郭金亮

（中國(guó)民用航空珠海進(jìn)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(guó)民用航空珠海進(jìn)近管制中心，廣東 珠海 519015）

飛行仿真是飛行航路設(shè)計(jì)，飛行任務(wù)規(guī)劃以及飛行訓(xùn)練等項(xiàng)目中非常重要的一項(xiàng)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(zhuān)業(yè)化模塊STK/AMM（Aircraft Mission Modeler）進(jìn)行航空器飛行任務(wù)仿真的方法,詳細(xì)闡述了利用該模塊進(jìn)行飛行任務(wù)規(guī)劃和飛行路徑設(shè)計(jì)的過(guò)程。同時(shí)結(jié)合STK的數(shù)據(jù)分析功能完成航空器在飛行過(guò)程中與地面臺(tái)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(jiǎn)單，設(shè)計(jì)過(guò)程更加靈活，可以快速地實(shí)現(xiàn)飛行任務(wù)仿真設(shè)計(jì)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(chǎng)景，STK，鏈路分析

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，生產(chǎn)生活的需要，低空空域的逐步開(kāi)放，我國(guó)的民航事業(yè)、通用航空、無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)等都在蓬勃發(fā)展。為了滿足迅速擴(kuò)大的飛行需求，保障飛行安全順暢，對(duì)飛行任務(wù)進(jìn)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(duì)飛行的仿真主要是對(duì)飛行場(chǎng)景的仿真，飛行環(huán)境也是虛擬生成的模型，與實(shí)際飛行中的三維環(huán)境有一定的差別，且飛行仿真的過(guò)程較為復(fù)雜，不能快速方便地對(duì)真實(shí)的飛行任務(wù)進(jìn)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(shí)的地形、影像、GIS（Geographic Information System）數(shù)據(jù)和三維實(shí)體模型，場(chǎng)景真實(shí)度高，是可視化領(lǐng)域公認(rèn)的權(quán)威［2］。

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

1 三維場(chǎng)景的創(chuàng)建

加入地形數(shù)據(jù)不僅可以增強(qiáng)三維顯示的視覺(jué)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(duì)雷達(dá)等地面臺(tái)站的方位角/仰角遮罩的計(jì)算，空地目標(biāo)之間的可見(jiàn)性分析等數(shù)據(jù)分析也起到重要作用。三維場(chǎng)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(chǎng)景對(duì)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(xiàn)［4］對(duì)這兩種數(shù)據(jù)質(zhì)量精度進(jìn)行了細(xì)致的對(duì)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(guò)STK集成的轉(zhuǎn)換工具Image Converter或Terrain Converter進(jìn)行進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(gè)小軟件GetScreen和SGGS，從GoogleEarth中獲取地球影像。通過(guò)這兩個(gè)軟件獲取的影像數(shù)據(jù)都是帶有地理坐標(biāo)信息的。通過(guò)后續(xù)的格式轉(zhuǎn)換處理后可以直接與對(duì)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(huì)有一定的誤差，用于要求較高的研究時(shí)還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定校正。圖2是利用Image Converter進(jìn)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(dú)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(guò)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(lái)區(qū)分高度，三維顯示的效果較差。而Image Converter主要是對(duì)外部獲取的地表數(shù)據(jù)如衛(wèi)星圖片等進(jìn)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(qiáng)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(chǔ)［5］，可用于空間分析、地形研究，地圖制作，地面站臺(tái)的選址分析，地網(wǎng)設(shè)備的信號(hào)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(dú)有的.mdl格式。. mdl文件是一種文本文件，為分級(jí)結(jié)構(gòu)，由實(shí)體和組件構(gòu)成［6-7］，可由通用的三維模型轉(zhuǎn)換而來(lái)。目前市場(chǎng)上制作模型文件的軟件很多如3DMAX，Maya，Lightwave等。對(duì)于制作好的三維模型可通過(guò)格式轉(zhuǎn)換后用于STK中進(jìn)行三維顯示。下頁(yè)圖3為三維模型的格式轉(zhuǎn)換流程。

LwConverter是STK提供的專(zhuān)門(mén)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(jiǎn)單。模型文件包含一定的關(guān)節(jié)部件，在仿真過(guò)程中，可以通過(guò)編寫(xiě)外部文件的方式來(lái)控制模型姿態(tài)各關(guān)節(jié)的活動(dòng)，來(lái)完成一定的動(dòng)作，來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)場(chǎng)景的顯示效果。各類(lèi)模型的關(guān)節(jié)控制文件的格式見(jiàn)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(kuò)展名

2 飛行任務(wù)仿真方法

2.1STK/AMM簡(jiǎn)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(diǎn)，由點(diǎn)跡連線構(gòu)成路線；

StkExternal：利用外部歷書(shū)文件（*.e）控制對(duì)象運(yùn)動(dòng)；

RealTime：通過(guò)外部數(shù)據(jù)接口connect傳送外部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)對(duì)象運(yùn)動(dòng)；

AMM（Aircraft Mission Modeler）：STK定義的對(duì)飛機(jī)對(duì)象進(jìn)行任務(wù)設(shè)計(jì)和仿真的專(zhuān)用工具。

AMM是建立在飛行任務(wù)的概念之上的，比單純的點(diǎn)到點(diǎn)的飛行要復(fù)雜很多，它既包括飛行程序也包括飛機(jī)的性能特點(diǎn)，既描述飛機(jī)去了哪里也描述怎么去，以及在去的過(guò)程中所完成的動(dòng)作或任務(wù)。其仿真過(guò)程主要包括：飛機(jī)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(gè)階段飛機(jī)的飛行程序三部分。

2.2 飛機(jī)模型選擇和性能模型的參數(shù)配置

利用AMM進(jìn)行飛行仿真，首先要選擇執(zhí)行飛行任務(wù)的飛機(jī)類(lèi)型并設(shè)置飛機(jī)的配置參數(shù)和飛行參數(shù)。AMM中飛機(jī)的飛行航路是由飛機(jī)本身的性能特點(diǎn)（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(jī)模型是飛機(jī)圖形化的代表，它不僅定義了飛機(jī)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(lái)定義飛機(jī)在飛行過(guò)程中所完成的動(dòng)作，例如爬升，下降，轉(zhuǎn)彎等。同樣，利用AMM在進(jìn)行飛行任務(wù)仿真中，也需要對(duì)這些因素進(jìn)行綜合考慮，包括飛機(jī)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(dāng)一部分允許用戶直接應(yīng)用的飛機(jī)模型并預(yù)設(shè)了性能模型參數(shù)和飛機(jī)配置參數(shù)。飛機(jī)的配置數(shù)據(jù)包括燃油和有效載荷，這些信息主要用來(lái)在自定義的加速性能模型中準(zhǔn)確地計(jì)算攻角，對(duì)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(gè)飛機(jī)模型中。此外還有兩個(gè)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(jī)在進(jìn)行地形跟隨和垂直起降飛行程序時(shí)的飛行特征。這些性能模型參數(shù)決定了飛機(jī)在飛行過(guò)程中所完成的各種動(dòng)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(guò)程劃分為“階段”（Phase）和“程序”（Procedure）兩個(gè)層次。階段是包含整個(gè)或部分任務(wù)的容器，是組成整個(gè)飛行任務(wù)過(guò)程的邏輯框架。每個(gè)階段中都包含一個(gè)或數(shù)個(gè)飛行程序。每個(gè)飛行任務(wù)都包含一個(gè)或多個(gè)任務(wù)階段，在各個(gè)任務(wù)階段中，可以根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先順序，通過(guò)指定性能模型來(lái)改變飛機(jī)的飛行方式。“程序”是組成每個(gè)任務(wù)階段的元素，是每個(gè)任務(wù)階段飛機(jī)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(jī)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(diǎn)（Site）和程序本身（Procedure）。程序站點(diǎn)決定飛行程序的位置信息，AMM中共有11種不同的站點(diǎn)類(lèi)型，如跑道，航路點(diǎn)，垂直起降點(diǎn)等。每種站點(diǎn)都有不同的作用和配置參數(shù)，如跑道類(lèi)型的站點(diǎn)需要設(shè)定跑道號(hào)和經(jīng)緯度、高度等信息，而航路點(diǎn)只需要設(shè)定高度和經(jīng)緯度。

飛行程序的類(lèi)型分為三組：標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型、垂直起降類(lèi)型和高級(jí)類(lèi)型。標(biāo)準(zhǔn)飛行程序是最常見(jiàn)的飛行程序，不依賴于其他STK對(duì)象。垂直起降主要用來(lái)模擬直升機(jī)的垂直起降、懸停等動(dòng)作。高級(jí)程序一般要涉及與其他STK的協(xié)調(diào)動(dòng)作。飛行程序種類(lèi)較多，具體采用哪種要根據(jù)航路點(diǎn)和前后所采用的程序類(lèi)型來(lái)確定。不同飛行程序之間的過(guò)渡方法由STK根據(jù)前后程序的特點(diǎn)自動(dòng)計(jì)算得出。

圖4 圓弧類(lèi)型的飛行程序

圖4 是標(biāo)準(zhǔn)飛行程序類(lèi)型中的弧形類(lèi)型的示意圖?；⌒纬绦蝾?lèi)型包括3個(gè)控制點(diǎn)：程序站點(diǎn)（Procedure Site）、圓弧切入點(diǎn)（Join Arc Procedure）和圓弧脫開(kāi)點(diǎn)（Exit Arc Procedure）。圓弧切入點(diǎn)的位置由上一個(gè)飛行程序過(guò)渡過(guò)來(lái)的起始方位（Start Bearing）、轉(zhuǎn)彎方向（Turn Direction）和轉(zhuǎn)彎半徑（Radius）3個(gè)參數(shù)決定。圓弧脫開(kāi)點(diǎn)由轉(zhuǎn)彎角度決定，這些參數(shù)在建立飛行程序的時(shí)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(jī)在飛行過(guò)程中需要不斷地獲取地面導(dǎo)航臺(tái)或者導(dǎo)航衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)并隨時(shí)接收地面空中交通管制員的指揮指令等。通過(guò)利用STK的可見(jiàn)性分析功能，可以快速計(jì)算飛機(jī)在整個(gè)任務(wù)過(guò)程中與導(dǎo)航衛(wèi)星和地面導(dǎo)航臺(tái)的可見(jiàn)時(shí)間段，以此來(lái)分析空地通信鏈路的可用性。并利用STK的報(bào)告（Report）和圖表（Graphic）功能生成飛行過(guò)程中飛機(jī)與每顆導(dǎo)航衛(wèi)星，每個(gè)地面臺(tái)站的可見(jiàn)起始時(shí)刻，可見(jiàn)時(shí)長(zhǎng)，最長(zhǎng)和最短可見(jiàn)時(shí)間以及每個(gè)時(shí)刻的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量或臺(tái)站數(shù)量的數(shù)據(jù)報(bào)告和圖表。

4 任務(wù)設(shè)計(jì)實(shí)例

西藏林芝機(jī)場(chǎng)為高原機(jī)場(chǎng)，自然地形與氣候復(fù)雜多變，飛機(jī)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(duì)在高原機(jī)場(chǎng)飛機(jī)的飛行情況進(jìn)行仿真規(guī)劃并對(duì)空地通信鏈路進(jìn)行分析就顯得格外重要。實(shí)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(jì)，根據(jù)航路信息和布置在不同位置的3個(gè)假設(shè)甚高頻臺(tái)站，分析在飛行過(guò)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(jìn)行三維顯示環(huán)境的創(chuàng)建，整個(gè)飛行過(guò)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(jī)模型采用STK模型庫(kù)中現(xiàn)有模型，整個(gè)飛行過(guò)程采用一個(gè)任務(wù)階段，飛行程序主要采用點(diǎn)到點(diǎn)和地形跟隨兩種類(lèi)型。站點(diǎn)類(lèi)型在起飛、著陸階段選擇跑道類(lèi)型，飛行過(guò)程中選擇航路點(diǎn)類(lèi)型。圖5中折線即為飛行航跡，程序站點(diǎn)的具體坐標(biāo)根據(jù)飛行任務(wù)的具體要求進(jìn)行設(shè)定。

圖5 林芝縣邊界和飛行航跡

實(shí)例中假設(shè)了3個(gè)甚高頻臺(tái)，表2為其坐標(biāo)信息。圖6是飛行任務(wù)仿真過(guò)程中的情形，圖中3條脈沖連線分別表示飛機(jī)與3個(gè)地面站的通信鏈路。利用STK的Access分析功能，計(jì)算飛機(jī)在整個(gè)任務(wù)過(guò)程中與3個(gè)甚高頻臺(tái)站的可見(jiàn)性，從而分析鏈路的可用性。表3是飛機(jī)在飛行過(guò)程中與3個(gè)地面甚高頻臺(tái)站的可見(jiàn)性分析報(bào)告。

表2 3個(gè)甚高頻臺(tái)的坐標(biāo)

圖6 飛行任務(wù)仿真實(shí)例場(chǎng)景

由分析結(jié)果可以看出，在整個(gè)飛行過(guò)程中，飛機(jī)至少與1個(gè)甚高頻站可見(jiàn)，最多與3個(gè)甚高頻站可見(jiàn)，且大部分時(shí)間都與某兩個(gè)臺(tái)站可見(jiàn)，所以在飛行過(guò)程中，空地鏈路能夠滿足在飛行過(guò)程中不間斷地與地面站進(jìn)行通信的要求。

表3 飛機(jī)與3個(gè)地面甚高頻臺(tái)站的可見(jiàn)性分析報(bào)告

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要給出了利用STK/AMM模塊進(jìn)行航空器飛行任務(wù)仿真的方法并對(duì)飛行過(guò)程中飛機(jī)與地面臺(tái)站的空地通信鏈路的可用性進(jìn)行了分析。利用STK的三維顯示功能創(chuàng)建三維場(chǎng)景，作為飛行任務(wù)仿真的三維顯示環(huán)境。真實(shí)的三維場(chǎng)景，既用于仿真過(guò)程的三維場(chǎng)景展示也用于數(shù)據(jù)分析。由整個(gè)仿真過(guò)程可知利用STK/AMM進(jìn)行飛行仿真，方法簡(jiǎn)單，任務(wù)過(guò)程設(shè)計(jì)靈活，數(shù)據(jù)分析方便快捷，三維顯示效果好，優(yōu)勢(shì)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(jìn)行更加準(zhǔn)確細(xì)致的飛行仿真系統(tǒng)研究。

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

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

［3］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.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)［J］，2012，24（1）：197-201.

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［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(cè)控學(xué)報(bào)，2010，29（2）：54-56.

［7］張萬(wàn)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(jì)算機(jī)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(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與中國(guó)民航局聯(lián)合資助項(xiàng)目（U1233109）

郭金亮（1988- ），男，助理工程師。研究方向：空中交通管理。