光電經緯儀模擬訓練仿真系統設計

李欣陽，呂耀文，徐熙平，胡悅

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

光電經緯儀作為一種重要的光電跟蹤測量設備，實現了實時測量并記錄目標的方位、俯仰角、運動參數等信息。在衛星發射、武器試驗等各種軍事及科研領域廣泛應用。光電經緯儀測量任務的順利完成，需要操作手的熟練配合，但由于外場試驗中高昂的時間和資源成本，對光電經緯儀操作手的訓練成了一個棘手的問題，因此通過視景仿真技術開發光電經緯儀模擬訓練系統，對經緯儀的操作訓練進行模擬和效果評估具有重要意義[1-3]。主要的三維仿真軟件包括：Vega Prime、Matlab和3DMax等軟件。Vega Prime三維仿真軟件結合VC++開發，相比于傳統的基于Matlab的數學模型仿真具有更強的直觀性，方便操作手進行模擬訓練；相比于3DMax等三維動畫軟件實現仿真具有更強的交互性，多種仿真模塊也增加了開發的簡易性；相比于只具備C編程接口開發的Vega軟件，具有更強的程序擴展性，也可以整體提高系統運行速度[4-6]。

本系統采用了MFC多線程框架，應用Vega Prime API函數，實現了整體多線程場景搭建，開發了目標運動軌跡模擬、攝像機參數模擬、特效模擬和操作桿模擬經緯儀視軸跟隨目標等功能，并以統計的方法，對跟蹤訓練結果給出客觀的評價。

1 仿真系統總體結構

模擬訓練仿真系統的設計首先使用Creator軟件分別建立場景模型和場景中應用的實體模型，然后將場景模型和實體模型導入lnyx Prime圖形配置面板，通過面板對三維場景進行初始化配置并生成相應的acf文件，在VC平臺上將acf文件加載到基本程序框架。出于實時性和交互性的考慮，選用基于MFC的多線程框架，最后通過Vega Prime API函數編寫和驅動仿真程序并輸出虛擬渲染場景[7-8]。綜上，基于Vega Prime的光電經緯儀模擬訓練系統的仿真框架如圖1所示。

圖1 仿真系統框架

光電經緯儀模擬訓練系統要求實現人機交互和環境參數配置的功能，滿足武器試驗場景的模擬和基于真實外場試驗彈道數據的飛機投彈仿真要求，對場景和模型計算量很大，因此系統采用基于MFC的多線程框架，提高程序資源利用率，使程序響應更快[7]。應用程序需要實現鍵盤、鼠標和訓練搖桿響應，但同時會存在按鈕、編輯框等對象與VP運行窗口爭奪焦點的問題，所以應用程序類型使用單文檔類型，以提高程序可靠性。

系統線程包括VP線程和圖形界面線程。VP線程使用兩層結構進行開發，首先創建最底層類繼承于vpApp類，主要提供VP運行線程框架，線程驅動和其它底層操作；然后創建VP線程上層類繼承于底層類，用于使用底層類實現進一步的功能，包括重寫配置函數，鍵盤鼠標響應函數等其它功能函數，所有VP功能實現都在上層類中編寫，其實現的函數供用戶層直接使用。然后基于圖形界面線程創建用戶層，它是單文檔視圖的控制類，在此類中調用VP線程上層類的方法進行應用程序開發，同時還要創建系統消息機制，在圖形界面上通過消息傳遞控制程序響應。程序關閉時圖形界面線程接收VP線程關閉消息，控制應用程序關閉。系統設計的線程框圖如圖2所示，設計完成后的圖形交互界面如圖3所示。

圖2 系統線程設計框圖

圖3 圖形交互界面

2 關鍵技術

為保證模擬訓練的真實性和實際感，模擬訓練系統需要構建仿真目標的三維模型，并根據真實的飛行數據控制目標在場景中做三維運動，同時為了增強操作手適應不同環境的能力，在模擬訓練中增加了雨雪環境和攝相機參數調整的模擬。最后，為了對模擬訓練給出客觀的評價，還需要實時得到目標在每幀圖像中的位置姿態和經緯儀的視軸指向，進而給出訓練成績。因此模擬訓練系統主要包含四項關鍵技術：三維模型創建、運動軌跡仿真、環境模擬和攝像機參數調節、跟蹤目標脫靶量計算及成績判定。下面以光電經緯儀跟蹤飛機和導彈的模擬訓練為例，對這四項關鍵技術進行闡述。

2.1 三維模型創建

本系統使用Multigen Creator三維建模軟件對飛機和導彈進行建模。

使用該軟件建模是出于對多邊形建模、多細節層次以及紋理等技術需求的考慮，以及其與后續的Vega Prime仿真軟件的緊密結合。首先依據已知的外形尺寸運用多邊形建模技術對飛機和導彈進行三維構建，構建過程中還需運用多細節層次技術將模型細分多個級別以提高仿真效率，然后依據真實飛機和導彈的圖片運用紋理貼圖技術制作紋理并映射到構建的幾何模型上，最后得到構建完成的三維模型，生成flt格式文件并導入Vega Prime視景仿真軟件，構建的飛機和導彈的三維仿真模型如圖4所示。

圖4 Multigen Creator構建的三維仿真模型

2.2 運動軌跡仿真

光電經緯儀訓練系統運動軌跡仿真包含兩個部分：飛機軌跡仿真和導彈軌跡仿真。

傳統光電模擬系統將目標飛機等效為一個質點，無法得到細節姿態信息和外形信息，對模擬過程的還原度較低，通過立體建模仿真，可以對系統進行深度的模擬，更為充分還原訓練過程。飛機的運行軌跡通過Vega Prime中的vpPath模塊設置固定飛行路徑點，再結合其子類提供的插值算法即可完成相對平滑的飛行模擬結果，該過程在Lynx Prime面板進行配置。設置過程需要處理飛機的空間位置信息、運動的速度、加速度和運動的轉向角度等動態變化信息。

彈道模擬通常情況下也可通過vpPath模塊完成。但是傳統設計由于可輸入的彈道數據點有限，不能滿足于大量的外場試驗數據，而且不能滿足目標相對于發射臺的坐標數據需求。為了解決上述問題，本系統根據時間節點，關聯彈道的運動軌跡、運動參數和3D姿態參數對彈道點進行插值處理。具體實現過程如下：

（1）獲取當前時間計數器值并得到當前時刻在理論彈道中的前后兩個點。

（2）判斷當前時刻是否大于已得到的理論彈道后點的時刻，如果小于則根據當前時刻相對于前后彈道點時刻的比例，對當前時刻坐標點做三次樣條插值，計算得到當前幀目標的坐標，如果大于則繼續得到理論彈道中的下兩個彈道點。

（3）判斷當前時刻是否大于理論彈道最后一個點的時刻，如果大于則表示彈道已結束。

導彈的運行軌跡采用真實外場彈道數據的方法，這樣使得仿真過程更趨近于外場試驗過程。首先要考慮坐標系轉換問題，本系統涉及到兩次坐標轉換，第一次將基于發射坐標系的外場彈道坐標轉換為Vega Prime場景內的本地坐標，第二次要將跟蹤目標的本地坐標轉換為相對于飛機投擲點的相對坐標，這樣可以實現導彈可以在飛機飛行過程中任意時刻進行投擲，以增加模擬訓練的隨機性。

2.3 環境模擬和攝像機參數調節

在實際的經緯儀操作過程中，操作手會根據目標大小和距離，對攝像機焦距和光圈進行調整。同時由于使用環境的不同，視頻圖像的效果會發生較大的變大，因此，本系統對這些信息進行仿真，以逼近真實的經緯儀訓練效果。

環境模擬包括模擬雨天和雪天，實際上雨雪也是一種粒子系統，Vega Prime提供的EnvRain類和EncSnow類將雨和雪粒子系統封裝完成，并可以直接在Lynx Prime面板對粒子數、粒子大小、顏色紋理等參數進行配置。

相機參數調節包括調光模擬和調焦模擬，調光模擬首先在Configure（）配置函數中實例化vp-Cam-eraCompositeEffect類，然后通過類中set-GainLevel-Manua（l）函數調節參數值，達到相機調光增加或減少的效果。

調焦模擬本系統采用連續變焦方式。首先在Configure（）配置函數中設定最短焦距fmin和最長焦距fmax、短焦方位視場角α0以及變焦速度v，然后通過視場角和焦距關系理論可知其成反比例關系，即焦距變大，視場角變小，物像變大；焦距變小，視場角變大，物像變小。當前幀方位視場角αh計算表達式為：

其中，f為當前幀焦距，其基于上一幀焦距和變焦速度計算得到。然后將方位視場角和俯仰視場角參數傳到vpChannel類中setFOVSymmetric（）函數中即可實現基于光學通道的調焦模擬。

2.4 跟蹤目標脫靶量計算及成績判定

光電經緯儀視軸中心即仿真跟蹤十字絲線中心，光電經緯儀是模擬系統中的觀察者，可根據Vega Prime API函數vpObserver：：getRotate（）得到每幀圖像視軸中心方位角A0和俯仰角E0。設觀測點在場景中的世界坐標為（x0，y0，z0），跟蹤目標即導彈在場景中的世界坐標為（x1，y1，z1），每幀圖像跟蹤目標方位角A1和俯仰角E1表達式為：

則每幀圖像中跟蹤目標的方位角A1和俯仰角E1相對于視軸方位角A0和俯仰角E0的偏差ΔA和ΔE為：

考慮到訓練初始應給予操作手反應時間，本系統將前100幀作為操作手的反應時間，該時間可根據操作手模擬訓練需求的反應時間做相應調整，統計計算方位角和俯仰角偏差的平均值AvgA、AvgE和標準差StdA和StdE為：

其中，n表示從訓練開始到目標停止輸出n幀圖像。平均值反應了操作手的總體跟蹤效果，標準差則反應了操作手的操作穩定性，因此，可采用這兩個值作為操作手單次訓練成績的評定。

3 仿真實現

本仿真系統硬件環境如下：（1）操作系統：Windows7（1）處理器：Intel Core i5-3210M（2）顯卡配置：NYIDA GT 650M（3）內存：4G（4）硬盤：1T。

首先，通過配置文件進行仿真控制模式、光學系統、伺服系統以及相機參數的配置，然后通過MFC控制面板進行環境參數配置、視點切換、數據傳送和保存等其它操作。訓練開始操作手觀察視頻信號，操控虛擬計算機設備對仿真目標進行跟蹤。跟蹤過程中，支持鍵盤快捷鍵調光、變焦等操作。單次訓練完成后進行訓練效果評價，得到訓練成績[9]。圖5展示了經緯儀仿真模擬訓練過程，圖6展示了單次訓練完成后的成績評定，圖中文字分別表示經緯儀基站三維坐標，跟蹤目標引導角度和經緯儀引導角度。

圖5 經緯儀模擬訓練過程

圖6 成績判定

4 結論

本文設計了一套可應用于光電經緯儀操作手模擬訓練的三維仿真系統，該仿真系統以MFC的多線程和Vega Prime三維仿真渲染為框架，構建了飛機和導彈的三維仿真模型，分別采用虛擬的飛機運動軌跡和基于真實飛行數據控制下的導彈的運動軌跡，并在仿真環境中運用Vega Prime粒子系統添加了雨雪天氣，同時實現了仿真過程中攝像機參數的動態調節功能，具有訓練逼真度高、訓練靈活性強和訓練成本低等優點。在實際應用中，操作手還可以根據每次訓練的客觀評價結果，對自己做出有針對性的調整，可有效提高操作手的水平。

本系統為純粹的軟件仿真，與實際的經緯儀操作具有區別，存在較大的局限性。如不同大小的經緯儀視軸對搖桿的反應存在較大的差別。本系統下一步準備將真實光電經緯儀的視軸數據接入到仿真系統中，實現光電經緯儀控制數據的真實化。另外，光電經緯儀跟蹤自動化是當前發展的主要方向，測試和評價光電經緯儀的自動跟蹤效果也是需要考慮的重要問題，將仿真圖像轉化為標準的視頻輸出給自動跟蹤光電經緯儀，也是本系統下一步要解決的技術。