基于STK/MATLAB的數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)部署優(yōu)化研究

宋孝先，張 超

(1.國(guó)防信息學(xué)院八系，湖北 武漢 430010;2.二炮指揮學(xué)院三系，湖北 武漢 430010)

0 引言

未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)是基于信息系統(tǒng)的體系化作戰(zhàn)，數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)沁B接各作戰(zhàn)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，對(duì)發(fā)揮體系作戰(zhàn)效能十分重要。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的端機(jī)主要使用V/UHF頻段連接各指揮所、傳感器平臺(tái)與武器平臺(tái)，這些作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)散布于廣大作戰(zhàn)空間，其相互間通信鏈路能否成功建立與各站點(diǎn)所處的電磁環(huán)境和站點(diǎn)間的可視性有重要的關(guān)聯(lián)。利用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行分析、檢驗(yàn)和優(yōu)化數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能是一種科學(xué)、有效的方法。

1 數(shù)據(jù)鏈作戰(zhàn)仿真環(huán)境的構(gòu)建

1.1 軟件選取

AIG公司開發(fā)的STK(Satellite Tool Kit，衛(wèi)星工具包)軟件是當(dāng)前國(guó)際上最出色的三維建模仿真工具軟件之一，廣泛應(yīng)用于航空、航天、作戰(zhàn)仿真等領(lǐng)域。STK由多個(gè)模塊組成，具有飛機(jī)、艦船、衛(wèi)星、車輛、地面設(shè)施等作戰(zhàn)實(shí)體模型，可以方便、快速地仿真各作戰(zhàn)實(shí)體模型完成各種復(fù)雜的陸、海、空、天任務(wù)的過(guò)程，并提供易于理解的圖表和文本形式的分析結(jié)果。

由于STK軟件涵蓋了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作戰(zhàn)運(yùn)用的所有平臺(tái)類型，因此可以方便地設(shè)置空中、地面、海上機(jī)動(dòng)平臺(tái)的路徑，固定設(shè)施的地理位置;還可以為各類平臺(tái)添加傳感器、雷達(dá)、無(wú)線電收發(fā)信機(jī)等模型;它擁有精細(xì)的衛(wèi)星軌道、地形環(huán)境、大氣吸收模型，從而可以構(gòu)建覆蓋所有作戰(zhàn)空間的逼真的一體化指揮信息系統(tǒng)，對(duì)于數(shù)據(jù)鏈作戰(zhàn)仿真是十分便捷的;并且可以進(jìn)一步利用自帶的各類分析工具進(jìn)行平臺(tái)間的可見性分析、對(duì)關(guān)注地域的覆蓋分析等操作。STK擁有豐富而精確的模型以及超強(qiáng)的三維顯示功能，成為進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)部署仿真的首選。

為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)部署設(shè)置，就必須控制改變STK模型參數(shù)。STK/Connect模塊為用戶提供一種利用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)STK進(jìn)行編程控制的接口。通過(guò)STK/Connect模塊，用戶可以使用MATLAB、C++等編程語(yǔ)言把對(duì)STK的操作封裝到自己的程序中，從而實(shí)現(xiàn)用戶程序起到取代人工操作STK軟件的作用。

雖然MATLAB相比C++、C#等編程語(yǔ)言執(zhí)行效率低一些，但對(duì)于計(jì)算量不大和算法不太復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合這些不足之處完全可以忽略不計(jì)。并且STK特別提供了對(duì)MATLAB的基于TCP/IP接口連接，屏蔽了底層通信細(xì)節(jié)，具有豐富的函數(shù)，使用起來(lái)更加方便快捷?；诖它c(diǎn)考慮，本文選取MATLAB編制主程序來(lái)控制STK仿真進(jìn)程。這樣就可以充分利用MATLAB的強(qiáng)大編程、運(yùn)算、控制能力來(lái)控制STK實(shí)現(xiàn)三維建模、精確仿真計(jì)算等功能。

1.2 作戰(zhàn)地形文件的處理與加載

用實(shí)際作戰(zhàn)地域地形數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真可提高分析的準(zhǔn)確性。作戰(zhàn)地域的數(shù)字高程數(shù)據(jù)來(lái)源主要有:1)軍事測(cè)繪部門利用各種手段所得的高精度保密數(shù)據(jù);2)公開渠道獲得的一般精度數(shù)據(jù)。數(shù)字高程數(shù)據(jù)精度越高，仿真計(jì)算結(jié)果就越精確，實(shí)際作戰(zhàn)籌劃時(shí)應(yīng)選擇高精度數(shù)據(jù)。為了說(shuō)明研究方法而不失一般性，本文利用第2種來(lái)源的SRTM3數(shù)據(jù)。SRTM是美國(guó)太空總署和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局聯(lián)合測(cè)量的南北緯60°間的全球雷達(dá)影像數(shù)據(jù)，按精度可分為SRTM1和SRTM3，分辨率精度分別對(duì)應(yīng)30米和90米。對(duì)外公布的是SRTM3數(shù)據(jù)。首先在其官方網(wǎng)站選擇關(guān)注的地域，下載相應(yīng)的數(shù)字高程數(shù)據(jù)文件，由于該數(shù)字高程數(shù)據(jù)不能直接被STK使用，故需要格式轉(zhuǎn)換。把后綴名為TIF的文件用第三方軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)文件后綴名分別為DEM和JPG的數(shù)字高程與平面圖像數(shù)據(jù)格式。Global Mapper是一款專業(yè)的地圖繪制軟件，不僅能夠?qū)RTM數(shù)據(jù)顯示為光柵地圖、高程地圖、矢量地圖，還可以對(duì)地圖作編輯、轉(zhuǎn)換，并且轉(zhuǎn)換精度高、速度快。在STK所建立的場(chǎng)景中，添加轉(zhuǎn)換后的USGS DEM文件，該文件導(dǎo)入到STK中是不可視的，但可以做數(shù)據(jù)分析用。為增加三維可視化效果，需要利用STK自帶的圖像轉(zhuǎn)換工具進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把JPG和DEM格式的圖像地形文件分別轉(zhuǎn)換為PDTTX和PDTT兩類STK專用文件格式，再在STK的Global Manger中加載就可以進(jìn)行可視化操作與數(shù)值分析了。作戰(zhàn)地形高程影像文件轉(zhuǎn)換流程如圖1所示。

圖1 地形高程影像文件格式轉(zhuǎn)換流程

需要說(shuō)明的是，STK中既可使用PDTTX專用圖像格式也可以使用JPG2000通用格式來(lái)做圖形顯示，但必須用PDTT專用格式做地形顯示。雖然Global Manger也可以輸出JPG2000格式，但STK圖像轉(zhuǎn)換工具在PDTT格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，筆者所用版本的STK軟件轉(zhuǎn)換不成功，故直接使用Global Manger軟件輸出JPG格式的圖像文件，該轉(zhuǎn)換格式屬于有損壓縮，信息丟失對(duì)視覺精度有一定的影響，但本文中其主要用于三維數(shù)據(jù)計(jì)算，三維顯示只是輔助作用，故轉(zhuǎn)換精度的影響可以忽略不計(jì)。

2 數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)部署位置優(yōu)化

2.1 站點(diǎn)部署位置優(yōu)化需求

數(shù)據(jù)鏈終端主要使用微波頻率達(dá)成態(tài)勢(shì)感知、指揮控制與指揮協(xié)同等格式化信息的傳輸。微波的直線傳輸特性決定了在其傳輸路徑上不能有大的遮擋物，否則會(huì)影響傳輸效果甚至造成通信中斷。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)散布于整個(gè)作戰(zhàn)空間，可能有山脈、丘陵、河流與建筑等地形地貌地物的分割阻礙，造成地面數(shù)據(jù)鏈臺(tái)站間通信距離受到嚴(yán)格的約束，為擴(kuò)大通信距離必須采用升空平臺(tái)中繼的方式，但這樣帶來(lái)了通信時(shí)隙容量倍減和傳輸延時(shí)增大等不利問(wèn)題。以預(yù)警機(jī)為中心進(jìn)行中繼組網(wǎng)成為微波數(shù)據(jù)鏈的主要運(yùn)用方式，但地空數(shù)據(jù)鏈的中繼運(yùn)用并不能完全避免傳輸路徑的地形遮擋問(wèn)題，必須合理設(shè)置地面數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)臺(tái)站的位置和預(yù)警機(jī)的巡航高度與路徑才能做到地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)平臺(tái)端機(jī)間的全局可見性最高，可以大大減少地形遮擋造成地面數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)終端的頻繁斷鏈、脫網(wǎng)等問(wèn)題。

數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)的部署位置一旦確定，整個(gè)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的性能也就基本確定了。若某些數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)位置部署不合理，就會(huì)造成該數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)通信性能的下降，甚至不能正常入網(wǎng)，會(huì)嚴(yán)重影響作戰(zhàn)進(jìn)程。合理確定數(shù)據(jù)鏈臺(tái)站的部署位置，對(duì)優(yōu)化數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能是十分必要的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)鏈臺(tái)站的位置與作戰(zhàn)過(guò)程是密切相關(guān)的，不可能脫離作戰(zhàn)實(shí)際隨意布設(shè)。但數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)臺(tái)站位置可以在一定的地域范圍內(nèi)微調(diào)，做到局部最優(yōu)是有可能的，使得地面數(shù)據(jù)鏈站點(diǎn)對(duì)空中預(yù)警機(jī)的可視工作鏈路連接的時(shí)間最長(zhǎng)。

2.2 站點(diǎn)部署位置優(yōu)化方法

圖2 MATLAB與STK聯(lián)合仿真程序流程圖

假設(shè)數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)位于(N27°，E118°)，在STK的數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)臺(tái)站屬性頁(yè)選中“使用地形數(shù)據(jù)”選項(xiàng)，“高于地面的高度”數(shù)值設(shè)置為數(shù)據(jù)鏈站點(diǎn)天線的實(shí)際高度。以數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)為中心的南北和東西方向可以調(diào)整的距離范圍假設(shè)為［-5000，5000］m，調(diào)整的步長(zhǎng)設(shè)為100 m，在局部范圍內(nèi)可以有100×100個(gè)候選位置。搜索這些位置就可確定一個(gè)局部最佳位置滿足與空中平臺(tái)通視時(shí)間最長(zhǎng)的要求。根據(jù)數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)地面站點(diǎn)的初始位置與調(diào)整范圍，設(shè)置調(diào)整步長(zhǎng)。為分析簡(jiǎn)便，假設(shè)地球?yàn)榘霃?371 km的均勻球體。緯度調(diào)整步長(zhǎng)latΔ與經(jīng)度調(diào)整步長(zhǎng) longΔ 可設(shè)定為{10-3，10-2，10-1}度，當(dāng)度數(shù)步長(zhǎng)為10-3時(shí)，南北、東西方向可調(diào)整距離步長(zhǎng)分別為111 m與99 m。假若數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)臺(tái)站的位置部署限制性較弱，可以采用大步長(zhǎng)(10-1)進(jìn)行廣域搜索，中步長(zhǎng)(10-2)進(jìn)行區(qū)域搜索后，再在局域小步長(zhǎng)(10-3)詳細(xì)搜索，就會(huì)快速尋找到全局最優(yōu)部署位置。若地面數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)位置限制性強(qiáng)不宜大范圍移動(dòng)，也可用類似方法對(duì)空中平臺(tái)的巡航路線進(jìn)行優(yōu)化，尋找一條飛行路線使得對(duì)所有地面數(shù)據(jù)鏈臺(tái)站的連接時(shí)間全局最優(yōu)。

MATLAB與STK的聯(lián)合仿真流程如圖2所示。

在MATLAB與STK聯(lián)合仿真控制時(shí)，使用的命令函數(shù)如表1所示。所有命令及參數(shù)都嚴(yán)格區(qū)分字符大小寫，此外還需注意參數(shù)的度量單位，具體內(nèi)容請(qǐng)參考STK幫助手冊(cè)。

表1 STK命令函數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

首先利用命令初始化STK配置，建立MATLAB與STK的連接。在STK軟件中新建仿真場(chǎng)景，添加預(yù)警機(jī)和數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)地面站點(diǎn)模型，規(guī)劃預(yù)警機(jī)的航路，設(shè)置數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)地面站初始位置，運(yùn)行連接命令查看連接報(bào)告，作為優(yōu)化結(jié)果的參照。

作戰(zhàn)地域地形和地面數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)對(duì)空的連接持續(xù)時(shí)長(zhǎng)分布的三維顯示如圖3和圖4所示。

圖3 作戰(zhàn)地域地形及數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)初始位置

圖4 地空鏈路的連接持續(xù)時(shí)長(zhǎng)三維分布

變步長(zhǎng)搜索的數(shù)據(jù)鏈站點(diǎn)優(yōu)選位置和地空鏈路可見性持續(xù)時(shí)長(zhǎng)隨地理位置的分布如圖5和圖6所示。對(duì)比使用地形數(shù)據(jù)與否2種情況下所優(yōu)選的數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)位置與連接時(shí)長(zhǎng)如表2所示。

圖5 大步長(zhǎng)搜索及連接持續(xù)時(shí)長(zhǎng)二維分布

圖6 小步長(zhǎng)搜索及連接持續(xù)時(shí)長(zhǎng)二維分布

表2 位置優(yōu)化搜索結(jié)果及連接時(shí)長(zhǎng)(s)

從圖4～圖6和表2可以看出，使用地形數(shù)據(jù)與否會(huì)影響仿真的結(jié)果，充分說(shuō)明了地空通信鏈路受到地形的遮擋效應(yīng)比較明顯。由于實(shí)際預(yù)警機(jī)巡航路線規(guī)劃數(shù)據(jù)與地面機(jī)動(dòng)數(shù)據(jù)鏈站點(diǎn)的入網(wǎng)連接時(shí)長(zhǎng)性能參數(shù)涉密不易獲取，本文只簡(jiǎn)單對(duì)比使用地形數(shù)據(jù)與否對(duì)地空鏈路連接時(shí)長(zhǎng)的影響。當(dāng)空中預(yù)警機(jī)平臺(tái)巡航路線已確知時(shí)，地面數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)的位置決定了該站點(diǎn)的通信連接時(shí)長(zhǎng)，根據(jù)作戰(zhàn)預(yù)案設(shè)置的站點(diǎn)初始位置未必是最佳的，這就為優(yōu)化部署提供了改進(jìn)空間。在仿真時(shí)可以進(jìn)行變步長(zhǎng)搜索控制，從而可加速仿真的進(jìn)程。由于使用地形高程數(shù)據(jù)的精度問(wèn)題，采用小步長(zhǎng)與采用中步長(zhǎng)所獲取的地理位置相差不大，但所需計(jì)算量卻大得多。對(duì)于SRTM3精度的高程數(shù)據(jù)，采用經(jīng)緯度中等步長(zhǎng)(10-2)進(jìn)行搜索其定位精度已能夠滿足要求。當(dāng)采用更高精度的高程數(shù)據(jù)時(shí)，也可考慮采用小步長(zhǎng)搜索，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)定位的精確度。

4 結(jié)束語(yǔ)

STK突出的三維建模、計(jì)算、顯示功能和MATLAB強(qiáng)大而便捷的控制、分析能力在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)組織運(yùn)用中可以發(fā)揮重要的輔助作用。在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)劃過(guò)程中，通過(guò)仿真可以不斷分析、檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的地面數(shù)據(jù)鏈機(jī)動(dòng)站點(diǎn)部署情況與作戰(zhàn)的符合程度，在正式確定數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作戰(zhàn)保障文書之前把各種制約數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作戰(zhàn)性能發(fā)揮的不利因素最小化，從而可以最大程度地保證數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)劃的質(zhì)量，為保障作戰(zhàn)進(jìn)程順利推進(jìn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］余賢圣.STK在作戰(zhàn)仿真中的應(yīng)用研究［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2007.

［2］年福純，周錦標(biāo)，何劍偉，等.STK三維場(chǎng)景構(gòu)建及優(yōu)化方法研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2012，24(1):197-201.

［3］道客巴巴.在STK中使用地形和地貌數(shù)據(jù)［EB/OL］.http://www.doc88.com/p-0651660065470.html，2014-06-19.

［4］西安交通大學(xué).STK中文幫助手冊(cè)［EB/OL］.http://www.docin.com/p-360632895.html，2014-06-19.

［5］鐘海榮.大規(guī)模分布式仿真系統(tǒng)的時(shí)空一致性研究［D］.長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2005.

［6］楊穎，王琦.STK在計(jì)算機(jī)仿真中的應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2005:237-238.

［7］李弢，陳立云，連云峰，等.基于STK的Connect模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8(22):6111-6112.

［8］黃為.基于HLA的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2007.

［9］鄭玉航，于海燕，杜雅秀.視景仿真技術(shù)在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用［J］.國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)，2003，32(4):12-14.

［10］陳專紅.結(jié)合視景仿真的分布式作戰(zhàn)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2007，20(12):15-18.

［11］張紅樸.實(shí)時(shí)分布仿真環(huán)境下的視景仿真技術(shù)研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2006.

［12］董加強(qiáng).基于STK的航天發(fā)射可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(2):446-449.

［13］鄧晶，張明智，李志強(qiáng)，等.基于STK的信息作戰(zhàn)臺(tái)式三維仿真可視化表現(xiàn)方法研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22(11):2654-2659.

［14］李曉印，郭達(dá)志，張佃國(guó).DEM與TIN的數(shù)據(jù)精度與應(yīng)用領(lǐng)域的對(duì)比分析［J］.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，23(1):76-79.

［15］董小龍，孫金標(biāo).分布式飛行視景仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.火力與指揮控制，2009，34(1):105-108.

［16］張?jiān)票?，張永?STK/Connect模塊分析與應(yīng)用［J］.測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，18(9):29-32.

［17］常建松，林曉輝.STK與Matlab聯(lián)合仿真方法及應(yīng)用研究［C］//全國(guó)仿真技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議文集.2007:131-133.

［18］李睿，曾德賢.STK用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下仿真的實(shí)現(xiàn)方法［J］.航天控制，2005，23(3):64-68.