“飞机通信系统”三维动画制作

屈景怡，王晓亮，刘海涛，王 璐

(中国民航大学电子信息工程学院，天津300300)

0 引言

微视频是慕课(MOOCs)的基本课件资源，因此，制作高水平的微视频，做好资源建设工作，是慕课建设的基础。其中，形象的三维动画的制作是开发高水平微视频的难点[1]。

“飞机通信系统”是我院的一门重要专业课[2]。在民用航空飞机飞行过程中，利用无线电进行的地空通信是一个比较抽象、复杂的过程，所以，迫切需要利用计算机制作三维动画模拟整个通信系统的工作过程，作为录制微视频的素材。

卫星工具包STK(Satellite Tool Kit)作为可视化工具可以进行各种三维动画场景的显示和仿真，特别是在航空航天方面的仿真。通过STK对飞机整个通信系统工作过程进行仿真，以三维动画形式进行演示，可以简单明了地看到整个通信系统的运行过程，直观地了解系统各个组成部分之间的相互关系，让学生在学习原理之前了解系统整体[3－5]。

1 成都—上海飞行动画的设计

本文就飞机通信系统三维动画设计这一课题选取了成都—上海的国内飞行、北京—旧金山的跨洋飞行、北京—旧金山的跨极地飞行三个典型的应用场景，通过演示整个飞行过程中使用的地空通信系统，使学生对飞机通信系统有直观整体的认识。每种应用场景采用了不同的通信手段，如表1所示。

表1 三个应用场景

下面，我们以成都—上海的飞行为例，说明动画的设计和制作过程。

1.1 飞行过程的设计

该动画主要演示飞机从成都飞往上海的过程中，甚高频VHF(Very High Frequency)通信系统和飞机通信寻址报告系统ACARS(Aircraft Communication Addressing and Reporting System)在地空通信中的应用。VHF用于飞机与地面之间的话音通信。ACARS则用于在飞机和地面之间数据和信息交换，比如:机组识别、OOOI(关舱门、起飞、落地、开舱门)时间、发送机性能和维护事项报告等等。

其整个飞行过程为:双流塔台—成都进近—成都区管—上海区管—上海进近—虹桥塔台，如图1所示。

图1 飞行过程

1.2 场景布局的设计

场景布局主要分为航线布局和地面站布局两部分。航线布局主要分为滑行、起飞、爬升、航线、进近和着陆几个阶段，该航线的设定主要通过设置飞机的运动轨迹来实现，为了使得动画看起来具有较好的视觉效果，在航线设计的时候只是大概参考了真实航线的位置(参考山东航空的由成都飞往上海的SC1948航班航线)，并没有完全按照真实航线进行设计，并且省略了起飞着陆时的五边飞行任务。

地面站布局分为机场附近和航路两部分。在机场附近的地面站主要有成都(上海)塔台和成都(上海)进近管制中心。航路上则分布有三个VHF远端地面站。此外，还有航空公司，成都(上海)区管中心以及ACARS网络运行控制中心。

在正常运行时，VHF远端地面站、航空公司数据处理系统、塔台、进近和区管中心以及ACARS网络运行控制中心均通过地面通信网络相连接，通过地面通信网络进行数据和信息交换。

1.3 地空通信网络设计

地空通信网络设计主要包括VHF地空通信网络设计和ACARS地空通信网络设计。当机组人员呼叫地面管制中心人员时，VHF远端地面站接收飞机上发出的信号，通过地面通信网络传输到相应的管制中心。反之，当地面管制人员呼叫机组人员时，则是通过地面通信网络将语音信号传输到VHF远端地面站，再通过地面站将信号发射出去，飞机上的VHF天线接收到信号后对其进行处理，恢复出语音信息，如图2所示。

图2 VHF地空通信网络

ACARS数据传输过程如图3所示。ACARS报文通常通过飞机第三套VHF发射机发送至地面站，VHF地面站接受到报文后通过地面网络传送至ACARS控制中心，再由控制中心将报文路由至航空公司的AOC。此外，ACARS也可以借用高频和通信卫星发射机进行发射。

图3 ACARS地空通信网络

2 成都—上海动画的制作

动画的制作主要包括地面站和航线的加载以及地空通信网络的实现。图4给出了最终的效果图。

图4 最终效果图

2.1 地面站和航线的加载

在制作动画前，需要创建一个三维场景。然后按照动画设计，在场景中添加相应的地面站和航线。添加地面站的过程包括:①为了使得观察更加直观，添加指南针;②添加成都和上海两个城市;③添加起飞处成都双流机场和着陆处上海虹桥机场;④添加地面建筑，本动画中涉及地面建筑众多，主要有地面天线塔，机场塔台管制中心，ACARS数据中心，航空公司AOC等。有两点需要注意，其一，地面站的地理位置需要分别设置，各个站的经纬度如表2所示。其二，为了达到最佳视觉效果，需将模型的可视距离调整到最大。航线的加载主要包括飞机的添加和航线的设定。

表2 地面站坐标

2.2 地空通信网络的实现

VHF地空通信网络的实现包括:①为飞机和地面站添加传感器;②为地面天线塔添加覆盖区域。通常情况下VHF的覆盖范围是200海里，并且在飞机进入有效范围时覆盖区闪烁，以达到提示的效果;③添加地空通信链。地空通信链有上行链和下行链两种，它们都是使用传感器添加的。地空通信将以脉冲的形式表现出来;④添加地面通信链。地面通信网以实线表示链路，闪烁表示正在使用。

由于ACARS数据通信网络一般用VHF地面站进行数据传输的，所以对于ACARS通信网络的制作没有特别需要注意之处，只需要通信脉冲和地面通信链的颜色和VHF通信的颜色有所区分即可。

3 飞机通信教学演示系统

在完成了飞机通信系统三维动画制作工作的基础上，采用VS2010开发环境，还开发了一个教学演示系统。系统的主界面由菜单栏、工具栏、播放器、字幕栏以及通信方式提示区组成如图5所示。

图5 教学演示系统

字幕栏由两部分组成，分别是标题和字幕显示部分。标题部分显示当前的飞行场景(国内飞行、跨洋飞行、跨极区飞行)以及动画演示的目的(如:体现VHF通信在飞行中的应用)。字幕显示区通过滚动方式显示地空之间主要的通话内容。

通信方式提示区有HF、VHF、ACARS以及SATCOM四个按钮，当某种通信方式正在使用时，相应的按钮变成红色，并显示通信频率。

4 结语

飞机通信系统主要用于飞机与地面间的相互通信，对飞机的安全飞行有着举足轻重的作用。包括甚高频话音通信、高频话音通信、卫星通信、数据通信等多种通信方式，飞行的不同阶段采用不同的通信方式。本课题是采用STK针对典型的飞行场景，制作三维动画，形象地展示整个飞行过程中的通信系统的使用情况，这些动画已应用于“飞机通信系统”课程微视频的制作中。

[1]李明华.MOOCs革命:独立课程市场形成和高等教育世界市场新格局[J].上海:开放教育研究.2013，19(3):11－29

[2]刘连生.飞机通信系统[M].北京:兵器工业出版社，2005.

[3]杨颖，王琦.STK在计算机仿真中的应用[M].北京:国防工业出版社，2005

[4]Analytical Graphics INC(AGI).STK user's manual version4.3[EB/OL].[2005 － 05 － 01].http://www.agi.com/re2sources/help/help.com

[5]杜耀珂.基于STK的卫星实时视景仿真系统设计[J].北京:空间控制技术与应用.2009，35(2):60－64