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：

    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

    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