迫擊炮綜合訓練模擬系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

黃子才，和春耀，胡庭剛

（昆明陸軍學院，云南 昆明 650207）

隨著計算機圖像技術的發(fā)展，虛擬仿真、計算機網(wǎng)絡等技術在國防領域中大量應用，三維成像仿真技術和網(wǎng)絡技術在軍事訓練領域發(fā)揮著越來越重要的作用。迫擊炮分隊訓練場地要求高，特別是實彈射擊場地的選擇，限制條件多、安全要求高、保障任務重、耗費人力物力大、訓練效費比低，且訓練組織次數(shù)有限，急需一種組織簡單、安全系數(shù)高、能有效模擬現(xiàn)實訓練的模擬訓練方式和手段來取代。而在室內通過三維成像技術和網(wǎng)絡技術實現(xiàn)迫擊炮射擊指揮和網(wǎng)絡化訓練是現(xiàn)階段迫擊炮分隊訓練的一個發(fā)展方向。

當前，迫擊炮訓練模擬系統(tǒng)的研制與開發(fā)存在兩大難題:一是實裝器材與訓練模擬系統(tǒng)連接如何實現(xiàn)實戰(zhàn)化操作和數(shù)據(jù)的數(shù)字化傳輸，保證實裝器材測量模擬數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的真實可靠性；二是三維地圖地物地貌如何實現(xiàn)與真實訓練場地逼真模擬仿真。為此，本文提出了新一代迫擊炮綜合訓練模擬系統(tǒng)，在上述兩個方面均有所突破。

1 系統(tǒng)簡介

迫擊炮訓練模擬系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實、彈道仿真、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)庫、嵌入式控制和網(wǎng)絡通信協(xié)議等多種技術[5]，實現(xiàn)了迫擊炮分隊射擊指揮綜合訓練的功能，受訓人員根據(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)，進行智能化成績評定。

該系統(tǒng)全過程模擬分隊實彈射擊的組織與實施過程，解決了場地限制、實彈射擊安全保障難、組織訓練難、經(jīng)費有限等訓練中的突出問題。

2 系統(tǒng)功能

根據(jù)組訓單位的實際運用需求，迫擊炮綜合訓練模擬系統(tǒng)可采用兩種方式進行訓練:一種是由某個系統(tǒng)進行控制，通過內部網(wǎng)絡通信協(xié)議實現(xiàn)所有網(wǎng)絡內其他若干系統(tǒng)同時進行訓練；另一種是單系統(tǒng)自主進行模擬訓練。

2.1 網(wǎng)絡化訓練功能

利用現(xiàn)有的內部網(wǎng)，采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，實現(xiàn)不同地點、統(tǒng)一訓練系統(tǒng)進行軍官射擊指揮訓練和分隊綜合練習。在系統(tǒng)的引導下，對各種練習科目進行從生成作業(yè)條件到完成作業(yè)結果的全過程模擬，并能夠對作業(yè)結果進行自動成績評定和直觀顯示。

2.2 考核功能

系統(tǒng)可以對各種受訓對象、各個訓練內容進行考核?？梢宰詣佑涗涀鳂I(yè)條件、學員作業(yè)結果、作業(yè)時間，利用數(shù)據(jù)庫中存儲了各相關科目的考核大綱與成績評定標準，自動計算標準答案，并給出成績評定結果，包括精度、時間、指揮處置，考核結果存入系統(tǒng)供查閱分析使用。

2.3 教學功能

依據(jù)頒發(fā)的有關訓練與考核大綱，參考教程、教材，對相關各種訓練內容和教學科目，均配置內容完整、標準規(guī)范、符合部隊實際的多媒體教學課件，可以獨立使用，也可以在教學與訓練之間隨意切換，為部隊組織開展教學提供支持與幫助。

2.4 管理功能

系統(tǒng)將訓練科目和成績評定標準作為基礎數(shù)據(jù)預置在基礎數(shù)據(jù)庫中（可根據(jù)需要變更），使用單位可以利用系統(tǒng)提供的管理維護機制將受訓對象（單位、個人）輸入到系統(tǒng)之中。訓練時，系統(tǒng)自動記錄訓練情況、考核成績，以及相關的題目、作業(yè)結果、時間、受訓對象等信息（一經(jīng)確認保存便不能隨意更改），供查閱、統(tǒng)計、分析和打印，也可進行橫向、縱向的多種分析比較。這對于部隊加強訓練管理，全面客觀地掌握訓練情況，改進訓練措施，提高訓練的針對性具有重要的意義。

3 系統(tǒng)組成

3.1 硬件平臺

迫擊炮訓練模擬系統(tǒng)硬件平臺分為觀察所、炮陣地、系統(tǒng)控制臺和三維仿真顯示終端（見圖1）。具體包括了主控計算機1臺，輔助計算機1～2臺，投影儀1臺，總控臺1座，音響1套，虛擬機光測距機1部、數(shù)字化方向盤1部，迫擊炮（配數(shù)字化瞄準鏡）火炮1～6門。多系統(tǒng)進行同一訓練時，利用現(xiàn)有的內部網(wǎng)網(wǎng)絡平臺通信（IP4）協(xié)議，建立數(shù)據(jù)的相互傳輸。觀察所虛擬激光測距機和數(shù)字方向盤，炮陣地（帶數(shù)字化瞄準鏡）通過數(shù)字通信與主控計算機進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸。

圖1 迫擊炮綜合訓練模擬系統(tǒng)結構圖

3.2 軟件平臺

軟件開發(fā)技術上開發(fā)語言使用 VC++，數(shù)據(jù)庫SQL Server2000，OSG1.0（Open Scene Graph）開源渲染引擎，聲效采用 OALPP 開源聲效引擎，運行系統(tǒng)Windows2000/XP（見圖 2）[5]。

圖2 迫擊炮訓練模擬系統(tǒng)軟件平臺環(huán)境

該系統(tǒng)對迫擊炮連排射擊指揮綜合訓練的各個階段進行分布建模，包括迫擊炮訓練模擬系統(tǒng)、想定編輯系統(tǒng)、地圖紋理生成系統(tǒng)、戰(zhàn)場環(huán)境生成系統(tǒng)和網(wǎng)絡控制系統(tǒng)等五大系統(tǒng)，還包括一部分訓練和教學輔助系統(tǒng)，如虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、檢測定位系統(tǒng)、仿真運行系統(tǒng)、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、教學管理系統(tǒng)、考核評估系統(tǒng)等。迫擊炮模擬訓練包括計算兵偵察兵計算作業(yè)、決定射擊開始諸元、軍官射擊指揮練習、分隊綜合訓練等和網(wǎng)絡化綜合訓練等六個模塊，可根據(jù)不同的訓練內容來選擇。系統(tǒng)為受訓人員提供逼真實時的三維戰(zhàn)場環(huán)境與目標，利用虛擬計算機、數(shù)字方向盤、計算器等作業(yè)工具進行連測戰(zhàn)斗隊形、決定目標射擊開始諸元、連長指揮口令的記錄、下達與執(zhí)行等基本射擊技能的訓練；同時實時監(jiān)測和執(zhí)行連長下達的射擊口令，并對指揮員的射擊指揮和分隊的操作過程進行合理評估，考核各級人員指揮、操作的準確性。

4 關鍵技術

4.1 觀察所和炮陣地數(shù)字化模擬技術

4.1.1 觀察所數(shù)字化模擬技術[3-4]

觀察所模擬是訓練模擬系統(tǒng)的關鍵，該系統(tǒng)主要利用虛擬激光測距機和數(shù)字化瞄準鏡來實現(xiàn)。在訓練模擬系統(tǒng)中，距離主要依靠虛擬激光測距機來完成，方向主要依靠數(shù)字化方向盤。由于與訓練模擬系統(tǒng)通過通信協(xié)議進行適時數(shù)據(jù)傳輸，一旦模擬系統(tǒng)啟動，系統(tǒng)會適時就模擬場景中觀察所相關參數(shù)傳送給虛擬激光測距機和數(shù)字換瞄準鏡，首先進入校準界面，利用數(shù)字化方向盤來測量投影屏幕中的校準位置（見圖4），從而決定虛擬場景中各個特定物體的位置關系。一經(jīng)確定后，數(shù)字化方向盤轉動量就與系統(tǒng)中虛擬場景有效關聯(lián)。當方向盤“十字線”對向虛擬場中的任何目標或位置后，激光測距機會自動解算模擬場景中觀察所到該目標或者位置的距離，方向盤也會給出以3000密位為基準的方向偏差量，在虛擬場景中測量的目標或炸點方向偏差量和實際野戰(zhàn)環(huán)境測量值保持一致。這樣，即使在室內實際場地較小，也能有效地模擬野戰(zhàn)環(huán)境中觀察所實戰(zhàn)化訓練。

圖3 迫擊炮訓練模擬系統(tǒng)層次結構圖

圖4 虛擬觀察所與屏幕校準界面

4.1.2 炮陣地數(shù)字化模擬技術[3-4]

炮陣地數(shù)字化模擬是實現(xiàn)陣地操作與系統(tǒng)有效連接的關鍵。為確保模擬訓練的完整和實戰(zhàn)化，該系統(tǒng)充分利用自行研制的迫擊炮數(shù)字化瞄準鏡（目前有三種火炮數(shù)字化瞄準鏡），通過有線通信方式，實現(xiàn)實時信息傳輸。主要在數(shù)字化瞄準鏡內加裝傾角傳感器和彈道模擬器，將火炮射角與數(shù)字化瞄準鏡內表尺數(shù)值變化對應；方向上變化量，則以基本瞄準點為依據(jù)，在方向30-00為基準的基礎上，方向變化后重新瞄準，數(shù)字化瞄準境內方向分劃數(shù)值也會相對應變化。這樣，正常操作火炮時，數(shù)字化瞄準鏡會將表尺和方向數(shù)值或變化量實時傳輸至系統(tǒng)內，使系統(tǒng)中射擊口令按照數(shù)字化瞄準境內表尺和方向實施射擊。

4.2 彈道模擬技術

目前，國內外火控系統(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、彈丸諸元解析表達式和彈丸運動微分方程組四種方法[4]。通過對比分析和系統(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、可以利用實際的氣象條件（如計算機氣象通報），可充分考慮到各種射擊條件之間的相互影響等優(yōu)點。充分考慮模擬系統(tǒng)需求和計算機運算速度，為減少工作量，選擇與實際彈道最簡單的模型——質點彈道模型，其非標準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際彈道逼近，既能滿足系統(tǒng)設計與研發(fā)的需要，又符合計算機運行速度的要求。

圖5 解彈道方程決定諸元流程框圖

4.3 戰(zhàn)場環(huán)境仿真技術[1-2，5]

本套系統(tǒng)的視景顯示采用三維視景仿真技術生成的三維實時虛擬場景，可實時更換觀察所位置、觀察方向，實時顯示戰(zhàn)場動態(tài)變化。野戰(zhàn)戰(zhàn)場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)場環(huán)境通過投影在一個4m×5.3m的大屏幕上顯示。仿真訓練畢竟不能完全代替現(xiàn)地訓練，為了使仿真訓練與現(xiàn)地訓練緊密結合，將現(xiàn)用的等高線地圖轉化成電子地圖，經(jīng)過斷點續(xù)連、去除污點等處理，生成清晰的二維地形圖像，然后進行矢量化，對等高線進行標高，多剖面插值生成數(shù)字高程矩陣，再利用OpenGL地形模型導入，設定相應參數(shù)，生成三維地形模型文件，再利用小型無人機對訓練基地進行航拍所得的地物地貌，完成真實地形的三維建模。

4.4 網(wǎng)絡通信協(xié)議技術[5]

根據(jù)仿真的需要，訓練模擬系統(tǒng)和觀察所模擬器、炮陣地數(shù)字化瞄準鏡采用RS485通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸；訓練模擬系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)采用以太網(wǎng)連接；戰(zhàn)場環(huán)境和綜合控制臺連接采用以太網(wǎng)。其中戰(zhàn)場環(huán)境內部采用 HLA/IRTI協(xié)議，系統(tǒng)間網(wǎng)絡化訓練交聯(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。

通信接口軟件需作為 HLA/RTI的一個聯(lián)邦加入到仿真運行中，其功能是將戰(zhàn)場環(huán)境中數(shù)據(jù)從HLA/RTI協(xié)議轉換為RS485通信和TCP/IP方式；將來自RS485的觀察所虛擬激光測距機和炮陣地數(shù)字化的數(shù)據(jù)以及來自 TCP/IP的武器攻擊訓練模擬器數(shù)據(jù)轉換為HLA/RTI協(xié)議數(shù)據(jù)，即完成指揮控制臺、訓練模擬系統(tǒng)、戰(zhàn)場環(huán)境和各數(shù)字化（虛擬）設備之間數(shù)據(jù)的有效轉換和傳輸。

5 結論

經(jīng)過使用表明，該訓練模擬系統(tǒng)實現(xiàn)了不同部隊迫擊炮分隊同時進行室內三維成像間接測量與實裝設備現(xiàn)場測算無縫融合，方便地模擬分隊綜合訓練的組織與實施全過程，解決了場地限制、實彈射擊安全保障、組織訓練等問題，為迫擊炮分隊訓練提供了一種經(jīng)濟、有效的訓練方式。

[1]鄭長偉,戍兵,薛青,等.間瞄火炮射擊訓練模擬系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學報, 2005,17(9):2127-2129.

[2]王江春.間瞄火炮室內仿真訓練模擬系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2008,20(8):2018-2022.

[3]張顯景,等.迫擊炮射擊教材[M].北京:八一出版社,1993.

[4]張樂平.炮兵射擊指揮理論[M].北京:解放軍出版社，2005.

[5]郭齊勝,董志明.系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.