某型高炮射击仿真系统研究

谢奇峰

(中国人民解放军95795部队，广西 桂林 541003)

在和平环境下，人们很难通过战争实践来铸炼军队，在备战过程中不得不采用一些模型来模拟各种军事行动，来了解和掌握军事活动的规律。目前，很多国家的军队把仿真训练作为提升战斗力的一种重要方式，仿真训练与实装训练相结合成为军事训练发展趋势[1]。根据军事活动需求和目的的不同，仿真训练可以应用于军事领域的各个方面，仿真训练以其独特的优越性在军事训练及军事斗争准备中占据着独特的地位[2]。以往的高炮仿真训练系统中，炮弹弹道为一直线，战场对抗环境粗糙简单。为了提高对空射击训练的真实性，提高训练者对空中目标射击的能力，笔者采用了一种新的对空射击弹道仿真方法，利用三维视景仿真技术模拟高炮抗击空中目标的作战场景及过程，激发训练热情，提高训练效果。

1 系统功能设计

系统的设计目标是采用新的弹道仿真技术和战场仿真方法，构设出逼真的对抗性防空环境，生成高精度的实时弹道，全面检验参训指挥员的指挥能力和炮手的武器操作技能。射击仿真系统具备以下4种功能，如图1所示。

1.1 生成地形和作战实体

地形和作战实体是射击仿真的基础。地形和作战实体为外部加载的三维模型。在系统运行初期，从外部加载FLT格式的地形和作战实体，构建出作战地域的战场环境。

1.2 生成实时空情

防空作战训练中缺少对抗，或对抗性不够，将直接影响到训练效果。射击仿真系统根据导调传输过来的空情数据或者射击仿真开始之前设定的空情参数，自动生成空情目标，在仿真环境中实时显示空情局势，营造出紧张激烈的对抗性防空作战环境，必要时显示所选批次的飞行参数。

1.3 实时弹道模拟

实时弹道模拟是射击仿真的核心，包括射击诸元的装定和弹道仿真。受目标运动和地球引力的影响，火力线与瞄准线在方向和高低上存在偏差。以往的高炮仿真训练系统略去了诸元装定环节，火力线与瞄准线重合，炮弹轨迹为一直线，这与实际情况存在较大差别。诸元装定的模拟考虑两种方式：直接输入诸元数据或者构设模拟的机械瞄准具。由于建立精确的弹道数学模型并进行解算十分困难，射击仿真系统用拟合的弹道来模拟炮弹的运动。

1.4 弹目碰撞检测

炮弹命中目标与否和弹目偏离大小是检验诸元量测、诸元装定和射击瞄准质量的手段。射击仿真系统实时比较炮弹与目标的空间位置，对弹目碰撞事件进行检测，若检测到命中事件，及时生成目标击中效果。

2 诸元装定与弹道仿真

2.1 诸元装定

射击诸元包括目标距离、航路和航速，分别在距离装定机构、航路航速装定机构上进行装定。机械瞄准具模具方式模拟效果好，但需要购置机械瞄准具，并对距离装定机构、速度装定机构和航路装定机构进行角度信息采集，实现难度较大，且模具庞大的外形对射击场景有一定程度的影响。直接输入诸元的方式虽然与实际装定在体感上有所不同，但是其容易构建，对射击场景没有影响。因此,射击仿真系统中诸元的装定采用第二种方式，诸元装定面板如图2所示。

在诸元装定面板上，设置距离手轮，可在0～4 km范围内装定距离，拨动速度装定器指针，可在0～ 300 m/s范围内装定速度值，拨动航路角装定器指针，可在0～6 000范围内装定航路角。

2.2 弹道仿真

弹道仿真的思路是，根据对空射表数据，确定出小范围内炮弹飞行时间曲线，解算出炮弹飞行时间曲线和目标速度直线的交点，准确获取命中点，利用发射点、命中点、命中所需射角和方位角，用抛物线拟合出命中弹道。实际上，拟合弹道与实际弹道并不完全重合，但是当拟合弹道的初始方位角和射角与命中目标所需的火力线方位角和射角一致时，拟合弹道与实际弹道在命中点处相交，且相交时的飞行时间一致[3]。

命中点的确定是弹道仿真的重点。图3中，正面所示坐标系为tf-s坐标系，纵坐标为弹丸飞行时间tf，横坐标为目标航程S，坐标系零点为射击瞬间目标所在位置m；水平面内坐标系为辅助极坐标系，阵地位置O为极点，方位角β为极角，命中点水平距离dq为极径；α为射角。从射表中找到最靠近速度直线的3点(dq1，tf 1)、(dq2，tf 2)、(dq3，tf 3)，依据拉格朗日插值法建立小范围内炮弹飞行时间曲线。

依据炮弹飞行时间曲线和目标飞行速度直线，可以得到:

此前，过度依赖韩流文化的营销带动，让韩妆在“萨德”事件时，不堪一击。同样的，过度依赖中国市场以及中国游客，让韩妆在国内经济低迷及中国业务下滑时难以维稳。

a2v2dq4+2abv2dq3+

(1)

式中：d、dj、v为已知条件；a、b、c为具有解析表达式的可求值。

高次方程没有解析解，无法直接对其进行求解。通过建立四次方程数值算法，用算法解算出四次方程的实数根dq，从而得到命中点Q.

3 射击场景仿真

基于Creator三维建模工具[4]和OpenGVS视景仿真开发包[5]，设计并实现了对空射击的三维视景仿真。

3.1 地形与作战实体建模

利用Creator三维建模工具，构建好地形与作战实体的外部模型。为提高场景仿真效果，从大比例尺地形图上采集作战地域的高程数据，转换成DED格式，在Creator中将DED文件转换成FLT格式，并添加相应的纹理和树木，完成地形构建。依据作战实体的外部尺寸构建出实体的三维模型。射击仿真中，由于部分作战实体的某些部件为运动部件，如直升飞机的螺旋桨、火炮炮管和战车车轮等。在三维建模中，采用DOF技术，将实体上的运动部件设置成自由度结构，通过调用接口函数，可以控制运动部件在规定的角度范围内绕坐标轴旋转[6-7]。笔者建立了地形、直升机、轰炸机、巡航导弹、坦克和装甲车等模型。

3.2 空情数据平滑

利用导调数据产生空情时，由于导调系统每隔1 s发送1次空情数据，空情数据不连续，仿真系统容易发生“飞行闪烁”，甚至出现“往返飞行”。为使空情目标连续平稳飞行，需处理导调系统与仿真系统之间的数据平滑问题。为此，笔者采用如下措施来实现平稳飞行。

措施一：无论空情目标当前位于何位置，仿真系统都根据新接收的目标信息重新调整目标位置，调整动作包括空间位移和姿态调整两部分，保证仿真系统与导调系统中目标位置的一致性。

措施二：为减少仿真系统处理负荷，利用G_timer_set_frame_ period_const函数设置仿真帧数为20，保证一般情况下仿真系统能按时完成任务。

措施三：在空情数据空档期，仿真系统根据帧时间来设置空情目标的位置，可表示为

ΔS=Δt·(v+Δv)=Δt·(2v-v′),

(2)

式中：ΔS为目标移动距离矢量；Δt为帧时间；v为目标飞行速度；Δv为速度变化值(v-v′)；v′为上一次速度值。距离和速度均为三维矢量。

措施四：当仿真系统未接收到空情数据时，依最后一次接收的数据控制空情目标的飞行。

目标飞行场景如图4所示。

图4中，目标为直升机编队，编队采用一字形队形。采取了上述措施后，仿真系统对接收到的上一数据与下一数据实现了平滑，没有“飞行闪烁”和“往返飞行”问题。

3.3 瞄准控制

炮手瞄准射击时的场景如图5所示。

炮手通过转动方向机和高低机搜索、瞄准目标，发射后炮弹沿着2.2节中所述的弹道飞行。在瞄准射击场景中，炮手根据炮弹运行轨迹，估判炮弹与目标之间的实际偏差，根据偏差修正瞄准点，及时实施下一次射击。必要时，仿真系统可给出命中目标所需修正的角度，供炮手进行参考。目标被击中后，生成击毁特效。

4 结束语

不同于一般的直线弹道，笔者采用拟合弹道进行射击仿真，仿真度高，真实感强。通过建立逼真的作战地域地形模型和作战实体模型，采取数据平滑措施，战场环境逼真，对抗气氛浓厚，战场仿真效果好。某部试用结果表明，射击仿真系统能增强射击训练的对抗性，提高训练者的积极性，有效提升训练效果。目前，射击仿真系统最大只能容纳20批目标，下一步需改进方法，增大容量，延长射击训练时间。