可视化靶弹供靶任务规划系统研究

张芝源，曹红松，刘鹏飞，曹立飞，常海，郝晶胜

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.陆军炮兵防空兵学院郑州校区，河南 郑州 450000；3.中国人民解放军第3606工厂，山西 侯马 043000)

为了有效衡量防空武器拦截能力，在其演习训练及相关性能试验中需要大量成本低、性能可靠和操作简便的靶弹[1]。目前，通过改造退役或者超期火箭弹，模拟制导导弹红外、雷达等特性，能够满足广泛的供靶要求[2-3]。但是对不同的训练及试验需求，供靶弹道、航路捷径以及目标特性的模拟要求不同，并且不同的靶场具有不同的地理条件和射界要求，依据人工规划靶弹发射任务的方法，经常出现靶弹发射位置设置不合理，射角、射向不精确等问题，使靶弹脱离供靶段导致供靶失败，且存在靶弹落点区域不精确带来的安全风险等问题。

针对以上问题，笔者设计了一套集便携式手持设备、车载卫星定位定向、风速风向仪于一体的靶弹供靶任务规划系统，可实时获取GPS定位、气象信息，能够对靶弹弹道及射表进行精准计算和合理规划，并以靶弹弹道为基础，实时实地地计算靶弹发射位置、方位角和射角等参数。系统采用OSMDroid作为GIS地图引擎并基于地图精确标识靶弹发射的火炮、导弹阵地、导弹路径、供靶段等重要信息，实现对导弹靶弹发射位置以及落点、供靶段等任务规划预案的可视化。

通过该任务规划系统，在军事训练、导弹测试试验准备过程中，保障训练和试验人员可以快速便捷地规划供靶任务，依据当前训练靶场地理环境确定最优靶弹发射阵地及方位等，能够有效减少试验前期准备时间，提高供靶效率和着靶概率，更好地满足防空武器性能测试及训练需求。

1 系统方案设计

1.1 需求分析

本系统为满足训练和试验人员在不同的靶场地理环境中，针对不同类型靶弹与防空武器进行协同训练时的任务规划需求，应具有以下功能：

1)可选择不同类型的靶弹，在不同飞行高度、飞行速度、供靶时间等供靶参数要求下，进行单条供靶弹道的计算。

2)能对训练场地基本气象数据进行测量，并针对不同海拔、风速风向等要求进行多任务的弹道射表计算，并进行射角的优选。

3)对于供靶任务的总体规划，有较为便捷的设计方法和清晰的展示效果。能对导弹、靶弹发射位置以及发射方位进行设计，方便训练和试验人员根据地形确定最佳发射位置、选择目标拦截方式，如迎攻、尾追等。

4)确定方案后可计算获取靶弹弹道关键点、导弹发射点、航路捷径、靶弹落区以及安全区域的相关数据，并生成规划报告。

5)可对靶弹发射架上定位定向装置的数据进行读取与处理，并进行实际方位与任务规划结果的校准。

1.2 硬件系统设计

为了满足以上需求，获取精确的作战环境参数，保障系统软件稳定运行，便携式靶弹可视化系统硬件主要由以下几个部分组成，如图1所示。

1)便携式安卓设备：系统工作、通讯和软件运行都以该设备作为核心模块，采用10.1英寸军用三防平板，通过设备上RS-232串口、USB接口与定位定向设备和气象测量仪进行通信；同时搭载高性能处理器为靶弹弹道及射表实时解算提供保障。

2)定位定向设备：主要负责高速靶弹射向、射角以及发射位置的确定及读取，采用便携式高精度定位定向接收机，具备载波相位差分(RTK)、伪距差分以及GPS短报文通信和位置报告等功能；使用时通过测量两个定向天线构成的基线矢量方位角，可以快速、准确地测算出相位角。同时可进行多模多频卫星信号处理，实现高速靶弹方位角、俯仰角及发射点坐标的快速精确解算[4]。

3)供电设备：作为接收机电源，信号接口均采用LEMO接头，可在恶劣使用环境下可靠连接。

4)气象测量仪：进行训练场地气象数据采集，并将数据传输到数据解析模块生成靶弹弹道计算所需的气象数据。可测量训练场地的气温、气压、瞬时风速、瞬时风级、平均风速、平均风级和对应浪高等数据。

1.3 软件系统设计

针对实际防空武器训练任务过程中涉及的环节因素多样，对软件进行了总体架构设计，制定了规划、计算、分析与查看的流程。

1.3.1 软件总体架构

笔者将系统软件划分为用户层、应用层和数据层，软件总体架构如图2所示。

用户层是系统与用户进行交互操作的前端界面，实现用户在Android设备上的各种内容的交互，完成弹道解算以及弹道数据的分析、靶弹任务的规划及展示、地图要素信息的获取。

应用层负责软件后台数据解析与计算，主要包含弹道计算、数据获取和可视化任务规划3个模块，是规划软件的核心内容。将数据层得到的地图资源、弹道数据和训练、试验人员通过用户层设计的任务规划数据进行分析解析。

数据层负责系统软硬件产生的包括靶弹数据、导弹数据、配置参数、气象数据、地图数据和结果文件等数据在内的交换、存储和分发。

1.3.2 软件功能设计

根据总体需求与设计要求，按照实际训练操作流程，本系统提供了一套试验前的靶场阵地规划软件流程，设计计算合理优质的供靶弹道，定位靶弹发射阵地位置、防空武器发射位置以及安全区域，在不同的靶场中对靶弹的射角、射向进行分析计算。

软件按使用时间分为试验前的总体规划、试验供靶前夕的调试和准备两个部分。软件使用流程设计图如图3所示。

2 基于地理信息的靶场阵地规划

2.1 地理信息的处理与加载

本软件基于OSMDroid引擎[5-6]，首先在安卓设备中预置存储所需靶场的离线瓦片地图数据。然后集成OSMDroid中核心功能，定义了MapControl类、实现了对地图初始化的封装，Unified Modeling Language(UML)类图如图4所示。

采用了瓦片金字塔模型，按照地理实体类别与属性特征进行分层显示，每一图层依据分辨率级别匹配对应参数，如图5所示。移动GIS地图数据模式采用网格式布置，图层数据在同一显示级别中以网格形式存在，网格中的每一块与地理实体数据单元一一对应，每一个数据单元按分辨系数进行数据组织，以此实现地图数据的应用功能和多级表达[7]，结果如图6所示。

2.2 靶场阵地规划

本系统的使用流程是根据阵地规划的实际内容设计的，所以规划过程可参考图3的流程：

1)试验前，在诸多不同类型靶弹计算文件选择具有目标特性的靶弹和相应的靶弹计算文件,然后在弹道计算模块进行多条供靶弹道的计算。

2)根据生成的弹道曲线，分析是否有较为合理的供靶段，确定靶弹射角及弹道曲线，弹道计算界面和弹道曲线如图7所示。

3)在任务规划模块输入供靶参数要求和弹道规划参数，开始规划。

4)针对靶场地理环境、靶场试验要求、攻击方式(迎攻或尾追)对导弹射界和位置、靶弹发射位置及射向范围、安全区域等进行设计与处理，如图8所示的软件截图为靶弹任务规划结果。

5)分析航路捷径、弹道关键点数据、安全区域是否合理，并与导弹测试人员进行沟通交流。

6)合理后，在靶弹射向范围内训练和试验人员确定最终射向，并生成规划报告，包括规划位置、方向、弹道关键点数据等规划内容。

7)试验时，对风速风向仪、靶弹发射架上定位定向装置的数据进行读取与处理，调整位置、射向、射角，进行实际方位与任务规划报告的校准，实际情况如图9所示。

2.3 信息要素的图形化显示

在本系统中使用了地图引擎中的Marker类以及其方法进行图层绘制。地图符号不仅可以使用Drawable类内部矢量图、绘制工具进行绘制，也可以通过继承Drawable类通过其自带方法使用自定义的地图符号、标记[8]，其具体标记参照图10所示。

1)靶弹发射阵地如图8中蓝色火炮图标所示，点击图标后会显示详细火炮位置、射角(完成弹道设计后显示)、射向(完成任务规划后显示)，还有以该型靶弹在35°射角下最大射程为半径的半透明蓝色圆圈，点击后会显示射程，如图10(a)所示。

2)导弹发射阵地如图8中小火箭图标所示，导弹射界为浅绿色扇形区域(此次规划射界为北偏东270°～360°，30 km)，点击导弹图标后会显示详细导弹发射阵地经纬度位置、航路捷径(垂直于射向的细红线为航路捷径)及距离信息(如航路捷径长度8 km)，如图10(b)所示。

3)靶弹弹道如图8中的黄线所示，蓝色圈内部分表示靶弹弹道。射向上的红色粗线代表有效供靶段的范围,单击红色位置图标，显示供靶起始时间、结束时间、持续时间，如图10(c)所示。

4)安全区域如图8中红色区域所示,点击后显示安全区域关键位置经纬度，以便与靶场单位人员协调规划警戒位置，如图10(c)所示。

3 基于Android的弹道计算与数据读取

弹道计算作为任务规划系统的核心模块，进行靶弹弹道解算及优化求解，得到最佳供靶弹道和发射参数，是本系统规划的弹道数据来源[9]。数据通信及读取解析是实际试验与任务规划的沟通桥梁，通过实时数据获取并通过规划内容来进行试验。

3.1 弹道的解算流程

靶弹弹道及射表计算由计算参数配置模块、六自由度弹道计算模块和多任务射表计算模块3个部分组成，实现靶弹弹道解算、靶弹射表快速计算等功能。

靶弹射表计算一般是通过射角计算弹道数据，但是在任务规划当中更多的情况是通过射程等信息反算弹道以及射角，由于反求过程需大量迭代运算，在进行靶弹射表计算时运算量过大，需等待时间较长。所以笔者建立了射程和射角的非线性回归方程，然后求解给定射程区间内的射角，流程如图11所示。

具体解算步骤如下：

步骤1在给定射程范围内选取3个及以上样值进行射角计算，一般选取射程范围上界、下界及平均值这3个点作为样值。

步骤2分别求解出射程样值对应的射角组成特征点，根据步骤1选取的样值可求解得到3组特征点。

步骤3将3组特征点带入射程和射角回归方程：

y=ax2+bx-c.

(1)

采用最小二乘法计算回归系数，求得回归方程。

步骤4将射表中需求解的其他射程带入步骤3所得回归方程，便可快速求解出所需射程对应的射角，将射角带入弹道方程即可求解出弹道诸元。

如表1所示，快速计算求解得到的射角对应的射程与六自由度弹道求解得到的射程偏差控制在2 m内，满足供靶需求，同时提高了解算速度，结果可用性较高。

表1 理想弹道与快速计算结果对比

3.2 GPS差分定位定向数据读取和校准

靶场规划设计完成后，需要与实际试验相结合。需要通过设计数据与GPS定位数据相校准，然后按照设计的方法进行试验，如图9所示。GPS定位获取途径主要是通过第1.2节所描述的定位定向设备完成，包括设备：GPS差分天线以及GPS接收器，如图12红色标记和黄色标记所示。

本平台通过RS-232串口实现GPS接收机与安卓上位机的连接及通信。串口通信过程首先需要安卓设备发送GPS接收器的串口参数如波特率、数据位等进行对接收器的设置，然后其会持续收到接收器返回的定位定向数据，安卓设备则需实时获取串口数据[10]。

由于接收到的二进制文件为NMEA-0183格式，NMEA-0183是GPS导航设备统一的RTCM(Radio Technical Commission for Maritime services)标准协议，因此选用了开源的解析库JavaMarineAPI，在此基础上增添了HEADINGASentence类对HEADINGA报文的解析，以获取方位角、俯仰角等重要信息[11-12]，类图如图13所示。

由于Android主进程无法保证串口信息发送的持续性、实时性，因此定义了ReadThread类以多线程的方式获取定位信息，最后在软件层面实现了相应的串口数据读取功能，如图14所示。

4 结束语

针对防空武器训练用高速靶弹任务规划问题，提出了一种基于便携式安卓设备的高速靶弹任务规划系统。应用定位定向设备、气象测量仪和便携式安卓设备搭建了系统硬件平台，采用弹道快速解算与混合编程技术实现了弹道与射表的快速计算，并使用OSMDroid开发了基于地图的发射任务规划模块，最后基于安卓系统完成了系统开发。经过测试验证，系统运行稳定，满足任务规划要求，可以极大地提高靶弹发射任务规划效率。