STK三维战场态势研究与实现

范纪松，任 辉，史红艳

（1.工程兵学院，江苏 徐州 221004；2.空军勤务学院，江苏 徐州 221002）

STK三维战场态势研究与实现

范纪松1，任 辉2，史红艳2

（1.工程兵学院，江苏 徐州 221004；2.空军勤务学院，江苏 徐州 221002）

三维战场态势推演广泛运用于部队各项演训活动中，提升了作战指挥决策的准确性和科学性。着力研究基于STK软件以陆战场为主的战场三维态势展现方法，重点对三维地形地貌、军事模型、模型运动等关键技术进行研究和运用，仿真了陆空协同立体攻击、栅格化信息网络构建等战场实景。仿真结果在教学、训练、演习活动中都得到了具体运用，其中涉及到的技术原理和方法能够为制作、推演战场三维态势提供参考和依据。

系统工具包，三维，战场态势，仿真

0 引言

随着以信息技术为核心的新军事变革的加速发展，传统平面图上作业和实体沙盘推演，已经不能满足现代作战指挥大量使用信息系统的需求。而基于三维技术的战场态势推演，因为其形象、直观、准确、可重复、可移植等特点，在各项演训活动中得到越来越广泛的运用，提高了指挥决策的准确性和科学性，增强了模拟战场的逼真度和实时“沉浸感”。

STK（Satellite Tool Kit）是航天领域中先进的系统分析软件，由美国分析图形有限公司（Analytical Graphics Inc，AGI）研制。AGI公司在 2012 年 10 月发布STK10.0版本时，将软件名称更改为系统工具包（System Tool kit），英文缩写仍然为STK。STK起初多用于卫星轨道分析，最初应用集中在航天、情报、雷达、电子对抗、导弹防御等方面。但随着软件不断升级，其应用也得到进一步的深入，STK现已逐渐扩展成为分析和执行陆、海、空、天、电（磁）任务的专业仿真平台。总体来看，基于STK对作战场景验证和仿真的研究成果逐年上升。文献［1］对航天任务发射场景模拟进行研究；文献［2］对预警飞机的作战方案进行了仿真、验证和演示；文献［3-4］对信息作战和电子对抗进行仿真，并研究其三维态势可视化表现方式；文献［5］对STK模型的制作及软件转换方法进行重点研究。目前，用STK进行仿真的主要还是研究空中目标，对近地场景的仿真研究还较少。本文着力研究基于STK以陆战场为主的战场三维态势实现方法。

1 STK战场态势表现方法

STK的可视化模块（STK/VO）是其最重要的功能模块之一，通过其生成的战场二维和三维态势场景，可以完成作战任务全过程、全方位的仿真演示功能，使得用户能方便准确地观察作战任务执行全过程。STK三维战场态势展示重点需解决三维地形地貌、军事模型、模型动画等关键技术问题。

1.1 三维地形地貌实现方法

三维地形地貌通常由地形高程数据（Terrain）贴纹理地图（Image）组成。STK所支持的地貌（Image）格式包括：.PDTTX和.JP2；STK地形格式包括：.PDTT。这些都是AGI的专有格式。而STK软件自带的转换器（Image Converter）可以将常见图片和高程格式转换成STK可以使用的专有格式，如图1所示［6］。

图1 STK图像转换流程

另外，STK中还可以导入矢量地形文件，支持shapefile格式文件的导入，即单纯作为地理信息在三维和二维窗口中展示，如标示国界、省界、省市级地名、公路铁路、湖泊等GIS数据，也可作为区域、线和点目标用于任务分析，其中用于二维、三维窗口显示的GIS数据可通过两种形式进行导入，一种是形成STK内部的矢量地图，在Map Details属性中选择使用；一种是将其与高分辨率地表纹理融合制作出含有GIS数据的纹理数据，用于可视化显示。

1.1.1 数字高程数据（DEM）

常用的公开全球高程数据主要有STRM和ASTER GDEM等。

SRTM（Shuttle Radar Topography Mission，航天飞机雷达地形测绘任务），由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量。2000年在“奋进”号航天飞机开展SRTM任务时，德国宇航中心（DLR）搭便车采用X波段雷达测全球的地形数据，带来了比美国（C波段）更高精度，但只是呈网状覆盖全球（大部分地区没有数据）。

ASTER GDEM数据由日本METI和美国NASA联合研制并免费面向公众分发。由于云覆盖，边界堆叠产生的直线、坑、隆起、大坝或其他异常的影响，ASTER GDEM数据局部地区存在异常。两种高程数据通过图中对比分析来看，使用GDEM数据的山体细节更丰富，但湖面有突起、地面有噪点起伏的问题依然没有解决。

图2 两种高程数据生成的三维地形比较

表1显示了几种常用数字高程（DEM）数据对比分析。结合相关文献总体来看，DLR精度较高，但数据覆盖不全，ASTER GDEM数据在内陆河流湖泊区域的数据不够准确，误差较大，SRTM数据在雪山、海面及地形陡峭区域误差较大甚至没有数据［7］。

表1 高程数据比较

1.1.2 地表纹理数据

STK自带的最高达到500 m和1 km分辨率的全球影像之外，局部地区高清影像更多地来自于Google Earth和Microsoft Virtual Earth中的影像。获取的渠道是使用一些专门获取卫星地图的工具和软件来抓图或者采取手工的方式，并拼接成大图，格式转换为.jpg、.bmp、.png等普通图片格式即可。值得注意的是，纹理数据应使用无偏卫星图片。

获取地表纹理数据，应准确记录好地图东、西、南、北4个边界经纬度值，在使用Image Converter转换为*.jp2和*.pttx时，需要输入纹理数据精确坐标。

1.2 三维模型实现方法

在STK三维场景中的仿真对象主要为mdl格式，从STK 10开始还支持采用collada三维模型格式，collada是一种以XML形式存储的格式文件。这里主要以mdl格式为例。文献［7-8］较为详细地阐述了.max等3D模型格式转换为.mdl的方法。具体mdl模型的制作方法这里不再赘述，其基本流程如图3所示。

图3 MDL模型制作与转换基本流程

在使用 3DS Max、Deep Exploration、Light Wave等软件制作、转换军事模型过程中，可能出现以下问题：一是模型不可见。在其他3D软件中模型可见，但是经过Lwconvert转换后，模型不可见，这主要是因为原始模型文件太大，可以尝试一下在Light Wave中使用Modify-Transform-Size命令来调整大小，再转成*.lwo和*.mdl格式；二是模型部分部件呈透明状。在多种软件转换过程中，会发生贴图和材质丢失的情况，对不正确的透明部件，要在Deep Exploration中重新设置材质和贴图。在制作转换模型过程中，还应注意要将不运动的部件组合在一起，需要运动部件要放在一个单独层，比如车轮、直升机螺旋桨、太阳能帆板等部件，并设置好工作轴，以围绕正确的轴运动。

图4 几种转换的军事模型示例

默认特殊字符放在Lightwave的层名结尾，可以在转换成MDL文件时，识别成关节动作。例如这样的格式，SolarPanel@sRPYxyz。“@”符号前是普通层名，之后每一个字母代表一个动作，具体如下：s-Size，R-Roll，P-Pitch，Y-Yaw，x-MoveX，y-MoveY，z-MoveZ。

1.3 模型运动及关节动画实现方法

在三维场景中，STK仿真对象主要以模型的运动轨迹和关节动画相结合的方式展示运动特性。

1.3.1 模型运动轨迹

模型在三维场景中的运动轨迹，有以下几种方式来设置。

一种是在属性Basic-Route列表中选择Great Arc，通过经度、纬度、高度、速度、加速度、时间、曲率等参数设置模型运动轨迹。设置模型运动轨迹时，其参数是可以在地图上选取的，但必须先在二维窗口载入其.jp2文件，然后在二维窗口选择坐标点位；一种是利用现有的任务模型（MissionModeler），主要是对于各种飞行器，有无人机、战斗机、商用喷气机、直升机等各种起飞、降落和飞行模式可以选择、组合；其他的还有利用外部文件（STKExternal）来描述其运行轨迹等。

1.3.2 关节动画

STK模型关节动画是通过关节文件（Model Articulation File）控制的，例如，车轮的旋转、直升机螺旋桨旋转、爆炸、海面波浪等动作。文件通过特定的语法格式规定了运动环节、运动时间和运动方式的对应关系。控制数据以ASCII码的形式存在于文件中。根据运动控制的对象不同，文件后缀有所差别，常用的模型运动控制文件包括.gvma、.fma、.acma、.sama、.mima等，它们控制的对象分别是地面车辆、地面设施、飞机、卫星和导弹等［9］。

2 应用实例

仿真使用STK 9.2版本，在Windows 7（32位）操作系统上运行，主要仿真了陆空协同立体攻击（如图5所示），栅格化信息网络构建（如图6所示），等场景，仿真时间步长均为Time Step：10 sec，以仿真时间2 min，代表实际作战时间20 min。

图5 立体攻击场景

图6 栅格化信息网络构建场景

立体攻击场景中，坦克模型以经纬度、高度、速度、加速度、时间、转弯半径等参数，确定其运动路线。武装直升机以任务模块（Mission Modeler）定义不同的起飞、降落、航线节点等参数，确定其航程任务。立体攻击场景能够精确推演协同各个环节的时间节点、各运动目标相互之间的可视关系等，能够逼真、准确地预演战场实景。

栅格化信息网络构建场景由开设式指挥所、通信节点车、坦克、中继无人机等模型构成，推演了坦克指挥车通过节点车接入栅格化网络，以及坦克指挥车通过无人机中继，建立与指挥所之间联系等场景。该场景能够重点分析网络体系构建、信号链路性能、遮挡因素等。生成各种推演数据和报表，还可连接MATLAB等其他数据分析软件分析使用。图7显示了STK生成的通信中继无人机与坦克指挥车通信链路的方位角（Azimuth）、仰角（Elevation）和通信距离（Range）随时间变化的关系。

图7 方位角、仰角和通信距离随时间变化的关系

3 结论

本文重点围绕基于STK的三维战场态势推演，研究了其实现的具体技术原理和方法。仿真结果具有方便、直观、准确、高精度、可移植等特点，在部队和院校教学、训练中有着广阔的应用前景。但由于STK软件VO模块的局限性，从3D显示美观和绚丽程度上来看，比不上专业三维引擎制作的三维动画，从数据分析的角度来看，STK提供的数据报表还比较单一。下一步如果拓展近地场景的应用，还必须用好其高级分析模块，做好二次开发，拓展丰富数据分析功能。

［1］年福纯，冯朝阳，奚宏明，等.基于STK的航天发射实时可视化系统研究与实现［J］. 系统仿真学报，2012，24（4）：804-809.

［2］陆奎，朱志国，涂小波.基于STK的预警飞机场景仿真研究［J］.舰船电子对抗，2014，37（4）：62-65.

［3］邓晶，张明智，李志强，等.基于STK的信息作战态势三维可视化表现方法研究［J］.系统仿真学报，2010，22（11）：2654-2659.

［4］林两魁，章敦永，于洪刚，等.基于STK的航空兵电子对抗作战仿真方法 ［J］. 电子信息对抗技术，2013，28（2）：58-62.

［5］朱笑然，年福纯，田兆平，等.基于多软件的STK模型转换应用研究［J］.飞行器测控学报，2010，29（2）：54-56.

［6］李志强，吴曦.基于信息系统体系对抗STK基础仿真应用［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［7］年福纯，周锦标，何建伟，等.STK三维场景构建及优化方法研究［J］.系统仿真学报，2012，24（1）：197-201.

［8］朱笑然，年福纯，田兆平，等.基于多软件的STK模型转换应用研究［J］.飞行器测控学报，2010，29（2）：54-56.

［9］孙平，杨乐平.STK中可视化实体模型的设计与运动控制［J］.电脑开发与应用，2006，19（4）：28-33.

Research and Implementation of 3D Battlefield Situation STK-based

FAN Ji-song1，REN Hui2，SHI Hong-yan2
（1.Institute of Engineering Corps，Xuzhou 221004，China；2.Air Force Logistics University，Xuzhou 221002，China）

3D battlefield situation demonstrating is widely used in military exercises，enhances fidelity and real-time “immersion”of virtual battlefield，improves the accuracy and the scientific of combat command and decision.The paper focuses on implementation of 3D battlefield situation by army group，researches the key technology of terrain，image，model，articulation and animation，and simulates the scenario of Stereo attack and Grid network construction.Simulation results are used in the teachings，trainings and drillings.STK-based 3D battlefield situation demonstrating can be convenience，flexibility and high-precision.The technology principle and method should provide reference and evidence for making and demonstrating 3D battlefield situation.

STK，three-dimensional，battlefield situation，simulation

TP391.41

：A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.06.030

2016-05-20

：2016-06-24

范纪松（1980- ），男，安徽宣城人，硕士，讲师。研究方向：作战指挥，战场仿真。

1002-0640（2017）06-0132-04