基于视景仿真的航天发射场光学设备训练模拟器设计与实现

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随着我国航天技术的不断进步,发射频率日益提高,对发射场设备的人员训练和人机结合程度提出了更高要求。近年来,视景仿真技术迅猛发展,在诸多领域取得了广泛应用,将视景仿真技术深化应用于航天发射训练,将能够显著提升发射过程中的仿真训练效果。本文以光学设备跟踪岗位的训练为背景,在对点目标训练模拟器的优点和劣势分析基础上,确定了基于视景仿真技术的光学训练模拟器的总体设计思路。从建模、控制和融合三个步骤入手,开展光学训练模拟器中视景仿真技术研究,依据设计方案研制光学训练模拟器并进行实际应用。  针对光学设备观测目标的运载火箭,提出了一种基于模块组合复用的多目标三维建模与视景仿真方法。根据火箭结构特点,使用3DSMAX软件对各部分单元独立建模,通过OpenGL图像库加载模型并组合成火箭整体,基于粒子系统的方法实时对火箭尾焰进行仿真,实现了运载火箭尾焰的实时建模与仿真。  考虑多目标飞行过程的精确控制问题,基于拉格朗日二次插值算法生成火箭飞行航迹,并根据航迹进行火箭六自由度的姿态调整,提出了基于多级关键事件驱动的多目标飞行仿真技术,通过细化运载火箭飞行仿真关键事件,实现了运载火箭飞行过程中的多次点火、分离等动作的描述和控制。  为准确融合虚拟火箭与实时背景图像,通过梳理仿真系统中涉及坐标系的数理关系,实现不同坐标的归一化转换,结合设备参数特性计算成像偏移量,通过边缘膨胀、高斯模糊和虚拟目标增强方法,将目标与真实背景融合叠加,增强了叠加后的视觉效果,有效提升了仿真效果。  基于视景仿真技术的研究成果,结合发射场某光学设备的实际结构特点,设计并实现了软硬件相结合的光学训练模拟器。其中虚拟目标发生器采用软件实现,通过编写软件在高性能计算机上运行,实时生成虚拟火箭图像;虚拟目标叠加器采用硬件实现,将虚拟火箭图像与真实背景相叠加,实现了时序上的一致性。该系统运用于日常仿真训练和神舟系列任务的演练,取得了较好的效果。
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