装备模拟器是军事训练的主要设备，在军事训练中发挥着重要的作用。从20世纪70年代开始，某些发达国家的模拟器就初步具备了射击训练的能力，到了90年代，随着计算机网络技术的发展，部分国家的模拟器已经可以进行战术对抗和多兵种联合训练[4]。目前的模拟器多为舱式半实物模拟器，适应于室内固定使用，可以对武器装备主要功能进行仿真，成员可以完成各种复杂的操作动作[1][5]。
为解决在室内固定的模拟器进行训练时间不足的问题，本文提出一种便携式装甲装备射击训练模拟器[3]。该模拟器尺寸小、重量轻、可单兵携带；同时展开、收纳快捷、使用不受空间场地限制，可用于室内和野外训练；采用半实物方式，能实现武器装备的主要任务功能，操作手感与实装具有高逼真度[2]；采用虚拟现实技术，视觉和听觉感受使人有沉浸感，瞄准镜和炮长终端等采用虚拟设备，外观与实装一致，可以通过触屏或手势操作，对作战人员进行专业技术训练。
1 便携式训练模拟器总体设计思路
根据训练需求，便携式装甲装备射击训练模拟器的功能要求如下：
1)能够按照专业技术教范要求，实现稳像方式下射击专业技术训练，能够按照训练课目要求提供练习和考核模式；
2)能够提供虚拟战场环境，并提供训练场地和设施模型，进行目标模拟、气象模拟、声效模拟；
3)能够按照对应装备，模拟跟踪、测距、瞄准、制导、击发等射击动作过程，进行火炮射击操作和炮射导弹操作模拟训练；
4)便携式模拟器能够放置在一个箱体结构中，易于展开、收纳，方便移动和运输，可单兵携行。
便携式训练模拟器总体设计思路是：采用虚实结合方式，发挥实装训练和虚拟训练二者的优点，使受训人员既能通过实物部件机构掌握其操作技能，又能通过计算机软件生成的虚拟要素，使受训人员具有良好的操作性和沉浸感。为减轻重量、缩小尺寸，研制中操控部分虚实结合，观瞄部分以虚为主，炮长操纵台采用实物部件模拟，以保证操作使用方式、操纵行程、操纵力感等与实装一致，炮长显控终端、炮长主瞄镜等操作部件采用虚拟部件模拟，虚拟部件的外形、空间布局、功能、操作使用方式等与实装一致[7,9]。出于便携性的考虑，而且训练中稳像是基础的工况模式，因此设计使模拟器工作在稳像工作模式。稳像工作方式可由操纵台单独完成。具体思路框图如图1。
图1 基于虚实结合的便携式射击训练模拟器思路框图
虚拟方面，对训练场地、环境设施、靶形目标、实体目标进行静态和动态建模构建虚拟训练场地，对炮塔配电盒、炮长显控终端、炮长主瞄镜等操控设备建模构建虚拟炮长操控环境，按照专业技术教范制定射击训练想定，并通过计算机进行实时仿真，两部分信息叠加综合后通过显示屏虚物实化，受训者通过视觉、听觉感受到逼真的训练场景。
实物方面，核心操控部件-炮长操纵台采用实物部件，受训者能通过真实的动作和力度发出操控指令，其它操控部件通过显示屏触摸交互形成操控信号，操控信号经火控系统模型转换后，驱动炮长主瞄镜、炮塔武器系统进行射击任务仿真，实现对受训者进行射击训练。
2 便携式射击训练模拟器的工作原理与操作流程
便携式射击训练模拟器要为炮长提供高效训练平台，使炮长掌握射击技能和协同动作，强化观察测距、武器操作、跟踪发射、规则运用和车内协同五项基本功，使其能迅速发现和识别目标，熟练操作火控系统和武器，准确进行射击。
便携式射击训练模拟器工作原理框图如图2。就是通过虚实结合方式建立虚拟训练场景和半实物操控环境，通过射击训练想定驱动射击训练进程，通过实时信息采集和处理将操控动作转换为计算机指令，通过射击操作序列模型和射击任务功能模型进行射击任务仿真，通过虚拟兵力对蓝方目标、同装备车长和驾驶员进行仿真，训练进程随时间节拍驱动虚拟场景更新[5]。在训练过程中，受训者通过炮长操纵台、炮塔配电盒、炮长显控终端、炮长主瞄镜等实物部件和虚拟部件对装备进行操控，完成对目标观察测距、武器操作、瞄准(跟踪)发射、火控解算、制导控制等射击全过程训练，计算机通过外弹道仿真、毁伤仿真展示射击效果[8]。模拟器后台软件对训练过程进行全程监控，并实时进行数据记录，练习模式下可给受训者进行必要的信息提示，考核模式下能给训练结果进行考核和成绩评定，训练结束后，能回放训练过程，便于受训者分析改进。
便携式模拟器采用箱式结构，仿真计算机、显示屏、炮长操纵台等所有设备可以收纳在箱体内，箱体同时作为模拟器的操作控制台。
便携式模拟器易于展开、收纳，方便移动和运输。射击训练过程可分为准备、训练和结束三个阶段。训练流程框图如图3。
准备阶段包括展开与启动、训练课目选择、训练条件设置下发；训练阶段，受训者操作炮长操纵台，通过显示屏的视景窗口完成目标搜索、跟踪和射击操作；结束阶段，根据训练课目的评分标准和操作过程数据给出训练成绩，结束本次训练。
图2 便携式射击训练模拟器的工作原理框图
图3 便携式模拟器射击训练流程框图
3 便携式模拟器设计方案
3.1 便携式模拟器硬件方案
便携式模拟器硬件组成，如图4所示。包括炮长操纵台、仿真计算机、触摸显示屏、信号采集盒和音响设备和箱体支架组成。
图4 便携式射击训练模拟器的硬件组成框图
3.1.1 炮长操纵台
炮长操纵台用于炮长对主瞄镜和武器的操作控制，是炮长的重要部件。炮长使用操纵台可完成在稳像工况下的瞄准射击动作，具体实现上通过操纵台控制瞄镜对目标进行寻找、跟踪，炮线跟随瞄线进行运动。操纵台包括方位操纵机构、高低操纵机构、调零电位器、指示灯、测距按钮、击发按钮等。炮长操纵台要求操纵力度、操纵角度和瞄镜运动速度关系与实装一致，该部件是炮长稳定跟踪关键技能训练的核心部件。
炮长操纵台是安装在炮长前方的二自由度转角操纵器。外观及内部结构示意图如图5。前、后转动左右手柄时，操纵台输出高低向转动的控制信号；当左、右转动操纵台本体时，操纵台输出方位向转动的控制信号。操纵台手柄偏转不同的角度，可获得不同的高低向和方位向转动速度。
图5 炮长操纵台外观和内部结构示意图
训练中受训者通过炮长操纵台操纵炮长主瞄镜/武器，在虚拟训练场地内实现对目标的搜索、捕获、瞄准和跟踪。炮长操纵台的操纵力感和输出控制信号是关键指标。操纵力感采用机械方式实现，通过弹簧(见图5)产生与转角成正比的回正力矩，具体性能与实装一致。输出控制信号决定着主瞄镜/武器的转动速度和运动平稳性，对于提升受训者稳定跟踪操作技能，实现快速发现目标、跟踪目标、完成射击具有重要的作用，输出曲线采用梯度设计，在左右、前后转动中，对操纵机构转动角度与控制信号曲线如图6。其中，横坐标表示操纵台的转角，纵坐标转速控制信号控制炮塔转动的速度，方位向最大为±40(°)/s，高低向最大为±35(°)/s。如图所示，正转时，OA段是“死区”段，输出为0，起到防止误操作的用途；AB段是高精确调炮段，主要是进行小范围精确调炮瞄准；BC段是中精度调炮段，主要进行中度范围调炮瞄准；CD段是快速调炮段，主要完成快速大幅度调炮过程。反转过程与之对称。相应函数关系为：
(1)
图6 操纵台输出控制信号曲线
3.1.2 仿真计算机和其他硬件
仿真计算机是模拟器所有软件的安装和运行载体，也是所有操作动作、训练流程的逻辑控制中心。该设备部件不仅要求尺寸小巧，运算功能强，而且要求具有强大的图像显示功能。其中，处理器采用英特尔第八代i7处理器，显卡采用英伟达GTX 1070系列，同时在安装部位贴散热片，保证计算机良好的散热性。
触摸显示屏是实现人机交互的另一主要部件，用来呈现三维视景、模拟终端设备界面、观瞄设备界面，显示分辨率为1 920×1 080，具有良好显示清晰度和触摸性能。人机交互界面示意图如图7。
界面中，主瞄镜中显示的是炮长的视景，视景中包含虚拟生成的环境、分划、敌方目标以及测距瞄准时反馈的显示数据。除此之外，还可以切换显示弹种选择界面、火力解算界面、弹道解算界面。在射击标定诸元的时候，还会显示诸元解算界面，从而在提供良好操控手感的同时全面、智能、数字化的显示各界面。
图7 触摸显示屏人机交互界面示意图
箱体支架是便携式模拟器的载体和操作平台。所有组成部件布置在箱体支架上，展开时箱体支架是便携式模拟器的操作平台，收纳时箱体支架是便携式模拟器的收纳箱。箱体支架配有小车，移动时小车可作为载运便携式，训练时小车可转换为受训者座椅。
3.2 便携式模拟器软件组成
便携式模拟器软件采用模块化设计方法，根据射击任务功能和流程，进行模块化划分并确定软件模块集成关系，各软件模块之间通过统一制定的协议进行数据通信和传输，实现了“高凝聚、低耦合”的运行系统。各软件模块功能相互独立，保证了软件模块开发时的独立性和易修改性，集成软件通过各模块之间数据的输入输出关系实现了系统集成，通过模块调用实现系统按流程运行[10]。
便携式模拟器软件采用多层体系架构，其组成如图8所示。最底层为支撑层，为软件运行提供支撑环境，包括操作系统，三维视景平台等。第二层为基础层，提供软件运行的模型和数据库等；第三层为业务层，是软件中使用的基础软件构件，能够支持各类模拟器和不同应用软件；最上层为应用层，实现模拟器需要的各项具体功能，应用层软件包括视景仿真软件、炮长视窗仿真软件、火控仿真软件、终端模拟软件、车内协同训练、弹道仿真软件、训练控制软件以及成绩评定软件。
图8 便携式射击训练模拟器的软件组成框图
1)视景仿真软件
采用视景生成技术，通过三维建模软件，建立战场地形模型(包括类型、坡度、干扰物等)、气象模型(包括雨、雪、风、沙尘等)、目标和对象行为模型(包括敌我单位、位移、转向、射击、战术队形等)，通过视景引擎构建虚拟训练训练场地，并辅以特效、声音等。采用计算机生成兵力技术，建立蓝军智能行为模型，生成敌方兵力。
2)炮长视窗仿真软件
根据炮长主瞄镜视窗显示效果，采用视景仿真软件进行模拟显示，炮长视窗的倍率、视角以及分划与实装保持一致。
3)火控仿真软件
实现对操纵台信号采集和处理，驱动视景仿真软件和炮长视窗仿真软件，进行火控解算，按照射击操作序列模型，开展观察测距、瞄准发射训练。
4)终端模拟软件
根据炮长操作控制设备情况，提供炮长显控终端、炮长主瞄镜、炮塔配电盒等操作界面，其功能响应、操作反馈、操作序列和实装交互界面一致。
5)车内协同训练
采用计算机生成兵力技术，建立车长和驾驶员自治行为模型和操纵控制模型，根据训练时间和训练内容的推进设置AI的训练动作，进行车长和驾驶员的操作动作模拟，实现车内协同训练。
6)弹道仿真软件
采用弹道仿真技术，将炮弹射表数据库录入到弹道仿真软件中作为弹道计算的数据库，采用视景软件在虚拟战场环境中实现逼真的可视化弹道仿真。
7)训练控制软件
能够对训练准备进行设置，实现训练模式选择、训练条件设置、训练任务下发；能够对训练过程进行控制，可以实现训练开始、暂停、继续、结束等过程控制。
8)成绩评定软件
能够对训练结果进行成绩评定，按照专业技术教范设定的训练科目定制评定指标的量化参数和权重系数，根据训练科目的评分标准和操作过程数据给出训练成绩，能够对操作快速性、操作准确度和操作步骤正确性给出客观的评价。
4 结论
本便携装甲模拟器使成员可以实现射击技能训练，能够实现炮长装弹、测距、跟踪、瞄准、击发等操作动作过程模拟；实现导弹装弹、校准、击发、制导、复位等动作过程模拟，涵盖射击基础训练和应用训练科目的相应内容。同时因其独特的便携特性，使大规模联网组队变得更加经济易实现。
在战术训练方面，便携模拟器可以加入到别的仿真系统进行训练。接入综合式模拟器训练系统后，可以实现综合式、便携式模拟器协同训练，有利于充分发挥不同种类模拟器的优势。接入实装的训练系统后，可以实现在实装数量不足的条件下进行的大规模分队训练。战术训练结束后，还可以通过评估软件对仿真训练过程通过校验、验证和确认来进行系统的仿真可信度评估。
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