一种基于运动学模型的干扰弹模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于运动学模型的干扰弹模拟方法，该方法包括以下步骤：（1）确定发射方向；（2）确定发射速度；（3）确定发射轨迹；（4）确定点燃时间；（5）渲染干扰弹的弹头；（6）渲染感染弹的尾迹；（7）生成动画。本发明中用三次贝塞尔曲线模拟干扰弹的连续运动，有效的解决上述的分段模型中运动轨迹不连续的问题。本发明中不仅考虑了上述的动力学因素还增加了运动的随机性，将干扰弹的运动速度在一定的基准上进行随机化和发射方向随机，有效的解决了模型单一的问题。本发明模拟速度更快、效果更加真实，参数设置更加灵活。

说明书

技术领域

本发明涉及运动学仿真模型领域，具体涉及一种基于运动学模型的干扰弹 模拟方法。

背景技术

干扰弹的模拟与仿真是战机战斗场景仿真中的重要内容。红外导弹的工作 原理是引导弹头跟踪辐射源，而干扰弹在投射时燃烧产生辐射热源，一般它的 辐射能量高于机载本身，这样将机载与干扰弹的辐射进行等效时，能量的中心 就偏离了机载本身，使红外导弹不能击中真正的目标造成脱靶。现有的干扰弹 模拟方法包括：一种考虑受到空气阻力，干扰弹重力，干扰弹横切面积等的影 响因素建立其运动的动力学模型；另一种考虑到干扰弹运动的复杂性，将干扰 弹的运动分别参考发射机载和红外导弹两个不同的参考系，分几段进行模拟。

干扰弹的的动力学模型计算较为复杂，不能考虑各种随机影响因素，不太 适合实时动画和仿真中使用，而分段模型将连续的运动分割，对干扰弹的运动 轨迹的连续性造成影响。基于以上技术的问题，在本专利中利用三次贝瑟尔曲 线和运动学因子结合的方法，模拟干扰弹的运动，并且通过对干扰弹的速度增 加随机量，使其运动具有不确定性，模拟各种随机因素对干扰弹运动的影响； 点燃时间和燃烧的尾迹与发射速度关联，这种方式模拟可以使模拟的干扰弹的 燃烧时间最充分，模拟对红外弹进行诱骗使其脱靶的效果。

赵松庆和吴永刚1997年在第二期航空兵器发表论文《红外干扰特征建模及 其仿真装置》。研究了红外干扰弹的特征建模与仿真的思想，此文中考虑到发射 干扰弹的机载运动具有随机性，对干扰弹的运动模型进行了分步建立：首先参 考发射机载的运行情况建立模型；再参考红外导弹的运动情况为参考性建立模 型；最后综合这两个模型进行最终的干扰弹运动模型的建立。该文中模型建立 的相当复杂，运算速度低，在实际作战过程中干扰弹发射时间的快慢，决定了 机载是否能逃脱红外干扰弹。该模型计算复杂需要的时间长，不利于动画和仿 真实现。而且将一个连续运动的物体的运动轨迹，分成两个不同的阶段不同的 参考系，是干扰弹的运动不具有连贯性，对其运动的轨迹产生很大的影响。

刘加丛和刘占辰2007年3月在红外技术期刊上面发表了论文《红外诱饵对 红外导弹轨迹干扰仿真研究》中对红外干扰的运动模型进行了研究。研究中考 虑了红外干扰弹在运动中空气阻力对其产生作用，建立的加速度模型： 其中ρ_a为大气密度，v是速度，g是重力加速度，其中ω是 干扰弹重量，C_d为阻力系数，A_ref为与阻力有关的参考面积。此文通过所建立 的干扰弹运动模型进行仿真，在发射红外导弹跟踪目标时，在垂直方向上，干 扰弹确实对红外导弹产生了干扰。但是在此文的拖靶量在每次仿真中只能得到 一个数据，在实验参数固定的情况下所得到的结果都是一样的。这样的实验结 果不具有代表性，每次固定干扰弹的运动模型参数，运动轨迹都是一致的，无 法确保实验的真实性。

发明内容

发射干扰弹的过程包括：确定发射方向、确定发射速度、计算发射轨迹和 确定点燃的时间，如图1。

干扰弹在使用过程中主要应用在三个方面：第一，诱惑敌方红外导弹，当 机载被作为红外导弹的攻击目标时，机载可以发射干扰弹形成多个与自身等效 的辐射源，敌方跟踪其中一个等效的辐射源，使敌方的导弹脱；第二，逃脱敌 方红外导弹，当机载观察到将要被敌方攻击时，提前发射干扰弹，使敌方去跟 踪错误的目标，使自身逃脱攻击；第三，削弱敌方红外导弹，当敌方发射一枚 时，机载可以发射多枚干扰弹，扰乱敌方的攻击，从而降低敌方的攻击势力。

本发明基于干扰弹这三个方面的应用，重点对干扰弹发射方向，发射速度， 发射轨迹以及干扰弹尾迹的问题进行深入研究，提供一种模拟速度更快、效果 更加真实，参数设置更加灵活的基于运动学模型的干扰弹模拟方法，该方法包 括以下步骤：

第一步，确定发射方向。由于敌方红外导弹的攻击方向不确定，而干扰弹 的发射方向直接确定干扰是否成功。因此，本发明中干扰弹的方向采用以机载 为中心的扇形方向进行发射，把机载包围在中心，有效抵御敌方导弹的攻击。

第二步，确定发射速度。干扰弹的速度的大小决定敌方是否能跟踪到目标， 一般发射的速度高于机载的飞行速度，但是对于敌方的导弹速度不确定。因此， 本发明中以机载的速度了基准，随机在其基础上增加速度变量，使发射的每个 干扰弹的速度都不同，使敌方容易跟踪其中一个干扰弹目标。

第三步，确定发射轨迹。发射轨迹是干扰弹的运动模型，综合考虑发射干 扰弹使受自身重力，空气阻力，干扰弹横切面积等因素的影响。因此在本发明 中采用三次贝塞尔曲线和动力学影响因子综合进行建模。

第四步：确定点燃时间。干扰弹在空中运动的时间越长越好，但是每个干 扰弹的能量是有限的，因此干扰弹在空点的时间很重要。一般在发射干扰弹时 即点燃干扰弹，这样浪费了一些干扰弹的燃烧时间，在本发明中将干扰弹的点 燃时间关联其速度，设置两个时间点和一个速度阀值，发射速度大于阀值时燃 烧时间早，发射速度小时燃烧是时间短。燃烧的强度同样与发射的速度有关， 发射的速度快燃烧的强度大，燃烧的强度用干扰弹的尾迹来展现，设置一个速 度阀值，发射速度大于阀值时尾迹长，发射速度小时尾迹短。

第五步：渲染干扰弹的弹头；

第六步：渲染感染弹的尾迹；

第七步：生成动画。

所述步骤一确定发射方向具体为：

步骤1.1获得当前机载的运动方向向量T₀；

步骤1.2设发射的干扰弹的数量为N，发射干扰弹的角度增量为Δθ，则每 个干扰弹的方向是：D_i＝T₀+i×Δθ,(i＝0,1,2…N)。

所述步骤二确定发射速度具体为：

步骤2.1获取机载当前的速度V₀；

步骤2.2设发射的干扰弹的数量为N，发射干扰弹的随机函数rand(0,1)；

则每个干扰弹的发射速度是：V_i＝V₀+10×rand(0,1),(i＝0,1,2…N)。

所述步骤三确定发射轨迹具体为：

步骤3.1获得发射的起始位置P₀，发射的起始方向向量D_i，终点位置P₃， 终点的用的向量d_i；

步骤3.2计算贝瑟尔曲线控制点

$P_1=P_0+\frac{D_1}{3}$

$P_2=P_3+\frac{d_2}{3}$

其中P₁，P₂为一条贝塞尔曲线上的控制点；

则曲线上面的其他点为：

$P_{\left(t\right)}=C_3^0{(1-t)}^3{P}_0+C_3^1{(1-t)}^2{P}_1+C_3^2(1-t)P_2+C_3^3{P}_3$

其中参数t的取值范围是0＜t＜1；

步骤3.3计算运动学因子

运动学因子其中ρ_a为大气密度，v是速度，g是重力加 速度ω是干扰弹重量，C_d为阻力系数，A_ref为与阻力有关的参考面积；

步骤3.4计算发射轨迹的所有点

其中θ是正整数

则综合运动因子的轨迹上所有的点是：

$P_{(i,t)}=(C_3^0{(1-t)}^3{P}_{(i,0)}+C_3^1{(1-t)}^2{P}_{(i,1)}+C_3^2(1-t)P_{(i,2)}+C_3^3{P}_{(i,3)})\times \alpha .$

所述步骤四确定点燃时间具体为：

点燃时间与速度相关，首先设置速度的阀值为f_v，最大的发射时间是t_max， 最小的发射时间是t_min；

步骤4.1获得当前干扰弹的发射速度为V_i

则点燃时间：

t＝t_min,if(V_i＞f_v)

                     ；

t＝t_max,if(V_i＜f_v)

步骤4.2获得当前干扰弹的发射速度为V_i，设置最大的尾迹长度是l_max，最 小的尾迹长度是l_min；

则尾迹长度：

l＝l_min,if(V_i＜f_v)

                  。

l＝l_max,if(V_i＞f_v)

所述步骤五渲染干扰弹的弹头具体为：

获得每个干扰弹的当前位置节点，则光源为Light_i(i＝0,1,2…N)。

所述步骤六渲染感染弹的尾迹具体为：

步骤6.1获得每个干扰弹的当前位置节点位置和机载的速度

确定每个干扰弹的尾迹长度：L_i(i＝0,1,2…N)；

步骤6.2给每个干扰弹创建一个RibbonTrails为R_i(i＝0,1,2…N)；

步骤6.3将干扰弹的尾迹链接在干扰弹头形成一个整体的模拟干扰弹，输 入相关参数建立模型，计算出运动轨迹：

本发明中用三次贝塞尔曲线模拟干扰弹的连续运动，有效的解决上述的分 段模型中运动轨迹不连续的问题。

本发明中不仅考虑了上述的动力学因素还增加了运动的随机性，将干扰弹 的运动速度在一定的基准上进行随机化和发射方向随机，有效的解决了模型单 一的问题。

本发明模拟速度更快、效果更加真实，参数设置更加灵活。

附图说明

图1干扰弹发射构成示意图。

图2本发明干扰弹发射构成示意图。

图3本发明干扰弹发射系统的流程图。

具体实施方式

下面我们将结合附图对本发明作进一步的说明。

结合图2和图3所示，一种基于运动学模型的干扰弹模拟方法包括以下步 骤：

步骤1确定发射方向

步骤1.1获得当前机载的运动方向向量T₀；

步骤1.2设发射的干扰弹的数量为N，发射干扰弹的角度增量为Δθ，则每 个干扰弹的方向是：D_i＝T₀+i×Δθ,(i＝0,1,2…N)。

步骤2确定发射速度

步骤2.1获取机载当前的速度V₀；

步骤2.2设发射的干扰弹的数量为N，发射干扰弹的随机函数rand(0,1)， 则每个干扰弹的发射速度：V_i＝V₀+10×rand(0,1),(i＝0,1,2…N)。

步骤3确定发射轨迹

步骤3.1获得发射的起始位置P₀，发射的起始方向向量D_i，终点位置P₃， 终点的用的向量d_i；

步骤3.2计算贝瑟尔曲线控制点

贝瑟尔曲线是一条光滑的曲线，三次贝塞尔曲线更加起始点的位置和方向 向量以及终点的位置和方向向量进行计算，公式如下：

$P_1=P_0+\frac{D_1}{3}$

$P_2=P_3+\frac{d_2}{3}$

其中P₁，P₂为一条贝塞尔曲线上的控制点；

则曲线上面的其他点为：

$P_{\left(t\right)}=C_3^0{(1-t)}^3{P}_0+C_3^1{(1-t)}^2{P}_1+C_3^2(1-t)P_2+C_3^3{P}_3,$其中参数t的取值范围是0＜t＜1；

步骤3.3计算运动学因子

运动学因子其中ρ_a为大气密度，v是速度，g是重力加 速度ω是干扰弹重量，C_d为阻力系数，A_ref为与阻力有关的参考面积；

步骤3.4计算发射轨迹的所有点

其中θ是正整数，则综合运动因子的轨迹上所有的点是：

$P_{(i,t)}=(C_3^0{(1-t)}^3{P}_{(i,0)}+C_3^1{(1-t)}^2{P}_{(i,1)}+C_3^2(1-t)P_{(i,2)}+C_3^3{P}_{(i,3)})\times \alpha .$

步骤4确定点燃时间

点燃时间与速度相关，首先设置速度的阀值为f_v，最大的发射时间是t_max， 最小的发射时间是t_min。

步骤4.1获得当前干扰弹的发射速度为V_i，则点燃时间：

t＝t_min,if(V_i＞f_v)

                  ；

t＝t_max,if(V_i＜f_v)

步骤4.2获得当前干扰弹的发射速度为V_i，设置最大的尾迹长度是l_max，最 小的尾迹长度是l_min，则尾迹长度：

l＝l_min,if(V_i＜f_v)

l＝l_max,if(V_i＞f_v)

步骤5渲染干扰弹的弹头

干扰弹中弹头集聚了主要的能量，在外观上是一个发光的球体，因此弹头 的模拟使用一个发光的光源来模拟，能量向四周均匀辐射。

步骤5.1获得每个干扰弹的当前位置节点，则光源为Light_i(i＝0,1,2…N)。

步骤6渲染感染弹的尾迹

干扰弹的尾迹是一个带状的轨迹，公告板链可以固定一个最大长度，干扰 弹在运动中向公告板链的头部添加元素，当超过这个长度限制，尾部就会被移 除，进而形成从尾迹的头部到尾部形成衰减的效果。干扰弹的尾迹长度还与发 射速度有关，随着速度的降低长度减小。

步骤6.1获得每个干扰弹的当前位置节点位置和机载的速度，确定每个干 扰弹的尾迹长度：

L_i(i＝0,1,2…N)

步骤6.2给每个干扰弹创建一个RibbonTrails为R_i(i＝0,1,2…N)；

步骤6.2将干扰弹的尾迹链接在干扰弹头形成一个整体的模拟干扰弹，输 入相关参数建立模型，计算出运动轨迹：

R_i(P_(i,t))＝L_i+Light_i。

本发明所模拟干扰弹的运动，在试验中红外弹的脱靶率为100％，燃烧时间 长，干扰弹的运动轨迹多样。

众所周知，干扰弹在现代军事战役中的重要性，建立有效的干扰弹运动模 型使是工作的核心，由于机载红外干扰弹的大多考虑其红外辐射的原理，对于 其他的影响因素：发射方向，发射速度，发射运动轨迹，点燃时间的研究较少， 本文提出的这种方法对干扰弹的模拟具有建设有极其重要的意义。