基于Unity 3D的防空導彈引戰配合可視化仿真研究

賈 島，余 曜，蔣 濤，張 強，朱志鵬

(上海機電工程研究所，上海 201100)

0 引言

仿真方法日益成為戰斗部毀傷、引戰配合[1-2]和制導控制[3]等領域工程研究的重要手段。利用計算機仿真技術可以對理論計算難以分析的復雜現象進行研究，目前常用的防空導彈引戰配合仿真方法中的彈目交會三維實體模型和作戰場景模型較為簡單，難以直觀反映彈目遭遇段的實際過程和客觀逼真的再現作戰場景，利用虛擬現實程序開發引擎Unity 3D對防空導彈引戰配合過程進行可視化仿真研究，完成了引戰配合可視化仿真的目標建模、場景搭建。仿真場景中的模型和效果均采用真實設計參數驅動，因此彈目遭遇過程的場景更為逼真，引信探測目標、輸出起爆信號和戰斗部爆炸毀傷目標的工作過程更貼近實際。

1 仿真基礎

視景仿真(visual simulation)是一種基于可計算信息的沉浸式交互環境，具體地說，就是以計算機技術為核心生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境。Unity 3D作為一個讓用戶輕松創建諸如三維視頻游戲[5]、建筑可視化、實時三維動畫等內容的綜合型開發工具，采用層級式的綜合開發結構，具有視覺化的編輯，詳細的屬性編輯器和動態的場景預覽。利用上述特性可將該引擎作為導彈彈道末端對目標毀傷全過程的一種十分便捷的仿真手段。

引戰配合可視化仿真主要進行彈目交會末段的引信探測啟動、引戰延時、戰斗部爆炸和殺傷元素飛散打擊命中目標等過程的仿真和模擬。仿真流程如圖1所示。

圖1 引戰配合視景仿真流程

Unity 3D具備層級式的組織結構，即父子鏈。對象與對象之間存在父子關系，即當父級對象移動時，子級對象也會一起移動，子級對象通過與父級對象的關系來確定本身位置。利用這個特性，可將引信、戰斗部等作為導彈的一個子對象，仿真中僅需考慮引信探測波束、戰斗部殺傷元等物體相對導彈的運動和姿態，簡化了仿真模型建立的難度，降低了計算開銷。

2 目標建模

Unity 3D支持FBX和3DS格式的通用三維模型文件，可利用3D MAX建模工具對目標模型進行建模，再導出為FBX文件，該文件可由Unity 3D直接讀取。典型飛機類目標模型如圖2所示。

圖2 典型飛機類目標三維模型

3 引戰系統數學模型

以無線電近炸引信配合破片式戰斗部的防空導彈引戰系統為例，建立引戰系統中的無線電引信探測啟動模型和戰斗部殺傷場模型用于引戰配合可視化仿真。

3.1 無線電引信探測啟動模型

啟動模型采用引信的詳細設計參數構建回波模型，根據仿真運行時彈目相對位置實時計算目標回波強度，判斷引信啟動情況。

引信啟動方程[4-6]由回波多普勒頻率計算公式和相對回波功率公式組成。

目標回波多普勒頻率fd為：

(1)

式中:Vr為彈目相對速度；λ為工作波長；?為目標散射點和引信天線口連線與相對速度的夾角。

主動式雷達引信相對回波功率為：

(2)

式中:Gt為發射天線增益；Ft(φ)為發射天線方向性系數；Gr為接收天線增益；Fr為接收天線方向性系數；φ為目標散射點和引信天線口連線和彈軸的夾角；R為彈目距離；σt為目標等效的雷達散射截面積。

3.2 戰斗部殺傷場模型

根據戰斗部設計參數，對戰斗部爆炸初始參數進行解算，包括殺傷元素數量、分布、初始速度，以此對每一個殺傷元素的質量、形狀、速度大小、方向和衰減等參數進行賦值，建立戰斗部靜態殺傷場。

3.2.1 破片初速

戰斗部破片初速由格尼公式計算得出[7]：

(3)

3.2.2 破片速度衰減模型

單枚破片飛行末速為[8]：

Vx=V0e-xβ

(4)

式中：Vx為破片末速；V0為破片初速；x為破片飛行距離；β為破片速度衰減系數。

破片速度衰減系數β[9]的經典理論公式為：

(5)

式中：CD為破片迎面阻力系數；ρ為當地空氣密度，取海平面空氣密度；A為破片迎風面積的數學期望；m為破片質量。

3.2.3 破片方向

模型假設戰斗部爆炸時刻，所有破片的飛散起始點均為戰斗部中心。在圖3所示的坐標系內，單枚破片速度方向單位矢量為：

圖3 破片速度方向

(6)

式中:φ為飛散方向角;θ為方位角。

戰斗部殺傷場的可視化模擬采用Unity 3D的Shuriken粒子系統。用Particles、Renderer和Collider三個組件完成殺傷場的模擬。根據戰斗部設計參數計算每一個殺傷元素的質量、速度大小、方向、位置，并在Particles中對粒子系統中各粒子進行賦值。在Renderer中使用平面貼圖對每一個粒子進行顯示，并根據攝像機方向調整貼圖方向，實現對戰斗部殺傷場的仿真模擬。

圖4 不同戰斗部殺傷場模擬

4 直接命中和殺傷元素命中檢測

Unity 3D中能夠實現目標之間碰撞的檢測功能。若目標模型較簡單，可采用標準的BoxCollider、CapsuleCollider、SphereCollider描述碰撞體，若目標體積較大，外形復雜，為確保碰撞檢測的準確性，需使用網格碰撞體MeshCollider。直接使用精細的目標外形網格作為碰撞體的檢測網格，由于網格數量較多，會影響運行效率。在幾何外形模型的基礎上另建立目標外形簡化模型作為碰撞體網格，并根據目標功能組成將網格劃分為不同部件，利用Unity 3D層級式結構將外形模型和碰撞體模型組合為一個整體，既滿足了仿真運行的效率，又不影響外形精度和仿真效果，碰撞體模型設置如圖5所示。

圖5 碰撞體模型設置

仿真運行后，將實時判斷導彈和目標碰撞以及戰斗部殺傷元素與目標碰撞情況。發生碰撞后，可在OnCollisionEenter和OnParticleCollision事件中完成不同目標艙段的毀傷判斷邏輯，殺傷元素命中目標后的視景仿真效果如圖6所示。

圖6 殺傷元素命中目標

5 引戰配合可視化仿真

結合上述分析，在Unity 3D中建立可視化引戰配合仿真程序，根據實際情況輸入導彈外形模型、目標外形模型、目標近場散射模型、目標易損模型和引戰系統數學模型，再結合彈目交會數據即可開展引戰配合可視化仿真。仿真計算過程如圖7～圖8所示。

圖7 末端彈目遭遇引信探測過程

圖8 戰斗部起爆殺傷元素飛散毀傷目標過程

6 結束語

基于Unity 3D，結合彈目外形模型、目標特性(近場散射特性和易損性)數學模型和引戰系統數學模型建立了可視化引戰配合仿真程序，結合彈目交會條件可開展引戰配合視景仿真。

利用該可視化引戰配合仿真程序可以較為逼真反映彈目末端遭遇和毀傷過程，直觀分析不同彈目條件下防空導彈的引戰配合效果，也可作為引戰配合規律設計的輔助工具和相關設計人員的培訓工具，使設計師對引戰系統工作情況有更為直觀的認識，提升引戰配合設計效率。