摘 要：采用Creator 和Vega 平臺(tái)以及Simulink仿真開發(fā)工具對(duì)空面導(dǎo)彈的飛行視景仿真技術(shù)進(jìn)行了研究,。提出了一種空面導(dǎo)彈飛行視景仿真系統(tǒng)的體系構(gòu)架，利用獲取的DED真實(shí)地形數(shù)據(jù),，通過Creator建立大地形三維模型,；借助VC/MFC開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了Simulink數(shù)字仿真系統(tǒng)與視景仿真的通信,；在Vega中實(shí)現(xiàn)視景仿真系統(tǒng)的軟件開發(fā)調(diào)試,。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?yàn)榭彰嫖淦飨到y(tǒng)研制階段的參數(shù)優(yōu)化和效能評(píng)估提供有效的驗(yàn)證平臺(tái),。
關(guān)鍵詞：Vega,；視景仿真；Simulink

　　視景仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種表現(xiàn)形式,，可以使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺,，使仿真環(huán)境與用戶之間有一種真實(shí)的交流。根據(jù)仿真的目的不同,，可以用三維模型再現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境,，然后采用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，達(dá)到非常逼真的效果,。利用視景仿真技術(shù),，在計(jì)算機(jī)上就可以進(jìn)行反復(fù)多次的模擬實(shí)驗(yàn)，從而取代耗資巨大的物理和實(shí)物實(shí)驗(yàn),，甚至可以進(jìn)行由于各種原因和條件限制而無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn),，具有投資少、效益高,、可重復(fù),、無風(fēng)險(xiǎn)、周期短等突出優(yōu)點(diǎn),，因此視景仿真在軍事,、工業(yè)等領(lǐng)域得到迅速推廣[1]。
　　近年來,，航空制導(dǎo)武器飛行視景仿真系統(tǒng)在系統(tǒng)研發(fā),、模擬訓(xùn)練、作戰(zhàn)研究,、方案設(shè)計(jì)等領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn),。武器飛行視景仿真系統(tǒng)克服了實(shí)彈發(fā)射在飛行試驗(yàn)中受到的發(fā)射場(chǎng)地、氣候條件以及經(jīng)費(fèi)問題等諸多同素制約的難題,。在節(jié)省研制費(fèi)用和縮短研制時(shí)間的同時(shí),，為導(dǎo)彈提供驗(yàn)證和分析手段，為具有末端成像制導(dǎo)的精確制導(dǎo)導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)仿真及毀傷效果評(píng)估提供驗(yàn)證平臺(tái)[2],。
　　本文采用視景仿真軟件Vega,、數(shù)字仿真軟件Simulink,，結(jié)合VC++/MFC，建立空面武器飛行視景仿真模型,，并通過二次開發(fā)獲得武器視景仿真所需要的設(shè)計(jì)方案,。
1 視景仿真系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境
　　為了達(dá)到精確和逼真的效果，在仿真系統(tǒng)中,，需要建立導(dǎo)彈或制導(dǎo)炸彈的數(shù)字仿真模型,，以及復(fù)雜的三維場(chǎng)景模型。在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真模型與圖形仿真的通信,，同時(shí),，在圖形仿真過程中，對(duì)這種復(fù)雜的三維場(chǎng)景模型進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染,。Paradigm公司提供的建模工具M(jìn)ultigen Creator 和開發(fā)工具Vega無疑是在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域領(lǐng)先的建模和仿真軟件平臺(tái),，也成為圖形仿真的首選；而Matlab中的Simulink仿真模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真的最佳選擇,。
1.1 Vega
　　Vega是一個(gè)用于建立實(shí)時(shí)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序開發(fā)的高性能軟件環(huán)境和工具庫(kù),。Vega包括友好的圖形環(huán)境界面Lynx、完整的C語言應(yīng)用程序接口API,、豐富的相關(guān)實(shí)用庫(kù)函數(shù)和一批可選的功能模塊,。由于Vega大幅度地減少了源代碼的編程，使軟件的維護(hù)和實(shí)時(shí)性能的進(jìn)一步優(yōu)化變得更加容易,，從而大大提高了工作效率[3],。
1.2 Creator
　　Multigen Creator是一套高逼真度、最佳優(yōu)化的實(shí)時(shí)三維建模工具,， 它能夠滿足視景仿真,、交互式仿真以及其他應(yīng)用領(lǐng)域的要求。它是惟一將多變性建模,、矢量建模和地形生成集成在一個(gè)軟件包中的手動(dòng)建模工具,，能進(jìn)行矢量編輯和建模、地形表面生成等,。其強(qiáng)大的建模功能可為眾多不同類型的圖像發(fā)生器提供建模系統(tǒng)及工具,，它的諸如層次細(xì)節(jié)(LOD)、多邊形篩選,、邏輯篩選,、繪圖優(yōu)先級(jí)以及分離面等高級(jí)實(shí)時(shí)功能，使得OpenFlight (. fit)格式在實(shí)時(shí)三維領(lǐng)域中成為最流行的圖像生成格式,，并成為視景仿真領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4],。
1.3 Simulink
　　Matlab是一種功能強(qiáng)、效率高,、便于進(jìn)行科學(xué)和工程計(jì)算的交互式軟件包,。Matlab提供了強(qiáng)大的Simulink系統(tǒng)仿真軟件。Simulink提供航空航天飛行器推進(jìn)系統(tǒng),、控制系統(tǒng),、動(dòng)力學(xué)模塊及六自由度和三自由度模型庫(kù)，可以進(jìn)行固定質(zhì)量或者變質(zhì)量體系的建模與仿真,；提供重力場(chǎng),、磁場(chǎng)、大氣和風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境模型,?？梢岳酶鞣N轉(zhuǎn)換模塊，方便實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,，能夠完成各物理量的單位制轉(zhuǎn)換,，也可以方便地構(gòu)造出導(dǎo)彈飛行所需的數(shù)字模型。
2 視景仿真系統(tǒng)體系構(gòu)架
　　空面導(dǎo)彈飛行視景仿真系統(tǒng)體系構(gòu)架如圖1所示,。導(dǎo)彈彈道計(jì)算模塊根據(jù)導(dǎo)彈外形參數(shù),、飛行環(huán)境等數(shù)據(jù)計(jì)算出導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)通信接口將導(dǎo)彈狀態(tài)數(shù)據(jù)提供給Vega視景仿真程序,，最終起到控制導(dǎo)彈飛行彈道以及姿態(tài)的作用,。導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)庫(kù)模塊起到存儲(chǔ)飛行彈道以及姿態(tài)的作用，也可以利用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真結(jié)果的再現(xiàn),、對(duì)比和校驗(yàn),。網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要負(fù)責(zé)導(dǎo)彈彈道計(jì)算模塊與視景仿真程序模塊的網(wǎng)絡(luò)通信與同步。Vega視景仿真程序模塊利用Creator生成的三維模型,，并加載ADF應(yīng)用文件程序,，通過接收仿真數(shù)據(jù)，對(duì)導(dǎo)彈的視景仿真輸出進(jìn)行控制,、調(diào)整,。

　　在導(dǎo)彈飛行視景仿真中，Vega視景仿真程序模塊實(shí)時(shí)提取導(dǎo)彈狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的當(dāng)前飛行狀態(tài),，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制事件流程,，然后根據(jù)事件流程，通過運(yùn)行仿真引擎,，觸發(fā)相應(yīng)的場(chǎng)景特效,，達(dá)到實(shí)時(shí)表現(xiàn)飛行三維視景狀態(tài)的目的。
3 空面導(dǎo)彈飛行視景仿真環(huán)境開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)
3.1真實(shí)三維地形的建立
　　三維地形建模是指將一定范圍內(nèi)的真實(shí)地形高程數(shù)據(jù)（例如DED數(shù)據(jù)）,、地貌特征數(shù)據(jù),，結(jié)合包含真實(shí)地形表面細(xì)節(jié)的紋理，根據(jù)適當(dāng)?shù)牡匦无D(zhuǎn)換算法生成具有一定序列,、能夠近似表示為部分地球表面狀況的多邊形集合,。地形建模的整體流程如圖2所示,。

　　航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)數(shù)據(jù)主要由美國(guó)太空總署(NASA)和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局(NIMA)聯(lián)合測(cè)量。2002年2月1日上午11時(shí)4分,，美國(guó)“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)在佛羅里達(dá)州卡那維拉爾角的航天發(fā)射中心發(fā)射升空,，“奮進(jìn)”號(hào)上搭載的SRTM系統(tǒng)對(duì)超過1.19億平方公里、覆蓋面積達(dá)到80%的地表進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集,。通過SRTM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為DED數(shù)據(jù),，如圖3所示，然后利用Creator的地形算法使其轉(zhuǎn)化為與真實(shí)地形類似的三維地形模型,。

　　Creator的地形算法主要有Polymesh,、Delaunay、CAT,、TCT等,，考慮到所生成的導(dǎo)彈飛行地形需要較高的實(shí)時(shí)性和精確性的特點(diǎn)，多邊形數(shù)量不應(yīng)受限,，且必須設(shè)置LOD,，所以選用Polymesh算法較為合適，如圖4所示,。

3.2 Simulink的外部通信
　　Simulink的Aerospace Blockset仿真模塊提供了大量的在Simulink環(huán)境中使用的航空航天模塊,。Aerospace Blockset將航空航天領(lǐng)域通用的標(biāo)準(zhǔn)模塊在Simulink環(huán)境下進(jìn)行了集成，能夠方便地組合導(dǎo)彈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行完整的開發(fā)及測(cè)試工作,，完成導(dǎo)彈系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)。同樣可以使用Simulink建立導(dǎo)彈彈道的計(jì)算模塊,，向視景仿真系統(tǒng)提供仿真數(shù)據(jù),。
　　ActiveX是Widnows對(duì)象集成的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它是組件對(duì)象模型(com)的一個(gè)子集,，其目的是通過一個(gè)通用機(jī)構(gòu),，實(shí)現(xiàn)軟件之間相互提供服務(wù)的目的。Matlab提供了引擎組件(ActiveX),，可以由它來完成控制Matlab的任務(wù),，也可以控制Simulink仿真模塊的運(yùn)行，并且可以獲取其中的仿真結(jié)果,。因此可以通過導(dǎo)彈彈道計(jì)算模塊程序?qū)atlab引擎操縱來實(shí)現(xiàn)對(duì)Simulink的控制,，從而完成彈道計(jì)算數(shù)據(jù)的處理，并可以提取相關(guān)的計(jì)算數(shù)據(jù),，通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳輸?shù)絍ega視景仿真程序模塊,。Simulink外部通信關(guān)鍵代碼如下：
　　Engine *ep;          //定義Matlab引擎指針
　　if (!(ep=engOpen(NULL)))   
      　　　　　　　　//測(cè)試是否啟動(dòng)Matlab引擎成功
　　{
　　cout <<"Can't start Matlab engine!" <<endl;
　　exit(1);
　　}
　　eng EvalString(ep，" open('E:\matlab\\missile_fly.mdl')"); 
                                             //打開導(dǎo)彈彈道仿真模型
　　eng EvalString(ep，"sim('missile_fly')");          //開始仿真
　　　　…
　　xyz = engGetVariable(ep,，"xyz");
　　memcpy(arrxyz,，mxGetPr(xyz)，N*sizeof(double));
　　…                //從Matlab工作空間獲取仿真結(jié)果,，并
    　通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絍ega視景仿真程序模塊
　　engClose(ep);                            //銷毀引擎,，釋放內(nèi)存
　　通過這種方式，可以將Simulink的仿真結(jié)果經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絍ega仿真程序模塊,，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈道的控制。
3.3 Vega編程接口的應(yīng)用
　　Vega 是美國(guó)MultiGen-Paradigm 公司開發(fā)的用于虛擬現(xiàn)實(shí),、視景仿真等領(lǐng)域的世界領(lǐng)先的應(yīng)用軟件工具,。Vega提供完整的C語言編程接口，利用該編程接口可以方便,、快捷地在VC/MFC中完成開發(fā),。基于Vega 圖形驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)彈視景仿真系統(tǒng)開發(fā)步驟如圖5所示,。

　　(1)由于MFC采用圖形界面,，因此必須建立獨(dú)立的線程顯示Vega三維視景，以免MFC應(yīng)用程序和Vega在同一線程,，造成程序鎖死,。下面是一個(gè)MFC建立線程的簡(jiǎn)單代碼：
　　m_pVegaThread=AfxBeginThread(runVegaProc，this,，TH
　　　READ_PRIORITY_NORMAL,，0，0,，NULL)
　　(2)在獨(dú)立線程建立后,，在線程中初始化Vega 系統(tǒng)并創(chuàng)建共享內(nèi)存，調(diào)用Vega 的API 函數(shù)vgInitWinSys（）;
　　(3)利用ADF 文件(Vega 模型文件) 進(jìn)行資源初始化,，讀取ADF 文件中的數(shù)據(jù),，裝載數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)用Vega 的API 函數(shù)vgDefineSys (" missile_fly.adf " ) ;
　　(4)調(diào)用配置系統(tǒng)和模塊的函數(shù)vgConfigSys ( ) ,，完成資源配置;
　　(5)調(diào)用幀循環(huán)函數(shù),，對(duì)三維視景進(jìn)行繪制。在循環(huán)中,，接收導(dǎo)彈彈道計(jì)算模塊所計(jì)算的數(shù)據(jù),，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)導(dǎo)彈的姿態(tài)進(jìn)行控制,；
　　(6) 調(diào)用函數(shù)VgExit(0) ,，終止當(dāng)前Vega程序。
4 可視化仿真結(jié)果顯示
　　視景仿真系統(tǒng)能將導(dǎo)彈尋找和命中目標(biāo)的飛行過程以及爆炸場(chǎng)景以三維的影像直觀地顯示出來。通過顯示的結(jié)果能夠直觀地判斷導(dǎo)彈最終能否擊中目標(biāo),，由此可以衡量和檢驗(yàn)導(dǎo)彈導(dǎo)引性能的優(yōu)劣,。圖6是導(dǎo)彈飛行的場(chǎng)景，主通道顯示導(dǎo)彈飛行,，左側(cè)上方通道顯示目標(biāo)物,，左側(cè)下方通道顯示導(dǎo)彈跟隨視角。

　　本文利用Creator 和Vega 平臺(tái)以及Simulink實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈的飛行視景仿真,，為空面導(dǎo)彈系統(tǒng)研制階段的參數(shù)優(yōu)化和效能評(píng)估提供了一種可視化驗(yàn)證平臺(tái),，對(duì)類似武器系統(tǒng)的視景仿真具有一定的參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 鄭向平.基于Creator 和Vega 的某防護(hù)系統(tǒng)可視化仿真研究 [J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),，2008,20:4082-4088.
[2] 胡令.導(dǎo)彈武器發(fā)射環(huán)境視景仿真研究[J].信息化縱橫,，2009(05):66-68,75.
[3] 王乘.Vega實(shí)時(shí)三維視景仿真技術(shù)[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.
[4] 洪蕾.導(dǎo)彈飛行仿真可視化系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2007,27:91-94.