-5]。

1.3.2 配置系统

1）教学管理：上传、修改、删除教学文件（包括视频、音频）；

2）科目：添加、修改、删除科目信息（由于科目使定制，此处修改科目，只能修改科目名称、科目描述信息，目前不能添加科目）；

3）训练规则：添加、修改、删除训练规则，配置训练规则中的单个步骤的总分数，及规则的训练完成时间等；

4）步骤、条件限制：配置训练规则中的步骤的分数、限制条件、致命错误标志等。

1.3.3 数据库存储

数据库采用目前最流行的SQLSERVER数据库。

2 模拟训练仿真软件设计

2.1 火箭布雷弹弹道模型分析

针对仿真软件弹道规划及落点确定，需要对火箭布雷弹进行数值建模分析。某型火箭布雷弹发射时，当发射电路接通后，火箭发动机的电点火具发火，引燃电点火药盒，点燃发射药，燃烧室内产生高温、高压气体，冲开密封罩，形成推力，推动火箭布雷弹沿定向器运动，当火箭布雷弹离开定向器依靠稳定器沿弹道飞行至预定时间，由传火药点燃推出发动机的点火药，引燃发火药，产生高温、高压气体，形成推力，并在弹筒后锥部内腔中形成燃气压力，在推力和燃气压力的共同作用下，推板推动弹筒内的地雷向前运动，将地雷撒布在空中，进而落在地面，形成一定面积的地雷场。上述运动原理可将布雷弹在空气中运动的全弹道分为三大部分研究。

第一部分为火箭弹从发射出定向管后到开仓与地雷分离。此段弹道模型类似于普通的火箭弹外弹道研究，一般来说，火箭弹在空中的运动规律分为两个部分，即主动段和被动段。记推力加速度/mV，空气阻力加速度 ax=CH（y）F（v，a），则可得到火箭弹在主动段的运动微分方程组：

在给定的初始条件下，求解该方程组，主要目的是求点 k 诸元 vk，θk，xk，yk，继而求解被动段的运动规律，对火箭布雷弹而言，主动段不长，只有数十米，即使xk，yk有些误差，对全程的影响不大，而切线倾角θ在全主动段变化也很小，一般为3°以下，因此，影响计算射程准确性的主要诸元时vk，它是弹体动能的来源，对射程的大小和准确性影响较为明显。

对公式（1）建立求解方程，采用基于Runge-Kutta公式的模糊仿真法进行求解，该方法为较为客观地描述布雷弹分离点的位置提供了操作性很强的数学方法。限于篇幅，本文不详细介绍算法的求解过程，具体可参考相关文献。

第二段从地雷与火箭弹分离到地雷上的降落伞完全张满。地雷刚从雷舱推出，仍保持为一直杆状态作整体飞行约0.5 s，0.8 s后地雷的伞衣全部张满。根据地雷在空中飞行的特点，该段假设地雷开始保持原来装配状态成一直杆作整体飞行，0.5 s后，系统突然失稳，降落伞瞬时张满的条件下，由于开舱火药的加速过程，其速度大于开舱时火箭弹的速度，并基本保持不变。因此，该段模型认为开舱后地雷的速度等于开舱时布雷弹的速度与地雷的速度之和，并且保持不变。建立外弹道模型。

取n个不等距节点为xi（i=0，1，2，…，n），其相应的函数值为yi（i=0，1，2，…，n），利用抛物线插值方法计算任意点t点的函数近似值为：

第三段从地雷降落伞张满到地雷落地。由于地雷采用了降落伞减速装置，在战斗部未打开之前，受阻力较小，开伞后飞行阻力增大，弹道偏离原弹道线，加之气动力特性及降落伞增阻过程的复杂性，因此，降落伞张满到地雷落地这一段将雷—伞作为一个整体，进行外弹道模型研究。

根据前面建立的三段不同弹道计算模型，针对新型火箭布雷车布雷弹的特性参数，编写了通用计算程序[6]。该程序能够在任何大气条件下进行弹道解算计算。根据给定的弹道初始条件以及弹道特征参数，利用上面给出的弹道模型和弹道软件计算射角为48°的弹道曲线，如图4所示。

图4 射角为48°时的弹道曲线

2.2 仿真系统软件设计与实现

2.2.1 仿真系统结构

图5为仿真系统框架结构。驾驶席与炮长席公用一台主机，操瞄席和半自动操作席公用一台主机，指挥席与监控席公用一台主机，通过分屏技术，每台主机外接两台显示器，席位与显示器一一对应。

三台主机分别接入以太网，驾驶席与炮长席主机作为客户端1，操瞄席和半自动操作席主机作为客户端2，指挥席与监控席主机作为服务器端，主机之间数据交互通过TCP/IP网络协议进行传输，驾驶席与炮长席的数据交互、操瞄席和半自动操作席的数据交互、指挥席与监控席的数据交互都是进程内部数据传递。每个席位都对应硬件操作台，通过串口对硬件数据进行采集发送[7]。

图5 仿真系统框架

2.2.2 三维场景仿真

三维视景仿真以Unity 3D游戏引擎为开发平台，以视景仿真数据库为基础，通过3D技术逼真地生成布雷车驾驶操作过程、布雷装备发射过程和火箭布雷弹的布雷过程等场景[8]。包括地面环境模拟、装备及火箭弹运行模拟、火箭弹发射效果、动态布雷效果等。

3 结语

新型火箭布雷车模拟训练系统解决了目前工程兵部队受场地、经费、安全性等因素导致的实装训练无法开展的技术难题，为工程兵部队开展新型火箭布雷车的训练与教学提供了一种贴近实战的模拟训练系统。模拟训练系统设置了驾驶席、炮长席、操瞄席、半自动操作席、指挥席、监控/导调席等角色席位的模拟，可用于布雷班组按照布雷车实际作业过程，提供满足布雷班组协同作业需要的布雷车战术作业模拟训练环境。该模拟训练系统对于提高火箭布雷装备训练技能、提高士兵训练积极性、节约装备训练成本有重要意义。