黃子才，和春耀，胡庭剛

（昆明陸軍學(xué)院，云南 昆明 650207）

隨著計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域中大量應(yīng)用，三維成像仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事訓(xùn)練領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。迫擊炮分隊(duì)訓(xùn)練場(chǎng)地要求高，特別是實(shí)彈射擊場(chǎng)地的選擇，限制條件多、安全要求高、保障任務(wù)重、耗費(fèi)人力物力大、訓(xùn)練效費(fèi)比低，且訓(xùn)練組織次數(shù)有限，急需一種組織簡(jiǎn)單、安全系數(shù)高、能有效模擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練的模擬訓(xùn)練方式和手段來(lái)取代。而在室內(nèi)通過(guò)三維成像技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)迫擊炮射擊指揮和網(wǎng)絡(luò)化訓(xùn)練是現(xiàn)階段迫擊炮分隊(duì)訓(xùn)練的一個(gè)發(fā)展方向。

當(dāng)前，迫擊炮訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)存在兩大難題:一是實(shí)裝器材與訓(xùn)練模擬系統(tǒng)連接如何實(shí)現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)化操作和數(shù)據(jù)的數(shù)字化傳輸，保證實(shí)裝器材測(cè)量模擬數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的真實(shí)可靠性；二是三維地圖地物地貌如何實(shí)現(xiàn)與真實(shí)訓(xùn)練場(chǎng)地逼真模擬仿真。為此，本文提出了新一代迫擊炮綜合訓(xùn)練模擬系統(tǒng)，在上述兩個(gè)方面均有所突破。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

迫擊炮訓(xùn)練模擬系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)、彈道仿真、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)、嵌入式控制和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等多種技術(shù)[5]，實(shí)現(xiàn)了迫擊炮分隊(duì)射擊指揮綜合訓(xùn)練的功能，受訓(xùn)人員根據(jù)模擬觀察所的觀察景象和模擬火炮的射擊效果按照各種解決諸元方法及射擊法則指揮射擊，并將作業(yè)數(shù)據(jù)輸入到模擬系統(tǒng)，進(jìn)行智能化成績(jī)?cè)u(píng)定。

該系統(tǒng)全過(guò)程模擬分隊(duì)實(shí)彈射擊的組織與實(shí)施過(guò)程，解決了場(chǎng)地限制、實(shí)彈射擊安全保障難、組織訓(xùn)練難、經(jīng)費(fèi)有限等訓(xùn)練中的突出問(wèn)題。

2 系統(tǒng)功能

根據(jù)組訓(xùn)單位的實(shí)際運(yùn)用需求，迫擊炮綜合訓(xùn)練模擬系統(tǒng)可采用兩種方式進(jìn)行訓(xùn)練:一種是由某個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)所有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他若干系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行訓(xùn)練；另一種是單系統(tǒng)自主進(jìn)行模擬訓(xùn)練。

2.1 網(wǎng)絡(luò)化訓(xùn)練功能

利用現(xiàn)有的內(nèi)部網(wǎng)，采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)不同地點(diǎn)、統(tǒng)一訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行軍官射擊指揮訓(xùn)練和分隊(duì)綜合練習(xí)。在系統(tǒng)的引導(dǎo)下，對(duì)各種練習(xí)科目進(jìn)行從生成作業(yè)條件到完成作業(yè)結(jié)果的全過(guò)程模擬，并能夠?qū)ψ鳂I(yè)結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)成績(jī)?cè)u(píng)定和直觀顯示。

2.2 考核功能

系統(tǒng)可以對(duì)各種受訓(xùn)對(duì)象、各個(gè)訓(xùn)練內(nèi)容進(jìn)行考核?？梢宰詣?dòng)記錄作業(yè)條件、學(xué)員作業(yè)結(jié)果、作業(yè)時(shí)間，利用數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)了各相關(guān)科目的考核大綱與成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)答案，并給出成績(jī)?cè)u(píng)定結(jié)果，包括精度、時(shí)間、指揮處置，考核結(jié)果存入系統(tǒng)供查閱分析使用。

2.3 教學(xué)功能

依據(jù)頒發(fā)的有關(guān)訓(xùn)練與考核大綱，參考教程、教材，對(duì)相關(guān)各種訓(xùn)練內(nèi)容和教學(xué)科目，均配置內(nèi)容完整、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、符合部隊(duì)實(shí)際的多媒體教學(xué)課件，可以獨(dú)立使用，也可以在教學(xué)與訓(xùn)練之間隨意切換，為部隊(duì)組織開(kāi)展教學(xué)提供支持與幫助。

2.4 管理功能

系統(tǒng)將訓(xùn)練科目和成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)置在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中（可根據(jù)需要變更），使用單位可以利用系統(tǒng)提供的管理維護(hù)機(jī)制將受訓(xùn)對(duì)象（單位、個(gè)人）輸入到系統(tǒng)之中。訓(xùn)練時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄訓(xùn)練情況、考核成績(jī)，以及相關(guān)的題目、作業(yè)結(jié)果、時(shí)間、受訓(xùn)對(duì)象等信息（一經(jīng)確認(rèn)保存便不能隨意更改），供查閱、統(tǒng)計(jì)、分析和打印，也可進(jìn)行橫向、縱向的多種分析比較。這對(duì)于部隊(duì)加強(qiáng)訓(xùn)練管理，全面客觀地掌握訓(xùn)練情況，改進(jìn)訓(xùn)練措施，提高訓(xùn)練的針對(duì)性具有重要的意義。

3 系統(tǒng)組成

3.1 硬件平臺(tái)

迫擊炮訓(xùn)練模擬系統(tǒng)硬件平臺(tái)分為觀察所、炮陣地、系統(tǒng)控制臺(tái)和三維仿真顯示終端（見(jiàn)圖1）。具體包括了主控計(jì)算機(jī)1臺(tái)，輔助計(jì)算機(jī)1～2臺(tái)，投影儀1臺(tái)，總控臺(tái)1座，音響1套，虛擬機(jī)光測(cè)距機(jī)1部、數(shù)字化方向盤1部，迫擊炮（配數(shù)字化瞄準(zhǔn)鏡）火炮1～6門。多系統(tǒng)進(jìn)行同一訓(xùn)練時(shí)，利用現(xiàn)有的內(nèi)部網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)通信（IP4）協(xié)議，建立數(shù)據(jù)的相互傳輸。觀察所虛擬激光測(cè)距機(jī)和數(shù)字方向盤，炮陣地（帶數(shù)字化瞄準(zhǔn)鏡）通過(guò)數(shù)字通信與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。

圖1 迫擊炮綜合訓(xùn)練模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 軟件平臺(tái)

軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)上開(kāi)發(fā)語(yǔ)言使用 VC++，數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server2000，OSG1.0（Open Scene Graph）開(kāi)源渲染引擎，聲效采用 OALPP 開(kāi)源聲效引擎，運(yùn)行系統(tǒng)Windows2000/XP（見(jiàn)圖 2）[5]。

圖2 迫擊炮訓(xùn)練模擬系統(tǒng)軟件平臺(tái)環(huán)境

該系統(tǒng)對(duì)迫擊炮連排射擊指揮綜合訓(xùn)練的各個(gè)階段進(jìn)行分布建模，包括迫擊炮訓(xùn)練模擬系統(tǒng)、想定編輯系統(tǒng)、地圖紋理生成系統(tǒng)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境生成系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等五大系統(tǒng)，還包括一部分訓(xùn)練和教學(xué)輔助系統(tǒng)，如虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、檢測(cè)定位系統(tǒng)、仿真運(yùn)行系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、教學(xué)管理系統(tǒng)、考核評(píng)估系統(tǒng)等。迫擊炮模擬訓(xùn)練包括計(jì)算兵偵察兵計(jì)算作業(yè)、決定射擊開(kāi)始諸元、軍官射擊指揮練習(xí)、分隊(duì)綜合訓(xùn)練等和網(wǎng)絡(luò)化綜合訓(xùn)練等六個(gè)模塊，可根據(jù)不同的訓(xùn)練內(nèi)容來(lái)選擇。系統(tǒng)為受訓(xùn)人員提供逼真實(shí)時(shí)的三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境與目標(biāo)，利用虛擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字方向盤、計(jì)算器等作業(yè)工具進(jìn)行連測(cè)戰(zhàn)斗隊(duì)形、決定目標(biāo)射擊開(kāi)始諸元、連長(zhǎng)指揮口令的記錄、下達(dá)與執(zhí)行等基本射擊技能的訓(xùn)練；同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和執(zhí)行連長(zhǎng)下達(dá)的射擊口令，并對(duì)指揮員的射擊指揮和分隊(duì)的操作過(guò)程進(jìn)行合理評(píng)估，考核各級(jí)人員指揮、操作的準(zhǔn)確性。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 觀察所和炮陣地?cái)?shù)字化模擬技術(shù)

4.1.1 觀察所數(shù)字化模擬技術(shù)[3-4]

觀察所模擬是訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵，該系統(tǒng)主要利用虛擬激光測(cè)距機(jī)和數(shù)字化瞄準(zhǔn)鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。在訓(xùn)練模擬系統(tǒng)中，距離主要依靠虛擬激光測(cè)距機(jī)來(lái)完成，方向主要依靠數(shù)字化方向盤。由于與訓(xùn)練模擬系統(tǒng)通過(guò)通信協(xié)議進(jìn)行適時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，一旦模擬系統(tǒng)啟動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)適時(shí)就模擬場(chǎng)景中觀察所相關(guān)參數(shù)傳送給虛擬激光測(cè)距機(jī)和數(shù)字換瞄準(zhǔn)鏡，首先進(jìn)入校準(zhǔn)界面，利用數(shù)字化方向盤來(lái)測(cè)量投影屏幕中的校準(zhǔn)位置（見(jiàn)圖4），從而決定虛擬場(chǎng)景中各個(gè)特定物體的位置關(guān)系。一經(jīng)確定后，數(shù)字化方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)量就與系統(tǒng)中虛擬場(chǎng)景有效關(guān)聯(lián)。當(dāng)方向盤“十字線”對(duì)向虛擬場(chǎng)中的任何目標(biāo)或位置后，激光測(cè)距機(jī)會(huì)自動(dòng)解算模擬場(chǎng)景中觀察所到該目標(biāo)或者位置的距離，方向盤也會(huì)給出以3000密位為基準(zhǔn)的方向偏差量，在虛擬場(chǎng)景中測(cè)量的目標(biāo)或炸點(diǎn)方向偏差量和實(shí)際野戰(zhàn)環(huán)境測(cè)量值保持一致。這樣，即使在室內(nèi)實(shí)際場(chǎng)地較小，也能有效地模擬野戰(zhàn)環(huán)境中觀察所實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練。

圖3 迫擊炮訓(xùn)練模擬系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

圖4 虛擬觀察所與屏幕校準(zhǔn)界面

4.1.2 炮陣地?cái)?shù)字化模擬技術(shù)[3-4]

炮陣地?cái)?shù)字化模擬是實(shí)現(xiàn)陣地操作與系統(tǒng)有效連接的關(guān)鍵。為確保模擬訓(xùn)練的完整和實(shí)戰(zhàn)化，該系統(tǒng)充分利用自行研制的迫擊炮數(shù)字化瞄準(zhǔn)鏡（目前有三種火炮數(shù)字化瞄準(zhǔn)鏡），通過(guò)有線通信方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息傳輸。主要在數(shù)字化瞄準(zhǔn)鏡內(nèi)加裝傾角傳感器和彈道模擬器，將火炮射角與數(shù)字化瞄準(zhǔn)鏡內(nèi)表尺數(shù)值變化對(duì)應(yīng)；方向上變化量，則以基本瞄準(zhǔn)點(diǎn)為依據(jù)，在方向30-00為基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，方向變化后重新瞄準(zhǔn)，數(shù)字化瞄準(zhǔn)境內(nèi)方向分劃數(shù)值也會(huì)相對(duì)應(yīng)變化。這樣，正常操作火炮時(shí)，數(shù)字化瞄準(zhǔn)鏡會(huì)將表尺和方向數(shù)值或變化量實(shí)時(shí)傳輸至系統(tǒng)內(nèi)，使系統(tǒng)中射擊口令按照數(shù)字化瞄準(zhǔn)境內(nèi)表尺和方向?qū)嵤┥鋼簟?/p>

4.2 彈道模擬技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外火控系統(tǒng)解算射擊諸元所采用的彈道模型分為射表、射表數(shù)據(jù)擬合、彈丸諸元解析表達(dá)式和彈丸運(yùn)動(dòng)微分方程組四種方法[4]。通過(guò)對(duì)比分析和系統(tǒng)需求，選擇利用解彈道微分方程決定射擊諸元。該方法具有消除射表誤差、可以利用實(shí)際的氣象條件（如計(jì)算機(jī)氣象通報(bào)），可充分考慮到各種射擊條件之間的相互影響等優(yōu)點(diǎn)。充分考慮模擬系統(tǒng)需求和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度，為減少工作量，選擇與實(shí)際彈道最簡(jiǎn)單的模型——質(zhì)點(diǎn)彈道模型，其非標(biāo)準(zhǔn)條件下的微分方程組為

圖5所示為決定射擊諸元的一般解算步驟和方法，包括彈道諸元、氣象諸元、地形諸元的解算[3]。這樣，系統(tǒng)中外彈道的模擬就與實(shí)際彈道逼近，既能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)的需要，又符合計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的要求。

圖5 解彈道方程決定諸元流程框圖

4.3 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真技術(shù)[1-2，5]

本套系統(tǒng)的視景顯示采用三維視景仿真技術(shù)生成的三維實(shí)時(shí)虛擬場(chǎng)景，可實(shí)時(shí)更換觀察所位置、觀察方向，實(shí)時(shí)顯示戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化。野戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)共有山岳叢林和高寒山地兩類地形，利用OpenGL底層函數(shù)繪制。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境通過(guò)投影在一個(gè)4m×5.3m的大屏幕上顯示。仿真訓(xùn)練畢竟不能完全代替現(xiàn)地訓(xùn)練，為了使仿真訓(xùn)練與現(xiàn)地訓(xùn)練緊密結(jié)合，將現(xiàn)用的等高線地圖轉(zhuǎn)化成電子地圖，經(jīng)過(guò)斷點(diǎn)續(xù)連、去除污點(diǎn)等處理，生成清晰的二維地形圖像，然后進(jìn)行矢量化，對(duì)等高線進(jìn)行標(biāo)高，多剖面插值生成數(shù)字高程矩陣，再利用OpenGL地形模型導(dǎo)入，設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，生成三維地形模型文件，再利用小型無(wú)人機(jī)對(duì)訓(xùn)練基地進(jìn)行航拍所得的地物地貌，完成真實(shí)地形的三維建模。

4.4 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議技術(shù)[5]

根據(jù)仿真的需要，訓(xùn)練模擬系統(tǒng)和觀察所模擬器、炮陣地?cái)?shù)字化瞄準(zhǔn)鏡采用RS485通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；訓(xùn)練模擬系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用以太網(wǎng)連接；戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和綜合控制臺(tái)連接采用以太網(wǎng)。其中戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)部采用 HLA/IRTI協(xié)議，系統(tǒng)間網(wǎng)絡(luò)化訓(xùn)練交聯(lián)采用TCP/IP協(xié)議，因而通信接口要提供三種模式的通信方式:

· 基于HLA/RTI協(xié)議模式；

· 基于TCP/IP協(xié)議；

· 基于RS485通信協(xié)議技術(shù)。

通信接口軟件需作為 HLA/RTI的一個(gè)聯(lián)邦加入到仿真運(yùn)行中，其功能是將戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中數(shù)據(jù)從HLA/RTI協(xié)議轉(zhuǎn)換為RS485通信和TCP/IP方式；將來(lái)自RS485的觀察所虛擬激光測(cè)距機(jī)和炮陣地?cái)?shù)字化的數(shù)據(jù)以及來(lái)自 TCP/IP的武器攻擊訓(xùn)練模擬器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為HLA/RTI協(xié)議數(shù)據(jù)，即完成指揮控制臺(tái)、訓(xùn)練模擬系統(tǒng)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和各數(shù)字化（虛擬）設(shè)備之間數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)換和傳輸。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)使用表明，該訓(xùn)練模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同部隊(duì)迫擊炮分隊(duì)同時(shí)進(jìn)行室內(nèi)三維成像間接測(cè)量與實(shí)裝設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算無(wú)縫融合，方便地模擬分隊(duì)綜合訓(xùn)練的組織與實(shí)施全過(guò)程，解決了場(chǎng)地限制、實(shí)彈射擊安全保障、組織訓(xùn)練等問(wèn)題，為迫擊炮分隊(duì)訓(xùn)練提供了一種經(jīng)濟(jì)、有效的訓(xùn)練方式。

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