首页| 行业资讯| 企业名录| 周边产品| 数字城市| 增强现实| 工业仿真| 解决方案| 虚拟医疗| 行业仿真| 图形处理| 军事战场
用户登录/注册 ×
资讯首页
行业资讯 >> 应用前沿
导弹虚拟仿真模拟器研究现状与关键技术
时间:2019-11-21    评论:0
    来源:第三维度
    作者:李尚生,李炜杰,付哲泉,邹翰锋
    单位:海军航空工程学院

    摘要:为提升士兵的训练成效及减小训练成本,对导弹模拟器现状及关键技术进行研究。介绍导弹模拟器的分类,详细阐述导弹训练模拟器、嵌入式导弹模拟器的功能和使用范围,以美国“标枪”“爱国者”和“毒刺”导弹模拟器为例分析国外研究现状,并对导弹模拟器的关键技术进行研究。研究结果表明:导弹模拟器作为训练模拟技术在导弹武器系统中的产物,能极大地提升士兵的训练成效及减小训练成本。

    0 引言

    随着信息化作战的发展与推进,导弹逐渐发展为精确打击区域目标的主战武器,在战场上面临的威胁也越来越多,更新换代也越来越快。20 世纪 50年代以来,开展防空导弹研制的国家有近 30 个,购买导弹武器装备的国家与地区超过 50 个,防空导弹的型号超过 140 种。其中现役的导弹装备有 80 多种,在研的则有近 30 种[1]。随着导弹的飞速发展,迫切需要研制相应的导弹模拟器用于各型导弹的装备教学和导弹技术准备训练。相较于实弹训练,模拟器训练具有经济、安全、可重复、可控、不受场地空间和气候条件限制等特点,受到了各国军队的广泛重视。基于此,笔者对导弹模拟器的现状及关键技术进行研究。

    1 导弹模拟器分类现状

    导弹模拟器的研制主要有 2 种思路。

    一种思路是研制基于虚拟现实技术的导弹模拟器,又称为导弹训练模拟器。此类模拟器采用虚拟现实技术,简称 VR 技术,分为沉浸式 VR 技术和非沉浸式 VR 技术 2 种类型[2]。沉浸式 VR 技术通过头盔立体显示器、图形眼镜等一整套外部设备来实现,美军“标枪”导弹模拟器就是基于该技术;非沉浸式 VR 技术主要依赖软件技术来实现,通过对某型导弹的运动轨迹建模,按照其导引规律生成数据后导入导弹攻击的视景仿真中。视景仿真包括对导弹及敌我双方作战平台进行仿真。仿真过程包括:1) 采用 Creator 软件制作导弹及作战平台的 3维模型;2) 采用虚拟现实软件 MultiGen 中的 Vega将模型渲染成场景;3) 在场景上查询、浏览与导弹相关的实例演示,模拟导弹在演示中的飞行轨迹、故障诊断等[3]。沉浸式与非沉浸式导弹模拟器的区别主要在于有没有令参训者有强烈的身临其境之感,共同点是都可以模拟实弹的工作环境和工作状况,能够有效地提高参训者的战斗意识、训练热情和效率。

    另一种思路是研制基于嵌入式技术的导弹模拟器,简称嵌入式导弹模拟器。作为导弹武器系统的重要配套训练装备,用于检查武器发控系统或自动测试设备工作正常与否,亦可用于导弹日常的发射训练以及技术准备训练,节约训练成本[4-10]。此类模拟器具有实弹的外形,但内部的结构及功能比实弹简单,采用通用元器件,价格低廉,资源丰富,研制生产和维护成本低,能够实现实弹用于检测和教学训练过程中的基本功能。模拟器内部嵌入数字信号处理器,可以根据教学训练需求模拟多种不同型号的导弹,智能化程度高,通用性强,能有效解决军队日常训练需求与装备供给之间的矛盾。

    嵌入式导弹模拟器的研制根据用途不同一般分为 2 类:用于武器发控系统的导弹模拟器和用于地面检测设备的导弹模拟器。武器发控系统及地面检测设备均属于导弹武器系统的组成部分。以飞航导弹武器系统为例,该武器系统通常由导弹系统、发控系统、指挥控制系统、任务规划系统及技术保障系统 5 个分系统组成。其中,发控系统是完成对目标和载体运动参数的测量、处理,进行射击诸元计算和装订,对导弹实施射前检查和发射控制的有关硬件设备及其软件的总称;技术保障系统是完成导弹地面维护和发射前技术准备的各种设备及其软件的总称,地面检测设备属于该系统。根据这 2 个分系统对导弹的功能需求可知,用于替代导弹完成这2 个系统日常训练的导弹模拟器既有共性也有差异。共性主要包括:1) 都具有实弹外形(弹体);2)都是对导弹在各个系统中输入输出关系的模拟。差异主要是用于发控系统的导弹模拟器在射前检查和发射控制过程中与雷达导引头、驾驶仪、高度表等装置联系不紧密,所以此类导弹模拟器一般只包括数字信号处理器及其外围电路,而用于地面检测设备的导弹模拟器则需要雷达导引头模拟器、驾驶仪模拟器等,才能完成技术准备训练。导弹模拟器分类现状如图 1 所示。

图 1 导弹模拟器组成

    2 国外研究现状

    20 世纪 70 年代初,美军就迈出了模拟训练的步伐,1990 年成立了国家模拟中心,负责美军的模拟训练管理。导弹模拟器作为模拟训练的重要一环,受到了美军的高度重视。如今,多种型号的导弹模拟器已经服役美军的各个军种。

    2.1 美军“标枪”导弹模拟器

    美军“标枪”导弹是一款反坦克导弹。为了降低导弹的训练成本,美军指定雷神公司和洛克希德公司共同研制出一款“标枪”导弹模拟器,名称是“‘标枪’基本技能练习器”。它可以为美军士兵提供反复操作“标枪”导弹的经验,属于基于沉浸式 VR 技术的导弹模拟器。目前,500 台“标枪”导弹模拟器正分布于美军各地的军事训练基地中。“标枪”导弹模拟器通过一套精密的计算机系统将虚拟敌情与现实图像融合,并通过头盔显示器和数据手套实现人机交互。受训士兵在模拟器的帮助下可以进行反复训练,获得操作“标枪”反坦克导弹系统的经验[11]。“标枪”反坦克导弹模拟器如图 2 所示。

图 2 “标枪”导弹模拟器

    2.2 美军“爱国者”导弹模拟器

    “爱国者”导弹是美军一款经典的防空导弹。2015 年美国陆军防空炮兵学校开始配备一定数量的“爱国者”防空导弹模拟器。该模拟器和“标枪”导弹模拟器同属于基于沉浸式 VR 技术的导弹模拟器,由雷神公司研制,采用最新的 Unity 3D 软件和Rift 头盔,可以构造一个虚拟的导弹操作环境。一套导弹模拟器可以同时训练 15 名士兵,这些士兵均分为 3 组,相互间通过手势信号和语音进行交流,并合作完成模拟器设定的特定任务,例如“爱国者”导弹着火后迅速移除霰弹筒并卸载发射器的任务。

    在训练过程中,模拟器会跟踪并纪录受训者每一个动作,判断是否按照固定程序安全操作,并最终给出成绩评定。“爱国者”防空导弹模拟器外形图及构建的虚拟环境如图 3 所示。

(a) 模拟器外形        (b) 模拟器构建的虚拟环境
图 3 “爱国者”防空导弹模拟器

    2.3 美军“毒刺”导弹模拟器

    “毒刺”导弹是美军第二代便携式防空导弹,由通用动力公司生产。要获得“毒刺”导弹操作资格,美军士兵必须经过 136 h 的“毒刺”导弹系统训练,采用实弹训练耗资巨大,为了降低训练成本,培训中使用“毒刺”导弹模拟器。图 4 是 2013 年美海军陆战队的士兵在进行“毒刺”导弹发射训练,士兵使用“毒刺”导弹模拟器,模拟武器系统的启动发射程序。从图中可见,该型导弹模拟器具有实弹的基本外形但没有实弹的红外搜寻弹头、制导系统、爆炸物及发射引擎等,其内部集成了以数字信号处理器为控制中心的功能电路,比如电源电路、时钟电路、总线电路等;因此,“毒刺”导弹模拟器属于基于嵌入式技术的导弹模拟器,用于导弹发控系统,能够实现实弹用于训练过程中的基本功能。

(a) 模拟器装填          (b) 模拟器发射
图 4 “毒刺”导弹模拟器训练场景

    3 关键技术

    基于 VR 技术的导弹模拟器和基于嵌入式技术导弹模拟器的关键技术既有共性又有差异,这是由它们的结构及功能决定的。基于 VR 技术的导弹模拟器关键技术主要是可视化技术及人机交互技术等,这 2 种技术都是 VR 技术的基础;基于嵌入式技术的导弹模拟器则以嵌入式技术为关键。而网络化、模块化和通用化技术则是这 2 类导弹模拟器共同的关键技术。

    3.1 可视化技术

    基于沉浸式 VR 技术的导弹模拟器需要提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟。而其中关于视觉方面的模拟,就依赖于计算机可视化技术。

    以某型地空导弹战斗场景可视化为例,实现防空战斗场景可视化通常分为 2 个步骤:1) 利用 3DMax软件建立武器系统各单元、空袭兵器和战场地形模型;2) 利用 Unity 3D 软件来驱动所建模型。

    在武器系统各单元 3 维建模方面,采用 3DMax创建原始模型,再用 Creator 软件进行简化、贴图,并构建出符合仿真需求的运动机制[12]。空袭兵器的建模类似于武器系统各单元建模,区别在于作为地空导弹作战的对象,空袭兵器的大小随着在作战场景中位置的转移而改变,这会造成空袭兵器由远及近时兵器上细节逐渐清晰;因此,空袭兵器的 3 维建模仿真的实时性要求很高,设置不同的多细节层次(levels of detail,LOD)技术,是解决问题的方法之一。通过对空袭兵器模型的树状层次结构进行调整,加入细节程度不同的模型,使得高细节层次模型中包含更多的多边形,提高模型的分辨率,反之亦然。如此,模拟器系统在调用空袭兵器模型时,就会依拟设定的转入与转出距离切换不同细节层次的模型,从而有效地提高多边形的利用效率,满足空袭兵器建模的实时性要求。

    对于战场地形的建模则主要有以下 3 个要求:1) 生成的战场环境要足够逼真;2) 虚拟战场地形与真实地形完全匹配;3) 在 2 维数字地图和 3 维场景坐标完全对应前提下实现目标、阵地等要素的标示。满足上述要求的具体方法是依据某地域特征及其要素创建 3 维地形文件,将数字矢量地图栅格化处理,形成文本栅格文件,转换格式后导入 Creator中生成该地域的地形或地貌环境,其上的地形纹理则由该地域的航空照片或者遥感图片提供。

    将上述 3 维建模后的文件输入 Unity 3D 软件中,并规划好武器系统各单元和空袭兵器的布局,即可完成场景搭建工作。接下来是建立模拟器场景仿真应用系统,利用 Unity 3D 驱动场景即可实现。例如系统中空袭兵器要实现连续运动,就需要空情数据在传送至空袭兵器时实时产生事件触发驱动兵器的运动,而当模拟器需要调用空袭兵器状态参数时,主线程再将数据调出,从而不断更新空袭兵器的六自由度运动。某型地空导弹模拟器战斗场景可视化运行截图如图 5 所示。
图 5 某型地空导弹模拟器战斗场景可视化

    3.2 人机交互技术

    人机交互技术是受训者成功使用基于 VR 技术的导弹模拟器进行训练的关键。模拟器通过给受训者提供视觉、听觉、触觉等感官来实现人机交互,具体的实现技术包括广角立体显示技术、对受训者头、眼和手的跟踪技术、触觉/力觉反馈、立体声等。

    在模拟器中,采用广角立体显示技术,使受训者双眼看到的不同图像分别产生并显示在不同显示器上,这样的视差就会产生立体感;对受训者头、眼和手的跟踪则通过数据手套和数据衣等设备实现,将人的动作反馈给模拟器,使得模拟器作出相应调整;触觉/力觉反馈是通过在数据手套内层安装一些可振动的触点来实现;立体声效果则通过受训者左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现。

    3.3 嵌入式技术

    嵌入式技术是嵌入式导弹模拟器的核心,而嵌入式技术的核心是数字信号处理器,简称 DSP[13]。嵌入式导弹模拟器要替代实弹在武器发控系统、检测设备中完成模拟发射或测试任务,就需要控制系统来实现模拟器、武器发控系统以及检测设备之间的信号交联和模拟器内部信号的处理,实现该功能的核心就是 DSP 及其外围电路。

    例如,在某型用于发控系统的空空导弹模拟器的设计中,DSP 及其外围电路组成了控制组件,DSP选用 TI 公司的 TMS320F240,主要实现以下 2 大功能:1) 通过接口模块和总线通信模块与发控系统进行信号交联,对总线指令及模拟信号指令进行处理,模拟导弹的各个状态,以模拟信号/总线方式上报发控系统;2) 与输入/输出组件通过接口模块进行信号交联,将系统测试状态实时输出,并采集导弹截获等状态,实时上报发控系统。设计的导弹模拟器原理框图如图 6 所示。

图 6 基于 TMS320F240 的导弹模拟器原理框图

    3.4 网络化、模块化和通用化技术

    模拟训练系统的发展趋势是网络化、模块化、通用化。通过网络化技术可以实现存储资源、数据资源的共享,获得更全面、准确的训练数据;通过模块化技术可以将复杂系统分解成多个独立又相互作用的组件,从而降低整体故障率;通过通用化技术可以最大限度地减少模拟训练系统各零部件在设计和制造过程中的重复劳动,降低维修成本。

    作为模拟训练系统的重要组成部分,各类导弹模拟器需要实现网络化、模块化和通用化设计[14]。依托网络化、模块化和通用化技术,可以将导弹模拟器训练/测试数据实现最大程度的整合,便于分析、评估和总结;可以将导弹模拟器化整为零,使得部分模块的故障不至于影响整体的工作;还可以令导弹模拟器涵盖、兼容多种型号的导弹,提高资源的有效利用率;因此,网络化、模块化、通用化技术,将是未来导弹模拟器发展的重点关键技术。

    4 结束语

    导弹模拟器作为训练模拟技术在导弹武器系统中的产物,能提升士兵的训练成效及减小训练成本。

    随着虚拟现实技术及嵌入式技术的发展和在军事领域的应用,导弹模拟器将会向着网络化、模块化、通用化发展完善,成为打赢未来战争的重要保障。

    参考文献(略)
标签:导弹模拟器
上一篇:中国将打造首个“天基物联网”下一篇:基于Unity3D的气相色谱仪虚拟仿真实验系统的构建
网友评论:导弹虚拟仿真模拟器研究现状与关键技术
留名: 验证码:
最新评论
查看全部评论0
暂无评论
您可能还需要关注一下内容:
·盘点十款车辆自动驾驶虚拟仿真软件
·航海模拟器中靠离码头训练的特殊设计
·内河船舶操纵模拟器视景系统的建模与仿真
·基于HLA框架的某型弹道导弹模拟训练系统
·以色列自主研发空战虚拟仿真训练系统
·嵌入式训练—“真实-虚拟-构造”训练
·俄罗斯防空导弹训练模拟器的发展历程及未来前景
·近距离接触 FDS--B787飞行模拟器
·加拿大CAE在广东成立飞行模拟器合资公司
·波音在进博会展出787飞行驾驶模拟器
☏ 推荐产品

小宅 Z5 2018青春版
商家:小宅

杰瑞特运动平台
商家:杰瑞特智能

Dikalis眼动追踪
商家:赢富仪器

魔神 Hawk
商家:魔神运动分析

5DT Binoculars
商家:四维宇宙

Christie DS+750
商家:四维宇宙

Zalman M220W
商家:四维宇宙

全息360°
商家:四维宇宙

PD F10 AS3D
商家:四维宇宙

PHANTOM系列
商家:四维宇宙
☞ 外设导航
☏ 企业名录
【宁波】宁波维真显示科技股份有限公司
【潍坊】歌尔股份有限公司
【上海】霍尼韦尔(中国)有限公司
【北京】科视Christie-中国
【北京】北京华如科技股份有限公司
【北京】北京乐卡仕技术有限公司
【广州】广州弥德科技有限公司
【上海】刃之砺信息科技(上海)有限公司
【北京】北京度量科技有限公司
【北京】北京小鸟看看科技有限公司
关于本站联系我们融资计划免责声明网站建设广告服务咨询策划行业推广
北京第三维度科技有限公司 版权所有 京ICP备15051154号-3
2008-2020 Beijing The third dimension Inc. All Rights Reserved.
Email:d3dweb@163.com  QQ:496466882
Mob:13371637112(24小时)
关注虚拟现实
关注第三维度