STK飛行任務(wù)仿真及其在空地鏈路分析中的應(yīng)用*

郭金亮

（中國民用航空珠海進近管制中心，廣東 珠海 519015）

STK飛行任務(wù)仿真及其在空地鏈路分析中的應(yīng)用*

郭金亮

（中國民用航空珠海進近管制中心，廣東 珠海 519015）

飛行仿真是飛行航路設(shè)計，飛行任務(wù)規(guī)劃以及飛行訓(xùn)練等項目中非常重要的一項任務(wù)。介紹了在STK（Satellite Tool Kit）的三維顯示環(huán)境下，利用STK提供的專業(yè)化模塊STK/AMM（Aircraft Mission Modeler）進行航空器飛行任務(wù)仿真的方法,詳細闡述了利用該模塊進行飛行任務(wù)規(guī)劃和飛行路徑設(shè)計的過程。同時結(jié)合STK的數(shù)據(jù)分析功能完成航空器在飛行過程中與地面臺站的通信鏈路的可用性分析。給出的仿真方法較以往的仿真方法簡單，設(shè)計過程更加靈活，可以快速地實現(xiàn)飛行任務(wù)仿真設(shè)計和空地通信鏈路的可用性分析。

飛行仿真，任務(wù)規(guī)劃，三維場景，STK，鏈路分析

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，生產(chǎn)生活的需要，低空空域的逐步開放，我國的民航事業(yè)、通用航空、無人機產(chǎn)業(yè)等都在蓬勃發(fā)展。為了滿足迅速擴大的飛行需求，保障飛行安全順暢，對飛行任務(wù)進行前期規(guī)劃和飛行仿真就顯得尤為重要。

目前，關(guān)于飛行仿真的研究和軟件也較多，但是大多數(shù)軟件對飛行的仿真主要是對飛行場景的仿真，飛行環(huán)境也是虛擬生成的模型，與實際飛行中的三維環(huán)境有一定的差別，且飛行仿真的過程較為復(fù)雜，不能快速方便地對真實的飛行任務(wù)進行有效地仿真。本文所使用的仿真軟件為在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較多的商品化分析軟件STK，它可以快速方便地分析復(fù)雜的陸、海、空、天任務(wù)，并提供易于理解的圖表和文本形式的分析結(jié)果，用于確定最佳解決方案［1］。其三維可視化功能可載入真實的地形、影像、GIS（Geographic Information System）數(shù)據(jù)和三維實體模型，場景真實度高，是可視化領(lǐng)域公認的權(quán)威［2］。

STK集成了很多強大而且專業(yè)的功能模塊，其中STK/AMM模塊是針對航空器飛行任務(wù)仿真而提供的專業(yè)化模塊。本文利用STK/AMM模塊完成對飛機飛行過程的仿真，并結(jié)合STK的分析功能和真實的三維顯示環(huán)境完成對飛行過程中空地通信鏈路可用性的分析。

1 三維場景的創(chuàng)建

加入地形數(shù)據(jù)不僅可以增強三維顯示的視覺效果，更重要的是地形是飛行器低空飛行需要考慮的環(huán)境因素之一，而且對雷達等地面臺站的方位角/仰角遮罩的計算，空地目標之間的可見性分析等數(shù)據(jù)分析也起到重要作用。三維場景的組成要素主要包括4種：地表地形數(shù)據(jù)、地表紋理數(shù)據(jù)、場景對象的三維模型和各種地理信息矢量數(shù)據(jù)［3］。

1.1 地形數(shù)據(jù)獲取和導(dǎo)入

地形數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)主要采用外部導(dǎo)入高精度地形數(shù)據(jù)的方式。目前較易獲取且精度較高的地形數(shù)據(jù)是ASTER GDEM數(shù)據(jù)和SRTM3數(shù)據(jù)。文獻［4］對這兩種數(shù)據(jù)質(zhì)量精度進行了細致的對比分析，根據(jù)分析結(jié)果，本文采用在高原地區(qū)精度較好的ASTER GDEM數(shù)據(jù)。

外部獲取的地形數(shù)據(jù)需要經(jīng)過STK集成的轉(zhuǎn)換工具Image Converter或Terrain Converter進行進一步的格式轉(zhuǎn)換才可得到有用的地形數(shù)據(jù)。圖1為利用Terrain Converter進行地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的流程。

圖1 利用地形轉(zhuǎn)換工具進行地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

1.2 地表紋理數(shù)據(jù)的獲取和導(dǎo)入

地表紋理數(shù)據(jù)的獲取方法有很多種，本文利用兩個小軟件GetScreen和SGGS，從GoogleEarth中獲取地球影像。通過這兩個軟件獲取的影像數(shù)據(jù)都是帶有地理坐標信息的。通過后續(xù)的格式轉(zhuǎn)換處理后可以直接與對應(yīng)的地形數(shù)據(jù)匹配。這樣直接獲取的地形和地表紋理數(shù)據(jù)都會有一定的誤差，用于要求較高的研究時還需要對數(shù)據(jù)進行一定校正。圖2是利用Image Converter進行地形數(shù)據(jù)和地表紋理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的流程。

圖2 圖形轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換地形數(shù)據(jù)和地表紋理數(shù)據(jù)的流程

Terrain Converter和Image Converter均可獨立完成地形數(shù)據(jù)和地表紋理數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換且在地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方面兩者差別不大。兩者的主要區(qū)別在于地表紋理的處理部分。Terrain Converter只通過地形數(shù)據(jù)便可生成地形和紋理數(shù)據(jù)，Image Converter的數(shù)據(jù)源有地形和紋理兩部分。Terrain Converter生成的地表紋理主要是利用不同的顏色來區(qū)分高度，三維顯示的效果較差。而Image Converter主要是對外部獲取的地表數(shù)據(jù)如衛(wèi)星圖片等進行轉(zhuǎn)換，可以根據(jù)需要去獲取各種不同的地表數(shù)據(jù)，使用較為靈活，顯示效果也較好。

1.3 GIS數(shù)據(jù)的獲取和導(dǎo)入

GIS工具是STK強大的分析功能的重要內(nèi)容之一，GIS中的圖形以矢量表示和存儲［5］，可用于空間分析、地形研究，地圖制作，地面站臺的選址分析，地網(wǎng)設(shè)備的信號覆蓋分析等諸多領(lǐng)域。制作GIS數(shù)據(jù)的軟件也較多，如ARCGIS等，目前很多GIS論壇、網(wǎng)站等也都提供部分GIS數(shù)據(jù)下載服務(wù)。STK的GIS工具支持多種格式的GIS數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出。

1.4 三維模型的獲取和導(dǎo)入

STK支持的模型文件有其所獨有的.mdl格式。. mdl文件是一種文本文件，為分級結(jié)構(gòu)，由實體和組件構(gòu)成［6-7］，可由通用的三維模型轉(zhuǎn)換而來。目前市場上制作模型文件的軟件很多如3DMAX，Maya，Lightwave等。對于制作好的三維模型可通過格式轉(zhuǎn)換后用于STK中進行三維顯示。下頁圖3為三維模型的格式轉(zhuǎn)換流程。

LwConverter是STK提供的專門用于將.lwo格式的模型文件轉(zhuǎn)換為.mdl格式的轉(zhuǎn)換工具，用法較為簡單。模型文件包含一定的關(guān)節(jié)部件，在仿真過程中，可以通過編寫外部文件的方式來控制模型姿態(tài)各關(guān)節(jié)的活動，來完成一定的動作，來進一步增強場景的顯示效果。各類模型的關(guān)節(jié)控制文件的格式見表1所示。

圖3 三維模型的格式轉(zhuǎn)換流程

表1 各種模型的關(guān)節(jié)文件擴展名

2 飛行任務(wù)仿真方法

2.1STK/AMM簡介

STK提供的航跡生成方法有4種：

GreatArc：在地球表面定義一系列點，由點跡連線構(gòu)成路線；

StkExternal：利用外部歷書文件（*.e）控制對象運動；

RealTime：通過外部數(shù)據(jù)接口connect傳送外部實時數(shù)據(jù)，驅(qū)動對象運動；

AMM（Aircraft Mission Modeler）：STK定義的對飛機對象進行任務(wù)設(shè)計和仿真的專用工具。

AMM是建立在飛行任務(wù)的概念之上的，比單純的點到點的飛行要復(fù)雜很多，它既包括飛行程序也包括飛機的性能特點，既描述飛機去了哪里也描述怎么去，以及在去的過程中所完成的動作或任務(wù)。其仿真過程主要包括：飛機模型的選擇和參數(shù)配置、定義任務(wù)階段并選擇所要采用的性能模型、定義每個階段飛機的飛行程序三部分。

2.2 飛機模型選擇和性能模型的參數(shù)配置

利用AMM進行飛行仿真，首先要選擇執(zhí)行飛行任務(wù)的飛機類型并設(shè)置飛機的配置參數(shù)和飛行參數(shù)。AMM中飛機的飛行航路是由飛機本身的性能特點（巡航速度、爬升率、滾轉(zhuǎn)角速度、傾斜角等）決定的一系列參數(shù)化的曲線構(gòu)成。

AMM中的飛機模型是飛機圖形化的代表，它不僅定義了飛機的物理特征還決定了它在任何給定情景下的飛行模式——性能模型。性能模型用來定義飛機在飛行過程中所完成的動作，例如爬升，下降，轉(zhuǎn)彎等。同樣，利用AMM在進行飛行任務(wù)仿真中，也需要對這些因素進行綜合考慮，包括飛機模型的選擇，性能模型等飛行參數(shù)的設(shè)定。

AMM模塊中已經(jīng)包含了相當一部分允許用戶直接應(yīng)用的飛機模型并預(yù)設(shè)了性能模型參數(shù)和飛機配置參數(shù)。飛機的配置數(shù)據(jù)包括燃油和有效載荷，這些信息主要用來在自定義的加速性能模型中準確地計算攻角，對于其他姿態(tài)性能關(guān)系不大。6種基本性能模型（起飛（Takeoff）、爬升（Climb）、加速（Acceleration）、巡航（Cruise）、下降（Descent）、著陸（Landing）已經(jīng)作為初始參數(shù)預(yù)置到每個飛機模型中。此外還有兩個自定義性能模型：地形跟隨（Terrain Follow）和垂直起降（VTOL）。其中地形跟隨性能模型和垂直起降性能模型分別定義了飛機在進行地形跟隨和垂直起降飛行程序時的飛行特征。這些性能模型參數(shù)決定了飛機在飛行過程中所完成的各種動作，用戶可以根據(jù)需要修改初始基本性能模型的參數(shù)或者建立新的性能模型。

2.3 創(chuàng)建任務(wù)“階段”，選擇性能模型

STK/AMM將飛行任務(wù)的過程劃分為“階段”（Phase）和“程序”（Procedure）兩個層次。階段是包含整個或部分任務(wù)的容器，是組成整個飛行任務(wù)過程的邏輯框架。每個階段中都包含一個或數(shù)個飛行程序。每個飛行任務(wù)都包含一個或多個任務(wù)階段，在各個任務(wù)階段中，可以根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先順序，通過指定性能模型來改變飛機的飛行方式?！俺绦颉笔墙M成每個任務(wù)階段的元素，是每個任務(wù)階段飛機具體執(zhí)行的飛行方式和飛行航路，也就是前面所描述的飛機的性能模型。

2.4 創(chuàng)建飛行“程序”

飛行程序由兩部分組成：程序站點（Site）和程序本身（Procedure）。程序站點決定飛行程序的位置信息，AMM中共有11種不同的站點類型，如跑道，航路點，垂直起降點等。每種站點都有不同的作用和配置參數(shù)，如跑道類型的站點需要設(shè)定跑道號和經(jīng)緯度、高度等信息，而航路點只需要設(shè)定高度和經(jīng)緯度。

飛行程序的類型分為三組：標準類型、垂直起降類型和高級類型。標準飛行程序是最常見的飛行程序，不依賴于其他STK對象。垂直起降主要用來模擬直升機的垂直起降、懸停等動作。高級程序一般要涉及與其他STK的協(xié)調(diào)動作。飛行程序種類較多，具體采用哪種要根據(jù)航路點和前后所采用的程序類型來確定。不同飛行程序之間的過渡方法由STK根據(jù)前后程序的特點自動計算得出。

圖4 圓弧類型的飛行程序

圖4 是標準飛行程序類型中的弧形類型的示意圖。弧形程序類型包括3個控制點：程序站點（Procedure Site）、圓弧切入點（Join Arc Procedure）和圓弧脫開點（Exit Arc Procedure）。圓弧切入點的位置由上一個飛行程序過渡過來的起始方位（Start Bearing）、轉(zhuǎn)彎方向（Turn Direction）和轉(zhuǎn)彎半徑（Radius）3個參數(shù)決定。圓弧脫開點由轉(zhuǎn)彎角度決定，這些參數(shù)在建立飛行程序的時候都需要根據(jù)飛行需要自行設(shè)定。

3 空地鏈路分析

飛機在飛行過程中需要不斷地獲取地面導(dǎo)航臺或者導(dǎo)航衛(wèi)星的導(dǎo)航信號并隨時接收地面空中交通管制員的指揮指令等。通過利用STK的可見性分析功能，可以快速計算飛機在整個任務(wù)過程中與導(dǎo)航衛(wèi)星和地面導(dǎo)航臺的可見時間段，以此來分析空地通信鏈路的可用性。并利用STK的報告（Report）和圖表（Graphic）功能生成飛行過程中飛機與每顆導(dǎo)航衛(wèi)星，每個地面臺站的可見起始時刻，可見時長，最長和最短可見時間以及每個時刻的可見衛(wèi)星數(shù)量或臺站數(shù)量的數(shù)據(jù)報告和圖表。

4 任務(wù)設(shè)計實例

西藏林芝機場為高原機場，自然地形與氣候復(fù)雜多變，飛機執(zhí)行任務(wù)尤為困難，不僅操作復(fù)雜，而且要考慮的外界客觀因素也眾多，所以對在高原機場飛機的飛行情況進行仿真規(guī)劃并對空地通信鏈路進行分析就顯得格外重要。實例主要模擬一次在林芝地區(qū)的飛行訓(xùn)練，利用STK/AMM完成飛行航路設(shè)計，根據(jù)航路信息和布置在不同位置的3個假設(shè)甚高頻臺站，分析在飛行過程中的空地通信鏈路的可用性。

導(dǎo)入地形和地表紋理數(shù)據(jù)，以及天空模型和林芝縣的行政區(qū)域GIS數(shù)據(jù)，進行三維顯示環(huán)境的創(chuàng)建，整個飛行過程也集中在林芝地區(qū)。圖5為創(chuàng)建好的三維顯示環(huán)境，帶狀線為林芝縣邊界線。仿真中飛機模型采用STK模型庫中現(xiàn)有模型，整個飛行過程采用一個任務(wù)階段，飛行程序主要采用點到點和地形跟隨兩種類型。站點類型在起飛、著陸階段選擇跑道類型，飛行過程中選擇航路點類型。圖5中折線即為飛行航跡，程序站點的具體坐標根據(jù)飛行任務(wù)的具體要求進行設(shè)定。

圖5 林芝縣邊界和飛行航跡

實例中假設(shè)了3個甚高頻臺，表2為其坐標信息。圖6是飛行任務(wù)仿真過程中的情形，圖中3條脈沖連線分別表示飛機與3個地面站的通信鏈路。利用STK的Access分析功能，計算飛機在整個任務(wù)過程中與3個甚高頻臺站的可見性，從而分析鏈路的可用性。表3是飛機在飛行過程中與3個地面甚高頻臺站的可見性分析報告。

表2 3個甚高頻臺的坐標

圖6 飛行任務(wù)仿真實例場景

由分析結(jié)果可以看出，在整個飛行過程中，飛機至少與1個甚高頻站可見，最多與3個甚高頻站可見，且大部分時間都與某兩個臺站可見，所以在飛行過程中，空地鏈路能夠滿足在飛行過程中不間斷地與地面站進行通信的要求。

表3 飛機與3個地面甚高頻臺站的可見性分析報告

5 結(jié)束語

本文主要給出了利用STK/AMM模塊進行航空器飛行任務(wù)仿真的方法并對飛行過程中飛機與地面臺站的空地通信鏈路的可用性進行了分析。利用STK的三維顯示功能創(chuàng)建三維場景，作為飛行任務(wù)仿真的三維顯示環(huán)境。真實的三維場景，既用于仿真過程的三維場景展示也用于數(shù)據(jù)分析。由整個仿真過程可知利用STK/AMM進行飛行仿真，方法簡單，任務(wù)過程設(shè)計靈活，數(shù)據(jù)分析方便快捷，三維顯示效果好，優(yōu)勢較為明顯。在后續(xù)的應(yīng)用中可以結(jié)合飛行器控制技術(shù)，PBN飛行程序等進行更加準確細致的飛行仿真系統(tǒng)研究。

［1］杜耀珂.基于STK的衛(wèi)星實時視景仿真系統(tǒng)設(shè)計［J］.空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2009，35（2）：60-64.

［2］年福純，馮朝陽，奚宏明，等.基于STK的航天發(fā)射實時可視化系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2012，24（4）：805-809.

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

［4］郭笑怡，張洪巖，張正祥，等.ASTER-GDEM與SRTM3數(shù)據(jù)質(zhì)量精度對比分析［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2011，26（3）：224-339.

［5］陳冬云.基于GIS三維可視化仿真技術(shù)的虛擬戰(zhàn)場地形研究［J］.硅谷，2011（1）：61.

［6］朱笑然，年福純，田兆平，等.基于多軟件的STK模型轉(zhuǎn)換應(yīng)用研究［J］.飛行器測控學(xué)報，2010，29（2）：54-56.

［7］張萬鵬，陳璟，沈林成.基于STK/VO的航天任務(wù)視景仿真系統(tǒng)［J］.計算機仿真，2005，22（10）：82-85.

Flight Mission Simulation Based on STK and Application on Air-ground Link Analysis

GUO Jin-liang
（ZhuHai Terminal Air Traffic Control Center Civil Aviation Adiministration of China，Zhuhai 519015，China）

The flight simulation is an important mission for the flight route designing，flight mission planning，flight trainning and so on.The paper describes the method for the flight mission simulation with the specialization module STK/AMM（Satellite Tool Kit/Aircraft Mission Modeler）in the threedimensional scene of STK and it is?elaborated the procedure to complete the flight mission planning and the flight track designing with it.Combing with the data analysis capability of STK，the paper completes the availability analysis of the communication link between airplane and the ground-station during the flight.The simulation method given in this paper is simpler and more flexible in the process designing than the conventional methods and it can realize the mission designing and the Air-Ground Link Analysis quickly.

flight simulation，mission planning，3D scene，STK，link analysis

TP391.9

A

1002-0640（2015）04-0153-05

2014-01-05

2014-03-25

國家自然科學(xué)基金委員會與中國民航局聯(lián)合資助項目（U1233109）

郭金亮（1988- ），男，助理工程師。研究方向：空中交通管理。