“飛機通信系統(tǒng)”三維動畫制作

屈景怡，王曉亮，劉海濤，王 璐

(中國民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300300)

0 引言

微視頻是慕課(MOOCs)的基本課件資源，因此，制作高水平的微視頻，做好資源建設(shè)工作，是慕課建設(shè)的基礎(chǔ)。其中，形象的三維動畫的制作是開發(fā)高水平微視頻的難點[1]。

“飛機通信系統(tǒng)”是我院的一門重要專業(yè)課[2]。在民用航空飛機飛行過程中，利用無線電進行的地空通信是一個比較抽象、復(fù)雜的過程，所以，迫切需要利用計算機制作三維動畫模擬整個通信系統(tǒng)的工作過程，作為錄制微視頻的素材。

衛(wèi)星工具包STK(Satellite Tool Kit)作為可視化工具可以進行各種三維動畫場景的顯示和仿真，特別是在航空航天方面的仿真。通過STK對飛機整個通信系統(tǒng)工作過程進行仿真，以三維動畫形式進行演示，可以簡單明了地看到整個通信系統(tǒng)的運行過程，直觀地了解系統(tǒng)各個組成部分之間的相互關(guān)系，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)原理之前了解系統(tǒng)整體[3－5]。

1 成都—上海飛行動畫的設(shè)計

本文就飛機通信系統(tǒng)三維動畫設(shè)計這一課題選取了成都—上海的國內(nèi)飛行、北京—舊金山的跨洋飛行、北京—舊金山的跨極地飛行三個典型的應(yīng)用場景，通過演示整個飛行過程中使用的地空通信系統(tǒng)，使學(xué)生對飛機通信系統(tǒng)有直觀整體的認識。每種應(yīng)用場景采用了不同的通信手段，如表1所示。

表1 三個應(yīng)用場景

下面，我們以成都—上海的飛行為例，說明動畫的設(shè)計和制作過程。

1.1 飛行過程的設(shè)計

該動畫主要演示飛機從成都飛往上海的過程中，甚高頻VHF(Very High Frequency)通信系統(tǒng)和飛機通信尋址報告系統(tǒng)ACARS(Aircraft Communication Addressing and Reporting System)在地空通信中的應(yīng)用。VHF用于飛機與地面之間的話音通信。ACARS則用于在飛機和地面之間數(shù)據(jù)和信息交換，比如:機組識別、OOOI(關(guān)艙門、起飛、落地、開艙門)時間、發(fā)送機性能和維護事項報告等等。

其整個飛行過程為:雙流塔臺—成都進近—成都區(qū)管—上海區(qū)管—上海進近—虹橋塔臺，如圖1所示。

圖1 飛行過程

1.2 場景布局的設(shè)計

場景布局主要分為航線布局和地面站布局兩部分。航線布局主要分為滑行、起飛、爬升、航線、進近和著陸幾個階段，該航線的設(shè)定主要通過設(shè)置飛機的運動軌跡來實現(xiàn)，為了使得動畫看起來具有較好的視覺效果，在航線設(shè)計的時候只是大概參考了真實航線的位置(參考山東航空的由成都飛往上海的SC1948航班航線)，并沒有完全按照真實航線進行設(shè)計，并且省略了起飛著陸時的五邊飛行任務(wù)。

地面站布局分為機場附近和航路兩部分。在機場附近的地面站主要有成都(上海)塔臺和成都(上海)進近管制中心。航路上則分布有三個VHF遠端地面站。此外，還有航空公司，成都(上海)區(qū)管中心以及ACARS網(wǎng)絡(luò)運行控制中心。

在正常運行時，VHF遠端地面站、航空公司數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、塔臺、進近和區(qū)管中心以及ACARS網(wǎng)絡(luò)運行控制中心均通過地面通信網(wǎng)絡(luò)相連接，通過地面通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)和信息交換。

1.3 地空通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

地空通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計主要包括VHF地空通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和ACARS地空通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。當機組人員呼叫地面管制中心人員時，VHF遠端地面站接收飛機上發(fā)出的信號，通過地面通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较鄳?yīng)的管制中心。反之，當?shù)孛婀苤迫藛T呼叫機組人員時，則是通過地面通信網(wǎng)絡(luò)將語音信號傳輸?shù)絍HF遠端地面站，再通過地面站將信號發(fā)射出去，飛機上的VHF天線接收到信號后對其進行處理，恢復(fù)出語音信息，如圖2所示。

圖2 VHF地空通信網(wǎng)絡(luò)

ACARS數(shù)據(jù)傳輸過程如圖3所示。ACARS報文通常通過飛機第三套VHF發(fā)射機發(fā)送至地面站，VHF地面站接受到報文后通過地面網(wǎng)絡(luò)傳送至ACARS控制中心，再由控制中心將報文路由至航空公司的AOC。此外，ACARS也可以借用高頻和通信衛(wèi)星發(fā)射機進行發(fā)射。

圖3 ACARS地空通信網(wǎng)絡(luò)

2 成都—上海動畫的制作

動畫的制作主要包括地面站和航線的加載以及地空通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。圖4給出了最終的效果圖。

圖4 最終效果圖

2.1 地面站和航線的加載

在制作動畫前，需要創(chuàng)建一個三維場景。然后按照動畫設(shè)計，在場景中添加相應(yīng)的地面站和航線。添加地面站的過程包括:①為了使得觀察更加直觀，添加指南針;②添加成都和上海兩個城市;③添加起飛處成都雙流機場和著陸處上海虹橋機場;④添加地面建筑，本動畫中涉及地面建筑眾多，主要有地面天線塔，機場塔臺管制中心，ACARS數(shù)據(jù)中心，航空公司AOC等。有兩點需要注意，其一，地面站的地理位置需要分別設(shè)置，各個站的經(jīng)緯度如表2所示。其二，為了達到最佳視覺效果，需將模型的可視距離調(diào)整到最大。航線的加載主要包括飛機的添加和航線的設(shè)定。

表2 地面站坐標

2.2 地空通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

VHF地空通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)包括:①為飛機和地面站添加傳感器;②為地面天線塔添加覆蓋區(qū)域。通常情況下VHF的覆蓋范圍是200海里，并且在飛機進入有效范圍時覆蓋區(qū)閃爍，以達到提示的效果;③添加地空通信鏈。地空通信鏈有上行鏈和下行鏈兩種，它們都是使用傳感器添加的。地空通信將以脈沖的形式表現(xiàn)出來;④添加地面通信鏈。地面通信網(wǎng)以實線表示鏈路，閃爍表示正在使用。

由于ACARS數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)一般用VHF地面站進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，所以對于ACARS通信網(wǎng)絡(luò)的制作沒有特別需要注意之處，只需要通信脈沖和地面通信鏈的顏色和VHF通信的顏色有所區(qū)分即可。

3 飛機通信教學(xué)演示系統(tǒng)

在完成了飛機通信系統(tǒng)三維動畫制作工作的基礎(chǔ)上，采用VS2010開發(fā)環(huán)境，還開發(fā)了一個教學(xué)演示系統(tǒng)。系統(tǒng)的主界面由菜單欄、工具欄、播放器、字幕欄以及通信方式提示區(qū)組成如圖5所示。

圖5 教學(xué)演示系統(tǒng)

字幕欄由兩部分組成，分別是標題和字幕顯示部分。標題部分顯示當前的飛行場景(國內(nèi)飛行、跨洋飛行、跨極區(qū)飛行)以及動畫演示的目的(如:體現(xiàn)VHF通信在飛行中的應(yīng)用)。字幕顯示區(qū)通過滾動方式顯示地空之間主要的通話內(nèi)容。

通信方式提示區(qū)有HF、VHF、ACARS以及SATCOM四個按鈕，當某種通信方式正在使用時，相應(yīng)的按鈕變成紅色，并顯示通信頻率。

4 結(jié)語

飛機通信系統(tǒng)主要用于飛機與地面間的相互通信，對飛機的安全飛行有著舉足輕重的作用。包括甚高頻話音通信、高頻話音通信、衛(wèi)星通信、數(shù)據(jù)通信等多種通信方式，飛行的不同階段采用不同的通信方式。本課題是采用STK針對典型的飛行場景，制作三維動畫，形象地展示整個飛行過程中的通信系統(tǒng)的使用情況，這些動畫已應(yīng)用于“飛機通信系統(tǒng)”課程微視頻的制作中。

[1]李明華.MOOCs革命:獨立課程市場形成和高等教育世界市場新格局[J].上海:開放教育研究.2013，19(3):11－29

[2]劉連生.飛機通信系統(tǒng)[M].北京:兵器工業(yè)出版社，2005.

[3]楊穎，王琦.STK在計算機仿真中的應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2005

[4]Analytical Graphics INC(AGI).STK user's manual version4.3[EB/OL].[2005 － 05 － 01].http://www.agi.com/re2sources/help/help.com

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