目標(biāo)保障中的STK 建模與仿真方法研究

李云龍，歐陽春雷，成加龍，吳長宇，武文斌

（1.解放軍66136 部隊(duì)，北京 100042；2.解放軍66018 部隊(duì)，天津 300300；3.解放軍66061 部隊(duì)，北京 100042）

0 引言

建模與仿真方法，是針對一定的應(yīng)用目的，對原型的相關(guān)特征進(jìn)行抽象提取，建立原型的“模仿物”，從而對重點(diǎn)關(guān)注的原型功能進(jìn)行真實(shí)還原的過程［1］。在軍事活動中，建立作戰(zhàn)模型是研究戰(zhàn)場行動客觀規(guī)律的重要手段，要求所建模型必須符合戰(zhàn)場實(shí)際，能反映戰(zhàn)場行動的基本特征，所揭示的基本規(guī)律亦能指導(dǎo)戰(zhàn)場行動。

通過作戰(zhàn)模型來研究作戰(zhàn)活動規(guī)律的方法是作戰(zhàn)模型方法［2］。作戰(zhàn)模型通常可以分為戰(zhàn)場環(huán)境模型和戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)模型，戰(zhàn)場環(huán)境模型主要包括陸地、海洋、大氣以及電磁等環(huán)境數(shù)據(jù)，戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)模型主要指與戰(zhàn)場行動密切相關(guān)的作戰(zhàn)目標(biāo)及體系。通常情況下，戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)的活動離不開戰(zhàn)場環(huán)境的支撐，戰(zhàn)場環(huán)境亦會對戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)的作戰(zhàn)能力產(chǎn)生影響。因此，為了最大程度地體現(xiàn)目標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)，需要借助理想的仿真平臺，對單個目標(biāo)、目標(biāo)系統(tǒng)以及目標(biāo)體系的特征和功能進(jìn)行建模。

STK（System ToolK it，系統(tǒng)工具包）是由美國分析圖形公司（A G I）開發(fā)的一款功能強(qiáng)大的商業(yè)分析軟件。該軟件最初應(yīng)用于仿真航天、偵察、雷達(dá)、電子對抗等任務(wù)，隨著軟件的升級，STK 已足夠支持陸、海、空、天、電等各種復(fù)雜任務(wù)的全時空和全領(lǐng)域分析和表現(xiàn)，其精確的分析結(jié)果可用于評估作戰(zhàn)方案和預(yù)測作戰(zhàn)效果［3］。STK 包含的二三維可視化模塊，不僅可以清晰地顯示太空環(huán)境、空中和地面資源、遙感器、衛(wèi)星軌道等空間實(shí)體及其工作過程，還支持三維模型的關(guān)節(jié)運(yùn)動仿真，增強(qiáng)了顯示效果。另外，對于特定的分析任務(wù)，STK 專業(yè)版還提供了高級分析模塊，可以解決通信分析、雷達(dá)分析、覆蓋分析、軌道機(jī)動、精確定軌、導(dǎo)彈設(shè)計(jì)、空間飛行器分析、實(shí)時操作等問題［4］。

1 STK 中常用的建模與仿真方法

利用STK 構(gòu)建的模型一般分為物理類模型和功能類模型。物理類模型除了模擬原型的大小、位置、方向、顏色等屬性外，還包括模擬組成原型的各部位組件的關(guān)節(jié)活動；功能類模型主要是模擬原型系統(tǒng)的功能特征，如天基衛(wèi)星的預(yù)警能力、陸基雷達(dá)的探測能力、反導(dǎo)武器的攔截能力等，以作為分析評估目標(biāo)體系作戰(zhàn)能力的基礎(chǔ)。通常我們所研究的戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)類對象需要同時覆蓋物理級和功能級參數(shù)，但如果僅作展示用，則只構(gòu)建物理類模型即可。

1.1 物理類模型構(gòu)建方法

STK 構(gòu)建物理類模型的方法主要有兩種，一是通過三維模型軟件制作模型，然后保存成STK 支持的格式供其調(diào)用，其轉(zhuǎn)換流程如圖1 所示［5］。

圖1 STK 三維模型的轉(zhuǎn)換流程示意圖

通過上述轉(zhuǎn)換即可生成STK 支持的三維模型格式，例如所構(gòu)建的導(dǎo)彈模型在STKModelView 中效果如圖2 所示，通過3DsMax 建立并轉(zhuǎn)換為STK支持的.mdl導(dǎo)彈模型如圖3 所示。

圖2 STK 構(gòu)建的導(dǎo)彈模型在STKModelView 中的效果

圖3 通過3DsMax 建立并轉(zhuǎn)換為STK 支持的.mdl導(dǎo)彈模型

另一種是利用STK 建模語言建立模型文件。STK/VO 模塊為STK 提供了出色的三維顯示環(huán)境，模型開發(fā)環(huán)境MDE （Model Development Environment）是隨VO 模塊一起提供的3D 模型編輯工具。建立3D 模型的方法是修改現(xiàn)成的模型文件，將它重命名為新文件，然后使用標(biāo)準(zhǔn)的文本編輯器打開進(jìn)行編輯。所有3D 模型文件均為標(biāo)準(zhǔn)的ASCII文件，文件擴(kuò)展名為.mdl。3D 模型文件為分級結(jié)構(gòu)，由實(shí)體和組件構(gòu)成。組件包含定義組件的實(shí)體（如多邊形或圓柱），描述某些內(nèi)容的參數(shù)（如顏色和亮度），或被其他組件引用的實(shí)體。對于分級結(jié)構(gòu)來說，組件是所有實(shí)體和子組件的父級。例如飛行器文件Vehicle.mdl包含由實(shí)體和組件構(gòu)成的簡單樹形結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 STK 的.mdl三維模型的分級結(jié)構(gòu)圖

另外，為了能夠支持裝備作戰(zhàn)過程中的各種控制動作，如導(dǎo)彈分離、發(fā)動機(jī)點(diǎn)火等動作，在建立.mdl模型時，需要加入.mdl模型格式所支持的Articulation 關(guān)節(jié)信息。STK 引擎加載后的模型，通過外部程序指令A(yù)dd Articulation 或腳本文件來驅(qū)動三維模型的關(guān)節(jié)活動（平移、旋轉(zhuǎn)、縮放）和調(diào)整三維模型的紋理變化（貼圖、顏色），如圖5 所示。

1.2 功能類模型構(gòu)建方法

構(gòu)建功能類模型通常是在物理類模型的基礎(chǔ)上添加功能級參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對模型特征的分析計(jì)算。STK 自帶的功能模型涵蓋衛(wèi)星、雷達(dá)、天線、傳感器、飛機(jī)、艦船、通信、電抗等信息化裝備，模型之間還支持功能與任務(wù)的疊加。

以陸基預(yù)警雷達(dá)為例，其功能模型Radar可以直接添加在默認(rèn)設(shè)施Facility 上，也可以先添加到傳感器模型Sensor上，再附屬至Facility。如果Radar直接附屬至Facility，則Radar的物理級參數(shù)（大小和位置）由其父級Facility 直接決定，功能級參數(shù)（探測距離、預(yù)警時間、跟蹤時間等）由自身參數(shù)框設(shè)置；如果Radar先添加到Sensor上，再附屬至Facility，其物理級參數(shù)仍由Facility 決定，功能級參數(shù)由其自身參數(shù)框設(shè)置的同時也受Sensor的約束限制，即Radar功能參數(shù)集應(yīng)被包含在Sensor功能參數(shù)集內(nèi)。

STK 提供了外部程序接口，可利用STK X在C++/C#/Java/Matlab/MFC 等應(yīng)用程序中嵌入STK 的功能，因此，可以通過在外部構(gòu)建功能模型或直接將已有功能模型導(dǎo)入STK，并與STK 自帶的功能模型疊加使用。通常將主體功能模型分解為若干子功能模型，并根據(jù)作戰(zhàn)進(jìn)程設(shè)計(jì)統(tǒng)一的子模型工作流程，最后將各子模型的仿真計(jì)算結(jié)果匯總作為評估各階段作戰(zhàn)效果的依據(jù)。以陸基預(yù)警雷達(dá)為例，將其主體功能分解并構(gòu)建以下核心功能模型：

1）雷達(dá)與目標(biāo)幾何交互關(guān)系模型：依據(jù)雷達(dá)與目標(biāo)在空間中的位置，以及雷達(dá)傳感器的搜索空域，判斷目標(biāo)是否進(jìn)入雷達(dá)探測范圍；

2）雷達(dá)最大搜索距離計(jì)算模型：依據(jù)目標(biāo)位置、雷達(dá)反射截面積等信息，確定當(dāng)前雷達(dá)的最大搜索距離，進(jìn)而結(jié)合指控系統(tǒng)引導(dǎo)信息確定雷達(dá)搜索空域（搜索階段全空域/跟蹤階段小空域）；

3）雷達(dá)信噪比計(jì)算模型：依據(jù)雷達(dá)傳感器性能參數(shù)以及目標(biāo)雷達(dá)散射截面積，計(jì)算雷達(dá)信噪比；

4）雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率計(jì)算模型：由雷達(dá)傳感器信噪比計(jì)算其對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行概率仿真，模擬雷達(dá)傳感器對目標(biāo)的探測過程，確定是否發(fā)現(xiàn)目標(biāo)；

5）雷達(dá)識別模型：依據(jù)不同目標(biāo)的R CS 特性、一維距離像等信息的不同，識別真假目標(biāo)；

6）雷達(dá)傳感器測量模型：若雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則依據(jù)目標(biāo)在雷達(dá)探測坐標(biāo)系中的位置，計(jì)算雷達(dá)對目標(biāo)的測量數(shù)據(jù)。

基于以上核心功能模型的運(yùn)作機(jī)理，可歸納總結(jié)陸基預(yù)警雷達(dá)工作流程如圖6 所示。

圖6 陸基預(yù)警雷達(dá)工作流程圖

2 戰(zhàn)場環(huán)境建模與仿真

戰(zhàn)場環(huán)境是戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)展開活動的平臺，對戰(zhàn)場環(huán)境建模與仿真是描述作戰(zhàn)活動的前提。戰(zhàn)場環(huán)境涵蓋陸地、海洋、大氣以及電磁等環(huán)境，每一類戰(zhàn)場環(huán)境所包含的要素復(fù)雜且不盡相同，對戰(zhàn)場環(huán)境建模的重點(diǎn)有二：一是把握仿真中人機(jī)交互所需的可視化效果；二是實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)作戰(zhàn)能力有重要影響的戰(zhàn)場環(huán)境因素的定量描述。

以陸地環(huán)境為例，對陸上戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)活動有影響的主要是地形地貌因素，地貌的起伏狀態(tài)會直接影響雷達(dá)的照射范圍、電磁波的傳輸距離、地面汽車和坦克以及低空飛機(jī)的運(yùn)動軌跡等，因此，在二三維視窗實(shí)現(xiàn)地形地貌的可視化，可直接觀察判斷其對陸上實(shí)體目標(biāo)作戰(zhàn)能力的影響及變化。

STK 的地形模塊主要采用精度較高的SRTM 3（Shuttle Radar Topography Mission）地形產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分辨率精度為90 m，利用Global Mapper和STK 集成的Imagery and Terrain Converter進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和格式轉(zhuǎn)換后才能得到有用的地形數(shù)據(jù)［6］。地貌數(shù)據(jù)主要利用水經(jīng)注萬能地圖下載器下載，可以自由框選所需區(qū)域的地貌圖層，并保存成帶有地理坐標(biāo)信息的GeoJPG、GeoTIFF 等格式的圖片，該圖片可以直接利用Imagery and Terrain Converter轉(zhuǎn)換成有用的地貌數(shù)據(jù)。STK 針對3D 視窗可顯示的專有地形數(shù)據(jù)格式包括PDTT，針對2D 和3D 視窗可顯示的地貌數(shù)據(jù)，包括專有格式PDTTX 以及開放格式JP2（JPEG 2000）。圖7 為利用Global Mapper和Imagery and Terrain Converter進(jìn)行地形地貌數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化并導(dǎo)入STK 場景的過程。

圖7 利用Global Mapper和Imagery and Terrain Converter進(jìn)行地形地貌數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化并導(dǎo)入STK 場景的過程

通過將地形地貌產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入STK 場景，可提高區(qū)域圖層的分辨率，圖8（a）為區(qū)域地形地貌圖，圖8（b）為導(dǎo)入地形地貌產(chǎn)品數(shù)據(jù)后區(qū)域高分辨率地貌圖，圖8（c）為對應(yīng)區(qū)域的高分辨率放大地形圖。

研究雷達(dá)系統(tǒng)（體系）的作戰(zhàn)能力，主要衡量雷達(dá)探測范圍、預(yù)警時間、跟蹤時間等參數(shù)指標(biāo)［7-8］。以探測范圍為例，受地形影響較大，尤其是在地勢崎嶇、環(huán)境多變地區(qū)。下頁圖9（a）、（b）為2D、3D 視窗顯示的某區(qū)域雷達(dá)組網(wǎng)對3 000 m 高空目標(biāo)的探測范圍及其受地形遮蔽影響。雷達(dá)組網(wǎng)是通過合理部署多部不同工作能力的雷達(dá)，經(jīng)由中心站統(tǒng)一調(diào)配，以充分發(fā)揮各單部雷達(dá)的威力，并利用信息融合技術(shù)，將組網(wǎng)內(nèi)各單部雷達(dá)偵察的有用信息有機(jī)統(tǒng)一，從而形成最終的雷達(dá)情報(bào)。利用STK 自帶的Radar模塊可計(jì)算雷達(dá)的探測范圍，表1 為部分雷達(dá)對3 000 m 高空目標(biāo)的最遠(yuǎn)探測范圍。

圖8 地形地貌圖

由圖可見，在地勢崎嶇、地面遮蔽物較多的一側(cè)雷達(dá)探測范圍受限，在地勢平坦、地面遮蔽物較少的一側(cè)雷達(dá)探測范圍基本不受影響。因此，陸地環(huán)境中的地形地貌因素對陸基雷達(dá)探測能力的影響不可忽視，同時也表明考慮戰(zhàn)場環(huán)境對戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)作戰(zhàn)能力的影響十分重要。

表1 部分雷達(dá)對3 000 m 高空目標(biāo)的最遠(yuǎn)探測范圍

圖9 2D、3D 視窗顯示的某區(qū)域雷達(dá)組網(wǎng)對3 000 m 高空目標(biāo)的探測范圍及其受地形遮蔽影響

3 戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)建模與仿真

構(gòu)建戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)模型是模擬戰(zhàn)場行動的重要組成部分，但因目標(biāo)分類復(fù)雜，對各類目標(biāo)體系中的單個目標(biāo)和目標(biāo)系統(tǒng)同時構(gòu)建物理類模型和功能類模型，則是一個長期積累的過程。

3.1 戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)物理類模型構(gòu)建

根據(jù)構(gòu)建物理類模型的方法構(gòu)建戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)物理模型，并通過STK 平臺二三維視窗顯示模型的大小、位置、方向、顏色等屬性，如需顯示裝備作戰(zhàn)過程中的各種控制動作，則通過外部程序指令A(yù)dd Articulation 或腳本文件來驅(qū)動三維模型的關(guān)節(jié)活動，圖10 展示了以STK 平臺構(gòu)建的典型戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)物理模型。

3.2 戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)功能類模型構(gòu)建

構(gòu)建戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)功能模型，主要從構(gòu)建單個目標(biāo)模型出發(fā)，通過把同類型單個目標(biāo)模型組合形成目標(biāo)系統(tǒng)模型，再將不同目標(biāo)系統(tǒng)模型組合形成目標(biāo)體系模型。不同類型的目標(biāo)系統(tǒng)或目標(biāo)體系之間可以進(jìn)行功能和任務(wù)的疊加，即實(shí)現(xiàn)目標(biāo)之間的基于功能屬性的作戰(zhàn)對抗，這一過程可以通過STK平臺仿真或回放，并利用STK 自帶的或?qū)胪獠恳延泄δ苣Ｐ瓦M(jìn)行體系對抗能力的分析解算。

圖10 STK 三維視窗顯示的戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)物理模型

以雷達(dá)系統(tǒng)為例，研究其對空中飛行器的作戰(zhàn)能力。這一對抗場景中包含兩個功能模型：一是飛行器的飛行路徑規(guī)劃模型；二是雷達(dá)系統(tǒng)對飛行器的探測模型［9-10］。首先，基于STK 自帶的Aircraft模型，創(chuàng)建飛行器飛行任務(wù)，在自身參數(shù)框里設(shè)置飛行參數(shù)，如圖11 所示。同時，基于STK 自帶的Radar模型，構(gòu)建雷達(dá)系統(tǒng)即雷達(dá)組網(wǎng)模型，如圖9（a）所示。其次，建立雷達(dá)組網(wǎng)模型與飛行器模型的“可視”關(guān)系。通過Access功能同時建立雷達(dá)組網(wǎng)內(nèi)各單部雷達(dá)與飛行器的鏈接關(guān)系，圖12 所示為2 000 m高空的飛行器飛行至雷達(dá)組網(wǎng)上空時，被雷達(dá)組網(wǎng)內(nèi)一單部雷達(dá)首先探測到的場景。通過Compute Access功能可以計(jì)算各單部雷達(dá)對飛行器的探測時間、跟蹤時間和探測角度、探測距離，如圖13 所示。

圖11 2 000 m 高空飛行器飛行路徑規(guī)劃設(shè)置

圖12 雷達(dá)組網(wǎng)內(nèi)一單部雷達(dá)首先探測到2 000 m 高空飛行器的場景

依據(jù)計(jì)算結(jié)果對模型性能進(jìn)行分析，由圖13可見，部分雷達(dá)與飛行器的鏈接為空，即探測時間和探測距離均為零，說明該飛行器模型設(shè)置的飛行軌跡，并未全部進(jìn)入到雷達(dá)的探測范圍。雷達(dá)對飛行器的探測距離呈“V”字型分布變化，說明隨著飛行器與雷達(dá)的距離由近及遠(yuǎn)，探測距離先減小后增大。通過改變飛行器模型中的飛行高度參數(shù)，還可以計(jì)算各單部雷達(dá)對不同高度飛行器的探測距離，如表2 所示。

圖13 雷達(dá)組網(wǎng)內(nèi)各單部雷達(dá)對飛行器的探測時間、跟蹤時間（a）和探測角度、探測距離

圖14 雷達(dá)組網(wǎng)對不同高度飛行器的探測范圍

表2 雷達(dá)組網(wǎng)內(nèi)各單部雷達(dá)對不同高度飛行器的探測距離

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可繪制不同高度的雷達(dá)包絡(luò)圖，并通過STK 視窗顯示，如圖14 所示。圖中包絡(luò)由內(nèi)到外依次為飛行高度100 m、500 m、1 000 m、2 000 m、5 000 m、7 500 m、10 000 m 時雷達(dá)組網(wǎng)的探測范圍。由此可見，雷達(dá)組網(wǎng)對不同高度的飛行器的探測范圍隨探測高度的增加而增加。

4 結(jié)論

本文主要研究了目標(biāo)保障工作中的STK 建模與仿真方法?；赟TK 強(qiáng)大的模擬與顯示能力，重點(diǎn)介紹了戰(zhàn)場環(huán)境中對陸地環(huán)境地形地貌因素的建模過程，同時基于STK 強(qiáng)大的細(xì)節(jié)展示與分析計(jì)算能力，重點(diǎn)介紹了戰(zhàn)場實(shí)體目標(biāo)物理類模型和功能類模型的構(gòu)建過程，通過將不同類型的目標(biāo)進(jìn)行功能和任務(wù)的組合疊加，實(shí)現(xiàn)了在不同約束條件下對目標(biāo)系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的評估與分析，這為目標(biāo)保障提供了重要的支撐依據(jù)。隨著STK 在國內(nèi)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，關(guān)于STK 在陸、海、空、天、電一體化任務(wù)的仿真手段也將會得到進(jìn)一步提高。