基于STK的復雜地形條件下無人機偵察效果仿真分析

劉旭東,張 猛,周洋臣

(中國人民解放軍31002部隊,北京 100091)

在近現代戰爭中,無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)作為一種重要的偵察力量,已被越來越多的國家應用于戰術偵察、戰場巡邏和特種目標攻擊等任務,特別在反恐、維穩、特種作戰、搜尋等特殊偵察、監視任務中,小型無人機偵察相較于傳統偵察手段具有極大的優勢。

傳統無人機偵察航線規劃實質是在地形地物、環境威脅和技術指標等多約束條件下,使用航線規劃算法,計算得到滿足任務、導航通信和自身安全的最優航線。隨著航段的復雜度變化,航線的逼真度也不斷變化,這使得任務操作員感知理解難度增加,且絕大多數算法合適飛行高度高,威脅單一的情況,不適應小型無人機低空飛行航線規劃評估分析[1]。

本文采用STK軟件(System Tool Kit,系統工具箱)對小型無人機對復雜地形偵察效果進行仿真分析,評估無人機航線規劃方案合理性,為反恐、維穩、特種作戰方案無人機偵察系統航跡規劃、通信方案設計與優化提供可靠的數據支撐。

STK軟件是美國AGI公司開發的一款在航天工業居領先地位的可視化、組件化仿真分析軟件,能夠快速、全面地支持對復雜陸、海、空、天、電一體化仿真推演和分析評估應用,覆蓋航空航天、空間環境、衛星、雷達、通信、導航、電子對抗、導彈、艦艇、飛行器等領域,并提供易于理解的圖表和文本形式的分析結果,以及高逼真度的空間可視化呈現；通過過程推演和精確分析計算,能夠為用戶關心的研究問題提供直接、定量和直觀的分析數據,輔助用戶完成體系設計、任務規劃、態勢分析、作戰能力、效能和威脅評估等任務[2]。

本文以美國RQ-7B“影子”無人機為例,首先，對無人機實現完全覆蓋目標區域,以及無人機和地面控制站之間通信鏈路暢通基本條件進行分析計算;然后，采用STK軟件仿真無人機不同飛行高度條件下對該目標區域進行偵察的過程;同時,利用STK軟件的覆蓋特性計算模塊分析無人機傳感器對目標區域的覆蓋特性,利用STK軟件的通信計算模塊分析無人機與地面控制站通信效果[3],以驗證評估復雜地形條件下無人機航跡規劃方案合理性,為無人機航線規劃優化提供可靠的數據支撐。

1 理論分析與計算

1.1 RQ-7B“影子”無人機

RQ-7B“影子”無人機系統由美國聯合工業公司防務分公司生產,能夠為戰術機動中的戰場指揮官提供近實時、高精度、可持續超視距偵察、監視、目標獲取、戰斗毀傷評估和作戰管理功能的小型戰術無人機。該型無人機主要配屬美國陸軍的旅級部隊,也是第一種經由美國軍方正式批準進行批量生產的小型戰術無人機系統。RQ-7B“影子”無人機系統包括2個地面控制站、4架無人機、4部遙控視頻終端和天線、1輛無人機運輸發射車、2輛人員/設備運輸拖車[4]。無人機基本參數見表1。

表1 RQ-7B“影子”無人機系統基本參數

2.2 覆蓋范圍計算

RQ-7B無人機CCD的瞬時視場范圍與CCD傳感器的視場角、俯仰角、無人機的飛行高度和姿態相關,如圖1所示,設無人機飛行高度OH為h,O點為CCD傳感器,OX為水平軸,OY為垂直軸,∠BOX為CCD光軸與無人機中軸形成的安裝角,用β表示,CCD傳感器為長方形視場,左右視場角為α,前后視場角為γ,則無人機平飛時,CCD傳感器對地覆蓋范圍形狀為梯形,A′A″為短邊,B′B″為長邊,AB為梯形高,則

OA=h/cos(90°-β-γ)

(1)

HA=h×tan(90°-β-γ)

(2)

(3)

OB=h/cos(90°-β)

(4)

HB=h×tan(90°-β)

(5)

(6)

則CCD傳感器對地覆蓋面積為

(7)

可見,在無人機視場角和安裝角度確定的情況下,其偵察范圍僅與飛行高度相關,飛行高度越高,偵察范圍越大,但是受傳感器性能和目標尺寸的限制,飛行高度高,成像質量會變差,地面操作人員可能無法對偵察圖像進行有效的目標識別,需要根據任務不同,目標尺寸大小確定最優的無人機飛行高度,在確保成像質量的情況下,獲取最大的覆蓋范圍[5-6]。

圖1 無人機傳感器探測示意圖

2.3 無線電通信計算

為了保持地面對RQ-7B的控制,RQ-7B應始終在地面站的通信范圍內。偵察圖像信息所需通信帶寬由偵察圖像分辨率、圖像格式、幀速率以及圖像壓縮率決定,若采用RGBA格式,則圖像信息傳輸速率計算方法為

Rb=PI×Z/C×4

(8)

其中,Rb為圖像傳輸速率,PI為圖像分辨率,Z為幀速率,C為圖像壓縮速率。

則通信鏈路的裕量為

(9)

若通信鏈路裕量能夠滿足安全通信裕量,即

M(dB)≤Psafe(dB)

(10)

其中,Psafe為實際工程應用安全裕量。

根據無人機CCD傳感器覆蓋面積,初步計算無人機飛行航線,形成基于時間軸的無人機航線,若航線不能滿足安全通信鏈路要求或無法滿足通視要求,則需采取相關措施進行改善,如增加通信無人機進行中繼[7-9]。

3 STK的無人機偵察效果評估

3.1 評估流程

首先設置STK軟件仿真時間,二、三維場景顯示等相關參數;其次根據無人機偵察任務,形成基于時間軸的無人機航線任務腳本;插入飛行器對象,根據航線腳本和偵察目標區域編輯飛行航線;插入傳感器建立光學傳感器對象,按照RQ-7B無人機相關載荷參數設置,搭建地面指揮控制站,設置接收機參數;然后插入“覆蓋性分析”對象,建立可見光偵察載荷與目標區域的對應關系。

STK場景設置完畢,即可利用STK對目標區域進行掃描分析計算,查看仿真結果,分析無人機飛行高度、傳感器覆蓋率、通信鏈路等特性是否滿足任務要求。仿真分析流程如圖2所示[10-11]。

圖2 仿真分析流程

3.2 偵察效果仿真分析

本文以RQ-7B無人機對某目標區域如圖3所示(約58 km2)執行偵察、監視任務,在附近城市空曠地建立無人機控制站,整個無人機任務規劃的對象結構如圖4所示,并輸入RQ-7B無人機載荷參數。利用STK二、三維可視化態勢展示的特點,給出無人機不同飛行航段的飛行高度,每段飛行最低高度如圖5所示,隨著地形的起伏,無人機飛行高度需從2 700 m,逐步爬升至3 500 m。然后結合第2節飛行航線計算方法計算RQ-7B無人機航線,如圖6、7所示。利用STK覆蓋特性分析,可以計算得到無人機對目標區域各個點的覆蓋時間(見圖8)以及無人機相對于目標區域地表的高度(見圖9)。

圖3 偵察目標區域地形

圖4 各類仿真對象建立

圖5 不同地形無人機最小飛行高度

圖6 RQ-7B無人機飛行航跡示意圖

圖7 RQ-7B無人機飛行航跡數據

為保證地面站對無人機的控制和圖像數據的正常下傳,利用通信計算模塊,可得到地面站接收無人機偵察數據信號的強度,分析是否滿足RQ-7B無人機信號傳輸的安全通信鏈路要求。如圖10所示,地面控制站與RQ-7B無人機直接通信時,地面控制站接收機接收的信號強度較弱,難以滿足RQ-7B無人機通信鏈路裕量要求,這時如果在偵察目標區域增加通信中繼無人機,則地面控制站接收的信號強度如圖11所示,通信效果提高明顯。

圖8 RQ-7B無人機傳感器對目標區域覆蓋時間

圖9 RQ-7B無人機傳感器相對于地表飛行高度

圖10 RQ-7B無人機地面控制站接收信號強度

圖11 中繼通信無人機參與條件下RQ-7B無人機地面控制站接收信號強度

4 結束語

本文以RQ-7B無人機戰術偵察為例,描述了STK在無人機偵察效果仿真分析中的應用方法,利用STK軟件覆蓋特性計算模塊和通信計算模塊,發揮STK軟件可視化效果好的特性,驗證分析了復雜地形條件下無人機航線規劃方案的合理性,為無人機航線規劃優化提供可靠的數據支撐。仿真實例表明,STK可多角度分析評估航線規劃效果,計算結果準確,展示效果直觀,操作簡單快捷,適用于實際工程中無人機航路規劃計算分析。