目标运动特征的可视化仿真方法研究

　　引言

　　在实验室中仿真出外场环境, 使用虚拟目标代替真实目标,将是未来室内性能测试的一种重要手段。虚拟目标的运动特征成为决定测试效果的重要因素之一。

　　对虚拟目标运动轨迹的仿真, 传统上主要采用了结点插值法和动力学分析法。这两种方法共同的缺点是仿真目的不直接针对跟踪性能测试本身, 难以仿真出符合测试要求的运动特征。科学计算可视化是利用了人类的视觉系统, 将计算过程和结果实时地生成带有色彩的图像、动画和正文等, 动态的显示在使用者面前, 使得人机交互过程变得更加直观、快捷。

　　本文在目标运动模型的基础上引入光电经纬仪的测量模型, 将虚拟目标的运动实时映射为光电经纬仪的运动。使用Visual C++和 OpenGL 技术设计了仿真结果实时可视化模块,将以上两个模型进行融合。以目标的基本飞行参数和光电经纬仪的测试目的作为约束条件, 根据可视化模块所显示的目标当前运动和光电经纬仪理论跟踪状态之间对应关系, 动态的修改目标的运动参数, 可快速获得运动特征符合测试需求的目标运动轨迹。

　　1 可视化设计模型

　　可视化设计模型由目标的飞行动力学模型、光电经纬仪的测量学模型和计算结果可视化模块组成。飞行动力学模型是运动特征仿真的基础, 虚拟目标的运动过程必须依据飞行动力学模型。测量学模型的作用是将目标的运动状态实时转化为光电经纬仪的理论跟踪状态。计算结果可视化模块将虚拟目标的运动过程和光电经纬仪的理论跟踪过程以图形的方式实时地显示出来, 为交互式设计过程提供更形象的数据依据。

　　1.1 目标的运动模型

　　虚拟目标运动特征仿真的目的只是为了检测光电经纬仪的跟踪性能。因此, 可将目标的运动模型简化, 以避免陷入过于繁琐的仿真计算过程。另一方面, 为了保证跟踪性能测试的有效性, 虚拟目标的运动特征应尽可能的接近真实目标的运动特征。因此, 作如下假设, 以适当的简化目标的运动模型。

　　1) 假设目标为轴对称型, 以简化气动力的计算。

　　2) 假设目标为刚体, 不考虑弯曲形变对飞行轨迹的影响。

　　3) 忽略地球表面曲率及地球转动的影响。

　　目标的运动过程可以在无控飞行目标模型的基础上另加上控制模型来描述。在笛卡尔坐标系下, 无控飞行目标模型由一组六自由度的方程来描述。其中包括目标质心和姿态相对坐标系的运动学方程和动力学方程, 以及各种几何关系方程等。对目标飞行过程的控制主要体现在对目标飞行加速度及飞行姿态的控制上。因此, 只需描述出目标加速度及姿态的变化过程就可以实现对目标的控制。描述上述变化过程的模型可以是简单的线性模型, 也可以是多项式模型、指数模型或对数模型等非线性模型。由于目标的运动模型不是本文描述的重点部分, 所以在此只做简要的介绍。