基于STK的雷達探測目標跟蹤可視化方法?

王 興 王 軍 劉鎮(zhèn)瑜 黃 飛

1 引言

雷達探測目標可視化可以為戰(zhàn)場態(tài)勢推演、作戰(zhàn)評估等提供依據(jù)［1］。在雷達探測仿真試驗中，合理高效地直觀顯示雷達探測跟蹤效果需要切實可信性可視化方法。目前，越來越多的工程人員利用可視化工具完解決數(shù)據(jù)的顯示問題，例如文獻［2］實現(xiàn)了基于Unity3D的飛行可視化仿真系統(tǒng)，文獻［3］實現(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可以很好地實現(xiàn)三維可視化，但是開發(fā)過程較為復雜，開發(fā)周期比較長。基于0penGL+Vc構(gòu)建可視化環(huán)境需要深厚編程能力，開發(fā)難度是最大的。美國 AGI（Analytical Graphics，Inc.）公司開發(fā)的STK（Systems Toolkit）軟件是先進的商業(yè)化仿真軟件，廣泛應用于航空航天、衛(wèi)星、導航、雷達、通信、電子戰(zhàn)等領域的仿真、設計和分析應用［4］，并能展示豐富的電子對抗效果。本文以雷達對空中飛行目標的跟蹤為例，研究分析了基于STK平臺的目標跟蹤態(tài)勢實現(xiàn)過程及效果。

2 雷達探測目標可視化系統(tǒng)設計

2.1 功能設計

本文設計的雷達探測目標可視化工具能夠?qū)崟r性進行數(shù)據(jù)分析、三維探測跟蹤場景顯示等功能，具體功能包括：

1）實時性。可視化實時處理模塊在雷達探測到目標時，實現(xiàn)實時顯示目標的位置、速度、雷達波束變化等信息。

2）三維顯示。三維顯示主要完成被探測跟蹤目標飛行中的三維顯示跟蹤，三維顯示場景包括飛行目標的背景場景、雷達三維波束、被探測目標三維模型等信息。

3）數(shù)據(jù)存儲與回放。本文設計的可視化系統(tǒng)能夠全數(shù)據(jù)存儲三維可視化數(shù)據(jù)，并提供三維態(tài)勢回放功能。

2.2 可視化系統(tǒng)框架設計

利用跟蹤目標的軌跡數(shù)據(jù)以及雷達探測距離及波束數(shù)據(jù)對目標三維模型及雷達探測三維模型進行驅(qū)動，在STK中完成雷達探測跟蹤某目標的可視化。基于STK的雷達探測跟蹤目標可視化系統(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、雷達數(shù)據(jù)輸入模塊、目標三維模型及其控制模塊、雷達三維模型及控制模塊以及可視化模塊。

1）目標、雷達數(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域常用的坐標系，包括地心坐標系（對應于STK中的Earth Fixed坐標系）、地心慣性坐標系（對應于STK中的Earth Inertial或J2000坐標系）、彈體坐標系（對應于STK中的Body坐標系）等。本模塊可以將不同坐標系下的軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地心坐標系或者地心慣性坐標系等STK所需格式的軌跡數(shù)據(jù)。

2）目標、雷達三維模型及其控制模塊

STK三維模型文件以ASCII碼形式存儲在文件中。一個模型包括一個或者多個在模型文件中定義的組件。每個組件都描述模型的一個特殊部分，一些模型包括細節(jié)的程度能用于復雜或者簡單的演示模型。模型動作文件包含一個以時間為序的數(shù)據(jù)列表。

目標運動驅(qū)動數(shù)據(jù)及雷達波束控制數(shù)據(jù)保存在文件中，并通過一定的計算隨時間序列在地圖上驅(qū)動數(shù)據(jù)點的生成。

3）STK可視化模塊

該模塊由STK計算模塊讀取數(shù)據(jù)文件自動驅(qū)動三維軌跡仿真場景，演示飛行器的飛行過程，動態(tài)顯示飛行器任意時刻的速度、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)報告、姿態(tài)數(shù)據(jù)報告以及各種數(shù)據(jù)曲線。

3 雷達探測距離模型

在不考慮雷達干擾情況下，雷達探測到的目標距離就是雷達最大探測距離，按照雷達方程［5］計算如下：

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為雷達目標截面積，λ為波長，F(xiàn)t為發(fā)射天線到目標的方向圖傳播因子，F(xiàn)r為目標到接受天線的方向圖傳播因子，（S N）min為最小可檢測信噪比，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探測距離模型，實際上雷達會收到各種干擾，其探測距離并不是理想的探測距離，而本文研究探測跟蹤可視化方法，并不是為了研究干擾情況下雷達探測距離建模問題，因此，我們采用式（1）作為探測模型，計算雷達探測距離，并作為驅(qū)動雷達探測波束可視化的依據(jù)。

4 可視化實現(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。對于STK9.2，僅支持DAE和MDL兩種模型格式。基于這兩種模型格式，STK還支持一些輔助特性，比如關(guān)節(jié)、附著點等。通過這些輔助特性，STK能夠?qū)崿F(xiàn)更精細的模型控制，比如警戒雷達對目標的跟蹤掃描等。下面對雷達三維模型創(chuàng)建，及雷達天線輔助特性的設置進行研究。

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的一個開放的、免費的數(shù)據(jù)交換標準，通過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DAE文件結(jié)構(gòu)的實例如圖2所示。

圖2 DAE文件結(jié)構(gòu)

STK基于DAE模型的開放性，添加了一些其特有的輔助特性，比如關(guān)節(jié)（Articulations，可用于設置模型中能做平移/縮放/旋轉(zhuǎn)動作的功能組件）、特效附著點（Effect Attach Points，可用于設置模型煙霧等特效的起始位置）、傳感器附著點（Sensor At?tach Points，可用于設置傳感器的起始位置）、指向元素（Pointable Elements，可用于設置模型關(guān)節(jié)組件的空間指向）、太陽面板組（Solar Panel Groups，可用于模型太陽面板的功率分析）、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標記進行擴展。輔助特性可以直接寫入DAE文件內(nèi)部，也可以寫入與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，輔助特性可能會丟失。本文采用獨立構(gòu)建ANC文件的方式來為模型添加輔助特性。一個完整的雷達DAE模型文件對應的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行設置模型關(guān)節(jié)名稱，該名稱會出現(xiàn)在STK的模型關(guān)節(jié)的設置中；第5、11行設置關(guān)節(jié)的運動方式，分別為繞各自的z、x軸進行旋轉(zhuǎn)，同時還設置了運動的初始、最大、最小值；第7、13行是關(guān)節(jié)對應于DAE模型中三維節(jié)點的ID（azimuth、pitch）；

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

4）第21～23行設置傳感器的附著點，附著點為DAE節(jié)點（pitch）的坐標原點。

通過以上設置就可以實現(xiàn)雷達天線在水平和俯仰兩個維度跟隨目標轉(zhuǎn)動，同時也將雷達波束固連在雷達罩的中心。

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入MDL文件內(nèi)部。由于MDL模型的通用性較差、配置維護困難等不足，本文不做詳細闡述。

圖3 雷達模型文件目錄結(jié)構(gòu)

4.2 場景配置

圖4 目標跟蹤場景圖

本節(jié)構(gòu)建了一個地面雷達車跟蹤飛機的三維場景，如圖4（a）所示。場景中，隨著飛機的運動，雷達天線會跟隨飛機在水平和俯仰兩個維度轉(zhuǎn)動，并始終保持天線指向飛機；同時，雷達的波束也會跟隨飛機運動，并且波束的起始位置固連于雷達天線中心。場景的具體配置如下：

1）飛機模型設置

（1）添加Aircraft節(jié)點并關(guān)聯(lián)一個三維飛機模型；

（2）為飛機模型設置飛行路線。

2）雷達模型設置

（1）創(chuàng)建雷達車DAE模型及ANC文件；

（2）創(chuàng)建一個Facility節(jié)點并關(guān)聯(lián)雷達車DAE模型；

（3）設 置 雷 達 屬 性 的 3D Graphics→Model Pointing的兩個Pointable Elements指向飛機目標，以實現(xiàn)雷達天線在水平和俯仰兩個維度跟隨目標轉(zhuǎn)動。

3）傳感器設置

（1）為雷達添加傳感器Sensor以表示雷達跟蹤波束；

（2）設置傳感器的Basic→Pointing的Pointing Type為Target，將飛機節(jié)點設置到Assigned Targets，以實現(xiàn)雷達波束對飛機的跟蹤掃描；

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

場景運行效果如圖4（b）、4（c）、4（d）所示。

5 結(jié)語

STK是一款性能成熟、功能強大的系統(tǒng)仿真工具，但是由于政治、技術(shù)等因素限制，國內(nèi)相關(guān)研究資料比較稀缺，造成很多態(tài)勢表現(xiàn)效果不能被及時發(fā)現(xiàn)并應用到雷達探測跟蹤試驗過程中。另外，隨著其它系統(tǒng)仿真工具和可視化工具的開發(fā)，需要借鑒STK中的相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)，到達快速固化需求、優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)和加快開發(fā)進度的目的。本文研究為上述兩項工作開展做了前期準備，其可視化方法能夠很好地用于工程實踐中。

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