迫击炮综合训练模拟系统的设计与实现

黄子才，和春耀，胡庭刚

（昆明陆军学院，云南 昆明 650207）

随着计算机图像技术的发展，虚拟仿真、计算机网络等技术在国防领域中大量应用，三维成像仿真技术和网络技术在军事训练领域发挥着越来越重要的作用。迫击炮分队训练场地要求高，特别是实弹射击场地的选择，限制条件多、安全要求高、保障任务重、耗费人力物力大、训练效费比低，且训练组织次数有限，急需一种组织简单、安全系数高、能有效模拟现实训练的模拟训练方式和手段来取代。而在室内通过三维成像技术和网络技术实现迫击炮射击指挥和网络化训练是现阶段迫击炮分队训练的一个发展方向。

当前，迫击炮训练模拟系统的研制与开发存在两大难题:一是实装器材与训练模拟系统连接如何实现实战化操作和数据的数字化传输，保证实装器材测量模拟数据在系统中的真实可靠性；二是三维地图地物地貌如何实现与真实训练场地逼真模拟仿真。为此，本文提出了新一代迫击炮综合训练模拟系统，在上述两个方面均有所突破。

1 系统简介

迫击炮训练模拟系统利用虚拟现实、弹道仿真、网络通信、数据库、嵌入式控制和网络通信协议等多种技术[5]，实现了迫击炮分队射击指挥综合训练的功能，受训人员根据模拟观察所的观察景象和模拟火炮的射击效果按照各种解决诸元方法及射击法则指挥射击，并将作业数据输入到模拟系统，进行智能化成绩评定。

该系统全过程模拟分队实弹射击的组织与实施过程，解决了场地限制、实弹射击安全保障难、组织训练难、经费有限等训练中的突出问题。

2 系统功能

根据组训单位的实际运用需求，迫击炮综合训练模拟系统可采用两种方式进行训练:一种是由某个系统进行控制，通过内部网络通信协议实现所有网络内其他若干系统同时进行训练；另一种是单系统自主进行模拟训练。

2.1 网络化训练功能

利用现有的内部网，采用统一的通信协议，实现不同地点、统一训练系统进行军官射击指挥训练和分队综合练习。在系统的引导下，对各种练习科目进行从生成作业条件到完成作业结果的全过程模拟，并能够对作业结果进行自动成绩评定和直观显示。

2.2 考核功能

系统可以对各种受训对象、各个训练内容进行考核。可以自动记录作业条件、学员作业结果、作业时间，利用数据库中存储了各相关科目的考核大纲与成绩评定标准，自动计算标准答案，并给出成绩评定结果，包括精度、时间、指挥处置，考核结果存入系统供查阅分析使用。

2.3 教学功能

依据颁发的有关训练与考核大纲，参考教程、教材，对相关各种训练内容和教学科目，均配置内容完整、标准规范、符合部队实际的多媒体教学课件，可以独立使用，也可以在教学与训练之间随意切换，为部队组织开展教学提供支持与帮助。

2.4 管理功能

系统将训练科目和成绩评定标准作为基础数据预置在基础数据库中（可根据需要变更），使用单位可以利用系统提供的管理维护机制将受训对象（单位、个人）输入到系统之中。训练时，系统自动记录训练情况、考核成绩，以及相关的题目、作业结果、时间、受训对象等信息（一经确认保存便不能随意更改），供查阅、统计、分析和打印，也可进行横向、纵向的多种分析比较。这对于部队加强训练管理，全面客观地掌握训练情况，改进训练措施，提高训练的针对性具有重要的意义。

3 系统组成

3.1 硬件平台

迫击炮训练模拟系统硬件平台分为观察所、炮阵地、系统控制台和三维仿真显示终端（见图1）。具体包括了主控计算机1台，辅助计算机1～2台，投影仪1台，总控台1座，音响1套，虚拟机光测距机1部、数字化方向盘1部，迫击炮（配数字化瞄准镜）火炮1～6门。多系统进行同一训练时，利用现有的内部网网络平台通信（IP4）协议，建立数据的相互传输。观察所虚拟激光测距机和数字方向盘，炮阵地（带数字化瞄准镜）通过数字通信与主控计算机进行连接，实现数据实时传输。

图1 迫击炮综合训练模拟系统结构图

3.2 软件平台

软件开发技术上开发语言使用 VC++，数据库SQL Server2000，OSG1.0（Open Scene Graph）开源渲染引擎，声效采用 OALPP 开源声效引擎，运行系统Windows2000/XP（见图 2）[5]。

图2 迫击炮训练模拟系统软件平台环境

该系统对迫击炮连排射击指挥综合训练的各个阶段进行分布建模，包括迫击炮训练模拟系统、想定编辑系统、地图纹理生成系统、战场环境生成系统和网络控制系统等五大系统，还包括一部分训练和教学辅助系统，如虚拟现实系统、检测定位系统、仿真运行系统、网络控制系统、教学管理系统、考核评估系统等。迫击炮模拟训练包括计算兵侦察兵计算作业、决定射击开始诸元、军官射击指挥练习、分队综合训练等和网络化综合训练等六个模块，可根据不同的训练内容来选择。系统为受训人员提供逼真实时的三维战场环境与目标，利用虚拟计算机、数字方向盘、计算器等作业工具进行连测战斗队形、决定目标射击开始诸元、连长指挥口令的记录、下达与执行等基本射击技能的训练；同时实时监测和执行连长下达的射击口令，并对指挥员的射击指挥和分队的操作过程进行合理评估，考核各级人员指挥、操作的准确性。

4 关键技术

4.1 观察所和炮阵地数字化模拟技术

4.1.1 观察所数字化模拟技术[3-4]

观察所模拟是训练模拟系统的关键，该系统主要利用虚拟激光测距机和数字化瞄准镜来实现。在训练模拟系统中，距离主要依靠虚拟激光测距机来完成，方向主要依靠数字化方向盘。由于与训练模拟系统通过通信协议进行适时数据传输，一旦模拟系统启动，系统会适时就模拟场景中观察所相关参数传送给虚拟激光测距机和数字换瞄准镜，首先进入校准界面，利用数字化方向盘来测量投影屏幕中的校准位置（见图4），从而决定虚拟场景中各个特定物体的位置关系。一经确定后，数字化方向盘转动量就与系统中虚拟场景有效关联。当方向盘“十字线”对向虚拟场中的任何目标或位置后，激光测距机会自动解算模拟场景中观察所到该目标或者位置的距离，方向盘也会给出以3000密位为基准的方向偏差量，在虚拟场景中测量的目标或炸点方向偏差量和实际野战环境测量值保持一致。这样，即使在室内实际场地较小，也能有效地模拟野战环境中观察所实战化训练。

图3 迫击炮训练模拟系统层次结构图

图4 虚拟观察所与屏幕校准界面

4.1.2 炮阵地数字化模拟技术[3-4]

炮阵地数字化模拟是实现阵地操作与系统有效连接的关键。为确保模拟训练的完整和实战化，该系统充分利用自行研制的迫击炮数字化瞄准镜（目前有三种火炮数字化瞄准镜），通过有线通信方式，实现实时信息传输。主要在数字化瞄准镜内加装倾角传感器和弹道模拟器，将火炮射角与数字化瞄准镜内表尺数值变化对应；方向上变化量，则以基本瞄准点为依据，在方向30-00为基准的基础上，方向变化后重新瞄准，数字化瞄准境内方向分划数值也会相对应变化。这样，正常操作火炮时，数字化瞄准镜会将表尺和方向数值或变化量实时传输至系统内，使系统中射击口令按照数字化瞄准境内表尺和方向实施射击。

4.2 弹道模拟技术

目前，国内外火控系统解算射击诸元所采用的弹道模型分为射表、射表数据拟合、弹丸诸元解析表达式和弹丸运动微分方程组四种方法[4]。通过对比分析和系统需求，选择利用解弹道微分方程决定射击诸元。该方法具有消除射表误差、可以利用实际的气象条件（如计算机气象通报），可充分考虑到各种射击条件之间的相互影响等优点。充分考虑模拟系统需求和计算机运算速度，为减少工作量，选择与实际弹道最简单的模型——质点弹道模型，其非标准条件下的微分方程组为

图5所示为决定射击诸元的一般解算步骤和方法，包括弹道诸元、气象诸元、地形诸元的解算[3]。这样，系统中外弹道的模拟就与实际弹道逼近，既能满足系统设计与研发的需要，又符合计算机运行速度的要求。

图5 解弹道方程决定诸元流程框图

4.3 战场环境仿真技术[1-2，5]

本套系统的视景显示采用三维视景仿真技术生成的三维实时虚拟场景，可实时更换观察所位置、观察方向，实时显示战场动态变化。野战战场共有山岳丛林和高寒山地两类地形，利用OpenGL底层函数绘制。战场环境通过投影在一个4m×5.3m的大屏幕上显示。仿真训练毕竟不能完全代替现地训练，为了使仿真训练与现地训练紧密结合，将现用的等高线地图转化成电子地图，经过断点续连、去除污点等处理，生成清晰的二维地形图像，然后进行矢量化，对等高线进行标高，多剖面插值生成数字高程矩阵，再利用OpenGL地形模型导入，设定相应参数，生成三维地形模型文件，再利用小型无人机对训练基地进行航拍所得的地物地貌，完成真实地形的三维建模。

4.4 网络通信协议技术[5]

根据仿真的需要，训练模拟系统和观察所模拟器、炮阵地数字化瞄准镜采用RS485通信协议进行数据传输；训练模拟系统与虚拟现实系统采用以太网连接；战场环境和综合控制台连接采用以太网。其中战场环境内部采用 HLA/IRTI协议，系统间网络化训练交联采用TCP/IP协议，因而通信接口要提供三种模式的通信方式:

· 基于HLA/RTI协议模式；

· 基于TCP/IP协议；

· 基于RS485通信协议技术。

通信接口软件需作为 HLA/RTI的一个联邦加入到仿真运行中，其功能是将战场环境中数据从HLA/RTI协议转换为RS485通信和TCP/IP方式；将来自RS485的观察所虚拟激光测距机和炮阵地数字化的数据以及来自 TCP/IP的武器攻击训练模拟器数据转换为HLA/RTI协议数据，即完成指挥控制台、训练模拟系统、战场环境和各数字化（虚拟）设备之间数据的有效转换和传输。

5 结论

经过使用表明，该训练模拟系统实现了不同部队迫击炮分队同时进行室内三维成像间接测量与实装设备现场测算无缝融合，方便地模拟分队综合训练的组织与实施全过程，解决了场地限制、实弹射击安全保障、组织训练等问题，为迫击炮分队训练提供了一种经济、有效的训练方式。

[1]郑长伟,戍兵,薛青,等.间瞄火炮射击训练模拟系统的设计与实现[J].系统仿真学报, 2005,17(9):2127-2129.

[2]王江春.间瞄火炮室内仿真训练模拟系统研究[J].系统仿真学报,2008,20(8):2018-2022.

[3]张显景,等.迫击炮射击教材[M].北京:八一出版社,1993.

[4]张乐平.炮兵射击指挥理论[M].北京:解放军出版社，2005.

[5]郭齐胜,董志明.系统建模与仿真[M].北京:国防工业出版社,2007.