某型炮射导弹“瞄准-击发-跟踪-命中”系统设计与实现

贺珍妮 杨军

随着现代化信息手段的发展，虚拟训练已经成为实战化训练的一种重要辅助手段[1]。某型炮射导弹训练系统具有操作过程复杂、设备造价昂贵和工作寿命有限等特点，而实装操作训练会造成装备的损耗，并且由于训练环境、装备数量、训练经费等条件限制，极大地制约了部队实装训练的开展。因此研发虚拟训练系统具有重要意义。本文以某型车载炮射导弹为研究对象，研发了基于SolidWorks和LabVIEW的虚拟训练系统，该系统在计算机上模拟了装备整个训练的操作流程和动作要领，通过训练可使受训人员快速掌握射击的方法和技巧。

一、总体方案设计

根据训练科目的目标和要求，模拟射手射击时的真实场景，在满足操作界面真实性、训练方法正确性、虚拟现实一致性的基础上，对虚拟训练系统进行优化界面显示、完善程序设计、增加训练功能，制定了虚拟训练系统的仿真功能和技术指标，“瞄准-击发-跟踪-命中”虚拟训练系统分为虚拟战场环境、三维模型显示、装备操作、运动控制、逻辑判断五个组成部分。基于LabVIEW的虚拟仪器技术是一种高效图形化虚拟仪器开发平台[2]，建立该虚拟训练系统，总体组成如图1所示。

图1 ：射击虚拟训练系统总体组成图

图2： 瞄准-击发-跟踪-命中循环过程

二、三维场景创建

（一）WRL 三维模型构建

在熟悉掌握反坦克导弹操作原理和动作要领后，为了使受训人员真实感受训练场景，根据搭建虚拟训练系统所需模型，在SolidWorks中利用相关技术构建瞄准镜、瞄准线、导弹等三维模型，将其保存为WRL格式，并选择输出单位为毫米，运用LabVIEW中的三维控件和调用节点调用三维模型。

（二）三维场景构建

在LabVIEW程序面板使用创建对象和三维图片显示控件函数创建一个三维场景，然后选择路径加载VRML文件函数加载模型，再调用节点函数将对象添加到三维场景中。模型的加载方式有“串联”和“并联”两种加载方法[3]。

三、程序设计与实现

某型炮射导弹系统主要由瞄准装置、制导控制装置、弹体环节等部件组成。当导弹完成系统检查后，射手通过瞄准镜搜索目标，将瞄准镜内十字线对准目标并按下发射按钮后导弹飞出。此后制导控制装置实时测量出导弹偏离瞄准线的偏差[4]。制导控制装置按规定的数学模型，形成修正导弹飞行偏差的控制信号，控制弹体飞行，消除导弹的飞行偏差，保持导弹沿瞄准线飞行，直到命中目标。

在导弹“瞄准-击发-跟踪-命中”过程中需要对操作者的鼠标键盘实时响应，同时各训练环节按照时间顺序进行有序的状态切换，所以程序设计采用LabVIEW中的状态机结构，共分9个状态：初始化、流程训练、瞄准击发、导弹跟踪、命中判断、超出范围、成功命中、错误提示、结束程序。其中，初始化模块主要设置目标靶坦克的运动模式、物理环境引擎参数、导弹命中范围等。操作流程训练模块主要是利用LabVIEW自定义控件实现与实装一一对应的开关、按钮、指示灯等设备的操作，采用了基于操作-响应模型的IPCА（Intelligent Process Control Аgent）设计，对射手操作合法性进行判断，训练射手正确完成导弹击发前的各项准备工作。瞄准击发模块，针对瞄准镜的操作训练，实现初步瞄准工作，按下“击发”按钮后，导弹飞出。此后的导弹跟踪、命中判断、超出范围模块是循环过程，结果用成功命中、错误提示模块实现。

（一）“瞄准-击发-跟踪-命中”程序

软件程序通过操作键盘和鼠标来控制导弹的“瞄准-击发-跟踪-命中”目标的过程。首先建立三维立体坐标系，使用函数面板的数学公式来控制目标靶坦克运动。以最简单的横向运动为例，根据目标运动速度范围，由while循环结构使Х坐标每毫秒改变一定的位移量。然后使用事件结构来实现键盘控制瞄准镜运动。编辑事件结构选择“键按下”，在事件结构多项类型中选择V键，添加条件结构分支，设置条件为“up”、“down”、“left”、“right”，分别控制相对应的坐标改变。最后将坐标改变量输出连接至瞄准镜平移函数，从而实现用键盘控制瞄准镜追踪目标的过程。

（二）导弹运动轨迹显示程序

为了使受训者快速地掌握射击要领，在导弹命中目标后，通过三维彗星图显示导弹的运动轨迹。将导弹运动的三维坐标捆绑后输入到for循环，在循环内使用解除捆绑函数分别输出三维坐标，然后再运用绘图帮助连接到三维彗星图，最终通过引用在同一图形显示不同曲线。

（三）战场环境显示程序

为了使射手在一种较为接近实战的虚拟环境中迅速提高训练水平，该系统添加了战场环境，其主要运用了三维函数的纹理功能。首先在三维场景中创建场景沙盒，使用平移对象函数赋予一定的空间位置，把战场环境图片导入应用纹理函数，这时战场环境图片会覆盖场景沙盒，再使用创建三维图片的方法添加到三维显示空间中。

（四）虚拟操作界面

在论文[3]中已经实现了虚拟操作界面、导弹射击操作流程和飞行控制模型构建，实现了射击操作流程的虚拟训练。本文进一步对导弹的“瞄准-击发-跟踪-命中”过程进行仿真，加入瞄准镜瞄准、战场环境随变、目标靶运动、导弹轨迹显示等模块和功能，使该虚拟训练系统内容更全面，程序结构更合理，功能更完善。

四、结论

本文研究了SolidWorks仿真建模技术和基于LabVIEW的虚拟仪器技术，在此基础上研发了某型导弹射击操作虚拟训练系统，重点研究了导弹瞄准-击发-跟踪-命中的过程，该系统具有替代实装训练的功能，为导弹动态参数测试和综合集成智能故障诊断提供基础。取得的创新性研究成果如下：

（1）研究了战场环境仿真技术，使用三维纹理应用技术，使战场环境更接近实战，在三维空间中添加三维对象，通过应用纹理函数显示覆盖战场图片的三维盒子，使坦克和导弹在战场环境中运动。

（2）研究了瞄准线和瞄准镜技术。通过“串联”导弹系统加载方法，使瞄准线与瞄准镜为“父子”关系，运用条件结构的键控技术，通过键盘控制瞄准镜和瞄准线移动。

（3）创建了导弹瞄准-击发-跟踪-命中的实时响应。使用了LabVIEW中状态机、事件结构、循环结构等函数，使导弹跟踪实时响应，建立了射击操作与飞行控制之间的逻辑关系，实现了导弹、瞄准线、目标坦克的同步响应。