基于STK的雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)跟蹤可視化方法?

王 興 王 軍 劉鎮(zhèn)瑜 黃 飛

1 引言

雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)可視化可以為戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)推演、作戰(zhàn)評(píng)估等提供依據(jù)［1］。在雷達(dá)探測(cè)仿真試驗(yàn)中，合理高效地直觀顯示雷達(dá)探測(cè)跟蹤效果需要切實(shí)可信性可視化方法。目前，越來(lái)越多的工程人員利用可視化工具完解決數(shù)據(jù)的顯示問(wèn)題，例如文獻(xiàn)［2］實(shí)現(xiàn)了基于Unity3D的飛行可視化仿真系統(tǒng)，文獻(xiàn)［3］實(shí)現(xiàn)了基于三維分形地形生成理論，采用提取某一地形區(qū)域的Google Earth衛(wèi)星遙感電子地圖高程數(shù)據(jù)來(lái)生成數(shù)字高程模型的方法。目前主要的可視化工具包括：Matlab、Vega、0penGL+VC等。其中Matlab具有快捷的數(shù)據(jù)處理以及強(qiáng)大的分析能力，但是Matlab的圖文效果比較差，可視化效果不理想；Vega可以很好地實(shí)現(xiàn)三維可視化，但是開(kāi)發(fā)過(guò)程較為復(fù)雜，開(kāi)發(fā)周期比較長(zhǎng)?；?penGL+Vc構(gòu)建可視化環(huán)境需要深厚編程能力，開(kāi)發(fā)難度是最大的。美國(guó) AGI（Analytical Graphics，Inc.）公司開(kāi)發(fā)的STK（Systems Toolkit）軟件是先進(jìn)的商業(yè)化仿真軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、衛(wèi)星、導(dǎo)航、雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域的仿真、設(shè)計(jì)和分析應(yīng)用［4］，并能展示豐富的電子對(duì)抗效果。本文以雷達(dá)對(duì)空中飛行目標(biāo)的跟蹤為例，研究分析了基于STK平臺(tái)的目標(biāo)跟蹤態(tài)勢(shì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程及效果。

2 雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)可視化工具能夠?qū)崟r(shí)性進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、三維探測(cè)跟蹤場(chǎng)景顯示等功能，具體功能包括：

1）實(shí)時(shí)性?？梢暬瘜?shí)時(shí)處理模塊在雷達(dá)探測(cè)到目標(biāo)時(shí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)的位置、速度、雷達(dá)波束變化等信息。

2）三維顯示。三維顯示主要完成被探測(cè)跟蹤目標(biāo)飛行中的三維顯示跟蹤，三維顯示場(chǎng)景包括飛行目標(biāo)的背景場(chǎng)景、雷達(dá)三維波束、被探測(cè)目標(biāo)三維模型等信息。

3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放。本文設(shè)計(jì)的可視化系統(tǒng)能夠全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)三維可視化數(shù)據(jù)，并提供三維態(tài)勢(shì)回放功能。

2.2 可視化系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

利用跟蹤目標(biāo)的軌跡數(shù)據(jù)以及雷達(dá)探測(cè)距離及波束數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)三維模型及雷達(dá)探測(cè)三維模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在STK中完成雷達(dá)探測(cè)跟蹤某目標(biāo)的可視化?；赟TK的雷達(dá)探測(cè)跟蹤目標(biāo)可視化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1 給出了可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括目標(biāo)、雷達(dá)數(shù)據(jù)輸入模塊、目標(biāo)三維模型及其控制模塊、雷達(dá)三維模型及控制模塊以及可視化模塊。

1）目標(biāo)、雷達(dá)數(shù)據(jù)輸入模塊

STK采用WGS-84地球橢球模型，它集成了許多航空航天領(lǐng)域常用的坐標(biāo)系，包括地心坐標(biāo)系（對(duì)應(yīng)于STK中的Earth Fixed坐標(biāo)系）、地心慣性坐標(biāo)系（對(duì)應(yīng)于STK中的Earth Inertial或J2000坐標(biāo)系）、彈體坐標(biāo)系（對(duì)應(yīng)于STK中的Body坐標(biāo)系）等。本模塊可以將不同坐標(biāo)系下的軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地心坐標(biāo)系或者地心慣性坐標(biāo)系等STK所需格式的軌跡數(shù)據(jù)。

2）目標(biāo)、雷達(dá)三維模型及其控制模塊

STK三維模型文件以ASCII碼形式存儲(chǔ)在文件中。一個(gè)模型包括一個(gè)或者多個(gè)在模型文件中定義的組件。每個(gè)組件都描述模型的一個(gè)特殊部分，一些模型包括細(xì)節(jié)的程度能用于復(fù)雜或者簡(jiǎn)單的演示模型。模型動(dòng)作文件包含一個(gè)以時(shí)間為序的數(shù)據(jù)列表。

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)及雷達(dá)波束控制數(shù)據(jù)保存在文件中，并通過(guò)一定的計(jì)算隨時(shí)間序列在地圖上驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的生成。

3）STK可視化模塊

該模塊由STK計(jì)算模塊讀取數(shù)據(jù)文件自動(dòng)驅(qū)動(dòng)三維軌跡仿真場(chǎng)景，演示飛行器的飛行過(guò)程，動(dòng)態(tài)顯示飛行器任意時(shí)刻的速度、位置、姿態(tài)以及飛行軌跡，可視化仿真結(jié)束后可以生成軌跡數(shù)據(jù)報(bào)告、姿態(tài)數(shù)據(jù)報(bào)告以及各種數(shù)據(jù)曲線。

3 雷達(dá)探測(cè)距離模型

在不考慮雷達(dá)干擾情況下，雷達(dá)探測(cè)到的目標(biāo)距離就是雷達(dá)最大探測(cè)距離，按照雷達(dá)方程［5］計(jì)算如下：

式中，Pt為發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線功率增益，Gr為接收天線功率增益，σ為雷達(dá)目標(biāo)截面積，λ為波長(zhǎng)，F(xiàn)t為發(fā)射天線到目標(biāo)的方向圖傳播因子，F(xiàn)r為目標(biāo)到接受天線的方向圖傳播因子，（S N）min為最小可檢測(cè)信噪比，k為波爾茲曼常數(shù)，Ts為接收系統(tǒng)噪聲溫度，Bn為接收機(jī)檢波前濾波器的噪聲帶寬，L為系統(tǒng)損耗因子。

式（1）給出的是基本的雷達(dá)探測(cè)距離模型，實(shí)際上雷達(dá)會(huì)收到各種干擾，其探測(cè)距離并不是理想的探測(cè)距離，而本文研究探測(cè)跟蹤可視化方法，并不是為了研究干擾情況下雷達(dá)探測(cè)距離建模問(wèn)題，因此，我們采用式（1）作為探測(cè)模型，計(jì)算雷達(dá)探測(cè)距離，并作為驅(qū)動(dòng)雷達(dá)探測(cè)波束可視化的依據(jù)。

4 可視化實(shí)現(xiàn)方法

4.1 三維模型及輔助特性

三維模型格式眾多（例如：SRL，STEP，IGES，3DS，DAE，F(xiàn)BX，OBJ，MD2，MDL，X等），這些模型格式之間大多可以相互轉(zhuǎn)換。對(duì)于STK9.2，僅支持DAE和MDL兩種模型格式?；谶@兩種模型格式，STK還支持一些輔助特性，比如關(guān)節(jié)、附著點(diǎn)等。通過(guò)這些輔助特性，STK能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)的模型控制，比如警戒雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的跟蹤掃描等。下面對(duì)雷達(dá)三維模型創(chuàng)建，及雷達(dá)天線輔助特性的設(shè)置進(jìn)行研究。

4.1.1 DAE模型

DAE（Digital Asset Exchange，數(shù)據(jù)資源交換），是COLLADA的模型文件。COLLADA最早是由索尼（Sony）提出的基于XML的一個(gè)開(kāi)放的、免費(fèi)的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)XMLSchema的技術(shù)展現(xiàn)三維數(shù)字模型，有著十分優(yōu)秀的可移植性［6～7］。利用3D Studio Max［8］，Maya［9］，Softimage［10］，Blender［11］，Google SketchUp［12］等建模工具可以直接創(chuàng)建DAE模型，也可以利用Core，Deep Exploration，olyTrans等轉(zhuǎn)換工具，將其它格式的模型文件轉(zhuǎn)換為DAE模型。一個(gè)DAE文件結(jié)構(gòu)的實(shí)例如圖2所示。

圖2 DAE文件結(jié)構(gòu)

STK基于DAE模型的開(kāi)放性，添加了一些其特有的輔助特性，比如關(guān)節(jié)（Articulations，可用于設(shè)置模型中能做平移/縮放/旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的功能組件）、特效附著點(diǎn)（Effect Attach Points，可用于設(shè)置模型煙霧等特效的起始位置）、傳感器附著點(diǎn)（Sensor At?tach Points，可用于設(shè)置傳感器的起始位置）、指向元素（Pointable Elements，可用于設(shè)置模型關(guān)節(jié)組件的空間指向）、太陽(yáng)面板組（Solar Panel Groups，可用于模型太陽(yáng)面板的功率分析）、非遮蔽材料（Non-obscuring Material，可用于傳感器的遮蔽分析），這些輔助特性使用XML標(biāo)記進(jìn)行擴(kuò)展。輔助特性可以直接寫(xiě)入DAE文件內(nèi)部，也可以寫(xiě)入與DAE文件同目錄同名的ANC文件（Ancillary Fea?tures File）中，ANC文件是STK內(nèi)部支持的一種文件格式。前者的不足是在模型格式轉(zhuǎn)換時(shí)，輔助特性可能會(huì)丟失。本文采用獨(dú)立構(gòu)建ANC文件的方式來(lái)為模型添加輔助特性。一個(gè)完整的雷達(dá)DAE模型文件對(duì)應(yīng)的ANC文件結(jié)構(gòu)如下所示：

1＜？xml version=“1.0”standalone=“yes”？＞

2＜ancillary_model_data version=“1.0”＞

3 ＜articulations＞

4 ＜articulation name=“azimuth1”type=“trans?form”＞

5 ＜stage init="0"max="180"min="-180"name=“azimuthz"type="zRotate"/＞

6 ＜assigned_nodes＞

7 azimuth

8 ＜/assigned_nodes＞

9 ＜/articulation＞

10 ＜articulation name=“pitch1”type=“transform”＞

11 ＜stage init=“0”max=“90”min=“0”name=“pitchx”type=“xRotate”/＞

12 ＜assigned_nodes＞

13 pitch

14 ＜/assigned_nodes＞

15 ＜/articulation＞

16 ＜/articulations＞

17 ＜pointing_data＞

18 ＜pointing node=“azimuth”vector=“0 1 0”/＞

19 ＜pointing node=“pitch”vector=“0 1 0”/＞

20 ＜/pointing_data＞

21 ＜sensor_origins＞

22 pitch

23 ＜/sensor_origins＞

24＜/ancillary_model_data＞

其中：

1）第1、2、24行為基本的ANC文件結(jié)構(gòu)；

2）第3～16行創(chuàng)建模型關(guān)節(jié)，第4、10行設(shè)置模型關(guān)節(jié)名稱，該名稱會(huì)出現(xiàn)在STK的模型關(guān)節(jié)的設(shè)置中；第5、11行設(shè)置關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式，分別為繞各自的z、x軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)還設(shè)置了運(yùn)動(dòng)的初始、最大、最小值；第7、13行是關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)于DAE模型中三維節(jié)點(diǎn)的ID（azimuth、pitch）；

3）第17～20行設(shè)置DAE模型中節(jié)點(diǎn)的指向向量，vector賦值的三個(gè)元素分別為x、y、z軸，如vec?tor=“0 1 0”為節(jié)點(diǎn)的y軸方向；

4）第21～23行設(shè)置傳感器的附著點(diǎn)，附著點(diǎn)為DAE節(jié)點(diǎn)（pitch）的坐標(biāo)原點(diǎn)。

通過(guò)以上設(shè)置就可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線在水平和俯仰兩個(gè)維度跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也將雷達(dá)波束固連在雷達(dá)罩的中心。

模型創(chuàng)建完成后的文件目錄結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.1.2 MDL模型

MDL是最早用于游戲Quake（雷神之錘）的三維模型，它不能直接創(chuàng)建。在STK官方說(shuō)明中，需要將其它模型格式先轉(zhuǎn)成Lightwave（.lwo）格式，再用STK的轉(zhuǎn)換工具LwConvert將Lightwave格式轉(zhuǎn)換為MDL格式［13］。MDL模型，除了包含DAE模型可添加的輔助特性外，還包含透明、豐富的面繪制屬性等其他輔助特性［14］，這些輔助特性只能寫(xiě)入MDL文件內(nèi)部。由于MDL模型的通用性較差、配置維護(hù)困難等不足，本文不做詳細(xì)闡述。

圖3 雷達(dá)模型文件目錄結(jié)構(gòu)

4.2 場(chǎng)景配置

圖4 目標(biāo)跟蹤場(chǎng)景圖

本節(jié)構(gòu)建了一個(gè)地面雷達(dá)車(chē)跟蹤飛機(jī)的三維場(chǎng)景，如圖4（a）所示。場(chǎng)景中，隨著飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，雷達(dá)天線會(huì)跟隨飛機(jī)在水平和俯仰兩個(gè)維度轉(zhuǎn)動(dòng)，并始終保持天線指向飛機(jī)；同時(shí)，雷達(dá)的波束也會(huì)跟隨飛機(jī)運(yùn)動(dòng)，并且波束的起始位置固連于雷達(dá)天線中心。場(chǎng)景的具體配置如下：

1）飛機(jī)模型設(shè)置

（1）添加Aircraft節(jié)點(diǎn)并關(guān)聯(lián)一個(gè)三維飛機(jī)模型；

（2）為飛機(jī)模型設(shè)置飛行路線。

2）雷達(dá)模型設(shè)置

（1）創(chuàng)建雷達(dá)車(chē)DAE模型及ANC文件；

（2）創(chuàng)建一個(gè)Facility節(jié)點(diǎn)并關(guān)聯(lián)雷達(dá)車(chē)DAE模型；

（3）設(shè) 置 雷 達(dá) 屬 性 的 3D Graphics→Model Pointing的兩個(gè)Pointable Elements指向飛機(jī)目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線在水平和俯仰兩個(gè)維度跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3）傳感器設(shè)置

（1）為雷達(dá)添加傳感器Sensor以表示雷達(dá)跟蹤波束；

（2）設(shè)置傳感器的Basic→Pointing的Pointing Type為T(mén)arget，將飛機(jī)節(jié)點(diǎn)設(shè)置到Assigned Targets，以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波束對(duì)飛機(jī)的跟蹤掃描；

（3）設(shè)置傳感器的3D Graphics→Vertex Offset，選擇使用Attach Point，并選中相應(yīng)的附著點(diǎn)（pitch），將傳感器起點(diǎn)定位到雷達(dá)天線中心位置。

場(chǎng)景運(yùn)行效果如圖4（b）、4（c）、4（d）所示。

5 結(jié)語(yǔ)

STK是一款性能成熟、功能強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真工具，但是由于政治、技術(shù)等因素限制，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究資料比較稀缺，造成很多態(tài)勢(shì)表現(xiàn)效果不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用到雷達(dá)探測(cè)跟蹤試驗(yàn)過(guò)程中。另外，隨著其它系統(tǒng)仿真工具和可視化工具的開(kāi)發(fā)，需要借鑒STK中的相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，到達(dá)快速固化需求、優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)和加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度的目的。本文研究為上述兩項(xiàng)工作開(kāi)展做了前期準(zhǔn)備，其可視化方法能夠很好地用于工程實(shí)踐中。

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