STK飞行任务仿真及其在空地链路分析中的应用
gant郭金亮
disgui【摘 要】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 three-dimensional 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.%飞行仿真是飞行航路设计，飞行任务规划以及飞行训练等项目中非常重要的一项任务。介绍了在STK （Satellite Tool Kit）的三维显示环境下，利用STK提供的专业化模块STK/AMM（Aircraft Mission Modeler）进行航空器飞行任务仿真的方法，详细阐述
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了利用该模块进行飞行任务规划和飞行路径设计的过程。同时结合STK的数据分析功能完成航空器在飞行过程中与地面台站的通信链路的可用性分析。给出的仿真方法较以往的仿真方法简单，设计过程更加灵活，可以快速地实现飞行任务仿真设计和空地通信链路的可用性分析。
【期刊名称】《火力与指挥控制》
【年(卷),期】2015(000)004dareyou
【总页数】5页(P153-157)
【关键词】ew飞行仿真;任务规划;三维场景;STK;链路分析
【作 者】郭金亮
【作者单位】中国民用航空珠海进近管制中心，广东 珠海 519015
【正文语种】中 文
【中图分类】TP391.9
随着经济社会的发展，生产生活的需要，低空空域的逐步开放，我国的民航事业、通用航空、无人机产业等都在蓬勃发展。为了满足迅速扩大的飞行需求，保障飞行安全顺畅，对飞行任务进行前期规划和飞行仿真就显得尤为重要。
目前，关于飞行仿真的研究和软件也较多，但是大多数软件对飞行的仿真主要是对飞行场景的仿真，飞行环境也是虚拟生成的模型，与实际飞行中的三维环境有一定的差别，且飞行仿真的过程较为复杂，不能快速方便地对真实的飞行任务进行有效地仿真。本文所使用的仿真软件为在航空航天领域应用较多的商品化分析软件STK，它可以快速方便地分析复杂的陆、海、空、天任务，并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果，用于确定最佳解决方案［1］。其三维可视化功能可载入真实的地形、影像、GIS（Geographic Information System）数据和三维实体模型，场景真实度高，是可视化领域公认的权威［2］。
STK集成了很多强大而且专业的功能模块，其中STK/AMM模块是针对航空器飞行任务仿真而提供的专业化模块。本文利用STK/AMM模块完成对飞机飞行过程的仿真，并结合STK的分析功能和真实的三维显示环境完成对飞行过程中空地通信链路可用性的分析。
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加入地形数据不仅可以增强三维显示的视觉效果，更重要的是地形是飞行器低空飞行需要考虑的环境因素之一，而且对雷达等地面台站的方位角/仰角遮罩的计算，空地目标之间的可见性分析等数据分析也起到重要作用。三维场景的组成要素主要包括4种：地表地形数据、地表纹理数据、场景对象的三维模型和各种地理信息矢量数据［3］。
1.1 地形数据获取和导入
地形数据和纹理数据主要采用外部导入高精度地形数据的方式。目前较易获取且精度较高的地形数据是ASTER GDEM数据和SRTM3数据。文献［4］对这两种数据质量精度进行了细致的对比分析，根据分析结果，本文采用在高原地区精度较好的ASTER GDEM数据。
初始化外部获取的地形数据需要经过STK集成的转换工具Image Converter或Terrain Converter进行进一步的格式转换才可得到有用的地形数据。图1为利用Terrain Converter进行地形数据转换的流程。
1.2 地表纹理数据的获取和导入
地表纹理数据的获取方法有很多种，本文利用两个小软件GetScreen和SGGS，从GoogleE
arth中获取地球影像。通过这两个软件获取的影像数据都是带有地理坐标信息的。通过后续的格式转换处理后可以直接与对应的地形数据匹配。这样直接获取的地形和地表纹理数据都会有一定的误差，用于要求较高的研究时还需要对数据进行一定校正。图2是利用Image Converter进行地形数据和地表纹理数据转换的流程。
Terrain Converter和Image Converter均可独立完成地形数据和地表纹理数据的转换且在地形数据转化方面两者差别不大。两者的主要区别在于地表纹理的处理部分。Terrain Converter只通过地形数据便可生成地形和纹理数据，Image Converter的数据源有地形和纹理两部分。Terrain Converter生成的地表纹理主要是利用不同的颜色来区分高度，三维显示的效果较差。而Image Converter主要是对外部获取的地表数据如卫星图片等进行转换，可以根据需要去获取各种不同的地表数据，使用较为灵活，显示效果也较好。
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1.3 GIS数据的获取和导入
GIS工具是STK强大的分析功能的重要内容之一，GIS中的图形以矢量表示和存储［5］，可用于空间分析、地形研究，地图制作，地面站台的选址分析，地网设备的信号覆盖分析等诸多领域。制作GIS数据的软件也较多，如ARCGIS等，目前很多GIS论坛、网站等也都
提供部分GIS数据下载服务。STK的GIS工具支持多种格式的GIS数据导入和导出。
1.4 三维模型的获取和导入
STK支持的模型文件有其所独有的.mdl格式。. mdl文件是一种文本文件，为分级结构，由实体和组件构成［6-7］，可由通用的三维模型转换而来。目前市场上制作模型文件的软件很多如3DMAX，Maya，Lightwave等。对于制作好的三维模型可通过格式转换后用于STK中进行三维显示。下页图3为三维模型的格式转换流程。
LwConverter是STK提供的专门用于将.lwo格式的模型文件转换为.mdl格式的转换工具，用法较为简单。模型文件包含一定的关节部件，在仿真过程中，可以通过编写外部文件的方式来控制模型姿态各关节的活动，来完成一定的动作，来进一步增强场景的显示效果。各类模型的关节控制文件的格式见表1所示。
2.1STK/AMM简介
STK提供的航迹生成方法有4种：
GreatArc：在地球表面定义一系列点，由点迹连线构成路线；
StkExternal：利用外部历书文件（*.e）控制对象运动；
RealTime：通过外部数据接口connect传送外部实时数据，驱动对象运动；
氓的翻译
AMM（Aircraft Mission Modeler）：STK定义的对飞机对象进行任务设计和仿真的专用工具。
AMM是建立在飞行任务的概念之上的，比单纯的点到点的飞行要复杂很多，它既包括飞行程序也包括飞机的性能特点，既描述飞机去了哪里也描述怎么去，以及在去的过程中所完成的动作或任务。其仿真过程主要包括：飞机模型的选择和参数配置、定义任务阶段并选择所要采用的性能模型、定义每个阶段飞机的飞行程序三部分。
2.2 飞机模型选择和性能模型的参数配置
利用AMM进行飞行仿真，首先要选择执行飞行任务的飞机类型并设置飞机的配置参数和飞行参数。AMM中飞机的飞行航路是由飞机本身的性能特点（巡航速度、爬升率、滚转角速度、倾斜角等）决定的一系列参数化的曲线构成。
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AMM中的飞机模型是飞机图形化的代表，它不仅定义了飞机的物理特征还决定了它在任何给定情景下的飞行模式——性能模型。性能模型用来定义飞机在飞行过程中所完成的动作，例如爬升，下降，转弯等。同样，利用AMM在进行飞行任务仿真中，也需要对这些因素进行综合考虑，包括飞机模型的选择，性能模型等飞行参数的设定。
AMM模块中已经包含了相当一部分允许用户直接应用的飞机模型并预设了性能模型参数和飞机配置参数。飞机的配置数据包括燃油和有效载荷，这些信息主要用来在自定义的加速性能模型中准确地计算攻角，对于其他姿态性能关系不大。6种基本性能模型（起飞（Takeoff）、爬升（Climb）、加速（Acceleration）、巡航（Crui）、下降（Descent）、着陆（Landing）已经作为初始参数预置到每个飞机模型中。此外还有两个自定义性能模型：地形跟随（Terrain Follow）和垂直起降（VTOL）。其中地形跟随性能模型和垂直起降性能模型分别定义了飞机在进行地形跟随和垂直起降飞行程序时的飞行特征。这些性能模型参数决定了飞机在飞行过程中所完成的各种动作，用户可以根据需要修改初始基本性能模型的参数或者建立新的性能模型。
2.3 创建任务“阶段”，选择性能模型
STK/AMM将飞行任务的过程划分为“阶段”（Pha）和“程序”（Procedure）两个层次。阶段是包含整个或部分任务的容器，是组成整个飞行任务过程的逻辑框架。每个阶段中都包含一个或数个飞行程序。每个飞行任务都包含一个或多个任务阶段，在各个任务阶段中，可以根据任务的优先顺序，通过指定性能模型来改变飞机的飞行方式。“程序”是组成每个任务阶段的元素，是每个任务阶段飞机具体执行的飞行方式和飞行航路，也就是前面所描述的飞机的性能模型。
2.4 创建飞行“程序”
飞行程序由两部分组成：程序站点（Site）和程序本身（Procedure）。程序站点决定飞行程序的位置信息，AMM中共有11种不同的站点类型，如跑道，航路点，垂直起降点等。每种站点都有不同的作用和配置参数，如跑道类型的站点需要设定跑道号和经纬度、高度等信息，而航路点只需要设定高度和经纬度。
飞行程序的类型分为三组：标准类型、垂直起降类型和高级类型。标准飞行程序是最常见的飞行程序，不依赖于其他STK对象。垂直起降主要用来模拟直升机的垂直起降、悬停等动作。高级程序一般要涉及与其他STK的协调动作。飞行程序种类较多，具体采用哪种要
根据航路点和前后所采用的程序类型来确定。不同飞行程序之间的过渡方法由STK根据前后程序的特点自动计算得出。
