期Ｃｏｍｍａｎｄ指挥控制与仿真
Ｃｏｎｔｒｏｌ＆Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ＶｏｌＤｅｃ４２ ２０２０
Ｎｏ６文章编号：１６７３⁃３８１９（２０２０）０６⁃０１１２⁃０５
基于ＳＴＫ的复杂地形条件下无人机侦察效果仿真分析
刘旭东，张 猛，周洋臣
摘 要：为高效评估小型无人机对复杂地形区域侦察航路规划的合理性（中国人民解放军３１００２部队，北京 ，１０００９１）
提出采用ＳＴＫ（ＳｙｓｔｅｍＴｏｏｌＫｉｔ，系统工具箱）软件对无人机（以美国ＲＱ⁃７Ｂ“影子”无人机为例）侦察效果进行评估分析。首先，对目标区域实现完全区域覆盖及链路畅通条件进行理论分析；其次，利用ＳＴＫ软件计算分析无人机传感器对目标区域覆盖的特性，评估无人机与地面控制站的通信效果。仿真结果表明，ＳＴＫ可多角度分析、评估航线规划效果。计算结果准确、展示效果直观、操作简单快捷，可用于评估分析复杂地形条件下无人机航线规划方案的合理性，为无人机航线规划优化提供可靠有效的数据支撑。
关键词：无人机；航路规划；侦察；评估
中图分类号：ＴＰ３９１９９ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃３８１９．２０２０．０６．０２０
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＬＩＵｉｎＡｎａｌｙｓｉｓＸｕ⁃ｄｏｎｇ，ＣｏｍｐｌｅｘｏｆＺＨＡＮＧＴｅｒｒａｉｎＵＡＶＲｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅＥｆｆｅｃｔ
Ｍｅｎｇ，ＢａｓｅｄＺＨＯＵｏｎＳＴＫ
Ａｂｓｔｒａｃｔａｒｅａ，：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｖａｌｕａｔｅ（Ｕｎｉｔｔｈｅ３１００２ｏｆＰＬＡ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９１，Ｙａｎｇ⁃ｃｈｅｎ
Ｃｈｉｎａ）
ＵＡＶＳＴＫ（Ｓｙｓｔｅｍｔｏｏｌｋｉｔ）ｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｔｏｅｖａｌｕａｔｅｏｆｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅｔｈｅｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅｒｏｕｔｅｐｌａｎｎｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｆｏｒＵＡＶｓｍａｌｌ（ｔａｋｉｎｇＵＡＶＲＱｉｎ－ｃｏｍｐｌｅｘ７Ｂ＂Ｓｈａｄｏｗ＂ｔｅｒｒａｉｎｔｉｏｎｓｔｈｅｉｓａｓｃａｒｒｉｅｄａｎｅｘａｍｐｌｅ）．ｏｕｔ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，Ｆｉｒｓｔｌｙ，ＳＴＫｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｏｆｔｗａｒｅａｎａｌｙｓｉｓｉｓｕｓｅｄｏｆｔｏｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｔａｒｇｅｔａｒｅａａｎｄｔｏａｎａｌｙｚｅａｃｈｉｅｖｅｆｕｌｌａｒｅａｃｏｖｅｒａｇｅａｎｄｌｉｎｋｕｎｂｌｏｃｋｅｄｃｏｎｄｉ⁃ｃａｎｔａｒｇｅｔｅｆｆｅｃｔａｎａｌｙｚｅａｒｅａａｎｄａｎｄｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｅｆｆｅｃｔｂｅｔｗｅｅｎＵＡＶａｎｄｇｒｏｕｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｔａｔｉｏｎ．ｃｏｖｅｒａｇｅＴｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆＵＡＶｓｈｏｗｓｅｎｓｏｒｓｔｈａｔＳＴＫｔｏ
ｎｉｎｇｉｓｉｎｔｕｉｔｉｖｅ，ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｓｓｉｍｐｌｅｒｏｕｔｅａｎｄｐｌａｎｎｉｎｇｆａｓｔ，ｉｔｆｒｏｍｃａｎｂｅｍｕｌｔｉｐｌｅｕｓｅｄｔｏａｎｇｌｅｓ，ｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｚｅｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙａｒｅａｃｃｕｒａｔｅ，ｏｆｔｈｅｄｉｓｐｌａｙｚａｔｉｏｎ．
ｓｃｈｅｍｅｕｎｄｅｒｃｏｍｐｌｅｘｔｅｒｒａｉｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｄａｔａｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒＵＡＶｒｏｕｔｅＵＡＶｐｌａｎｎｉｎｇｒｏｕｔｅｏｐｔｉｍｉ⁃ｐｌａｎ⁃Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＵＡＶ；ｒｏｕｔｅｐｌａｎｎｉｎｇ；ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ；ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ
Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＵＡＶ）
在近现代战争中，无人机（ＵｎｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌ人机低空飞行航线规划评估分析［１］本文采用ＳＴＫ软件（ＳｙｓｔｅｍＴｏｏｌ。
Ｋｉｔ，系统工具箱）
多的国家应用于战术侦察作为一种重要的侦察力量、战场巡逻和特种目标攻击，已被越来越对小型无人机对复杂地形侦察效果进行仿真分析，评等任务，特别在反恐、维稳、特种作战、搜寻等特殊侦估无人机航线规划方案合理性，为反恐、维稳、特种作察、监视任务中，小型无人机侦察相较于传统侦察手段战方案无人机侦察系统航迹规划、通信方案设计与优具有极大的优势。
化提供可靠的数据支撑。
传统无人机侦察航线规划实质是在地形地物、环境威胁和技术指标等多约束条件下，使用航线规划算居领先地位的可视化ＳＴＫ软件是美国ＡＧＩ、组件化仿真分析软件公司开发的一款在航天工业
，能够快法，计算得到满足任务、导航通信和自身安全的最优航速、全面地支持对复杂陆、海、空、天、电一体化仿真推线。随着航段的复杂度变化，航线的逼真度也不断变演和分析评估应用，覆盖航空航天、空间环境、卫星、雷化，这使得任务操作员感知理解难度增加，且绝大多数达、通信、导航、电子对抗、导弹、舰艇、飞行器等领域，算法合适飞行高度高，威胁单一的情况，不适应小型无
并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果，以及高逼真度的空间可视化呈现；通过过程推演和精确分收稿日期：２０１９⁃１１⁃１８
修回日期：２０２０⁃０２⁃２０
析计算，能够为用户关心的研究问题提供直接、定量和作者简介：刘旭东（１９８４—），男，河南商丘人，硕士，工程师，
直观的分析数据，辅助用户完成体系设计、任务规划、研究方向为作战模拟。
态势分析、作战能力、效能和威胁评估等任务［２］张 猛（１９８０—），男，硕士，高级工程师。
本文以美国ＲＱ⁃７Ｂ“影子”无人机为例，首先。
，对无.com.cn. All Rights Reserved.第６期指挥控制与仿真
１１３
人机实现完全覆盖目标区域，以及无人机和地面控制站之间通信链路畅通基本条件进行分析计算；然后，采用ＳＴＫ软件仿真无人机不同飞行高度条件下对该目标区域进行侦察的过程；同时，利用ＳＴＫ软件的覆盖特性计算模块分析无人机传感器对目标区域的覆盖特性，利用ＳＴＫ软件的通信计算模块分析无人机与地面控制站通信效果
［３］
迹规划方案合理性，以验证评估复杂地形条件下无人机航
，为无人机航线规划优化提供可靠的数据支撑。
１ 理论分析与计算
１１ 务分公司生产ＲＱ⁃７Ｂ“ＲＱ⁃７Ｂ“影子影子”无人机
，能够为战术机动中的战场指挥官提供”无人机系统由美国联合工业公司防
近实时、高精度、可持续超视距侦察、监视、目标获取、战斗毁伤评估和作战管理功能的小型战术无人机。该型无人机主要配属美国陆军的旅级部队，也是第一种经由美国军方正式批准进行批量生产的小型战术无人机系统。ＲＱ⁃７Ｂ“影子”无人机系统包括２个地面控制站、４架无人机、４部遥控视频终端和天线参数见表１。。、１无人机基本
辆无人机运输发射车、２辆人员／设备运输拖车［４］表１ ＲＱ⁃７Ｂ“影子”无人机系统基本参数
名称参数机身长３６ｍ翼展４２７ｍ重量１８１６ｋｇ载重２５３ｋｇ飞行高度４６ｋｍ飞行时间６ｈ巡航速度１５５ｋｍ／ｈ最大航程
１２５ｋｍ光电／红外传感器视场角１５°×２０°光电／红外传感器侦察距离
３５ｋｍ通信频段
Ｃ频段
２２ ＲＱ⁃７Ｂ覆盖范围计算
器的视场角、无人机俯仰角ＣＣＤ、无人机的飞行高度和姿态相关的瞬时视场范围与ＣＣＤ传感
，如图１所示，设无人机飞行高度ＯＨ为ｈ，Ｏ点为ＣＣＤ传感器，ＯＸ为水平轴，ＯＹ为垂直轴，∠ＢＯＸ为ＣＣＤ光轴与无人机中轴形成的安装角，用β表示，ＣＣＤ传感器为长方形视场，左右视场角为α，前后视场角为γ，则无人机平飞时，ＣＣＤ传感器对地覆盖范围形状为梯形，Ａ′Ａ″为短边，Ｂ′Ｂ″为长边，ＡＢ为梯形高，则
ＯＡ＝ｈ／ｃｏｓ（９０°－β－γ）
（１）
ＨＡ＝ｈ×ｔａｎ（９０°－β－γ）
（２）Ａ′Ａ″＝２×ＡＡ′＝２×ＯＡ×ｔａｎæç
αöè（３）ＯＢ＝ｈ／ｃｏｓ（９０°－β）２÷ø
（４）ＨＢ＝ｈ×ｔａｎ（９０°－β）
（５）Ｂ′Ｂ″＝２×ＢＢ′＝２×ＯＢ×ｔａｎæç
αöè÷（６）
则ＣＣＤ传感器对地覆盖面积为
２ø
Ｍ＝
１
（２
（Ａ′Ａ″＋Ｂ′Ｂ″）×（ＨＢ－ＨＡ）＝ＯＡ＋ＯＢ）×ｔａｎæç
αö
÷×ｈ×（ｔａｎ（９０°－β）－ｔａｎ（９０°－β－γ））è２＝
ø
ｈ×(
ｔａｎｃｏｓ（９０°１－β－γ）＋
ｃｏｓ（９０１
°－β）
)
×
ç
æαöè２÷ø
×ｈ×（ｔａｎ（９０°－β）－ｔａｎ（９０°－β－γ））＝ｈ２×(＋ｔａｎæαöｃｏｓ（９０°１－β－γ）ｃｏｓ（９０１°－β）)×
èç
２÷ø
×（ｔａｎ（９０°－β）－ｔａｎ（９０°－β－γ））可见，在无人机视场角和安装角度确定的情况下（７）
，其侦察范围仅与飞行高度相关，飞行高度越高，侦察范围越大，但是受传感器性能和目标尺寸的限制，飞行高度高，成像质量会变差，地面操作人员可能无法对侦察图像进行有效的目标识别，需要根据任务不同，目标尺寸大小确定最优的无人机飞行高度，在确保成像质量的情况下，获取最大的覆盖范围［５⁃６］。图１ 无人机传感器探测示意图
２３ 无线电通信计算
为了保持地面对ＲＱ⁃７Ｂ的控制，ＲＱ⁃７Ｂ应始终在地面站的通信范围内。侦察图像信息所需通信带宽由侦察图像分辨率、图像格式、帧速率以及图像压缩率决定，若采用ＲＧＢＡ格式，则图像信息传输速率计算方法为
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Ｒｂ＝ＰＩ×Ｚ／Ｃ×４
（８）
其中，Ｒｂ为图像传输速率，ＰＩ为图像分辨率，Ｚ为
帧速率，Ｃ为图像压缩速率。
则通信链路的裕量为Ｍ（ｄＢ）＝Ｐｔ（ｄＢＷ）＋Ｇｔ（ｄＢ）＋
Ｔｎ（ｄＢ）Ｇｒ
－ＥＮ
ｂ（ｄＢ）－
Ｌ其中∑（ｄＢ），Ｍ为链路裕量－Ｒｂ（ｄＢ）＋，Ｐ２２８６（９）
ｔ为发射功率，Ｇｔ为发射天
线增益，
Ｇｒ
为接收机品质因数，
ＥＴｎ
Ｎ
ｂ为给定误码率要求
的接收机信噪比门限，Ｌ据传输速率。
∑为其他链路损耗和，Ｒｂ为数若通信链路裕量能够满足安全通信裕量，即Ｍ（ｄＢ）≤Ｐ其中，Ｐｓａｆｅ为实际工程应用安全裕量ｓａｆｅ（ｄＢ）
。
（１０）
根据无人机ＣＣＤ传感器覆盖面积，初步计算无人机飞行航线，形成基于时间轴的无人机航线，若航线不能满足安全通信链路要求或无法满足通视要求，则需采取相关。
措施进行改善，如增加通信无人机进行中继［７⁃９］３ ＳＴＫ的无人机侦察效果评估３１ 评估流程
首先设置ＳＴＫ软件仿真时间，二、三维场景显示等相关参数；其次根据无人机侦察任务，形成基于时间轴的无人机航线任务脚本；插入飞行器对象，根据航线脚本和侦察目标区域编辑飞行航线；插入传感器建立光学传感器对象，按照ＲＱ－７Ｂ无人机相关载荷参数设置“的对应关系覆盖性分析，搭建地面指挥控制站”对象，建立可见光侦察载荷与目标区域，设置接收机参数；然后插入行扫描分析计算ＳＴＫ场景设置完毕。
，查看仿真结果，即可利用，分析无人机飞行高ＳＴＫ对目标区域进
度、传感器覆盖率、通信链路等特性是否满足任务要求。仿真分析流程如图２所示［１０⁃１１］３２ 侦察效果仿真分析
。
（本文以ＲＱ⁃７Ｂ无人机对某目标区域如图３所示
立无人机控制站约５８ｋｍ２）执行侦察，整个无人机任务规划的对象结构如、监视任务，在附近城市空旷地建图４所示，并输入ＲＱ⁃７Ｂ无人机载荷参数。利用ＳＴＫ二、三维可视化态势展示的特点，给出无人机不同飞行航段的飞行高度，每段飞行最低高度如图５所示，随着地形的起伏，无人机飞行高度需从２７００ｍ，逐步爬升至３５００ｍ。然后结合第２节飞行航线计算方法计算
图２ 仿真分析流程
ＲＱ性分析－７Ｂ，无人机航线可以计算得到无人机对目标区域各个点的覆
，如图６、７所示。利用ＳＴＫ覆盖特盖时间（见图８）以及无人机相对于目标区域地表的高度（见图９）。
图３ 侦察目标区域地形
图４ 各类仿真对象建立
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图５ 不同地形无人机最小飞行高度
图６ ＲＱ⁃７Ｂ无人机飞行航迹示意图
图７ ＲＱ⁃７Ｂ无人机飞行航迹数据
下传 为保证地面站对无人机的控制和图像数据的正常，利用通信计算模块，可得到地面站接收无人机侦察数据信号的强度，分析是否满足ＲＱ⁃７Ｂ无人机信号传输的安全通信链路要求。如图１０所示，地面控制站
图８ ＲＱ⁃７Ｂ无人机传感器对目标区域覆盖时间
图９ ＲＱ⁃７Ｂ无人机传感器相对于地表飞行高度
图１０ ＲＱ⁃７Ｂ无人机地面控制站接收信号强度
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与ＲＱ⁃７Ｂ无人机直接通信时，地面控制站接收机接收的信号强度较弱，难以满足ＲＱ⁃７Ｂ无人机通信链路裕量要求，这时如果在侦察目标区域增加通信中继无人机，则地面控制站接收的信号强度如图１１所示，通信效果提高明显。
图１１ 中继通信无人机参与条件下ＲＱ⁃７Ｂ
无人机地面控制站接收信号强度
４ 结束语
本文以ＲＱ⁃７Ｂ无人机战术侦察为例，描述了ＳＴＫ在无人机侦察效果仿真分析中的应用方法，利用ＳＴＫ软件覆盖特性计算模块和通信计算模块，发挥ＳＴＫ软件可视化效果好的特性，验证分析了复杂地形条件下无人机航线规划方案的合理性，为无人机航线规划优化提供可靠的数据支撑。仿真实例表明，ＳＴＫ可多角度分析评估航线规划效果，计算结果准确，展示效果直观，操作简单快捷，适用于实际工程中无人机航路规划计算分析。
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（责任编辑：胡志强）
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