刘华宁

摘 要：实现三维可视化的引战配合是引战配合仿真发展的重要方向，为快速、直观地评估引战配合效果奠定了坚实基础。为了解决基于Matlab目标三维模型与破片动态飞散场的可视化引战配合仿真难题，本文提出了目标“点集化”的思想，采用通用化建模软件Creo完成目标三维建模及目标坐标系定义并形成STP或IGS結果文件，再利用UG完成模型格式转换形成STL文本文件，进而利用Matlab进行目标三维模型“点集”提取，导入引战配合模型计算后形成战斗部起爆时刻目标在弹体坐标系下的“点集”及破片空间坐标“点集”，最后利用Matlab进行目标和破片场的复现可得到三维可视化的引战配合效果。研究结果表明：采用该方法可将大尺寸典型目标简化成用多边形来定义多面体，形成可被Matlab快速处理的目标模型，可用于引战配合仿真计算，为在Matlab下实现引战配合三维可视化提供了新的技术途径。

关键词：Maltab;三维显示;引战配合;可视化仿真

0  引言

防空导弹武器系统的引战配合是一项十分复杂的过程，它涉及多个专业技术领域，其技术分析和结果确认的常用办法是通过实物试验。但实物试验不仅周期长，费用高，且具有统计特性的总体性能指标是实物试验难以实现的，少数试验给出的结果置信水平较低，仿真技术是解决这一难题的有效技术手段。引战配合可视化仿真技术可以重复地实现整个引战配合过程，代替或部分代替实弹打靶试验，可以缩短研制周期，提高经济效益。根据国外对三种不同地空导弹爱国者、罗兰特、尾刺的研制过程中的统计，采用仿真技术后靶试试验减少了30%～60%，研制费用节省了10%～40%，研制周期缩短30%～40%[1-3]。

引战配合三维计算机仿真通过建立数学模型，包括目标模型、引信模型、战斗部破片飞散模型、破片命中目标模型等，在计算机上模拟引战配合全过程。三维计算机仿真和物理仿真相比较，优点在于它的代价低，并可以模拟物理仿真中难以模拟的情况，Matlab软件强大的数值算法技术和图形图像处理技术为引战配合的三维计算机仿真创造了良好的条件，国内外正在开发大量引战配合仿真软件，引战配合目标模型是当前研究的重要方向，目标建模方法的不断完善，使基于Matlab的引战配合三维仿真成为研究引战配合的重要手段。

本文所做的工作就是基于通用三维建模软件完成引战配合用的目标三维建模、前处理及后处理显示，它是建立在引战配合理论及计算模型基础之上，使用Matlab的处理手段和方法处理引战配合形成的目标空间位置及破片场空间位置，并用三维仿真手段展现引战配合效果，指导引战系统完善设计。

1  坐标系及格式定义

引战配合常用坐标系包括弹体坐标系（OX1Y1Z1）和目标坐标系（OXmYmZm），详细定义如下：

弹体坐标系：通常以导弹战斗部中心为坐标系原点，X1轴沿着弹轴方向，向前为正;Y1轴位于导弹纵向对称面内，过原点垂直于X1轴，向上为正;Z1轴符合右手系。

目标坐标系：通常以目标重心为坐标系原点，Xm轴沿着目标轴线方向，向前为正;Ym轴位于目标纵向对称面内，过原点垂直于Xm轴，向上为正;Zm轴符合右手系。

STL文件格式：STL是由3D Systems软件公司创立、原本用于立体光刻计算机辅助设计软件的文件格式，仅描述三维物体的表面几何形状，由三角面片的三个顶点坐标及法向量构成，有文字和二进码两种型式。

2  破片飞散场表征

地空导弹战斗部类型多采用破片式杀伤战斗部，主要靠高速破片杀伤空气动力目标，因此在进行毁伤模拟时主要考虑破片毁伤。

破片动态飞散场模拟：影响破片动态飞散场效果的主要因素包括破片初速度、破片衰减系数、破片飞散角、导弹和目标速度三分量（利用遭遇时刻的导弹速度、目标速度及弹道参数求解得到）等，因此，对破片动态飞散场的模拟主要考虑上述几个因素，可以采用粒子系统思想模拟破片飞散过程，并采用射线法实现可视化仿真，不考虑破片质量[4-5]。根据起爆时导弹的速度参量、目标速度参量、战斗部破片的初速度参量计算出战斗部全方位破片飞散方向角（破片飞散方向与弹轴正向的夹角），以破片飞散方向角、破片最大飞散距离计算得到任意射线在飞散距离端三坐标，在战斗部360°范围内绘制出破片的飞散射线，形成空心锥形空间区域，即战斗部破片的动态杀伤区域如图1 所示。

2  三维建模与坐标转换

为了实现在Matlab中三维显示破片场及爆炸时刻目标与导弹的空间位置关系，在目标坐标系下建立目标三维模型，并形成STL格式的目标三维模型“点集”，具体过程如下：

首先，通过收集典型目标的相关几何参数，再利用Creo软件建立三维模型，详细建模过程参见UG建模标准进行。

然后，利用Creo软件进行坐标系重新定义，使目标三维模型满足目标坐标系要求，操作过程如下：

①点击“坐标系”弹出坐标系设置窗口;

②选定已有坐标系为参考，并通过X、Y、Y偏移值将新建坐标系设置在目标重心;

③设置坐标系“方向”，使X、Y、Y轴满足目标坐标系规定方向;

④通过另存设置选定新建坐标系为模型坐标系，形成目标坐标系下模型，如图2所示。

最后，利用UG三维模型软件重新打开目标三维模型，通过“导出”方式选定“STL”输出后选择“文本”格式，通过设置“三角公差”和“相邻公差”，一般取10，将模型另存为目标“点集”格式。

利用Matlab编制前处理程序完成目标点坐标提取和目标三维可视化呈现，主要思路为根据STL文件中数据输出规则，进行数据位置定位并分别提取，而后利用“fill3”以每三个点坐标为一组进行目标三维重构，由Matlab重构的RQ-4b模型如图3所示。

通过上述方法，完成了目标等比例模型在Matlab中的可视化，利用Fortran程序中的目标坐标定义，可以将Matalb提取的目标三维“点集”导入其中计算，进而通过坐标转换输出战斗部起爆时刻目标在弹体坐标系中的相对位置关系，进而表征出破片场和目标的位置关系，即完成引战配合效果的三维可视化，如图4所示。

3  结论

本文从引战配合三维可视化实现的需求出发，利用常用的三维建模软件实现了目标在Matlab中的重构，并与引战配合计算模型结合，利用提取的目标“点集”进行仿真计算，进而得到了战斗部起爆时刻弹体系下目标空间三坐标集合，再利用Matlab图像处理功能复现了破片场命中目标情况。

通过该方法使引战配合仿真从传统的二维角度配合表征向三维实体配合表征转变，实现了引战配合三维可视化，为更直观地反应引战配合效果奠定了坚实基础。

参考文献 ：

[1]冯燕. 引战配合系统三维可视化仿真研究[D].西安电子科技大学，2007.

[2]陈峰. 弹目交会三维可视化仿真技术研究[D].沈阳理工大学，2015.

[3]蔡亚菲. 引战配合可视化仿真关键技术研究[D].南京理工大学，2015.

[4]王宏，万夕干.地空导弹拦截空中目标可视化研究[J].弹箭与制导学报， 2016（3）：22-24.

[5]周 宗 海.引战配合可视化及其实现[J].探测与控制学报，2001（4）：52-57.