基于VC++/OpenGL的引信仿真测试可视化系统软件设计
发布时间：2010-8-20 14:34
发布者：lavida
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1 引言 导弹引信是一种能感应目标或其他预定的信息，并适时引爆战斗部的一种装置。引信的 性能在很大程度上决定了导弹系统的整体杀伤效力，鉴于引信在导弹系统中的重要地位，有 必要对引信进行深入的研究和科学的设计。 一般来说，引信仿真包括半实物仿真和全数字仿真。半实物仿真仅仅模拟引信的外部环 境，而引信由具体的实物充当，需要仿真的引信外部环境包括制导系统（交会条件）、目标 环境、战斗部环境、干扰环境、杂波环境等等，具体的引爆规律嵌入在实物引信中，在仿真 过程中,引信专用测控设备负责采集引信实际引爆时刻等数据，根据采集到的数据可以对此 实物引信的引战配合效率进行*估及可视化分析，从而全面了解此实物引信的性能。全数字 仿真不仅模拟引信的外部环境，而且模拟引信本身，由于引信本身是由数字仿真得到的，其 引爆规律可以灵活定制，因此在全数字仿真模式下可以方便地研究各种引战配合规律。 仿真环境是复杂多变的，为了减轻仿真测试的工作量，提高引信仿真测试的效率及可信 度，实现引信仿真测试的自动化，有必要建立一套引信仿真测试可视化系统，其中系统控制 软件是不可或缺的，系统控制软件一方面在半实物仿真模式下作为整个系统的控制中心，另 一方面在全数字仿真模式下可以独立的进行引信的仿真测试。 2 设计与实现 2．1 设计思想 在设计引信仿真测试可视化系统软件时充分考虑到了引信的半实物及全数字两种仿真 模式，在软件中建立了两种的独立的工作模式：半实物模式和全数字模式。在使用时用户能 够方便的在两种工作模式之间进行切换，两种工作模式下使用不同的系统配置，包括数据库、 用户界面、相应模块的使能与禁用等，具体实现方法是：将两种工作模式的系统配置保存在 系统信息文件（INI 文件）中，用户在进行工作模式切换时，将当前工作模式的配置存入INI 文件中，并且读出切换工作模式的配置信息，对系统重新进行配置。 系统软件运行在高性能的工作站上，在Visual C++平台上开发，主要依托于MFC 类库、 OpenGL 图形库、Vega 视景仿真系统、WinDriver 驱动开发工具等，大体可以分为自动测试 视图、数据分析视图、三维演示视图、报表打印视图等工作视图。 2．2 半实物仿真工作模式 2．2．1 系统整体架构  图 1 引信仿真测试可视化系统整体架构 图 1 所示为半实物仿真工作模式下引信仿真测试可视化系统的软硬件结构图，其中，引 信是真实的待测物。系统软件运行在虚线框内的工作站上，是整个系统唯一的控制中心，测 试系统在控制中心的统一调度下完成测试任务。体目标模拟器用来仿真体目标回波信号，而 干扰模拟器用来产生干扰信号，回波信号与干扰信号合成后通过射频电缆注入引信。工控机 一方面用来管理体目标模拟器和干扰模拟器，完成体目标海量数据的生成及下载，另一方面 接受工作站统一的指挥。引信状态监测器主要用来实施对引信的控制和状态监测，数据采集 器用来采集引信工作时的各种模拟及数字信号，并适时的上传给工作站。 纵观整个系统，系统的控制流以工作站为中心成网状分布，而数据流则以顺时针从工作 站出发，途径体目标模拟器、干扰模拟器、引信、数据采集设备和引信状态监测器，最终又 回到工作站，从而形成一个闭环的引信自动化测试系统。 2．2．2 通信方式设计及实现 半实物仿真模式下的引信仿真测试可视化系统采用了分布式结构，考虑到外场试验的需 要，势必要对各个模块之间的通信进行设计和优化。 系统包括了 RS485 高速串口、网卡、USB2.0 等通信方式，之所以采用多种通信方式， 主要是考虑到了外场试验的需要以及各种通信方式的特点。 2．2．3 硬件同步板设计 在进行自动化测试过程中，各个模块设备需要一个统一的、高精度的控制时序，由于系 统不是实时系统，且集成了多种传输延时不确定的通信方式，通过已有的通信方式传输控制 时序不能满足精度上的要求，因此专门设计了硬件同步板。硬件同步板采用PCI 卡的方式 插在工作站上，通过双绞线与其他四个设备直接相连，保证高精度控制时序的发送。 为了保证传输的可靠性，抑制各种干扰，采用了双绞线传输差分电平的方式，在工程实 践中使用以太网线4 对双绞线中的一对。 2．3 全数字仿真工作模式 全数字仿真在可信度上虽不及半实物仿真。但成本更低，由于全部功能模块数字化，因 此各个模块之间的通信就非常简单了，有些模块可以简化甚至省略。 在全数字仿真工作模式下，工作站可以脱离所有的外部环境独立进行仿真测试工作，其中体目标模拟器和干扰模拟器用相应的软件模块代替，而引信状态监测器及数据采集设备在 软件实现上可以大大简化。其中，实物引信的软件仿真主要是指引战配合规律的仿真，即根 据各种环境数据决定何时引爆战斗部的算法实现。 2．3．1 软件架构 系统软件采用模块化的设计思想，架构如图 2 所示，主流程如图3 所示。  2．3．2 多线程技术应用 由于三维图形渲染以及数据分析过程需要占用大量的系统资源（CPU 和主存），如果将 三维图形渲染放入进程的主线程中，那么主线程的时间片几乎将被其全部占用，从而导致主 线程无法响应用户的输入，无法达到用户与三维虚拟场景交互的效果。 可以通过引入多线程技术来解决这个问题，需要为三维图形渲染单独创建一个线程，在 合理的设定线程的优先级之后，使三维图形渲染保持足够的帧速率，同时使得主线程能够分 配到足够的CPU 时间片，从而及时响应用户的输入，进而将输出反映给用户。 2．4 可视化技术应用 在传统的仿真测试应用中，多利用报表及简单的二维图形（直方图、数据曲线等）来进 行数据分析。引信仿真测试可视化系统软件中全面引入了可视化技术，不仅可以通过图形、 图像的方式形象地显示*估仿真结果及各种数据、模拟实验过程，还可以用来验证和调试算 法，从而达到事半功倍的效果。可以说充分发挥可视化技术的优势及强大表现力是引信仿真 测试可视化系统软件的一大特点。 2．4．1 利用OpenGL 实现引战配合效率*估可视化 在特定条件下*估某种引战配合规律的优劣，一个非常重要而且直接的*判准则是在特 定交会条件下击中目标的破片数以及击中目标的部位。在各种仿真模型建立之后，击中目标 的破片数以及击中目标的部位可以依据相应的算法计算出来，但是单纯的数字无法提供直观 形象的认知，而利用OpenGL 图形库可以将破片击中目标的过程以及击中目标的部位以三维 动画的方式呈现给用户，具有极强的表现力。 图 4 所示为在数据分析视图下，导弹破片击中目标表面的动态过程。图中目标表面的 红色（深色）区域表示被击中部位，根据击中部位及相应的破片数目即可计算导弹对目标的 杀伤概率。在显示过程中，用户可以任意改变观察的视角和视点，由于显示的过程是对仿真 数据的真实反映，因此具有很高可信度及直观性。  2．4．2 利用Vega+OpenGL 实现弹目交会场景三维演示 目前大多数弹目交会过程的三维场景演示都是直接利用OpenGL 实现的，由于OpenGL 是底层的图形库，所有的绘图及渲染工作都必须从最低层做起，不仅工作量大，而且场景的 设计及管理也不是很方便。Vega 是MPI 公司开发的面向对象的虚拟现实、实时视景仿真、 声音仿真及可视化计算平台，它支持复杂的视觉仿真算法，并将易用的工具和高级仿真功能 巧妙的结合起来，使用户能在较短时间内创建、编辑和运行复杂的仿真程序。 Vega 提供了直接使用OpenGL 的接口——回调函数，利用Vega 构造场景的主要部分， 包括实时控制交会过程中目标和导弹的位置及姿态，构造地形、海洋及天空云层等自然环境 以及雨雪雾等天气状况，加入飞机尾喷、爆炸、飞散残骸、声音等特效及通过碰撞检测触发 特效，实现同一场景的多视点多通道同时观察等等；OpenGL 回调函数在功能上是对Vega 的 补充，主要用来完成Vega 无法或者不易完成的任务，例如在屏幕上显示交会参数，绘制目 标及导弹的运动轨迹，绘制动态飞散的破片以及各种波束等,场景如图5 所示。 3 结论 引信仿真测试可视化系统软件不仅作为半实物仿真的控制与分析中心，而且可以独立进 行全数字的引信仿真测试，在传统引信仿真的基础上，在系统软件中全面的引入了可视化技 术，极大增强了软件的效率及表现力。 |
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