GL Studio在武器系统仿真模拟中的应用

2010-06-20杨志菊

电子测试 2010年8期

杨志菊，李洋

（1 92941部队杨志菊，辽宁葫芦岛 1250001；2 92941部队李洋，辽宁葫芦岛 125000）

0 引言

视景仿真技术是计算机技术图形处理与图像生成技术、立体影像和音响技术、信息合成技术、显示技术等高新技术的综合运用，它是虚拟现实技术的重要表现形式，视景系统为整个仿真系统提供一个较为真实的三维环境。随着军事仿真的需求，武器系统视景仿真目前已被广泛运用于海、陆、空、天等领域。

对于飞机飞行的视景仿真，主要包括飞行方程解算和视景仿真两部分，其中视景仿真包括舱内视景和舱外视景仿真，通过构造视野内景物的三维模型或再现真实的环境，并实时进行仿真驱动。飞机座舱提供了一个非常重要的人机交互环境，操控员通过舱内显示系统的显示信息，操纵飞机在空战中获得主动权，通过舱内、外视景的叠加，给操控员提供一个具有真实感的虚拟飞行环境。

轰六G型飞机作为某型导弹承载与发射平台，对该型导弹操控仿真有着重要的意义，主要表现在：

1）便于进行仿真性能仿真与评估。充分利用视景仿真技术的有效性、经济性、安全性和直观性等特点，结合该型导弹武器系统全数字仿真模型进行联合运算，能够直观对该型导弹武器系统性能做出评价，便于模型、参数修正及系统方案改进。

2）给操控员提供虚拟座舱训练。借助于先进的视景仿真技术，可以提供交互式的训练环境，既可以训练操作人员的基本技战术动作，也可以模拟复杂的战场环境。

3）节约训练成本，保证飞行安全。在以计算机为主组成的飞行视景仿真系统中，飞行训练、战术演练等都可以多次重复地进行，操控员甚至可以做出一些实际飞行中不能轻易完成的高难度动作，而没有任何生命危险。

1 总体方案设计

1.1 仿真系统功能概述

本文拟开发的仿真系统是模拟轰六G飞机平台，如图1所示。其核心是通过飞机六自由度运动方程的实时解算，获得飞机的位置、姿态等飞行参数，驱动载机模型在场景内运动，通过对视点属性的设置，得到不同的视野。在飞行的同时，机载火控系统将其导航信息、天线信息、雷达信息、外挂信息、告警信息、态势信息、目标信息等实时传递到座舱显示系统，以相应的图形或符号显示出来。

图1 飞机数传与火控系统仿真框架

1.2 仿真系统的任务

系统模拟参与作战试验任务的飞机平台进行仿真，主要完成的任务有：

1）飞行仿真。根据空气动力学理论模拟一个真实的飞行过程。

2）座舱显示操控仿真。提供一个良好的人机交互界面，显示其它机载火控系统输出的一些信息。

3）视景仿真。给操控员提供尽量真实的视觉感受。

1.3 仿真系统设计的思路

为了建立一个应用范围广、可扩展性强的飞行视景仿真系统，主要采用了以下设计思想：

1）结合模块化的设计思想和面向对象的分析方法，根据仿真系统设计要求，分析系统的组成和结构，按照各部分功能进行模块划分，设计出一个结构合理的仿真系统平台，使系统具有良好的可维护性、可扩展性和可重用性。

2）根据空气动力学，建立合适准确的恒质量飞机的飞行动力学、运动学方程，采用合理的气动参数估计方法，解算出载机飞行中的位置和姿态。

3）在保证仿真精度和正确时序的前提下，采用合理的模拟方法，优化算法流程，满足仿真系统在运算速度上的要求，保证系统的实时性。

4）采用合适的建模工具，对模型、地形等进行建模，在满足逼真度要求的条件下，保证仿真实时性。

1.4 仿真系统结构

设计一个包括飞行仿真模块和座舱仿真模块的人在回路的仿真系统，其中飞行仿真模块包括操控系统和飞行动力学模块，座舱仿真模块包括视景系统和仪表显示系统。系统组成框图如图2。

图2 飞行视景仿真系统组成框图

飞行视景仿真系统开始运行后，首先进行系统初始化，选择机型，设定飞机、跑道初始位置，然后操纵飞机起飞进入巡航状态。在高空飞行过程中，可以根据空情设置雷达的不同工作模式，进行飞行控制、告警操作、外挂操作，同时根据需要选择视点。还可以选择退出整个系统。系统的运行结构如图3。

图3 飞行视景仿真运行结构图

2 仿真模型的建立方法

建立飞机在地面或空中运动的动力学模型；根据所建立的模型，对所涉及飞机的性能和飞行品质进行分析评估。飞行动力学模型是飞行仿真的基础。它的解算结果驱动视景仿真、仪表显示仿真等分系统的运行。它的建模、编程将直接影响到整个仿真系统的实时性和逼真度。飞机仿真模型建立着重在以下假设条件下，对飞机的动力学模型、运动学模型以及气动力等进行了分析：

1）假定飞机为一个恒质量的刚体；机体坐标轴系Oxz平面为机体对称平面；发动机推力和机身轴线一致。

2）假定大气为静止的标准大气，即不考虑风的影响；

3）假定地面为平面，不考虑地球的曲率和自转，重力加速度不随飞行高度的变化而变化。

3 飞机飞行视景与座舱显示仿真建模研究

为了使视景仿真具有较好的真实感，需要对飞机座舱及内部显示系统、飞机、机场模型等场景进行建模。

3.1 飞行视景仿真系统建模

3.1.1 座舱显示系统建模

座舱显示系统包括一个平视显示器、两个多功能显示器和一个中央控制面板。座舱显示系统是飞行仿真系统中重要的人机界面，显示导航、空战各种模式下的多种可视化信息。

在座舱显示系统的开发中，用到的软件工具有GL Studio和Open GL，它们分别用来实现多功能显示器和平视显示器。飞机座舱是操控员执行飞行任务时的主要活动场所。操控员必须依靠舱外目视搜索、舱内信息显示和自身本体感觉等获取各类飞行信息，通过座舱内的各类控制器操纵和控制飞机。

在座舱设计中，对人机工效的考虑主要包括以下几个方面：

1）显示操控员最关心的信息。

2）提供友好的显示界面。

3）显示格式与认知特点相匹配。

4）综合信息尽可能地综合显示。

综上所述，座舱显示系统的整体布局，控制器向前、向上或向顺时针方向的操作应使效果增大。相反，向后、向下、或向逆时针方向的操作应使其效果减小。对于那些装在面板上的开关，当面板相对于垂直线之间的角度小于30°时，这些开关必须是以向上扳动的位置为其功能起作用的位置。当安装开关的面板与垂直线之间的角度大于30°时，那么这些开关必须是以向前扳动的位置为其功能起作用的位置。显示器应尽可能与操作人员的视线相垂直，当向正前方看时，显示器与视线之间角度绝不允许大于45°。对于同类功能的显示和控制器应该安排在一起，并且希望其观察和操作的顾序应是从左向右、从上到下或从后向前（最靠近操作人员）。本系统实现的座舱布局如图4。

图4 座舱显示系统布局

3.1.2 座舱平视显示器建模

平视显示器（简称平显）是飞行仿真中非常重要的一部分。在许多三维飞行游戏中，往往一块平显就代替了飞机本身。由于仿真平视显示器是在一个平面内显示的，所涉及的只有数据的改变、刻度的上下、左右平移旋转，这些功能由OpenGL实现非常方便快捷。因此平视显示器采用OpenGL开发，如图5所示。

图5 OpenGL流水线架构

OpenGL能够对整个三维模型进行渲染着色，从而可以仿真现实世界中的景物。平视显示器开发中主要包括一下一些方面的内容：

1）平视显示器显示的图形符号建模。

2）平视显示器视点变换。

3）图符颜色模式设置。

4）位图显示和图形增强。

3.1.3 座舱多功能显示器建模

3.1.3.1 开发流程

在视景仿真系统中，嵌入式仪表仿真一直是开发中的一个难点。采用GL Studio开发实现多功能显示器。多功能显示器主要实现了雷达显示界面、姿态界面、告警界面、菜单界面和态势界面。界面中飞行参数如空速、航向、高度等数据需要根据传进来的参数实时更新。

多功能显示器的建模可以在图形设计窗口以所见即所得的效果完成，通过其代码编辑器完成文所需的逻辑仿真。其代码生成器能将用户完成的设计自动转换为C++和OpenGL代码，这些代码及可以单独编译，也可以嵌入到其它程序中编译，避免了大量的底层程序开发。其逻辑结构如图6。

图6 多功能显示器开发流程

使用GL Studio仿真开发多功能显示器、中央控制面板等物体一般需要以下几个步骤：1）纹理制作；2）模型创建；3）行为驱动；4）代码生成；5）单独编译、链接、运行，成功后加入到自己的应用中。

1）纹理的使用

GL Studio提供了两种仪表开发途径，一是使用所有必要的纹理利用表示要仿真的仪表；二是利用GL Studio的Create工具构造单个的部件。这两种方法在GL Studio中都是非常有效的，结合使用这两种方法通常会缩短开发时间。使用纹理可以使建立模型所需的多边形数量将为最低，同时又有极高的逼真度。在座舱的仿真实现中，飞机座舱、多功能显示器面板、按键、开关以及中文字符等多种显示内容都采用了纹理，美化了显示界面而且降低了建模的工作量。

2）建立模型

GL Studio提供了一种三维的、“所见即所得”设计环境。通过鼠标点击选择，可以在设计区创建包括线条、多边形、圆弧、圆、球状体、柱状体，甚至包括光源、字体对象等部件。既可以由单个图元组成复杂的物体，也可以由多边形的进行交、并、差运算得到需要的图形组建复杂物体。如图7所示。

图7 多功能显示器搜索模式画面建模

3）模型行为驱动

对每一个*.gls文件，均可生成一个包含头文件和源文件的类。而这个模型的行为完全在这个类中定义。如图8所示，在GL Studio的Code界面，包含有生成的头文件名、源文件名、类所拥有的特性、方法、变量等成员的定义。通过添加这些类成员，并在代码区添加控制代码实现模型的驱动。多功能显示器和中央控制面板需要和主程序之间进行信息交互，因此需要编写相应的软件接口。这些接口的实现就是通过在这个界面添加相应的变量、函数实现的。

图8 模型行为驱动开发界面

GL Stduio代码生成器嵌入在GL Studio设计器中，它可以将*.gls文件转换成C++和OpenGL代码。在 GL Studio中有 Standalone、Component、X-Windows Frame三种生成模式。

3.1.3.2 建模实现

1）雷达显示界面。此界面显示的内容根据雷达工作模式的不同，又分为待机、RWS、SS、BS、VS、SL、STT等页面。RWS模式显示界面如图9。

图9 RWS模式多功能显示器界面

2）姿态显示界面

姿态显示界面（Altitude Direction Indicator，ADI）主要用来给操控员提供当前载机的俯仰角和滚转角。图10为多功能显示器姿态画面。正中间为俯仰、滚转指示梯，画面显示字符为本机的真空速、迎角及马赫数。

图10 多功能显示器姿态显示界面

3.1.3.3 雷达告警画面

雷达告警接收机（RWR）通过接收外部雷达发射的电磁波能量，来识别目标及威胁的存在。

图11 多功能显示器告警显示画面

图11为雷达告警基本显示画面。

其中的距离虚圆、等分直线确定威胁的距离和方位；中心黄色圆点表示本机：数字“2”、“3”、“7”等表示可以识别的某个雷达信号，称作雷达特征通用字符；菱形框、圆形为威胁等级选用字符。

3.1.3.4 航向画面

航向画面显示当前航向、塔康方位、距离以及当前位置（经纬度）等信息图12中，圆刻度盘为磁航向罗盘，绿色指针指示塔康方位。

图12 航向画面

3.1.3.5 目标分配画面

在态势画面，显示当前空域内搜索到的敌我双方成员位置、方位信息。按“分配”键进入在空战过程中，长机或地面指挥所对空域中的成员和目标进行配批，输入一位成员编号和两位的目标编号，将目标分配给最利于攻击的编队成员，如图13所示。随后通过数传系统将信息传给僚机。所有配批过的飞机之间显示一条红色虚线，当僚机接收到这个配批信息后，虚线变成实线，如图14所示，其中，与本机配批的敌机用蓝色圆圈包围。同时配批敌机的飞行参数、相对于本机的距离、方位、高度等数据同时显示在画面上。

3.1.4 中央控制面扳建模

图13 目标分配面面

图14 多功能显示器目标配批画面

在中央控制面板和多动能显示嚣周边键等人机交互界面仿真中，按键、开关、旋钮都是必不可少的部件。为了提供更友好的人机交互界面。GL Studio提供了一套组件用来实现开关、旋钮、按键、滑动尺、指轮等。以开关和按键为例加以说明：

图15为控制面板仿真图。包括雷达、多功能显示器电源控制、全向告警控制、干扰释放控制以及武器外挂控制等。在武器外挂控制部分有一个旋钮，用来实现机载外挂点的选择。

图15 中央控制面板

1）开关的实现。通过设置开关实例的实现开关的通断选择或档位选择，按需要可实现两档或三档开关。图16为开关实例开发图。根据开关的不同位置，编写相应的回调函数。实现不同事件的触发。

图16 开关和按键实例开发

2）按链的实现。根据需要可以实现即时型开关和锁定型开关。即时型开关在鼠标左键由按下弹起时状态恢复，而锁定型开关则保持按下时的状态直到鼠标再次点击。按键事件的触发同样需要编写相应的回调函数。

3）外挂的控制。外挂物状态显示控制盒面板上的“投放位置选择”开关按需要选择。“自动”或“3”、“l”、“2”，“4”位置；“投放选择”开关置于“自动”位置将依次发射导弹，放置在具体某一编号位置时发射此挂点的导弹。悬挂在飞机内外侧挂架上的导弹被选择后，悬挂物状态显示控制部件显示屏上显示不同的的图形符号，以表示不同的状态。导弹发射失败后，在显示屏上相应位置将显示字符“F”。