一种便携式反坦克导弹模拟训练系统的构建

常海昕，刘永亮，徐清宇，陈宽亮，王 杰

(北方自动控制技术研究所 仿真装备研发部， 太原 030006)

便携式反坦克导弹是现代战争中最为有效的单兵反坦克武器。对便携式反坦克导弹实施作战训练，可以提高其战时作战效能。但便携式反坦克导弹实装训练难度大，受时空、天侯、人力、成本、安全保障等因素制约，存在难以组织实战化对抗、难以实施联合训练组训、难以构设演习战场环境、难以采集反坦克导弹效能评估数据、实战演习耗费巨大等问题。设计基于虚拟现实技术与设备的便携式反坦克导弹模拟训练系统[1-4]，以取代实弹训练中部分战术科目，拥有切合实装、实战的训练效果。

1 虚拟现实技术

在1989年，美国VPL Research公司创始人Jaron Lanier最早提出Virtual Reality一词，即虚拟现实。虚拟现实技术[5]，又称灵境技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。这里的虚拟世是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维虚拟环境。它综合运用了计算机图形技术、多传感器技术、计算机仿真技术、立体显示技术和人机交互技术等多种信息技术，向用户提供在视觉、听觉、触觉等感官高度逼真的计算机仿真模拟环境，并可与之交互。虚拟现实技术具有三大突出特征，即3I特性：交互(Interaction)、沉浸(Immersion)和想象(Imagination)。其中，沉浸是虚拟现实技术的核心特点，交互则体现用户对虚拟环境进行交互以及相互作用的能力，而想象是指，虚拟现实技术可以扩展用户认知与思考范围。

虚拟现实技术最早运用于军事模拟训练。军事模拟训练[6-8]与常规军事训练相比，具有节约成本，不受训练场地、气象条件制约、安全、训练针对性强等特点，并提供了新的军事演练方法，便于多次组训。虚拟现实技术通过构建逼真的地理环境、气象环境以及虚拟战场环境，提供与实装保持一致的操作设备和人机交互手段，并利用仿真引擎对背景环境、武器装备、作战人员、目标进行渲染与呈现，显著增强训练人员的沉浸感，使其获得对作战装备，战法战术的清楚认知，并提高训练水平，实现军事模拟训练趋向实战化。

2 便携式反坦克导弹模拟训练系统

2.1 系统组成及工作原理

如图1所示，该便携式反坦克导弹模拟训练系统[9]主要由硬件交互模块、信号传输模块、软件管控模块三部分组成。其中硬件设备[10]主要包括头盔显示器、模拟导弹发射筒、三维虚拟声音输出设备、加装在导弹发射筒上的力感反馈装置以及安装在头盔和导弹发射筒上的位置跟踪传感器。

图1 模拟训练系统组成框图

当系统工作时，总控台计算机对训练参数和虚拟训练场景进行初始化；训练人员按照训练章程使用模拟便携式导弹发射筒进行射击训练、系统实时检测肩扛导弹和训练人员头部的位置、姿态信息，和训练过程中产生的操作数据一起传输到总控台计算机；在总控台计算机，由弹道仿真、视景、声音、力感仿真软件进行信息整合处理，再反馈给头盔显示器、空间扬声器阵列、发射筒上的力反馈震动装置。最后对训练过程中产生的操作数据进行分析，并由成绩评定软件进行成绩判定。

2.2 系统虚拟现实设备

2.2.1头盔显示器

在人感知到的信息中，大约有80%是来自视觉。人的左、右眼的视场只有部分重合，其中共同的视场角度约为50°～60°。人眼在视场中的分辨率从中心到边缘迅速下降。双眼看同一景物时，由于左、右眼在空间所处位置不同，每只眼晴的视角会有所不同，双眼的视觉差异使得大脑感受到深度信息[11]。因此，为了增强视觉沉浸感以及方便训练人员操作，我们选择了头盔显示器，而放弃了固定式和手持式立体显示设备。头盔显示器随着头部的运动而运动，并装有位置跟踪器，能够实时测出头部的位置和朝向，当输入到计算机中，计算机会处理这些数据，从而控制显示器内两个显示单元，分别向左、右眼传送虚拟视景图像。

在虚拟战场环境中，系统应提供具有深度信息与交互作用的三维立体图形以增强真实感，同时对立体显示设备提出较高的要求。头盔显示器需要考虑双眼影像的同步，光学器件中视场角、出瞳距离、出瞳直径、光能利用率等光学性能因素以及显示器的分辨率等问题。人眼的最高分辨率为1弧分左右。目前的显示技术和计算技术都还无法在VR系统中提供如此高的分辨率。目前世界上较高水平的LCD点阵分辨率为480×360，中央分辨率为每像素16弧分。这时只能采用牺牲视场边缘分辨率的方法来进一步提高视场中心的清晰度。人眼与头盔显示器的视场也有较大差距，如图2。头盔显示器一般只能提供90°的水平视场，最新的技术虽然已经能达到120°的人眼视场，但显示效果仍然和人眼有一定差距。

图2 人眼与头盔显示器视场示意图

目前性能出色的主流头盔显示设备主要有HTC Vive和Oculus Rift两款系统，如图3所示。HTC Vive最大的特色是应用激光室内定位系统，因而允许用户在一定范围内活动。目前最新的HTC Vive Pro已经达到了110°的视场角，且拥有两个3.5英寸的3K显示屏。支持单眼1 440×1 600的分辨率，刷新率达到了90 Hz。美国OculusVR 公司推出的Oculus Rift头盔则是基于军事训练领域而来。设备采用三轴陀螺仪进行定位，从而协调使用者头部转动和虚拟视角的同步，显示器双眼分辨率为2 160×1 200，戴上后几乎没有“屏幕”这个概念，大大增强了使用者的沉浸感。此外，在头盔式显示器领域还有索尼的PSVR、IDEALENS、大朋的DPVR等众多产品参与竞争。

图3 主流头盔显示设备

2.2.2三维虚拟声音输出设备

听觉感知到的信息量约占人感知到的总信息量的15%，人的听觉是仅次于视觉的感知机能，并且对视觉有明显的提示作用。甚至在受干扰的视觉显示中，用听觉引导肉眼对目标进行搜索，要优于无辅助手段的肉眼搜索。在虚拟场景中，能使用户准确地判断出声源精确位置、符合人们在真实环境中听觉方式的声音系统称为三维虚拟声音[12]。三维虚拟声音范围类似一个半球体，如图4所示。当听到三维虚拟声音时，声音可能是来自训练人员周围的任何位置。在虚拟现实系统中加入三维虚拟声音，既可以增强使用者在虚拟环境中的沉浸感和交互性，又可以减弱大脑对于视觉的依赖性，降低沉浸感对视觉信息的要求，使训练人员获得更多的信息。

图4 三维虚拟声音范围示意图

本系统对声音素材采用直接采样，动态调度的生成方法。把虚拟环境需要的声音素材直接录制成声音文件并保存在声音文件数据库中，在运行时，根据虚拟环境对声源的需求，动态调度声音文件。这样合成声音的方法比一般虚拟现实系统采用的建模合成方法获得的声音音质高，且计算量小。该系统配备了高性能专用声卡和空间扬声器阵列，可根据地形、气象、战场环境对虚拟声音进行模拟。例如，当战场环境的气象条件为雨天时，训练人员能够听到与当前雨量所匹配的雨声。当战场环境中发生开火、爆炸等事件时，训练人员能够分别在开火、爆炸时候根据距离的远近听到对应的声音。在多种声音同时出现时，可以听到混合而成的声音。系统还可根据训练人员操作产生对应的音效。例如，当训练人员操纵观瞄装置，会产生机械转动的声音。当训练人员装填导弹，能够听到武器装填的声音。当训练人员发射导弹，能够听到导弹从锁定到命中不同阶段的不同声效。

2.2.3三维位置跟踪器

无独有偶。上周末，“中国游客在瑞典遭警察粗暴对待”的新闻，在“目击者”们相继出场后，剧情走向出现了戏剧性的转折。而为了维护中国公民正当权益，在第一时间向瑞方提出严正交涉的中国驻瑞典大使馆，也被推上了舆论的风口浪尖。

在以往的计算机图形技术中，视角的改变是通过鼠标或键盘来实现的，因此用户的视觉系统与其运动感知系统之间的联系被分割了。本系统利用头部跟踪来相应地改变图像的视角，使图像视角变化与人的运动感知系统之间联系起来，增加沉浸感。训练人员可以通过头部的运动去观察认识环境，这往往可以提供更多关于距离的信息。

如图5所示，本系统采用非摄像机的激光定位光学跟踪器。不需要借助摄像头，而是靠激光和光敏传感器来确定运动物体的位置。将两个以上的激光发射器安装在训练人员上方，形成一个长方形区域。每个激光发射器里有一个红外LED阵列，该阵列包括两个转轴互相垂直、能够旋转的红外激光发射单元。激光发射器工作时，以20 ms为一个循环。循环开始的时候红外LED阵列闪光，10 ms内X轴的旋转激光扫过整个区域，Y轴不发光；接下来的10 ms内Y轴的旋转激光扫过整个区域，X轴不发光。在红外LED阵列开始闪光时，信号开始同步，安装在头盔显示器以及导弹发射筒上的光敏传感器可以测量出X轴激光和Y轴激光分别到达传感器的时间。进而获得传感器相对于激光发射器的X轴和Y轴角度。而光敏传感器的位置已知，于是通过各个传感器的位置差，就可以计算出头盔显示器和导弹发射筒的位置和运动轨迹。

与其他跟踪技术相比，光学跟踪器具有较高的更新率和较低的延迟，且具有较大的工作范围，这对于虚拟现实系统是非常重要的。

2.2.4模拟发射筒及力反馈装置

模拟发射筒能够模拟与实装一致的物理外形、重量、并符合实装训练操作流程与规范。发射筒安装有位置跟踪接收器和力反馈震动装置。位置跟踪接收器用来返回空间姿态及位置信息。而力反馈震动装置使得训练人员对虚拟场景中的触感和力(如导弹发射筒后座力)有所理解与感知。

人体的运动机能和力感的敏锐感觉之间的联系极为重要。人类大脑皮层的躯体感觉中枢处理所有的感觉信息，而感觉中枢与控制运动机能的脑神经区域相邻近。在创造“身临其境”的过程中最大的困难是缺少触觉与力觉的感受。在众多虚拟现实系统中，尚无一套系统能够对力感/触感拥有完善的理论和装置以满足系统的应用需要。根据目前的国际研究情况，力感反馈系统大都是针对特定应用而开发的一些具有相当局限性的系统或装置。例如，在2013年，微软公司开发了一款3D触控显示屏，当手指通过屏幕触摸到虚拟3D物体对象时，可获得触摸对象时的反馈感觉，但应用范围有限。对虚拟现实技术中的力反馈装置还有待进一步研究。

2.3 系统关键技术

2.3.1虚拟战场环境生成技术

虚拟战场环境[13-14]，主要包括对地形、天空、光照、气象、植被、地物、战场特效的模拟。根据系统的需求，本系统主要对虚拟地理环境、虚拟气象环境进行仿真。

地形模型的功能实现流程如图6。

图6 地形模型的功能实现流程示意图

开发人员使用第三方开发工具Visitor4对地形的高程数据进行处理，生成对应的地形模型文件。将不同地形的模型文件存入仿真资源库，为战场环境构建提供地形支撑。

此外，在现代战争中，自然气象条件对作战活动有很大的影响，因此对气象背景的模拟建模是必不可少的。为了表现特殊气候下的战场环境，采用粒子系统对雨、雪等自然气象条件进行模拟。雨、雪的粒子系统包括雨、雪落到地面的粒子效果和雨、雪在下落过程中的粒子效果。对两种粒子进行3D建模后，将雨、雪粒子的质量、体积、生成位置、生命周期、矢量运动速度、矢量旋转速度、随机运动方向变化周期、随机方向密度、粒子温度等因素作为粒子生成、运动模型的输入参数，对雨、雪的下落过程以及落地效果进行建模。

虚拟视景引擎具有地理环境构建功能，能够结合不同的地形、植被、地物生成训练所需场景，为训练提供草地、雪地、丘陵、戈壁、沙漠等自然背景支撑；具有气象仿真功能，能够模拟晴天、阴天、雨天、雪天、雾天等不同的气象条件。其效果图如图7。

图7 生成的虚拟战场环境效果

2.3.2目标生成技术

目标生成技术的内涵是构建目标的实体模型，和目标的行为模型。

根据假想目标武器装备的实际数据，应用3DMAX软件制作目标的3D实体模型，在此基础上，采用LOD细节层次技术制作模型的各个属性图层，形成目标模型的配置文件，实现实体模型的建模[15]。根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要程度，决定三维模型的网格划分，从而获得高效率的渲染运算。其细节层次划分原则为：第一，只有在摄像机视野范围内的网格部分才会被渲染；第二，距离摄像机视点较远的网格以低分辨率来绘制，距离较近的网格则以高分辨率来绘制。我们设D为目标模型网格边长，L为摄像机视点到网格中心的距离，当满足条件：

(1)

则网格继续划分，否则不予继续。A1为可调节因子，可根据实际情况进行渲染；第三，粗糙的表面以高分辨率绘制，平滑的表面以较低的分辨率来绘制。网格的粗糙程度是由每个网格四条边的起伏程度和中心点的起伏程度的最大值CMAX来定义的。当满足条件：

(2)

则网格继续划分，否则不予继续。其中A2为可调节因子。

目标行为模型包括机动模型、火力打击模型、防护模型、队形模型和目标分配模型。其中机动模型能够仿真目标个体按不同航路角的直线运动、与地形匹配的上下坡运动、曲线运动、加速及减速运动、规避地形地物运动，支持相关的行驶扬尘、车辙印迹等三维图形特效显示；火力打击模型能够仿真目标的武器性能、弹药实体外观、弹药杀伤力，支持相关的弹药发射、爆炸等三维图形特效显示；防护模型能够仿真目标个体的防护能力，支持相关的毁伤特效显示；队形模型能够仿真目标分队在运动过程中的队形编成方式，包括纵队队形、交错队形、楔形队形等；目标分配模型通过配置目标分配方式，对目标分队进行目标分配的行为进行建模。目标分配可按照按距离远近或威胁大小进行组织。

2.3.3弹道仿真技术

弹道仿真技术在便携式反坦克导弹模拟训练系统中扮演了重要角色。便携式反坦克导弹[16-17]一般为近距离打击，目视瞄准、跟踪导引，其模拟训练对视感要求较高。导弹弹道及导弹姿态在虚拟视景中的真实再现将会是系统效能评估的一大考量因素。

该模拟训练系统弹道模拟功能主要由弹道仿真软件和视景仿真软件配合实现。其功能实现原理见图8。

图8 虚拟视景中弹道仿真功能原理框图

训练人员通过便携发控装置进行发射装置控制和导弹发射控制(包括导弹供电、攻击方式选择、导弹击发等)，视景仿真软件接收发射装置控制命令通过装备模型实现发射装置的仿真，通过背景模型实现发射场景的仿真，接收到击发命令后，将发射装置位置数据、初始扰动数据、气象信息、导弹发射命令发送给弹道仿真软件，弹道仿真软件通过数值积分算法，解算不同攻击方式下，不同气象条件下，不同扰动下弹丸运动方程和姿态方程，实时计算弹丸的位置、姿态和速度。最后，通过视景仿真软件，对导弹实体的位置、姿态和速度进行实时渲染。弹道仿真软件运行在弹道解算盒上，以保证解算和数据传输的实时性。其中，弹道仿真软件由弹体运动模块、弹目解算模块、数值算法模块、数据输入模块、和数据输出模块组成，以嵌入式软件方式实现曲射攻击和平射攻击两种方式的弹丸轨迹计算。

3 结论

本文提出了一种基于虚拟现实技术的便携式反坦克导弹模拟训练系统。该系统应用头盔显示器、空间跟踪定位技术、虚拟环境建模技术等虚拟现实设备与手段，可以极大提高便携式反坦克导弹的组训次数与质量，有效缩短战斗力生成周期，降低演习训练成本，成为部队提升战力的重要手段。