作战试验三维可视化仿真系统设计

魏五洲 赵海旭

摘要：在以计算机图形学为基础的三维可视化基础上，设计了作战试验三维可视化仿真系统。将三维空间理念引入到作战试验可视化显示中，具体阐述了作战标绘的三维模型构建、实时数据接收及解析、三维态势显示、雷达仿真分析，直观具体的表达了作战试验三维态势。通过大数据加载显示策略、粒子特效关键技术实现了良好的可视化效果，有效地提高了作战试验三维信息感知能力。

关键词：作战试验;三维可视化;仿真系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）31-0288-02

对战场态势及战场环境的可视化仿真在作战辅助决策支持系统中发挥着重要作用。。研制一种可测量、多维度、充分考虑领域情景的虚拟战场环境系统，可用于武器系统性能验证和作战方案推演，同时可有效改进系统使用人员的临场感觉，促进训练水平、效益的不断提高，指导施训方案的科学制定，推动军事作战、训练模拟在概念和方法上产生新的飞跃。

1系统功能模块结构

根据作战试验需求，三维显示系统可划分为三维数据服务子系统、三维基础功能模块、实时数据接收与处理、三维态势显示模块和雷达分析功能模块，系统组成如图1所示。

2系统设计

2.1作战标绘

1）三维模型标绘

通过实体在三维数字地图上的初始位置部署和实体基本信息的录人，将作战实体三维模型手动部署到三维场景中，以可视化界面编辑部署经纬度、高度、方位角、俯仰角、模型缩放比例信息。

2）标绘对象编辑

改变标绘对象的颜色、符号大小、空间位置、视图范围等信息，通过风格的变化表示不同的战场信息。

2.2实时数据接收及解析

1）通用数据结构

为了适应不同数据源的接人和显示，需确定一套独立的数据结构，当其他数据源接入后，通过自动转换模块，按照接口规范自动将接收到的数据转化为内部可以使用的数据结构。以动态目标位置帧为例，主要描述动态目标的实时位置和姿态。

2）实时数据接收与解析

系统通过设计独立的接收模块，实时仿真驱动系统发送的仿真数据报文，为仿真推演提供数据驱动。实现连续接收及断点接收两种模式。

2.3三维态势显示

1）推演控制

对于回放模式，通过播放控制面板控制播放的开始、暂停、停止、继续。设置播放速率，实现播放进程的后退、快进。

2）目标显示控制

根据文件数据或者实时数据，通过对离散控制点的插值平滑，生成无人机等目标飞行航线，并在地球窗口显示飞行航线、航线立柱、飘带。通过对目标进行分类管理，灵活对目标进行显示控制。

3）参数曲线显示

选定某飞行目标，在屏幕上显示参数曲线窗口，绘制飞行目标的时间—高度曲线、攻击角—攻击距离曲线、飞行时间—航程曲线。

4）标牌定制与显示

在无人机飞行仿真中，以标牌形式显示无人机、发射导弹的基本属性信息和实时状态信息。控制标牌的显隐及标牌显示位置，定制标牌显示内容及标牌字体颜色。

5）波束显示控制

根据无人机雷达参数及飞行数据，生成无人机雷达探测波束及范围，在地球窗口中动态显示。能够设置波束的颜色、透明度、线型等显示方式。

6）侦察过程显示

根据预警机载荷参数及飞行数据，生成预警机侦察探测波束及范围，在地球窗口中动态显示。

7）导弹飞行过程可视化

根据接收的导弹飞行状态参数，包括飞行姿态、控制信息，得到不同时刻导弹的位置、速度、姿态角等数据，系统利用其位置信息绘制当前帧场景，同时能够显示导弹制导导引段各个交班时刻动作，逼真的模拟导弹从发射、飞行到击中目标的全过程。

2.4雷达仿真分析

1）雷达机动部署

实现在地球上指定位置布设不同型号的雷达，以相应的三维模型进行展示，并可以设置相关参数。。

2）雷达动态扫描

基于三维地形模型，利用三维绘图技术对雷达包络图、波瓣图进行模拟再现，利用空间分析算法，对雷达跟踪结果在三维空间中进行可视化表现。实现雷达动态扫描，并可选择是否显示雷达波瓣、扫描轨迹、包络体、网格等。

3）雷达与地形遮蔽

根据数字高程模型数据对雷达垂直威力进行修正，并在三维空间中显示与地形遮蔽后的雷达包络，显示雷达扫描瞬时波束受到地形遮挡后的实时效果，显示雷达波束瞬时覆盖情况。

4）雷达高度层切片

设定典型高度层，水平切割雷达的探测包络，显示该典型高度层的探测范围切片。可对多个典型高度层切片进行融合计算，并显示融合结果。

5）多部雷达融合

利用几何体交并的算法实現对多部雷达的包络的融合计算，并实时在三维地球中显示出包络融合后的威力效果。

3系统关键技术

3.1大数据加载显示策略

由于三维对象的渲染要消耗很多的系统资源，所以对大量精细三维对象的渲染速度会比较慢，为了解决这一困难，采用了细节层次模型技术，即对三维对象进行分层管理，在远端观察对象时较多采用颗粒度较大的粗糙模型，在近端观察对象时较少采用颗粒度较小的精细模型，这样既能满足从远至近从模糊到清晰的视觉效果，又能极大地提高系统的效率。

为了进一步提高客户端的性能，采用客户端缓存技术，这样下次再浏览这一区域时就可以直接使用缓存中的数据，从而节省了网络往返的时间，从而极大地提高了效率。

3.2粒子特效技术

粒子特效的原理是将无数的单个粒子组合使其呈现出固定形态，借由控制器，脚本来控制其整体或单个的运动，模拟出现真实的效果随着虚拟世界时间的流逝，每个粒子都要在虚拟世界经历“产生”“活动”和“消亡”三个阶段。

4应用效果

系统利用接收到的实时测量数据驱动模型运动，在三维场景中实时绘制实际弹道飞行轨迹，同时显示实际测试数据。通过对实时测量数据的记录和回放，实现对作战试验过程的事后分析。作战试验三维可视化仿真系统设计为试验主持人提供了一个动态、可交互的虚拟试验环境，方便主持人了解掌握各个点位地形特征，提高试验指挥决策的科学化、可视化和远程化。

5结论

本文设计了作战试验三维可视化仿真系统，并在三维虚拟战场环境下，实现动态仿真目标飞行与周围场景的变化。为系统验证分析、仿真评估与指挥决策提供了更加形象、直观、丰富的信息支撑，对于提高场区装备信息化程度和指挥人员的战场感知能力，具有重大意义。