摘要：在高炮火控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員工作量大，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率低和效果不理想等問(wèn)題，提出了一種基于Virtools與高層體系結(jié)構(gòu)(HLA分布式)相結(jié)合的解決方案。該方方案用HLA分布式的模塊化建模的思想，將整個(gè)仿真系統(tǒng)的功能劃分成若干個(gè)聯(lián)邦成員，進(jìn)行分布式系統(tǒng)仿真。從設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)入手，劃分聯(lián)邦成員功能、建立FOM文件，并針對(duì)仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)中的分布交互行為模塊的開(kāi)發(fā)、解算行為模塊的開(kāi)發(fā)、坐標(biāo)系變換、分布交互行為模塊與解算行為模塊數(shù)據(jù)傳輸速率不同步等問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，并提出了解決方案。最后基于此方法設(shè)計(jì)了一個(gè)某型高炮火控系統(tǒng)的操縱仿真平臺(tái)，實(shí)踐表明系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率有了較大的提升，結(jié)果顯示在實(shí)時(shí)性及逼真度方面均達(dá)到了較好的效果。
Virtools是一套整合軟件，可以將現(xiàn)有常用的檔案格式整合在一起，如3D的模型、2D圖形或是音效等。Virtools是一套具備豐富的互動(dòng)行為模塊的實(shí)時(shí)3D環(huán)境虛擬實(shí)境編輯軟件，可以制作出許多不同用途的3D產(chǎn)品，如網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)游戲、多媒體、建筑設(shè)計(jì)、交互式電視、教育訓(xùn)練、仿真與產(chǎn)品展示等 。
2005年7月份達(dá)索系統(tǒng)集團(tuán)宣布達(dá)索公司以大約 1200 萬(wàn)歐元，收購(gòu) 3D / VR 整合開(kāi)發(fā)平臺(tái)的領(lǐng)導(dǎo)廠商法國(guó) Virtools公司。把該款產(chǎn)品納入其產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)和全周期管理系列當(dāng)中。
1 引言
高炮火控系統(tǒng)是高炮中最具發(fā)展?jié)摿椭陵P(guān)重要的系統(tǒng)，高炮火控系統(tǒng)的快速發(fā)展使高炮的整體戰(zhàn)技性能得到大幅提升。我國(guó)早期的武器火控仿真系統(tǒng)多采用Socket通訊或DIS標(biāo)準(zhǔn)，如某型火控系統(tǒng)操作訓(xùn)練仿真平臺(tái)[1]、基于DIS的坦克火控系統(tǒng)[2]等。為適應(yīng)軍事仿真發(fā)展的需求，火控系統(tǒng)的分布式仿真迅速地由DIS標(biāo)準(zhǔn)向HLA分布式[3]標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)。利用本地化技術(shù)、包裝技術(shù)、轉(zhuǎn)換器技術(shù)進(jìn)行兩種標(biāo)準(zhǔn)地過(guò)渡。HLA分布式是比DIS更高一級(jí)的計(jì)算機(jī)仿真標(biāo)準(zhǔn)，有著更多的優(yōu)點(diǎn)。DIS采用廣播的數(shù)據(jù)傳輸方式，而HLA分布式采用有選擇性地在聯(lián)邦成員之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，這樣就能夠更好地控制網(wǎng)絡(luò)流量，有效地防止在仿真運(yùn)行過(guò)程中因網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)大而導(dǎo)致使用HLA分布式標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的火控仿真系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。利用HLA分布式開(kāi)發(fā)的分布式系統(tǒng)離不開(kāi)三維視景生成，當(dāng)前在仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所使用的軟件資源在3D建模方面沒(méi)有什么區(qū)別，大都選取Creator、3DMax和GL Studio等，且各種建模軟件之間格式轉(zhuǎn)換也已不是問(wèn)題。使用這些軟件既離不開(kāi)對(duì)OpenGL底層技術(shù)的了解，也離不開(kāi)編輯環(huán)境如VC++等的支持。鑒于此，本文引入一種新的3D建模軟件Virtools[4]，Virtools將相關(guān)底層技術(shù)封裝入行為模塊，使開(kāi)發(fā)者不需要了解或直接利用底層的OpenGL或Direx技術(shù)等進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用，使資源的重用性大大增強(qiáng)。為此本文提出了基于Virtools與HLA分布式的結(jié)合的火控系統(tǒng)操縱仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)方法。
1 高炮火控系統(tǒng)操縱仿真平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)
1.1 基于HLA的分布式仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
HLA(High Level ARChitecture)是美國(guó)國(guó)防部1995年提出的分布式交互仿真的高層體系結(jié)構(gòu)，它的基本思想是采用面向?qū)ο蟮姆椒▉?lái)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的對(duì)象模型，以獲得仿真聯(lián)邦高層次的互操作和重用。運(yùn)行支撐系統(tǒng)(RTI)是按照HLA分布式接口規(guī)范開(kāi)發(fā)的仿真支撐軟件，它提供了一系列用于仿真互聯(lián)的服務(wù)，是HLA分布式仿真系統(tǒng)進(jìn)行分層管理控制、實(shí)現(xiàn)分布仿真可擴(kuò)展性的基礎(chǔ)，也是進(jìn)行HLA分布式其他關(guān)鍵技術(shù)研究的立足點(diǎn)?；贖LA分布式的分布式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：
1.2 Virtools與HLA分布式的互操作
由于HLA分布式具有開(kāi)放性、支持面向?qū)ο蟆⒎抡鎽?yīng)用和底層通訊相分離的特點(diǎn)，所以分布式的火控系統(tǒng)仿真平臺(tái)采用HLA分布式的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。分布式仿真系統(tǒng)離不開(kāi)三維視景生成，由于Creator、3DMax和GL Studio等在3D建模方面的復(fù)雜性，所以本文引入Virtools 3D建模軟件。Virtools采用的是模塊化的設(shè)計(jì)思想，對(duì)于對(duì)象的腳本編排都是基于行為模塊(Building Block，簡(jiǎn)稱BB)進(jìn)行。Virtools dev提供給開(kāi)發(fā)者十分方便易用的拖拉模塊式構(gòu)建方法，使得整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程流暢自然。它自帶了數(shù)百個(gè)Building Block，供開(kāi)發(fā)者自由調(diào)配靈活使用。但對(duì)于一些特定的處理過(guò)程，Virtools自身的BB模塊不能滿足需求，此時(shí)需要開(kāi)發(fā)一些BB模塊。為適應(yīng)程序員們更廣泛的需求，Virtools dev還提供了編程SDK給廣大的程序員，以便于程序員能根據(jù)不同的應(yīng)用需求，開(kāi)發(fā)出更適臺(tái)具體情況需求的解決方案。
基于此，本文為了使HLA分布式/RTI能夠和Virtools相兼容，對(duì)HLA分布式/RTI的相關(guān)功能進(jìn)行二次封裝，并通過(guò)Virtools SDK將其功能封裝進(jìn)Virtools特有的BB中，這樣當(dāng)聯(lián)邦成員要與聯(lián)邦或其它成員進(jìn)行信息交互時(shí)，只需調(diào)用相應(yīng)的HLA分布式/RTI BB就可實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，不同的聯(lián)邦成員只需修改相關(guān)的輸入?yún)?shù)就可使用相同的HLA分布式/RTI BB，這樣也使模塊重用性得到較大的增強(qiáng)。開(kāi)發(fā)RTI BB的步驟如下：首先將RTI Ambassador和Federate Ambassador相關(guān)的功能服務(wù)封裝成Win32形式的dll，然后將Win32 dll在VS2003.net環(huán)境下封裝成RTI BB模塊，封裝原理如圖2所示：
1.3 基于RTI BB的火控系統(tǒng)操縱仿真平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)
根據(jù)HLA分布式的體系結(jié)構(gòu)、Virtools特點(diǎn)和火控系統(tǒng)仿真的一般過(guò)程及研究需要，考慮系統(tǒng)的通用性、可擴(kuò)展性和可移植性，設(shè)計(jì)基于Virtools/HLA分布式的火控系統(tǒng)仿真平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。
各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能如下：
目標(biāo)仿真成員：根據(jù)收到的導(dǎo)演臺(tái)關(guān)于目標(biāo)設(shè)定初始化的信息，生成符合要求的空情；
雷達(dá)仿真成員：搜索空中目標(biāo)，并在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的情況下給出目標(biāo)的導(dǎo)引信息：
電視跟蹤仿真成員：根據(jù)雷達(dá)傳遞的目標(biāo)導(dǎo)引信息，繼續(xù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索。在跟蹤上目標(biāo)的同時(shí)，并測(cè)定目標(biāo)的坐標(biāo)；
仿真導(dǎo)演臺(tái)：通過(guò)人機(jī)交互界面，對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化。同時(shí)控制整個(gè)仿真過(guò)程，包括啟動(dòng)、暫停、停止和控制仿真。
推進(jìn)的快慢；并顯示火控系統(tǒng)解算過(guò)程中的一些中間信息、提前點(diǎn)信息及射擊諸元信息；
仿真數(shù)據(jù)庫(kù)：實(shí)時(shí)接收所有聯(lián)邦成員發(fā)布的數(shù)據(jù)，并將所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)，以便事后進(jìn)行分析；
火控解算仿真成員：根據(jù)收到的目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)信息對(duì)目標(biāo)坐標(biāo)信息進(jìn)行濾波，并實(shí)時(shí)進(jìn)行解命中，求取火炮的射擊提前點(diǎn)和射擊諸元；
三維視景顯示成員：利用Virtools軟件進(jìn)行視景編程，實(shí)時(shí)顯示整個(gè)三維仿真場(chǎng)景。
2 火控系統(tǒng)操縱仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)
2.1火控系統(tǒng)操縱仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程[5]
基于HLA分布式的仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程十分復(fù)雜。盡管不同應(yīng)用領(lǐng)域的用戶在建立HLA分布式應(yīng)用時(shí)，所采用的步驟可能各不相同，但從高層看，HLA分布式聯(lián)邦開(kāi)發(fā)和執(zhí)行的過(guò)程可以抽象為幾個(gè)必須遵循的基本步驟。在本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，參考了DMSO的FEDFP模型，通過(guò)有限的步驟將用戶的需求從抽象的邏輯概念初步轉(zhuǎn)化為具體的物理實(shí)現(xiàn)。參考FEDFP模型，按如下過(guò)程進(jìn)行聯(lián)邦開(kāi)發(fā)：
1)根據(jù)火控系統(tǒng)仿真模型開(kāi)發(fā)了各個(gè)聯(lián)邦成員的仿真對(duì)象模型SOM；
2)通過(guò)對(duì)聯(lián)邦執(zhí)行過(guò)程中的交互數(shù)據(jù)和聯(lián)邦概念模型進(jìn)行優(yōu)化合并，得到系統(tǒng)的聯(lián)邦對(duì)象模型(FOM)，確定了仿真聯(lián)邦FOM中的對(duì)象類和交互類以及它們的屬性和參數(shù)。
表1
表1 給出了開(kāi)發(fā)本系統(tǒng)時(shí)設(shè)計(jì)的部分交互類和對(duì)象類；
3)根據(jù)FOM表和SOM表，生成了聯(lián)邦執(zhí)行時(shí)的聯(lián)邦執(zhí)行文件(*.FED)；
4)開(kāi)發(fā)各個(gè)聯(lián)邦成員，并將開(kāi)發(fā)好的聯(lián)邦成員進(jìn)行系統(tǒng)集成，調(diào)試并解決系統(tǒng)中的問(wèn)題。
2.2 火控系統(tǒng)操縱仿真平臺(tái)的工作流程
根據(jù)HLA分布式的體系框架，基于Virtools的聯(lián)邦成員的程序結(jié)構(gòu)，在程序設(shè)計(jì)時(shí)我們采用雙線程：一個(gè)是Virtools界面線程，主要用于管理用戶和界面的交互；另一個(gè)是仿真線程，主要用于完成仿真模型的執(zhí)行和聯(lián)邦的交互。這種雙線程的程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。
3平臺(tái)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)
3.1分布交互BB模塊的開(kāi)發(fā)
由圖3可以看出，火控系統(tǒng)操縱仿真平臺(tái)的分布互聯(lián)是通過(guò)RTI BB實(shí)現(xiàn)的，因此RTI BB模塊的開(kāi)發(fā)是仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)的RTI BB在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，通過(guò)將HLA分布式/RTI中與本地聯(lián)邦成員相關(guān)的本地RTI大使(RTI Ambassador)和聯(lián)邦成員大使(Federate Ambassador)的相關(guān)服務(wù)進(jìn)行封裝調(diào)用，使得基于Virtools設(shè)計(jì)的腳本在驅(qū)動(dòng)RTI BB時(shí)，就可執(zhí)行聯(lián)邦成員相應(yīng)的創(chuàng)建聯(lián)邦、加入聯(lián)邦、公布訂購(gòu)、時(shí)間推進(jìn)、更新成員信息、獲取聯(lián)邦或其它成員的信息等相應(yīng)功能。對(duì)于RTI BB的設(shè)計(jì)主要包含了輸入輸出參數(shù)和輸入輸出端口的設(shè)計(jì)。
3.1.1輸入輸出參數(shù)
對(duì)于輸入輸出參數(shù)，根據(jù)參數(shù)的通用性，分為一般參數(shù)和特殊參數(shù)，其中一般參數(shù)的主要包括：創(chuàng)建聯(lián)邦執(zhí)行、加入聯(lián)邦執(zhí)行、初始化時(shí)間管理、公布與訂購(gòu)、時(shí)間推進(jìn)等。游離于一般輸入輸出參數(shù)之外，還有一些是不同的聯(lián)邦成員需求各異的，對(duì)于這部分參數(shù)主要有如下幾種：
1)啟動(dòng)RTI進(jìn)程。負(fù)責(zé)啟動(dòng)RTI運(yùn)行環(huán)境。需要在bIn中創(chuàng)建一字符串類型接口，用以輸入RTI執(zhí)行文件的完整文件名。該端口通常只為安裝有RTI主程序的用戶終端所對(duì)應(yīng)的RTI BB所擁有；
2)需更新的信息。更新信息由于涉及到的種類有多種多樣，如數(shù)組、字符串、整形值、浮點(diǎn)值等，在設(shè)計(jì)上不能夠通用，需要根據(jù)不同的成員以及數(shù)據(jù)種類，在bOut中創(chuàng)建數(shù)據(jù)陣列進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定；
3)需接收的信息。與更新的信息相類似，接收信息也需要根據(jù)不同的成員以及數(shù)據(jù)種類，在bIn中創(chuàng)建各種參數(shù)輸入端口接收相關(guān)信息；
4)控制標(biāo)志。這里的控制標(biāo)志指的是bIn中的一些布爾設(shè)置，主要是為了定義信息發(fā)送或接收的狀態(tài)許可。對(duì)于這些標(biāo)志需要根據(jù)不同的聯(lián)邦成員的仿真應(yīng)用需求來(lái)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)定。
3.1.2 輸入輸出端口
輸入輸出端負(fù)責(zé)BB的啟動(dòng)和執(zhí)行信息的承接。對(duì)于輸入端，從執(zhí)行順序上劃分，可分為初始化、執(zhí)行仿真應(yīng)用和退出聯(lián)邦執(zhí)行輸入端三個(gè)部分。
1)初始化輸入端。該輸入端主要負(fù)責(zé)啟動(dòng)聯(lián)邦成員創(chuàng)建聯(lián)邦、加入聯(lián)邦執(zhí)行、初始化時(shí)間管理、公布訂購(gòu)、創(chuàng)建對(duì)象實(shí)例等功能。對(duì)于該端口，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)只需啟動(dòng)一次。
2)執(zhí)行仿真應(yīng)用輸入端。該輸入端主要負(fù)責(zé)啟動(dòng)仿真應(yīng)用、更新信息、接收信息、所有權(quán)轉(zhuǎn)移和申請(qǐng)時(shí)間推進(jìn)等相應(yīng)功能。由于仿真執(zhí)行具有時(shí)間上的延續(xù)性，因此本端口在仿真過(guò)程中需循環(huán)啟動(dòng)。
3)退出聯(lián)邦執(zhí)行輸入端。該端口主要負(fù)責(zé)當(dāng)聯(lián)邦成員退出聯(lián)邦執(zhí)行后，啟動(dòng)聯(lián)邦成員取消公布與訂購(gòu)、刪除對(duì)象實(shí)例、退出聯(lián)邦執(zhí)行、撤銷(xiāo)聯(lián)邦執(zhí)行和關(guān)閉RTI等功能，該端口在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也只啟動(dòng)一次。對(duì)于輸出端口，為了使RTI BB更具靈活性，本文根據(jù)其輸入端設(shè)計(jì)了一一對(duì)應(yīng)的三個(gè)輸出端口。系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)的RTI BB如圖5所示：
3.2 解算BB模塊的開(kāi)發(fā)
火控解算模型的主要功能包括目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)求取、濾波、解算提前點(diǎn)和解算射擊諸元，可以將整個(gè)火控系統(tǒng)的解算模型封裝為一個(gè)BB模塊，也可以將各部分的功能分別封裝成BB模塊。考慮可重用性的要求，將火控系統(tǒng)的各功能模塊分別封裝成BB模塊。BB模塊的設(shè)計(jì)主要包括兩方面的內(nèi)容：BB模塊輸入輸出端口的設(shè)計(jì)和BB模塊功能的實(shí)現(xiàn)。
3.2.1 解算BB輸入輸出端口的設(shè)計(jì)
BB模塊的輸入輸出參數(shù)和函數(shù)的輸入輸出參數(shù)類似，但由于解算模型中涉及的函數(shù)參數(shù)都非常復(fù)雜以及BB模塊輸入輸出類型的相對(duì)單一等問(wèn)題，不能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)解算模型參數(shù)和BB模塊輸入輸出端口的一一對(duì)應(yīng)。為了解決上述問(wèn)題，在解算BB模塊開(kāi)發(fā)過(guò)程中我們遵循以下準(zhǔn)則：1)復(fù)雜參數(shù)分解為簡(jiǎn)單參數(shù)。BB模塊輸入輸出端口支持的數(shù)據(jù)類型較少，因此對(duì)于解算函數(shù)中涉及到的復(fù)雜的函數(shù)參數(shù)必須先將其分解為一些基本的、能為BB模塊所接受的參數(shù)，才能為各個(gè)參數(shù)在BB模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的端口。2)輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)分離。僅將復(fù)雜參數(shù)分解為簡(jiǎn)單參數(shù)還不一定能滿足要求，因?yàn)樵谝恍┟嫦驅(qū)ο笤O(shè)計(jì)語(yǔ)言中對(duì)于一些參數(shù)來(lái)講它既是輸入又是輸出，但是在BB模塊中，輸入輸出嚴(yán)格分離不能混用，因此必須增加端口實(shí)現(xiàn)輸入和輸出的嚴(yán)格分離
3)首次輸入和首次以后輸入分離。對(duì)解算BB中的濾波B而言，濾波BB模塊的部分輸入?yún)?shù)是通過(guò)外部初始化的方式來(lái)獲取初值的，還有部分輸入?yún)?shù)是通過(guò)獲取一些輸出參數(shù)的值來(lái)得到的，因此必須再增加一些輸入端口，以實(shí)現(xiàn)首次輸入和首次以后輸入的分離。
3.2.2 解算BB模塊功能實(shí)現(xiàn)
解算模塊的主要功能包括目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)求取、濾波、解算提前點(diǎn)和解算射擊諸元。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的求取主要由兩種方法：一是將球坐標(biāo)下的測(cè)量值轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)下的測(cè)量值，然后進(jìn)行微分，再轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)參數(shù)值；二是將球坐標(biāo)下的測(cè)量值轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)下的測(cè)量值，再轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系下的值，最后進(jìn)行微分求取運(yùn)動(dòng)參數(shù)值?？梢?jiàn)無(wú)論使用何種方法都必須進(jìn)行微分操作。如果測(cè)量量中不含有測(cè)量誤差，經(jīng)過(guò)上述處理后，就可以準(zhǔn)確地求出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)值。但實(shí)際測(cè)量過(guò)程中不可避免地存在著測(cè)量誤差，導(dǎo)致計(jì)算的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)也將含有誤差，而且經(jīng)微分運(yùn)算后誤差會(huì)變得更大，因此必須首先對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行濾波處理，然后再求取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)?；鹂叵到y(tǒng)中濾波常用的方法是卡爾曼濾波和α－β濾波，具體的實(shí)現(xiàn)步驟參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。再求取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，火控系統(tǒng)求解解命中問(wèn)題方程組從而獲取射擊提前點(diǎn)和射擊諸元。解命中問(wèn)題方程組可以歸結(jié)為一個(gè)非線性隱含方程t f =f (tf)，對(duì)于該方程的求解主要有以下方法：牛頓迭代法、弦截法和拋物線法等，具體選擇何種方法需要根據(jù)武器系統(tǒng)中火控系統(tǒng)的解算原理來(lái)決定。再求得提前點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)提前點(diǎn)和射擊諸元的關(guān)系很容易求得火控系統(tǒng)的射擊諸元。實(shí)現(xiàn)解算BB模塊的功能有兩種方法：一種是直接將解算模塊對(duì)應(yīng)的功能在解算BB模塊函數(shù)里實(shí)現(xiàn)；另一種方法是將解算模塊的功能先使用一些常用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行封裝(如封裝成DLL、COM等)，然后再由解算BB模塊的函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。后一種方法有效實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用和功能的分離，提升了BB模塊的可重用性。
3.3 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換
構(gòu)建virtools下的分布式火控系統(tǒng)仿真平臺(tái)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間需要交互大量的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)分別是在不同的坐標(biāo)系下定義的。主要涉及到三個(gè)坐標(biāo)系：virtools中的世界坐標(biāo)系，vitools中的車(chē)體坐標(biāo)系，virtools中的航跡坐標(biāo)系。
3.3.1 坐標(biāo)系的建立原則
Virtools中的世界坐標(biāo)系：以炮重心所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸指向右側(cè)，Y軸和X軸垂直且向上，Z軸垂直XOY平面，且符合右手定則。
Virtools中的車(chē)體坐標(biāo)系：以炮重心所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，車(chē)頭方向?yàn)閆軸方向，向上且和車(chē)體底盤(pán)垂直方向?yàn)閅方向，X方向和YOZ平面垂直，且符合右手定則。
Virtools航跡坐標(biāo)系：以飛機(jī)起飛點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸方向?yàn)閂irtools中世界坐標(biāo)系的X軸指向，Y軸方向?yàn)閂irtools中世界坐標(biāo)系的Z軸指向的負(fù)方向，Z軸和XOY平面垂直，且符合右手定則。
3.3.2 坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移
坐標(biāo)系的變換關(guān)系主要是兩種：旋轉(zhuǎn)和平移。火控系統(tǒng)原理中已經(jīng)給出了實(shí)現(xiàn)方法。以大地坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系的變換為例，已知載體的姿態(tài)角，即航向角K、縱搖角Ψ、側(cè)傾角θ，設(shè)大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(X ,Y ,H)，載體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(Xt ,Yt ,Ht)，坐標(biāo)變換(坐標(biāo)旋轉(zhuǎn))關(guān)系為式(1)。
對(duì)于原點(diǎn)不重合的情況，還要先進(jìn)行坐標(biāo)的平移，設(shè)載體的原點(diǎn)為(JX ,JY ,JH)，則坐標(biāo)變換(坐標(biāo)平移)關(guān)系為式(2)
關(guān)系式
3.3.3 Virtools中坐標(biāo)系的變換
由3.3.2可知坐標(biāo)的變換主要是確定坐標(biāo)系之間的相對(duì)關(guān)系，火控系統(tǒng)仿真平臺(tái)中涉及到三個(gè)坐標(biāo)系，由于VT世界坐標(biāo)系和VT航跡坐標(biāo)系之間原點(diǎn)不重合且坐標(biāo)軸也不平行，坐標(biāo)軸之間的相對(duì)關(guān)系也不易確定，因此直接進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換非常困難，因此我們構(gòu)造VT大地坐標(biāo)系，VT中坐標(biāo)系之間進(jìn)行變換時(shí)，先轉(zhuǎn)換為VT大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，然后由VT大地坐標(biāo)系變換為其他坐標(biāo)系。VT大地坐標(biāo)系的建立原則如下：以炮重心所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸方向?yàn)閂irtools中世界坐標(biāo)系的X軸指向，Y軸方向?yàn)閂irtools中世界坐標(biāo)系的Z軸指向的負(fù)方向，Z軸和XOY平面垂直，且符合右手定則。VT中世界坐標(biāo)系下表征車(chē)體方向的三個(gè)參數(shù)為(K,Ψ,θ)，且VT航跡坐標(biāo)系原點(diǎn)在VT大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(JX ,JY ,JH)，則火控系統(tǒng)各坐標(biāo)系的變換關(guān)系如下圖所示：
3.4 RTI BB和解算BB速率不同步
使用該平臺(tái)來(lái)模擬火控系統(tǒng)的功能時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行濾波時(shí)，濾波結(jié)果嚴(yán)重偏離目標(biāo)的實(shí)際參數(shù)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該現(xiàn)象是由于在VT下模塊互聯(lián)時(shí)RTI BB模塊傳輸數(shù)據(jù)的速率和解算BB模塊的解算的速率不同步造成的，準(zhǔn)確的講是由于解算BB采樣速率高而RTI BB傳輸數(shù)據(jù)速率低造成的。圖7是RTI BB和解算BB的連接關(guān)系示意圖。
由圖7可以看出，A點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為RTI BB的輸出由RTIBB反復(fù)更新，同時(shí)A點(diǎn)的數(shù)據(jù)又作為解算模塊的輸入，正常的處理過(guò)程應(yīng)該是A點(diǎn)的數(shù)據(jù)更新一次，解算BB模塊解算一次?？捎捎谝韵略蛟斐商幚砹鞒袒靵y：1)BB模塊的輸入鎖存保持，即輸入端口數(shù)據(jù)沒(méi)有更新前，輸出端口會(huì)始終保持最后一次的輸出值；2)部分解算BB的輸入?yún)?shù)值是解算BB模塊的前一次輸出參數(shù)值。以上原因造成解算BB對(duì)于一個(gè)恒定的輸入值進(jìn)行多次解算，導(dǎo)致每次解算的結(jié)果都不相同。
解決該問(wèn)題關(guān)鍵是設(shè)法讓RTI BB傳輸數(shù)據(jù)的速率和解算BB的解算速率同步，主要有兩種思路：提升RTI BB的傳輸速率或是降低解算BB的解算速率。提升RTI BB的速率比較困難，因此我們采用后一種思路，即降低解算BB的速率。為了降低解算BB的速率，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)更新判斷BB，該BB的作用主要是判斷RTI BB的特定輸出端口輸出是否更新，如果是則標(biāo)志位置1，否則置0；同時(shí)，我們對(duì)解算BB模塊中的部分BB模塊也進(jìn)行了改進(jìn)，即添加輸入更新標(biāo)志位，該標(biāo)志位的輸入從更新判斷BB標(biāo)志位獲取。如果該標(biāo)志位為1，則進(jìn)行一次解算，否則不解算。通過(guò)以上措施我們有效的降低了解算BB的解算速率。改進(jìn)后的連接關(guān)系如圖8所示：
4 火控系統(tǒng)仿真平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例
基于上文提出的設(shè)計(jì)方法，本文設(shè)計(jì)了局域網(wǎng)內(nèi)的結(jié)構(gòu)如圖3所示的某自行高炮單炮車(chē)的聯(lián)邦系統(tǒng)，現(xiàn)給出一個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例。假定有空中目標(biāo)出現(xiàn)，火控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并解算諸元。首先，導(dǎo)演臺(tái)設(shè)定目標(biāo)的參數(shù)并啟動(dòng)仿真，目標(biāo)仿真成員生成空中目標(biāo)。雷達(dá)仿真成員搜索空中目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后將目標(biāo)的方位導(dǎo)引信息傳遞給電視跟蹤仿真成員。電視跟蹤仿真成員搜4火控系統(tǒng)仿真平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例基于上文提出的設(shè)計(jì)方法，本文設(shè)計(jì)了局域網(wǎng)內(nèi)的結(jié)構(gòu)如圖3所示的某自行高炮單炮車(chē)的聯(lián)邦系統(tǒng)，現(xiàn)給出一個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例。假定有空中目標(biāo)出現(xiàn)，火控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并解算諸元。首先，導(dǎo)演臺(tái)設(shè)定目標(biāo)的參數(shù)并啟動(dòng)仿真，目標(biāo)仿真成員生成空中目標(biāo)。雷達(dá)仿真成員搜索空中目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后將目標(biāo)的方位導(dǎo)引信息傳遞給電視跟蹤仿真成員。電視跟蹤仿真成員搜索跟蹤目標(biāo)，求取目標(biāo)的參數(shù)，并傳遞給火控解算仿真成員。火控解算仿真成員解算射擊提前點(diǎn)和射擊諸元，并將解算過(guò)程參數(shù)及解算結(jié)果在導(dǎo)演臺(tái)進(jìn)行顯示，同時(shí)，在三維視景仿真節(jié)點(diǎn)顯示整個(gè)過(guò)程。仿真中某時(shí)刻三維視景截屏如圖9所示。可見(jiàn)，該仿真平臺(tái)能夠模擬火控系統(tǒng)工作過(guò)程的整個(gè)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了比較逼真的火控系統(tǒng)工作過(guò)程的場(chǎng)景模擬，使用戶有了較強(qiáng)的沉浸感。
5 結(jié)論
本文將Virtools與HLA分布式相結(jié)合，提出了一種新的仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，針對(duì)平臺(tái)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并給出了解決的辦法。經(jīng)過(guò)我們開(kāi)發(fā)的某高炮火控系統(tǒng)示教系統(tǒng)的應(yīng)用證明，該方法開(kāi)發(fā)效率較高，開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的效果較好。實(shí)用性很強(qiáng)，具有很好的參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
[1]楊建文,黃金波,陳俊.某型火控系統(tǒng)操作訓(xùn)練仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2007,12(4):39-42.
[2]周啟煌,于諒,劉志高.分布式結(jié)構(gòu)的坦克火控仿真系統(tǒng)研究[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào),1999,13(1):40-44.
[3]張家祥.HLA分布式仿真技術(shù)應(yīng)用教程[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007:31-33.
[4]王樂(lè).基于Virtools的分布式VR的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[D].武漢理工大學(xué),2006.
[5]張宇宏,胡亞海,彭曉源,等.基于HLA分布式的防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)仿真平臺(tái)研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2003,29(1):1-4.
[6]王元慧,邊信黔,王宏健,等.基于HLA分布式的艦船操縱綜合仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009,21(2):385-388.(WANGYuan-hui,BIAN Xin-qian,WANG Hong-jian,et al.Design of ShipOperation Integrated Simulation Platform Based on HLA分布式[J].Journalof System Simulation(S1004-731X),2009,21(2):385-388.)
[7]何友,修建娟,關(guān)欣,等.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006:21-25.
