AFSim 仿真系统--子系统几何考虑

子系统几何考虑

概述

由于WSF试图表示以多种方式运行的子系统（传感器，武器或通信），因此它提供的定义属性的机制，如几何限制，可能相当令人生畏。本文档提供了关于这些机制如何运作以及如何定义行为类似于真实子系统的子系统模型的指导。

从几何角度来看，子系统可以大致分为三类：

固定指向 - 指向角度始终朝着相同方向。
扫描 - 指向角度按照规律的模式移动。
指令指向 - 指向角度由命令选择（如跟踪）

一个子系统可能根据其操作模式表现出所有三种特征。在某些情况下，指令指向和扫描可能同时使用（例如，提示获取或提示搜索）。在扫描或指令指向子系统中，改变指向角度的机制可能是机械的、电气的、光学的或通过其他方式。无论如何，指向角度的移动可能会在方向上受到限制（例如，仅在方位角中移动，在仰角中移动，或在任何方向中移动），也可能在允许的方向中可移动的量上受到限制。

坐标系统

最终，子系统与其他平台或子系统（例如，感知，发送消息）进行交互。当交互发生时，对象位于空间某处并具有一定的方向。子系统本身相对于主机平台有位置和方向，并且可以使用扫描‘束’。由于交互的最终成功或失败在很大程度上取决于几何关系，因此了解所采用的坐标系统以及如何定义其关键参数是至关重要的。

在交互过程中使用最多七个坐标系统：

世界坐标系（WCS）
实体坐标系统（ECS）
零件坐标系统（PCS）
提示坐标系统（CCS）
扫描坐标系统（SCS）
束坐标系统（BCS）
天线坐标系统（ACS）

传统武器，如导弹或火炮，通常仅使用前四个坐标系统（即，WCS，ECS，PCS和CCS）。传感器和通信设备也使用后三个（即，SCS，BCS和ACS）。请注意，“束”和“天线”这些术语可能太过反映了事物的射频特性。您可以将“束”视为瞬时的观测角度，将“天线”视为传输或接收信号的光圈。

以下部分定义了各种坐标系统的形成方式以及用于定义在过程中使用的参数的命令。

世界坐标系

世界坐标系（WCS）是一个右手笛卡尔系统，定义如下：

原点位于地球中心。

+X轴通过0N，0E。
+Y轴通过0N，90E。
+Z轴通过90N（北极）。

地球表面被WGS-84标准（NIMA TR-8350.2）定义为一个扁球体。

实体坐标系统

实体坐标系统（ECS）是一个刚性固连到平台（实体）的坐标框架，是一个右手笛卡尔系统，定义如下：

原点位于实体中心。
+X轴位于实体前方。对于飞机，这将朝向飞机头部。
+Y轴位于实体右侧（从+X轴向下看）。对于飞机，这将相对于飞行员的位置在右侧机翼外侧。
+Z轴指向实体底部。
偏航（Yaw）是围绕Z轴的旋转。正偏航是向右转。对于飞机，这将使机头向飞行员的右侧移动。
俯仰（Pitch）是围绕Y轴的旋转。正俯仰会提高+X轴。对于飞机，这将抬高机头。
滚转（Roll）是围绕X轴的旋转。正滚转会下降+Y轴。对于飞机，这将下降右侧机翼。

零部件坐标系统

零部件坐标系统（PCS）是刚性固连到子系统的坐标框架，只是实体坐标系统（ECS）的平移和旋转。零部件的位置和方向是相对于ECS定义的。可以通过以下两种方法定义零部件的相对位置和方向：

静态地使用位置、偏航、俯仰和横滚。
动态地使用 WsfArticulatedPart.SetYaw、WsfArticulatedPart.SetPitch 和 WsfArticulatedPart.SetRoll 脚本命令。

所定义的方位角限制和俯仰限制（由azimuth_slew_limits和：command_.articulated_part.elevation_slew_limits定义）是相对于这个坐标系统定义的，并表示系统可以达到的指向的绝对限制。传感器模式特定的提示限制覆盖（由azimuth_cue_limits和elevation_cue_limits定义）也是相对于这个坐标系统定义的。

一个常见的错误是使用俯仰命令来定义绕其Z轴旋转的系统（例如，机场监控雷达，导弹发射器）的天线倾斜角。不幸的是，俯仰会倾斜整个坐标框架，包括Z轴！对于希望Z轴保持垂直的情况，应使用以下命令之一：

tilt 用于SAM发射器或坦克炮塔等平台。
antenna_tilt 用于简单的单光圈（束）系统或对于使用机身坐标限制扫描的电子波束系统。
beam_tilt 用于堆叠光束雷达系统。

提示坐标系统 Cued Coordinate System

提示坐标系统（CCS）是在应用提示命令后的PCS。如果一个子系统具有不固定的：command_.articulated_part.slew_mode或提示模式，那么它可以被“提示”。触发子系统的命令有：

WsfArticulatedPart中的任何Cue To命令
WsfTaskManager中的StartTracking或StartJamming命令

如果一个子系统可以被提示，并且存在提示，则CCS如下确定：

将方位角和俯仰角提示角计算为与PCS相对的提示点的方位。
确定“活动”方位角和俯仰提示模式和提示限制。

*一般情况下，这些由slew_mode和elevation_slew_limits定义。

*活动提示模式和提示限制可以选择由传感器模式特定的cue_mode、azimuth_cue_limits和elevation_cue_limits覆盖。

确定最终方位线索角度与PCS相关。

*如果子系统可以在方位上指向（主动线索模式为方位或方位和仰角），则将方位线索角度限制在前一步中定义的活动方位线索角度限制范围内。

*如果子系统不能在方位上指向（主动线索模式为固定或仰角），则方位线索角度为零。

确定最终与PCS相关的仰角线索角度。

*如果子系统可以在仰角上指向（主动线索模式为仰角或方位和仰角），则将仰角线索角度限制在前一步中定义的活动仰角线索角度限制范围内。

*如果子系统无法在仰角上指向（活动线索模式为固定或方位），则仰角线索角度为零。

*通过将在前几个步骤中确定的方位和仰角线索角度对PCS变换进行旋转来计算CCS变换。

如果子系统无法被指向或者未定义线索，则CCS就是PCS。

扫描坐标系统

扫描坐标系统（SCS）定义了“扫描模式”的原点和方向。它与CCS相同，除非扫描稳定化不是“无”。如果扫描稳定化不是“无”，那么SCS将重新定位以实现扫描稳定化效果。

在azimuth_scan_limits、elevation_scan_limits、azimuth_field_of_view和elevation_field_of_view命令中指定的角度是相对于SCS而言的。

光束坐标系统

光束坐标系统（BCS）定义了“光束”的瞬时位置。BCS的X轴与光束中心对齐。对于非扫描系统（即，扫描模式为固定），BCS、扫描坐标系统（SCS）和指向坐标系统（CCS）应该相同。

BCS的形成如下：

根据SCS计算目标方位和仰角角度。
确定光束相对于SCS的方位角度：

*如果光束可以在方位上扫描（即，扫描模式为方位或方位和仰角），光束方位角度为目标方位角度，限制在azimuth_scan_limits定义的范围内。

*如果光束无法在方位上扫描（即，扫描模式为固定或仰角），光束方位角度为零。

确定光束相对于SCS的仰角角度：

*如果光束可以在仰角上扫描（即，扫描模式为仰角或方位和仰角），仰角角度为目标仰角角度，限制在elevation_scan_limits定义的范围内。

*如果光束无法在仰角上扫描（即，扫描模式为固定或方位），光束仰角角度为零。

确保光束位置不超过子系统的旋转限制。步骤如下：

*将从SCS转换回指向坐标系统的光束方位和仰角角度。

*必要时调整转换后的光束方位和仰角角度，以确保每个角度及其当前对准角度之和不超过由azimuth_slew_limits和elevation_slew_limits定义的相应限制。

BCS最终通过在前一步中确定的转换和限制的光束方位和仰角角度上旋转CCS而形成。

目标相对于BCS的方位和仰角角度用于确定射频交互的天线增益。

天线坐标系统

天线坐标系统（ACS）定义了“天线”的方向。对于不采用电子波束指向技术的系统（电子波束指向为none），BCS和ACS将相同。对于采用电子波束指向技术的系统，ACS的X轴将垂直于阵列的表面。

BCS的X轴与ACS的X轴之间的角度用于计算波束指向损失。更多信息，请参考电子波束指向、电子波束指向限制和电子波束指向损失指数。

传感器和通信处理的一般流程

本部分试图从几何角度描述传感器或通信尝试的一般流程。不讨论特定系统的处理。
计算到目标的距离，并与特定模式的最小范围和最大范围进行比较。如果不在范围内，则抑制其余的侦测处理。
计算目标与传感器之间的相对高度，然后与特定模式的最小高度和最大高度进行比较。如果不在相对高度限制内，则抑制其余的侦测处理。请注意，传感器下方的高度限制应为负数。
更新子系统的方向以反映任何潜在提示（计算部件坐标系统和提示坐标系统）。
计算目标相对于扫描坐标系统的方位，并与方位视场和仰角视场进行比较。如果不在限制范围内，则抑制其余的侦测处理。
设置发射/接收波束位置（即，计算波束坐标系统和天线坐标系统）。

超出这一点的处理将变得特定于传感器。对于像雷达这样的设备，目标相对于发射机和接收机BCS的方位（对于电子波束指向系统可能还包括ACS）将用于推导天线增益。