基于Unity 3D的防空导弹引战配合可视化仿真研究

贾 岛，余 曜，蒋 涛，张 强，朱志鹏

(上海机电工程研究所，上海 201100)

0 引言

仿真方法日益成为战斗部毁伤、引战配合[1-2]和制导控制[3]等领域工程研究的重要手段。利用计算机仿真技术可以对理论计算难以分析的复杂现象进行研究，目前常用的防空导弹引战配合仿真方法中的弹目交会三维实体模型和作战场景模型较为简单，难以直观反映弹目遭遇段的实际过程和客观逼真的再现作战场景，利用虚拟现实程序开发引擎Unity 3D对防空导弹引战配合过程进行可视化仿真研究，完成了引战配合可视化仿真的目标建模、场景搭建。仿真场景中的模型和效果均采用真实设计参数驱动，因此弹目遭遇过程的场景更为逼真，引信探测目标、输出起爆信号和战斗部爆炸毁伤目标的工作过程更贴近实际。

1 仿真基础

视景仿真(visual simulation)是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是以计算机技术为核心生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境。Unity 3D作为一个让用户轻松创建诸如三维视频游戏[5]、建筑可视化、实时三维动画等内容的综合型开发工具，采用层级式的综合开发结构，具有视觉化的编辑，详细的属性编辑器和动态的场景预览。利用上述特性可将该引擎作为导弹弹道末端对目标毁伤全过程的一种十分便捷的仿真手段。

引战配合可视化仿真主要进行弹目交会末段的引信探测启动、引战延时、战斗部爆炸和杀伤元素飞散打击命中目标等过程的仿真和模拟。仿真流程如图1所示。

图1 引战配合视景仿真流程

Unity 3D具备层级式的组织结构，即父子链。对象与对象之间存在父子关系，即当父级对象移动时，子级对象也会一起移动，子级对象通过与父级对象的关系来确定本身位置。利用这个特性，可将引信、战斗部等作为导弹的一个子对象，仿真中仅需考虑引信探测波束、战斗部杀伤元等物体相对导弹的运动和姿态，简化了仿真模型建立的难度，降低了计算开销。

2 目标建模

Unity 3D支持FBX和3DS格式的通用三维模型文件，可利用3D MAX建模工具对目标模型进行建模，再导出为FBX文件，该文件可由Unity 3D直接读取。典型飞机类目标模型如图2所示。

图2 典型飞机类目标三维模型

3 引战系统数学模型

以无线电近炸引信配合破片式战斗部的防空导弹引战系统为例，建立引战系统中的无线电引信探测启动模型和战斗部杀伤场模型用于引战配合可视化仿真。

3.1 无线电引信探测启动模型

启动模型采用引信的详细设计参数构建回波模型，根据仿真运行时弹目相对位置实时计算目标回波强度，判断引信启动情况。

引信启动方程[4-6]由回波多普勒频率计算公式和相对回波功率公式组成。

目标回波多普勒频率fd为：

(1)

式中:Vr为弹目相对速度；λ为工作波长；ϑ为目标散射点和引信天线口连线与相对速度的夹角。

主动式雷达引信相对回波功率为：

(2)

式中:Gt为发射天线增益；Ft(φ)为发射天线方向性系数；Gr为接收天线增益；Fr为接收天线方向性系数；φ为目标散射点和引信天线口连线和弹轴的夹角；R为弹目距离；σt为目标等效的雷达散射截面积。

3.2 战斗部杀伤场模型

根据战斗部设计参数，对战斗部爆炸初始参数进行解算，包括杀伤元素数量、分布、初始速度，以此对每一个杀伤元素的质量、形状、速度大小、方向和衰减等参数进行赋值，建立战斗部静态杀伤场。

3.2.1 破片初速

战斗部破片初速由格尼公式计算得出[7]：

(3)

3.2.2 破片速度衰减模型

单枚破片飞行末速为[8]：

Vx=V0e-xβ

(4)

式中：Vx为破片末速；V0为破片初速；x为破片飞行距离；β为破片速度衰减系数。

破片速度衰减系数β[9]的经典理论公式为：

(5)

式中：CD为破片迎面阻力系数；ρ为当地空气密度，取海平面空气密度；A为破片迎风面积的数学期望；m为破片质量。

3.2.3 破片方向

模型假设战斗部爆炸时刻，所有破片的飞散起始点均为战斗部中心。在图3所示的坐标系内，单枚破片速度方向单位矢量为：

图3 破片速度方向

(6)

式中:φ为飞散方向角;θ为方位角。

战斗部杀伤场的可视化模拟采用Unity 3D的Shuriken粒子系统。用Particles、Renderer和Collider三个组件完成杀伤场的模拟。根据战斗部设计参数计算每一个杀伤元素的质量、速度大小、方向、位置，并在Particles中对粒子系统中各粒子进行赋值。在Renderer中使用平面贴图对每一个粒子进行显示，并根据摄像机方向调整贴图方向，实现对战斗部杀伤场的仿真模拟。

图4 不同战斗部杀伤场模拟

4 直接命中和杀伤元素命中检测

Unity 3D中能够实现目标之间碰撞的检测功能。若目标模型较简单，可采用标准的BoxCollider、CapsuleCollider、SphereCollider描述碰撞体，若目标体积较大，外形复杂，为确保碰撞检测的准确性，需使用网格碰撞体MeshCollider。直接使用精细的目标外形网格作为碰撞体的检测网格，由于网格数量较多，会影响运行效率。在几何外形模型的基础上另建立目标外形简化模型作为碰撞体网格，并根据目标功能组成将网格划分为不同部件，利用Unity 3D层级式结构将外形模型和碰撞体模型组合为一个整体，既满足了仿真运行的效率，又不影响外形精度和仿真效果，碰撞体模型设置如图5所示。

图5 碰撞体模型设置

仿真运行后，将实时判断导弹和目标碰撞以及战斗部杀伤元素与目标碰撞情况。发生碰撞后，可在OnCollisionEenter和OnParticleCollision事件中完成不同目标舱段的毁伤判断逻辑，杀伤元素命中目标后的视景仿真效果如图6所示。

图6 杀伤元素命中目标

5 引战配合可视化仿真

结合上述分析，在Unity 3D中建立可视化引战配合仿真程序，根据实际情况输入导弹外形模型、目标外形模型、目标近场散射模型、目标易损模型和引战系统数学模型，再结合弹目交会数据即可开展引战配合可视化仿真。仿真计算过程如图7～图8所示。

图7 末端弹目遭遇引信探测过程

图8 战斗部起爆杀伤元素飞散毁伤目标过程

6 结束语

基于Unity 3D，结合弹目外形模型、目标特性(近场散射特性和易损性)数学模型和引战系统数学模型建立了可视化引战配合仿真程序，结合弹目交会条件可开展引战配合视景仿真。

利用该可视化引战配合仿真程序可以较为逼真反映弹目末端遭遇和毁伤过程，直观分析不同弹目条件下防空导弹的引战配合效果，也可作为引战配合规律设计的辅助工具和相关设计人员的培训工具，使设计师对引战系统工作情况有更为直观的认识，提升引战配合设计效率。