首页|行业资讯|企业名录|周边产品|数字城市|增强现实|工业仿真|解决方案|虚拟医疗|行业仿真|图形处理|军事战场
资讯首页
行业资讯 >> 专业文献>>正文
虚拟战场环境中大气环境的研究与应用
2011年6月6日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:庞国峰,王晋军
    单位:北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系

    摘要:为全面的体现各种自然环境条件对武器系统的影响。准确的进行武器系统性能的评测和效能的评估。在虚拟战场环境除了构造各种武器平台仿真实体外,还需对各种武器平台运行的陆地、海洋、空间环境进行逼真的表示和描述。重点介绍了大气环境的数值模拟和环境数据在虚拟战场环境中的表示,并基于HI A/RT1协议标准构建了一个大气环境服务器,最后介绍了其在虚拟战场环境中的应用。

    引言

    虚拟战场环境在分布交互仿真技术的支持下,通过联结分布在不同地点的仿真应用程序构造一个逼真的、一致的虚拟环境,为用户提供沉浸式模拟手段。由于虚拟战场环境不受时间、地点、自然条件及政治条件的制约,与真实军事演习或武器试验相比,在安全性和经济性上有突出的优点,因此,虚拟战场环境目前已在武器操作训练、战术模拟演练、武器效能评估乃至国防系统分析等领域得到了广泛应用[13。众所周知,武器系统都是在各种自然环境条件下进行操作的,因此,虚拟战场环境中除了要对各种武器系统平台进行建模和仿真外,还需对各种武器平台运行的陆地、海洋、大气、空间环境进行逼真的表示和描述,以全面地体现各种自然环境条件对武器系统的影响,准确地进行武器系统性能的评测和效能的评估。

    大气是各种大气层飞行器运动的介质,大气环境的变化对飞机操纵和飞行安全有极大的影响。以往进行大气对飞行影响研究时多采用理论计算或风洞实验,代价高且不直观,也无法评价对飞行员操作的直接影响。而目前的各种飞行模拟器很少考虑大气环境的建模与仿真,或只集中在视景应用方面,因此,需要在虚拟战场环境中加强自然环境尤其是大气环境的研究,使虚拟战场环境的仿真精度和应用范围都提高到新的层次。

    1 大气数值仿真

    飞行器在大气层中飞行,无时无刻不受到大气环境的影响。在仿真模拟中,这些影响是通过大气环境参数在仿真系统中的应用来表现的。但是,目前在大气数据获取和应用上存在以下问题:

    (1)收集困难。大气观测往往需要历史观测数据的积累和观测基础设施的支持,目前许多仿真设定地域并不具备此条件;

    (2)精度不高。在飞行仿真中需要在小尺度上的高精度大气参数,而大量的观测数据都是在大尺度地形上收集的,虽然可以对其进行插值,但有时仍无法满足需要;

    (3)无法反映动态变化的环境状态。大量观测数据在时间尺度上也比较粗,而有时仿真需要以小时甚至分钟变化的数据。例如在进行飞机性能评测时,有时会加入一段雷暴天气以验证风切变或下击暴流对飞机操纵性的影响,这种剧烈变化的数据在观测中很难得到。

    随着计算机技术的发展,应用数值模拟方法对大气状态变化进行仿真,进而进行大气数据的收集与准备并进行精准的小范围天气预报已成为可能。传统的大气模拟主要是在大尺度系统上进行的,而飞行器仿真由于其运动范围所限,主要应用中小尺度的大气数据。目前中小尺度的大气环境模拟已有了很大的发展,不仅可生成100~1 000 km 范围的基本天气参数,而且可以生成1~10 km范围的小尺度天气如雷暴等强对流现象的数据。这些数据如应用在虚拟战场环境中,可以模拟出飞机的颠簸、侧滑、失速等现象,全面地评测飞机性能,大大增强虚拟战场环境的逼真性和仿真能力。
   
    目前虚拟战场环境中的武器平台模型是以实时运行的,而大气环境的模拟模型是高阶偏微分方程组,以目前机器的能力,其计算还达不到实时的程度。因此,研究的重点在于大气数据的生成与应用,而不是大气的实时模拟。故直接采用了美国国家大气研究中心(NCAR,National Center of Atmo—sphere Research)开发的中小尺度数字气象预报模型MM5。MM5模型是一个气象学共享软件,依据大气动力学和大气辐射的基本原理,模拟大气物理变化过程。MM5模型的具体原理可见文献[2],目前MM5模型可以以任意尺度完成全球任意地域大气环境参数的模拟,模拟精度也可以任意调节,空间精度最高可达10 m,时间精度最高为6 S。在设定边界条件后,运行MM5模型可得到随时间变化的水平风场、垂直风场、湿度、温度、气压、密度、降水量等基本参数,甚至可模拟风暴等强对流天气。其它参数如云量、能见度可通过基本参数计算得到 ]。

    2 大气数据的表示

    由于大气数据无法实时获取,因此需在仿真前事先进行数据的准备。与地形等表态数据不同,大气环境参数是随时间变化的,它可以抽象表示为如下的9元组:

虚拟战场环境中大气环境的研究与应用

    式中,尸为空间位置,由水平位置和相距地面高度的三个空间量组成;T 为气温;P为气压;g为湿度;ID为空气密度;U, ,"gO分别为oT,Y,z轴上的风速,分别代表水平风场和垂直风场;l为时间。由上式可以看到,大气数据是依时间序列组织的空间变量。

    数据的空间组织是按MM5模型的数据存储形式进行组织的,但具体操作上有所不同。MM5模型采用如图1(a)所示的分层平面网格,模型在每一个仿真步长时间间隔内计算每一层的环境状态数据,在平面网格上按网格点和交叉点(网格中心点)分别存储。本文根据虚拟战场环境的特点,采用空间立体网格的形式,每一个立体网格由其网格中心点位置唯一确定,每个网格中大气环境数据是不变的,如图1(b)所示。

图1 虚拟自然环境数据的组织形式
图1 虚拟自然环境数据的组织形式

    数据的时间参数隐含在数据之中,具体思路是为每个仿真时间建立一张数据表,每个表的结构是一致的,这样,模型计算了多少步长,就有多少张数据表。

    采用1:250 000的地形数据,这样取水平间隔为2 500 m。以某型歼击机的升限为依据,在垂直方向上以1 000 m 为间隔,共分为23层,这样空间网格的大小为2 500 m×2 500 m×1 000 rn。选取仿真演练地域大小为250×250 km。,MM5模型积分步长定为6 min,以仿真演练时间1 h为限,这样共生成1O张表,数据库中共有100×100×23×10,即2 300 000个记录。虚拟战场环境中的仿真实体根据仿真时间信息,每6 min请求大气数据服务器更换一张数据表,再根据当前的空间位置即可得到当前的环境状态数据。

    3 大气环境服务器

    在完成了大气环境的数据准备后,下一步是如何有效地使用所得到的数据。目前主要有两种方式,一种是将大气数据直接编入武器平台实体的仿真程序,另一种是将大气数据以大气环境服务器形式作为仿真结点联入虚拟战场环境网络中,为仿真实体提供数据服务。显然,第二种方式数据与程序相分离,具有更好的实用性。本质上,大气环境数值模拟与虚拟战场环境中的武器平台仿真属于不同种类的仿真系统,本研究的目的是使仿真实体与大气环境服务器元缝地联结起来,使用大气环境服务器提供的数据。这就涉及到异类仿真系统的互操作性问题。

    以往基于DIS开发的虚拟战场环境系统由于DIS协议的固有限制,在互操作性上存在不足。为此,美国建模与仿真办公室DMSO开发了下一代分布交互仿真标准HLA,强调不同种类仿真系统的互操作性和重用性。HLA 的核心是运行时基础设施RTI,它相当于一个分布式操作系统。HLA的仿真系统称为一个联邦,在联邦中运行的各个仿真程序称为邦员,通过RTI将各个邦员联接起来,通过预订和发布机制,由RTI提供互操作服务并承担网络管理工作。

    HLA克服了DIS的缺点,美军已要求未来所有的国防仿真系统都必须遵循HLA标准开发[3]。鉴于以上原因,本文基于HLA 开发大气环境服务器,整个系统的组成如图2所示。

图2 演不系统组成
图2 演不系统组成

    HLA 定义了两种对象模型,即联邦对象模型FOM(Federation Object Mode1)和仿真对象模型SOM(Simulation Object Mode1)。FOM 中定义了参与此联邦仿真的所有对象类和交互类以及它们的属性和参数,SOM 中定义了单个联邦成员的信息,包括对象、属性、交互和参数。本文侧重于大气环境SOM 的开发。根据上述对大气环境的分析,S0M 包含一个对象类Atmosphere和两个交互类ReturnAtmosphere Value和Notice Update。对象类中属性为大气参数和空间网格点的坐标。交互类ReturnAtmosphere Value,它包含了当前时刻当前网格的大气数据,当接收到它预订仿真实体发送的Get At—mosphere Value交互后,返回仿真实体所需要的大气数据。Notice Data Update交互在收到仿真实体请求数据更新Request Data Update交互后发送,用于通知仿真实体数据已更新。

    大气环境服务器的运行方式如下:虚拟战场环境中包括大气环境服务器在内的仿真应用程序要共用仿真时钟,大气环境服务器通过Get AtmosphereValue/Return Atmosphere Value这一对交互向仿真实体提供实时大气参数。根据仿真运行时间的变化,通过调用按时间序列设置的数据表来刷新数据。

    具体的,当仿真实体的仿真运行时间每6 rain向大气环境服务器发送一Request Data Update交互,此交互不含参数,大气环境服务器收到此交互后,更换一张数据表,并发送Notice Data Update交互。仿真实体每一个或多个(由程序设定)仿真帧判断一次所处的空间网格位置,当网格与上一次不同时,向大气环境服务器发送Get Atmosphere Value交互,大气环境服务器则调用Return Atmosphere Value交互,向仿真实体发送当前网格数据。因此,整个虚拟战场环境系统是以伪实时的方式运行的。

    通过采用HLA/RTI协议标准,虚拟战场环境各仿真应用程序无缝地联结起来,达成了不同类型仿真之间的互操作性。

    4 虚拟战场环境中的应用

    大气环境数据在飞行仿真中有多方面的应用,下面是几个简单的例子。

    (1)温度对发动机推力的影响

    大气温度的变化对发动机推力的影响是很大的。大气温度降低,发动机增压比增大,同时大气密度变大使进气量增大,因此,发动机随温度降低而增大。经验公式为:

虚拟战场环境中大气环境的研究与应用

    式中,F为发动机推力;丁为大气温度。由此式可推导出大气温度对其它性能参数的影响[。

    (2)变化风场对过载的影响

    风向和风速都有强烈变化的风场,可造成飞机的颠簸,对飞机操纵性和乘坐舒适性都会造成影响,评价指标为飞机的载荷因子(即过载) ,定义为飞机升力和重力之比,即:

虚拟战场环境中大气环境的研究与应用

    水平风场对过载的影响为:

虚拟战场环境中大气环境的研究与应用

    式中,U为水平风场风速的矢量和; 为飞机速度[引。垂直风场对过载的影响为:

虚拟战场环境中大气环境的研究与应用

    式中,t 为垂直风速;a为迎角;G/S为翼载荷;k 为常量调整因子[引。

    (3)湿度与云量对能见度的影响

    湿度指大气中水汽的含量,它与云量有直接关系。在目视情况下的目标获取过程中,天气状况对目标获取的效率有很大影响,经验公式如下:

虚拟战场环境中大气环境的研究与应用

    式中,T 指大气衰减系数,Ec为消光系数,它们都与大气对光的吸收和散射有关,可定为常数;R为观察距离; GR(Sky—to—Ground Ratio)为天空与地面的对比度,根据天气变化不同选取,如当地面是森林时,晴天时取S ;R一5,阴天时取SGR一25[引。

    5 结束语

    目前,若干大气环境数据初步应用在北京航空航天大学开发的虚拟战场环境演示系统DVENET中,主要用于空中实体的飞行仿真,以验证大气环境变化对飞行及操纵性能的影响及部分战技术指标的评测。

    下一步将在以下几个方面开展研究:

    (1)在数据生成方面,提高数据生成的实时性。目前,大气环境的数字模拟模型还达不到实时生成数据的程度,因而数据只能离线生成,随着计算机技术的发展,同时在满足需要的基础上将数字模型合理简化,有可能解决这个问题;

    (2)在数据集成方面,应用新的数据库技术。数据的组织与集成对于提高虚拟环境的运行效率十分重要,由于环境数据量巨大且多是动态变化的,同时仿真实体在运行时对数据 也有时间要求,因此,需要在大气环境仿真时开展实时数据库和时态数据库等数据库新技术的研究;

    (3)在数据应用方面,继续深入地研究大气变化对武器平台实体的影响,例如风切变等情况下的仿真。

    参考文献:

    [1] 汪成为,高文,王行仁.灵境(虚拟现实)技术的研究、方法与实现[M].北京:清华大学出版社。1996.

    [2] 程麟生,丑纪范.大气数值模拟[M].北京:气象出版社,

    [3] 1991.Department of Defense,Training and Instrument Com—mand.SEDRIS and the synthetic environment[R].uSArmy Simulation,1 998.

    [4] 肖业伦,金长江.大气扰动中的飞行原理[M].北京:国防工业出版社,1993.

    [5] 章澄昌.飞行气象学[M].北京:气象出版社.2000.

    [6] W hitnty D A.Impacts of the environment on warfight—er training:STOW’97 experiences with TAOS[A].Proceedings of the spring simulation interoperabilityworkshop[C].1 998.

标签:战场大气环境
上一篇:机器人开发自己语言 互相对话
下一篇:美采用军事训练系统演练猎杀本·拉登
网友评论:虚拟战场环境中大气环境的研究与应用
评论
留名: 验证码:
您可能还需要关注一下内容:
·增强现实技术支持的幼儿教育环境研究
·虚拟流域环境中河道演变的整体自动建模及可视化分析
·基于 HLA 的战术数据链作战应用仿真研究
·基于虚拟现实技术的作战模拟仿真系统
·从Sloodle看三维虚拟学习环境的发展趋势
·组件式 GIS 技术在军事仿真系统中的应用
·海岛礁及周边复杂环境动态三维建模
·基于虚拟环境的黄河仿真系统构建
·行星探测的可量测虚拟现实环境构建方法
·智能Agent及多Agent在虚拟环境中的应用研究进展
☏ 推荐产品

Ladybug5全景
商家:力方国际

ProJet®
商家:力方国际

ProJet®
商家:视科创新

Premium1.5
商家:视科创新

巴可HDX主动立体投
商家:德浩科视

巴可HDF-W26投
商家:德浩科视

巴可30000流明2
商家:德浩科视

巴可4万流明2K投影
商家:德浩科视
☞ 外设导航
☏ 企业名录
【广州】中科院广州电子技术有限公司
【北京】第二空间(北京)科技有限公司
【北京】幻维世界(北京)网络科技有限公司
【厦门】厦门惠拓动漫科技有限公司
【厦门】厦门幻眼信息科技有限公司
【深圳】深圳南方百捷文化传播有限公司
【北京】北京思源科安信息技术有限公司
【上海】上海殊未信息科技有限公司
【北京】北京赢康科技开发有限公司
【武汉】武汉科码软件有限公司
友情链接 关于本站 咨询策划 行业推广 广告服务 免责声明 网站建设 联系我们 融资计划
北京第三维度科技有限公司 版权所有 京ICP备09001338
2008-2016 Beijing The third dimension Inc. All Rights Reserved.
Tel:010-57255801 Mob:13371637112(24小时)
Email:d3dweb@163.com  QQ:496466882
扫一扫 第三维度
官方微信号