三軸光測(cè)設(shè)備的日常訓(xùn)練系統(tǒng)研究

馬慶坤++柳玉晗

摘要：為了解決平時(shí)訓(xùn)練工作難以找到合適目標(biāo)這一難題，實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)緯儀等三軸光測(cè)設(shè)備進(jìn)行日常綜合訓(xùn)練。首先，確定系統(tǒng)的基本要求，并搭建硬件平臺(tái)，確定該系統(tǒng)的工作原理。接著，利用三維建模、仿真、GUI設(shè)計(jì)等成熟技術(shù)開(kāi)發(fā)仿真器軟件部分。然后，通過(guò)與外系統(tǒng)聯(lián)試，在系統(tǒng)各功能模塊滿(mǎn)足要求的基礎(chǔ)上，集成并發(fā)現(xiàn)三維視景仿真模塊占用資源過(guò)高并影響到主程序的通訊時(shí)序。最后，介紹了系統(tǒng)在硬、軟件方面采用的針對(duì)性補(bǔ)償方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)軟、硬件調(diào)整，最后將CPU、內(nèi)存的占有率均降到30%以下。本系統(tǒng)完全滿(mǎn)足日常訓(xùn)練的各項(xiàng)功能要求。

關(guān)鍵詞：日常訓(xùn)練 Creator Vega 實(shí)時(shí)三維視景仿真 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

中圖分類(lèi)號(hào)：TP394.1；TH691.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2015）01-0000-00

1 引言

近年來(lái)，隨著三軸光學(xué)測(cè)量技術(shù)不斷發(fā)展，航天發(fā)射和武器試驗(yàn)靶場(chǎng)對(duì)光學(xué)設(shè)備的測(cè)控需求發(fā)生了根本性的變化，任務(wù)多樣化。但往往存在平時(shí)缺乏針對(duì)性訓(xùn)練的問(wèn)題。

本系統(tǒng)是某型號(hào)光學(xué)實(shí)況記錄系統(tǒng)的一個(gè)綜合模擬目標(biāo)仿真系統(tǒng)，它能有效解決平時(shí)訓(xùn)練工作難以找到合適目標(biāo)訓(xùn)練難題，能夠?qū)崟r(shí)仿真出的目標(biāo)多達(dá)15個(gè)，同時(shí)可以對(duì)它們進(jìn)行有選擇的跟蹤。通過(guò)對(duì)各種跟蹤方式和跟蹤環(huán)境的仿真，使我們可以選擇最優(yōu)的跟蹤方案，檢驗(yàn)跟蹤方案的合理性，驗(yàn)證對(duì)特定任務(wù)的跟蹤能力，對(duì)完成任務(wù)的能力進(jìn)行全面的合理評(píng)估。為了提高仿真的真實(shí)度和可信度，采用了實(shí)時(shí)三維仿真技術(shù)、三維建模技術(shù)、同步通訊技術(shù)、異步通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)以及Windows多線程編程技術(shù)，實(shí)時(shí)仿真出各種飛行目標(biāo)和任務(wù)天氣，能比較客觀的反映目標(biāo)的成像情況和作用距離，評(píng)估設(shè)備的跟蹤速度和加速度能否滿(mǎn)足跟蹤測(cè)量的要求，為提高設(shè)備性能，提供客觀依據(jù)。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理

2.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)安裝在一臺(tái)工控機(jī)上，機(jī)上安裝Moxa CP134異步通訊卡、Moxa C502同步通訊卡和網(wǎng)卡各一塊。為實(shí)時(shí)顯示三維仿真對(duì)象，要求高性能顯卡一塊。圖1為該系統(tǒng)原理圖。

圖1 訓(xùn)練系統(tǒng)原理圖

Fig.1 Block diagram of training system

2.2 系統(tǒng)的工作原理

該系統(tǒng)的基本工作原理為：在時(shí)統(tǒng)終端提供同步信號(hào)的控制下工作，通過(guò)通信模塊接收外部（包括實(shí)測(cè)信息和仿真中心的相關(guān)信息），然后根據(jù)相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)三維視景仿真：根據(jù)設(shè)置的設(shè)備站址坐標(biāo)確定仿真環(huán)境中的視點(diǎn)位置；接收主控計(jì)算機(jī)送來(lái)的設(shè)備實(shí)測(cè)信息，控制仿真視場(chǎng)范圍和方向；接收仿真中心的彈道信息，結(jié)合站址坐標(biāo)，控制目標(biāo)的飛行軌跡和姿態(tài)，根據(jù)事件命令，仿真各種事件動(dòng)作及其特效，根據(jù)相關(guān)氣象信息，仿真出相應(yīng)的天空背景云彩效果和能見(jiàn)度特效。最后將實(shí)時(shí)仿真結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)視頻的形式輸出。圖2為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

3 訓(xùn)練系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維目標(biāo)建模

平時(shí)任務(wù)中常用的幾種目標(biāo)會(huì)建立三維目標(biāo)模型庫(kù)，在實(shí)際任務(wù)前調(diào)入對(duì)應(yīng)的目標(biāo)模型，配合理論彈道，對(duì)操作手進(jìn)行訓(xùn)練。

建模工具采用Multigen Creator系列軟件，由美

圖2 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Framework of simulator system

（2）

國(guó)Multigen-Paradigm公司開(kāi)發(fā)，它擁有針對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用優(yōu)化的 OpenFlight數(shù)據(jù)格式，強(qiáng)大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成功能，以及多種專(zhuān)業(yè)選項(xiàng)及插件，能高效、最優(yōu)化地生成實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)庫(kù)，并與后續(xù)的實(shí)時(shí)仿真軟件緊密結(jié)合，在視景仿真、模擬訓(xùn)練、城市仿真、交互式游戲及工程應(yīng)用、科學(xué)可視化等實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域有著世界領(lǐng)先的地位。

3.2 三維視景驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)采用Visual C++ 語(yǔ)言結(jié)MultiGen Vega開(kāi)發(fā)視景驅(qū)動(dòng)部分，Vega是一種用于實(shí)時(shí)仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的軟件環(huán)境和工具。它主要包括兩個(gè)部分：一個(gè)是被稱(chēng)為L(zhǎng)ynX的圖形用戶(hù)界面的工具箱，另一個(gè)則是基于C語(yǔ)言的Vega函數(shù)調(diào)用庫(kù)。LynX的主要功能是通過(guò)可視化操作建立起三維場(chǎng)景模型，并將其存在一個(gè)應(yīng)用定義文件（.ADF）中，而后應(yīng)用程序就可以通過(guò)調(diào)用Vega的C語(yǔ)言函數(shù)庫(kù)來(lái)對(duì)已建好的三維場(chǎng)景進(jìn)行渲染驅(qū)動(dòng)。

3.3 關(guān)鍵坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于程序中所用數(shù)據(jù)源格式多樣，坐標(biāo)換算不可避免，主要坐標(biāo)轉(zhuǎn)換如下。

3.3.1姿態(tài)角的轉(zhuǎn)換

b為箭體坐標(biāo)系；v為量測(cè)坐標(biāo)系；e為地心坐標(biāo)系。 為彈體系到發(fā)射坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣； （1）

為發(fā)射坐標(biāo)系到彈體坐標(biāo)系的變換矩陣

（4）

其中 為俯仰 偏航 為滾動(dòng)角。

3.3.2地心系到測(cè)量系

地心系X、Y、Z變換成測(cè)站直角坐標(biāo)x、y、z。

（6）

其中h為測(cè)站的高程，B為測(cè)站的緯度，L為測(cè)站的經(jīng)度。

（7）

測(cè)量直角坐標(biāo)到測(cè)量系的轉(zhuǎn)換。

（8）

3.4 用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)

程序界面設(shè)計(jì)采用圖形化虛擬儀器面板設(shè)計(jì)，它是用戶(hù)與儀器之間交流信息的紐帶，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形化編程環(huán)境，界面設(shè)計(jì)接近真實(shí)系統(tǒng)，簡(jiǎn)潔、美觀、易于操作，清晰地重現(xiàn)了實(shí)際系統(tǒng)的操作和響應(yīng)過(guò)程。程序圖形用戶(hù)界面如圖3。

圖3 系統(tǒng)圖形用戶(hù)界面圖

Fig.3 Ghaphic User Interface of simulator system

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

本系統(tǒng)包含兩路串行通訊和一路網(wǎng)絡(luò)通訊，而且包含實(shí)時(shí)性要求較高的三維視景仿真，所以控制三維仿真的資源占有率是關(guān)鍵，以防影響到主程序的通訊時(shí)序。因此除了程序整體功能模塊的檢測(cè)外，針對(duì)實(shí)時(shí)三維視景模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行優(yōu)化前，資源占有率過(guò)高；CPU占有率超過(guò)80%（Core II 2.83GHz），內(nèi)存占有率超過(guò)70%（DDR2 4GB）；影響程序的通訊時(shí)序，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)。針對(duì)這一情況，硬件方面采用高性能專(zhuān)業(yè)顯卡，軟件方面對(duì) 三維模型和視景仿真部分的特效、背景部分進(jìn)行了優(yōu)化。效果明顯，CPU占有率、內(nèi)存均降至30%以下，滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了針對(duì)某型號(hào)經(jīng)緯儀設(shè)計(jì)的三軸光測(cè)設(shè)備日常訓(xùn)練系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，介紹了所使用的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)難點(diǎn)，并針對(duì)難點(diǎn)做了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：在軟、硬件做出調(diào)整的情況下，使實(shí)時(shí)三維視景仿真模塊的資源占有率降至30%以下，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定、性能優(yōu)良，很好地解決了平時(shí)訓(xùn)練工作難以找到合適目標(biāo)這一難題。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2014-10-09

作者簡(jiǎn)介：

馬慶坤（1981一），男，漢族，河南省沈丘縣人，中科院研究生院碩士學(xué)位，現(xiàn)工作于長(zhǎng)春光機(jī)所光電測(cè)控部，主要從事過(guò)程監(jiān)控、嵌入式開(kāi)發(fā)、虛擬仿真等方面的研究；

柳玉晗（1979—），男，吉林舒蘭人，本科，副研究員，主要從事靶場(chǎng)光電測(cè)量總體技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)研究。