基于STK的高超聲速飛行器可視化仿真平臺研究*

常建松

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空間智能控制技術(shù)國家級重點實驗室，北京100190）

基于STK的高超聲速飛行器可視化仿真平臺研究*

常建松1，2

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空間智能控制技術(shù)國家級重點實驗室，北京100190）

論證了利用STK軟件建立高超聲速飛行器可視化仿真平臺的可行性，研究了創(chuàng)建高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)模型以及模擬其所處空間地理環(huán)境的方法，提出了利用STK/Connect模塊功能實現(xiàn)分布式實時可視化仿真的策略，仿真結(jié)果表明基于STK的仿真平臺能夠滿足任務(wù)需求。

STK；可視化仿真；高超聲速飛行器

1 引 言

高超聲速飛行器在30～100km高的范圍內(nèi)進(jìn)行5馬赫以上的高超聲速、高機動性、高精度飛行，可有效提升武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能和突防能力，是未來近太空作戰(zhàn)中一種攻防兼?zhèn)涞奈淦?，高超聲速飛行器能長航時、超遠(yuǎn)程飛行，是快速交通運輸?shù)男鹿ぞ撸瑢Υ龠M(jìn)中國乃至世界的經(jīng)濟和科技發(fā)展具有重要意義[1]。

高超聲速飛行器控制系統(tǒng)的研制是一項高風(fēng)險、高投入、高復(fù)雜度而又要求高精度的系統(tǒng)工程，在控制系統(tǒng)方案設(shè)計過程中，仿真工作是一項必不可少并貫穿始終的重要環(huán)節(jié)。所謂飛控系統(tǒng)的可視化仿真，就是把虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于飛行器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究和性能分析中，用可視化的方法驗證假設(shè)條件、飛行器動力學(xué)模型的正確性和控制策略的有效性，為未來高超聲速飛行器控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2 可視化仿真平臺的研究內(nèi)容

在高超聲速飛行器仿真平臺的研究過程中，需要結(jié)合CAD技術(shù)、系統(tǒng)仿真技術(shù)和VR（virtual reality）技術(shù)進(jìn)行飛控系統(tǒng)的可視化仿真[2]，主要目的就是給用戶提供一個多視點、多角度、多層次觀察仿真進(jìn)程的人機交互環(huán)境，以直觀的可視化仿真結(jié)果驗證控制方法的有效性。其主要研究內(nèi)容為：

（1）虛擬現(xiàn)實技術(shù)

在高超聲速飛行器二維和三維模型圖片的基礎(chǔ)上，利用某三維建模工具繪制飛行器的三維模型；采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)飛行器飛行環(huán)境的模擬和飛行器運動軌跡的三維顯示。

（2）模塊化建模

仿真平臺采用模塊化的建模方式，分別構(gòu)建高超聲速飛行器的各個子模塊，允許靈活地改變控制策略，能兼容各種控制算法的實現(xiàn)。

（3）高超聲速飛行器飛控系統(tǒng)穩(wěn)定性檢驗

可視化仿真的實現(xiàn)過程中，在給定飛行狀態(tài)下加入一定強度的擾動信號，以三維動畫的直觀形式展現(xiàn)飛行器在擾動開始和擾動結(jié)束情況下的飛行軌跡，檢驗控制算法的有效性和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 利用STK構(gòu)建仿真平臺

STK（satellite tool kit）是美國Analytical Graphics公司開發(fā)的一款在航天工業(yè)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的商品化分析軟件。STK的三維圖像顯示窗口可以提供飛行器軌跡、姿態(tài)及其所處空間環(huán)境的可視化三維影像，通過更改三維窗口的屬性設(shè)置（諸如模型外觀、空間環(huán)境和地理特征等），結(jié)合靈活的場景觀察控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)逼真的可視化仿真[3]。

3.1 高超聲速飛行器模型的創(chuàng)建

三維實體模型的創(chuàng)建是整個虛擬場景建立的關(guān)鍵部分，模型的建立應(yīng)采用模塊化建模思想，分別構(gòu)建高超聲速飛行器各個組成部分的模型，結(jié)合具體控制策略，實現(xiàn)各部分子模型的動態(tài)控制。

在STK中，用戶可以為目標(biāo)對象設(shè)置三維模型，為方便用戶掌握模型，STK專門提供一個模型查看程序MDE.exe。通過該程序即可以對目標(biāo)模型的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析，對模型各部分細(xì)節(jié)進(jìn)行控制，并以直觀的三維圖像演示出來。

對于簡單模型的建立，可從STK本身提供的模型庫中找到類似的模型，在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的修改，直接以W indows的記事本文檔格式修改參數(shù)即可。

對于自主設(shè)計的復(fù)雜的高超聲速飛行器模型，由于STK本身并沒有提供模型制作工具，因此可以先通過三維模型制作軟件LightWave創(chuàng)建模型文件，再利用STK提供的轉(zhuǎn)換工具LwConvert.exe進(jìn)行文件轉(zhuǎn)換，之后方可使用[4]。

圖1是以美國NASA研制的高超聲速飛行器X-31為例，展示STK軟件三維模型顯示功能的效果圖。

圖1 X-31三維模型

3.2 空間環(huán)境和地形特征的模擬

STK專業(yè)版包含Earth Imagery地球高精度影像模塊和STK/Terrain高精度地形數(shù)據(jù)模塊，可用于高超聲速飛行器飛行環(huán)境的可視化仿真。

Earth Imagery模塊由GeoSphere Project's開發(fā)的地球影像數(shù)據(jù)包和ARC科學(xué)仿真公司開發(fā)的“地球之顏”數(shù)據(jù)包組成，為STK提供最佳地球影像三維環(huán)境視覺效果，這些數(shù)據(jù)包是由NOAA13衛(wèi)星拍攝的無云照片合成的全球影像，影像的地面分辨率約1km/象素。在STK/VO中調(diào)用Earth Imagery模塊將生成高精度的地球三維影像，達(dá)到生動、逼真的可視化仿真效果。圖2為高精度地球三維影像示例。

圖2 高精度地球三維影像

STK/Terrain地形數(shù)據(jù)包含精確的全球三維數(shù)字海拔地形數(shù)據(jù)，并與STK/PRO專業(yè)版和STK/AVO高級三維可視化模塊緊密結(jié)合。該數(shù)據(jù)包使用高級多維差值運算方法提供精確的360°方位角/仰角遮罩，用于對地面任意一點與衛(wèi)星的可見性分析。此運算法還可提供由用戶定義的地面站和地基目標(biāo)的海拔高度信息，其地形數(shù)據(jù)的水平分辨率優(yōu)于30″或1 km，可以安裝到硬盤上，也可以直接從光盤驅(qū)動器讀取。在STK/AVO高級三維可視化模塊中使用地形數(shù)據(jù)可以顯示出生動、逼真的三維地貌，還可以看到地形對可見性分析的影響。圖3為高精度地形數(shù)據(jù)影像示例。

圖3 高精度地形數(shù)據(jù)影像

通過設(shè)置STK三維顯示窗口的屬性，調(diào)用這些高分辨率的地圖地形影像文件，可以實現(xiàn)對高超聲速飛行器飛行環(huán)境的模擬。

3.3 可視化仿真演示界面的建立

利用STK三維顯示窗口作為可視化仿真平臺的演示界面，可顯示高超聲速飛行器三維模型和其所處的空間飛行環(huán)境以及運動軌跡和姿態(tài)的變化，但首先要創(chuàng)建所需的場景并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。場景建立與仿真流程如圖4所示。

圖4 仿真界面的建立與仿真流程圖

首先啟動STK，創(chuàng)建新場景和對象；設(shè)置對象VO類下Model頁屬性，選擇加載高超聲速飛行器模型文件；設(shè)置三維窗口Graphics類下Globe頁屬性，選擇加載高精度地球影像模塊或高精度地形數(shù)據(jù)文件；設(shè)置仿真起始時間、軌跡和姿態(tài)等初始信息參數(shù)；通過程序接口實時接收軌跡和姿態(tài)信息，通過STK三維顯示窗口進(jìn)行可視化演示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存貯。

4 分布式實時可視化仿真策略

根據(jù)平臺研究內(nèi)容，希望可視化仿真可以實現(xiàn)在給定的擾動信號初始條件下，實時演示飛行器在擾動信號作用下軌跡和姿態(tài)的變化情況。更具體說，就是希望可以通過采用與用戶交互的方式改變飛行器的動力學(xué)模型、模型的可調(diào)參數(shù)、不確定參數(shù)的變化范圍、輸入指令參數(shù)、擾動信號參數(shù)、飛行器的運行條件和飛行狀態(tài)等參數(shù)，來驗證假設(shè)條件、飛行器動力學(xué)模型的正確性和控制策略的有效性。這就要求平臺具有分布式實時可視化仿真能力，利用STK/Connect模塊提供的功能，可以實現(xiàn)這種要求。

4.1 STK/Connect模塊介紹

STK/Connect模塊為用戶提供在服務(wù)器環(huán)境下與STK連接的功能。STK/Connect為第三方應(yīng)用程序提供了一個向STK發(fā)送命令和接收來自STK數(shù)據(jù)的通信工具，模塊功能如圖5所示。

該模塊主要特性如下：

1）在客戶機/服務(wù)器環(huán)境下工作ˉˉˉConnect模塊通過TCP/IP的Socket或UNIX Domain Socket可很方便地建立用戶應(yīng)用程序和STK接口。這種網(wǎng)絡(luò)能力允許來自任何虛擬環(huán)境的實時數(shù)據(jù)傳送。

2）連接庫ˉˉˉ用戶可以通過Connect模塊提供的連接庫方便地建立和使用TCP/IP，利用庫提供的函數(shù)、常值和其它消息能力可以建立第三方應(yīng)用程序與STK的連接。

3）信息功能ˉˉˉConnect模塊可以有選擇地生成信息，用戶可以不按照標(biāo)準(zhǔn)格式生成信息，使用自定義的格式以適應(yīng)第三方的應(yīng)用程序。這個功能可以使用戶更好地控制信息環(huán)境。

4）實時可視化ˉˉˉConnect模塊聯(lián)接著STK和STK/VO，這樣可以實時地觀察事件。

該模塊通過TCP/IP的Socket或UNIX Domain Socket即可很方便地建立用戶應(yīng)用程序和STK接口。這種網(wǎng)絡(luò)能力允許來自任何虛擬環(huán)境的實時數(shù)據(jù)傳送，進(jìn)而可以實現(xiàn)分布式實時可視化仿真。例如，可以通過STK/Connect獲得從火箭或衛(wèi)星上得到的遙測數(shù)據(jù)，而后通過三維VO地圖窗口模擬飛行任務(wù)，幫助了解并解決任何可能出現(xiàn)的問題。

圖5 連接模塊功能圖

4.2 驅(qū)動指令

Connect模塊提供了豐富的外部連接命令，用以實現(xiàn)各種接口功能，驅(qū)動VO窗口實時顯示飛行器軌跡與姿態(tài)的控制指令與方法如下[5]：

其中Object Path為有效路徑；Position Type為位置類型，可以選擇ECI和LLA等格式；Date Time為數(shù)據(jù)時間；Position Data為與選擇的位置類型相對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)。

其中Object Path為有效路徑；Date Time為數(shù)據(jù)時間；Q1、Q2、Q3、Q4為姿態(tài)四元數(shù)。

仿真程序?qū)崟r調(diào)用以上兩條指令，驅(qū)動VO窗口實時地更新軌跡和姿態(tài)信息，飛控系統(tǒng)可視化仿真實質(zhì)是飛行器的運動軌跡和姿態(tài)數(shù)據(jù)在計算機屏幕上的映射，而實時計算出的數(shù)據(jù)對場景中飛行器的驅(qū)動即實現(xiàn)這一過程，驅(qū)動過程表明，飛行器運動軌跡和姿態(tài)數(shù)據(jù)的更新是實時的。

4.3 仿真策略

利用STK/Connect模塊提供的功能，運用相應(yīng)的連接指令，即可實現(xiàn)實時可視化仿真。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合分布式仿真技術(shù)相關(guān)思想，提出分布式實時可視化仿真策略，仿真原理如圖6所示。

圖6 分布式實時可視化仿真原理圖

圖6所示的分布式實時可視化仿真策略體現(xiàn)了模塊化設(shè)計的思想。高超聲速飛行器控制系統(tǒng)可以分解為多個子模塊，交由任務(wù)計算機組中相應(yīng)的計算機處理，再把需要的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給仿真計算機，仿真計算機則及時處理輸入數(shù)據(jù)，并驅(qū)動STK三維顯示窗口，以三維動畫的直觀形式展現(xiàn)飛行器在控制指令作用下的飛行軌跡和姿態(tài)，以達(dá)到檢驗控制系統(tǒng)設(shè)計穩(wěn)定性的目的。

5 仿真示例與結(jié)果分析

高超聲速飛行器三維模型以NASA的X-31為例，飛行環(huán)境以地球高精度影像數(shù)據(jù)模塊來模擬，采用分布式實時可視化仿真策略。仿真過程中假設(shè)飛行器受到擾動信號的作用，繞滾動軸旋轉(zhuǎn)90°，飛行器在這一過程中的軌跡和姿態(tài)變化過程如圖7和圖8所示。

從仿真結(jié)果可以看出：1）以STK軟件建立的仿真平臺可以實現(xiàn)高超聲速飛行器的三維模型、飛行環(huán)境以及運動軌跡和姿態(tài)的三維顯示功能；2）通過采用分布式實時可視化仿真策略，實現(xiàn)了飛行器在擾動信號作用下飛行軌跡和姿態(tài)變化過程的實時可視化三維顯示，從而達(dá)到驗證控制系統(tǒng)有效性的目的，滿足平臺建設(shè)要求；3）仿真過程中可能出現(xiàn)個別數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，但并不影響總體仿真結(jié)果，三維窗口可視化顯示過程仍可順利完成。

圖7 擾動作用前飛行器的軌跡與姿態(tài)

圖8 擾動作用后飛行器的軌跡與姿態(tài)

6 結(jié)束語

本文探討以STK軟件為開發(fā)環(huán)境的情況下，建立高超聲速飛行器可視化仿真平臺的可行性。研究了創(chuàng)建飛行器三維模型和模擬空間地理環(huán)境的方法及過程，提出分布式實時可視化仿真策略，并結(jié)合具體的仿真示例說明平臺建設(shè)滿足了任務(wù)設(shè)計要求。但是，該平臺虛擬現(xiàn)實的程度和效果還要受STK自身在模型建立和空間地理環(huán)境模擬精度方面的限制，因此今后還應(yīng)進(jìn)一步研究利用其它虛擬現(xiàn)實技術(shù)軟件建立高超聲速飛行器仿真平臺的方法。

[1]康志敏.高超聲速飛行器發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2000，28（4）：27-33

[2]朱云驥.高超聲速飛行器魯棒控制及可視化仿真研究[D].西北工業(yè)大學(xué)碩士論文，2005，55-57

[3]藍(lán)朝楨，陳景偉，李建勝，徐青.航天任務(wù)實時3維可視化仿真[J].測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2007，24（1）：47-50

[4]楊穎，王琦.STK在計算機仿真中的應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005，61-67

[5]常建松，林曉輝.STK與MATLAB聯(lián)合仿真方法及應(yīng)用研究[C].全國仿真技術(shù)學(xué)術(shù)會議.北京，2007

Visualization Simulation System of Hypersonic Vehicle Based on STK

CHANG Jiansong1，2
（1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China；2.National Laboratory of Space Intelligent Control，Beijing 100190，China）

This paper investigates the possibility of designing the visualization simulation system for hypersonic vehicle based on STK.A method is presented for creating three-dimensional model of hypersonic vehicle and simulating the space and geography environment.The real time distributed simulation is realized by taking use of the STK/Connect modules.The simulation result shows that the system based on STK satisfies the requirements of task.

satellite tool kit；visualization simulation；hypersonic vehicle

TP391.9

A

1674-1579（2008）05-0045-04

*國家自然科學(xué)基金（60736023）資助項目.

2008-03-27

常建松（1982-），男，黑龍江人，助理工程師，研究方向為衛(wèi)星控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真技術(shù)（e-mail：changjiansong@163.com）。