基于STK和GIS的航天發(fā)射場三維場景仿真技術(shù)研究

仝 非，郭騰飛

（63796部隊，四川 西昌 615000）

0 引言

3dsMax是較為流行的三維建模軟件，使用3dsMax對火箭、衛(wèi)星以及發(fā)射場主體建筑進(jìn)行仿真建模，對地理環(huán)境場景進(jìn)行搭建是可行的。但是對火箭整個發(fā)射過程，特別是對火箭升空后地球及空間環(huán)境場景、火箭發(fā)射彈道以及衛(wèi)星軌道等進(jìn)行建模仿真和動畫制作，存在工作量大，運動軌跡精度難以準(zhǔn)確控制等問題（使用其它建模仿真軟件也存在類似問題）。使用STK軟件搭建航天場景的優(yōu)勢在于，軟件已經(jīng)集成了地球及空間環(huán)境模型，火箭/衛(wèi)星軌跡已有滿足場景仿真精度要求的數(shù)學(xué)模型，在簡單設(shè)置參數(shù)以后，就可自動生成火箭彈道、衛(wèi)星軌道等，簡單易用。通過格式轉(zhuǎn)換，STK還支持3dsMax等其它建模軟件創(chuàng)建的模型，是一個專業(yè)的航天發(fā)射三維仿真平臺。STK對多種格式的GIS（Geographic Information System）信息支持較好，使用發(fā)射場所在地數(shù)字高程信息和地表紋理信息，可以簡單、快速、準(zhǔn)確的搭建發(fā)射場周圍地理環(huán)境三維場景。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、信息高度共享的時代，GIS信息的獲取也較為容易，使得STK聯(lián)合GIS對發(fā)射場進(jìn)行場景仿真容易實現(xiàn)，且效果較好。

1 航天發(fā)射場三維場景構(gòu)建要素及搭建方法

1.1 場景構(gòu)建要素

用STK聯(lián)合GIS構(gòu)建航天發(fā)射場的三維場景主要包括四個要素，分別是場景對象三維模型、地形高程數(shù)據(jù)、地表紋理數(shù)據(jù)、地理信息矢量數(shù)據(jù)。場景對象三維模型主要指發(fā)射塔架、火箭及其它建筑模型；地形高程數(shù)據(jù)指三維場景所處環(huán)境的GIS地形高程數(shù)據(jù)，主要為山川、湖泊、河谷等的高程數(shù)據(jù)；地表紋理數(shù)據(jù)指地表外貌，如地表衛(wèi)星地圖、交通道路地圖、地形圖等；地理信息矢量數(shù)據(jù)可以為多種格式的GIS數(shù)據(jù)，如國界、省界、公路鐵路等，如圖1所示。

1.2 場景要素搭建方法

1.2.1 場景對象三維模型

在STK中場景對象三維模型可通過三個渠道獲得：一是直接使用STK軟件自帶的模型庫；二是通過3D建模軟件（如3dsMax、LightWave等）制作三維模型然后轉(zhuǎn)換成STK可以識別的模型格式；三是直接編輯STK模型文件（.mdl），完成模型修改、合并。

圖1 發(fā)射場三維場景構(gòu)建要素

1）STK自帶模型庫

STK軟件自帶模型庫包括：陸地（Land）、海洋（Sea）、天空（Air）、空間（Space）、導(dǎo)彈（Missiles）和其它（Misc）六類模型。STK9.2版本自帶模型數(shù)量達(dá)到274個，基本能夠滿足航天領(lǐng)域火箭發(fā)射、衛(wèi)星入軌及在軌運行等仿真需要，如圖2所示。

圖2 STK自帶模型庫

同時可通過網(wǎng)絡(luò)下載模型（圖3）。

2）三維模型轉(zhuǎn)換

STK模型庫中只有少量我國航天模型，對于特定的發(fā)射場塔架、新型號火箭等，可通過其它3D建模軟件制作，然后通過格式轉(zhuǎn)換，變?yōu)镾TK支持的模型格式。STK中所使用的三維模型為其專有格式“.mdl”?？墒褂?dsMax、MulitGen Creator、SketchUp、Lightwave等3D建模軟件，制作成 .max、.3ds、.flt、.obj、.skp、.lwo 等格式的模型向.mdl格式轉(zhuǎn)換。期間需要 Deep exploration 和 STK自帶的LwConvert轉(zhuǎn)換軟件。具體轉(zhuǎn)換流程如圖4所示。

圖4 三維模型轉(zhuǎn)換流程

在實際使用過程中，我們發(fā)現(xiàn)Lightwave建模軟件對STK的模型格式匹配較好，相關(guān)設(shè)置，如關(guān)節(jié)、貼圖等在格式轉(zhuǎn)換過程中能夠得到保持。使用3ds模型，可在Lightwave中進(jìn)行關(guān)節(jié)設(shè)置和貼圖等再編輯，然后轉(zhuǎn)換為.mdl格式，在格式轉(zhuǎn)換中相關(guān)模型細(xì)節(jié)能夠得到保留。

3）直接編輯.mdl模型文件

STK模型專有的.mdl格式可以用記事本/寫字板/word等以文本文件形式打開和編輯。采用直接創(chuàng)建.mdl文件進(jìn)行建模的方法基本不可行。一個簡單的火箭一級模型，.mdl文件的長度可達(dá)到4 000多行（A4紙100多頁），且以編輯文本文件的形式建模，無法實時看到語句生成的模型樣式，難度較大。但.mdl格式的模型語句較容易讀懂和掌握，可以通過編輯修改STK自帶的.mdl模型文件，實現(xiàn)搭建航天發(fā)射場所需的塔架、火箭等模型的改造。

圖5通過簡單修改建模語言，完成了模型顏色、模型關(guān)節(jié)動作范圍的修改。

圖5 直接編輯.mdl文件修改模型參數(shù)

1.2.2 地形高程數(shù)據(jù)

地形高程數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)較為容易獲得，但獲得的地形數(shù)據(jù)往往不能直接使用，主要是地形數(shù)據(jù)的尺寸、分辨率及格式不滿足需要，必須進(jìn)行裁剪和調(diào)整。使用GlobalMapper可對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，最終獲得尺寸、分辨率合適的地形高程數(shù)據(jù)，然后存儲為STK可以識別的.dem等格式。地形高程數(shù)據(jù)調(diào)整方法如圖6所示。

圖6 地形高程數(shù)據(jù)調(diào)整流程

以某發(fā)射場三維場景搭建為例，通過拼接和裁剪，我們獲得發(fā)射場周圍20 km×20 km，約400 km2，格式為.tif的地形高程數(shù)據(jù)，精度30 m，如圖7所示。

圖7 發(fā)射場周圍地形高程數(shù)據(jù)

1.2.3 地表紋理數(shù)據(jù)

地表紋理數(shù)據(jù)與地形高程數(shù)據(jù)相對應(yīng)。地形高程數(shù)據(jù)能夠反映地形的高低起伏信息，好比是皮下組織；而地表紋理數(shù)據(jù)則顯示地形表面的實際模樣，好比地形的表皮和外貌（可顯示地形表面植被覆蓋或沙土裸露情況、城市、山地、湖泊、海洋等）。為了在STK中較好的完成發(fā)射場周圍地貌環(huán)境搭建，獲取的地表紋理數(shù)據(jù)要和地形高程數(shù)據(jù)位置和尺寸一致；為了能夠精細(xì)的展示發(fā)射場環(huán)境，應(yīng)使用分辨率較高的地表紋理數(shù)據(jù)。

為使搭建發(fā)射場地理環(huán)境足夠清晰，我們使用的地表紋理數(shù)據(jù)是與地形高程數(shù)據(jù)相對應(yīng)的（位置和尺寸一致）的19級衛(wèi)星地圖（容量達(dá)到280 MB），格式為.jpg。地表紋理數(shù)據(jù)容易通過互聯(lián)網(wǎng)獲得。

有了發(fā)射場周圍環(huán)境地形高程數(shù)據(jù)，有了相應(yīng)的地表紋理圖，就可在STK中進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和合成，從而得到發(fā)射場三維地形地貌場景。通過STK Image Converter，可將.dem等格式的地形高程數(shù)據(jù)和.jpg等格式的地表紋理數(shù)據(jù)合成為STK可識別的.pdtt格式，在STK三維場景中進(jìn)行仿真和展示，

圖8 STK地形和地貌數(shù)據(jù)合成流程

1.2.4 地理信息矢量數(shù)據(jù)

STK支持多種形式多種格式的地理信息（GIS）矢量數(shù)據(jù)。一方面STK擁有ArcGIS軟件的插件，可支持ArcMap Documents（*.mxd）、ArcMap Templates（*.mxt） 、Published Mapst（*.pmf） 和Datasets and layers（*.lyr）等四種格式GIS數(shù)據(jù)的載入，可轉(zhuǎn)化為區(qū)域目標(biāo)、線目標(biāo)和點目標(biāo)用于任務(wù)分析；另一方面也支持shapefile格式文件的導(dǎo)入，即可單純作為地理信息在三維和二維窗口中展示，如標(biāo)示出國界、省界、公路鐵路、地名等GIS數(shù)據(jù)，其中單純用于二、三維窗口顯示用的GIS數(shù)據(jù)可通過兩種形式進(jìn)行導(dǎo)入，一種是形成STK內(nèi)部的矢量地圖，在3D窗口屬性的Map Details中使用；一種是將其與高分辨率地表紋理融合制作出含有GIS數(shù)據(jù)的紋理數(shù)據(jù)，以紋理數(shù)據(jù)的身份用于可視化顯示。

2 場景動畫設(shè)定

通過對STK場景對象三維模型和攝像機角度等進(jìn)行腳本設(shè)定，可以使我們搭建的發(fā)射場按照火箭發(fā)射的真實流程，完成塔架撤離、火箭點火、助推/一級/二級/三級脫落、衛(wèi)星入軌等過程動畫，并輸出保存為視頻格式。STK場景動畫設(shè)定主要包括以下兩方面內(nèi)容：

1）STK對象仿真軌跡設(shè)定

STK軟件本身就可對火箭發(fā)射彈道、衛(wèi)星軌道等運行軌跡進(jìn)行仿真設(shè)定?？稍O(shè)定的對象（STK Objects）主要包括Facility（地面站）、Launch Vehicle（運載火箭）、Missile（導(dǎo)彈）、Satellite（衛(wèi)星）、Ship（船）、Ground Vehicle（地面交通工具）、Aircraft（飛機）等類別。STK針對不同類型的陸地、航空、航天器已經(jīng)預(yù)設(shè)了軌跡計算仿真器，只需要簡單的設(shè)定就可以完成火箭/導(dǎo)彈彈道飛行、衛(wèi)星在軌運行的仿真演示。

某次發(fā)射任務(wù)中火箭的發(fā)射彈道可在Launch Vehicle中進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定的參數(shù)主要有：發(fā)射點經(jīng)緯度坐標(biāo)，發(fā)射點海拔高度，火箭分離點經(jīng)緯度坐標(biāo)，等。衛(wèi)星軌道參數(shù)可在Satellite中進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定主要參數(shù)有：歷元時刻，軌道高度，偏心率等。只要設(shè)定好幾個參數(shù)，火箭彈道、衛(wèi)星軌道等STK可自動生成，并使模型運行完成動畫演示，如圖9所示。

圖9 STK對象仿真軌跡設(shè)定

2）三維模型關(guān)節(jié)動作設(shè)定

圖10 STK中模型關(guān)節(jié)動畫腳本編輯格式

活動塔撤離，火箭助推/一級/二級/三級點火及分離，衛(wèi)星太陽帆板展開等動作需要編輯動畫腳本進(jìn)行設(shè)計和設(shè)置，腳本規(guī)定了模型動作的時間（STARTIME）、持續(xù)時間（DURATION）、動作關(guān)節(jié)（ARTICULATION）、動作范圍（VALUE）等，對模型關(guān)節(jié)動作進(jìn)行控制。STK模型動畫腳本可在純文本模式（.txt）或者Excel表格（.xls）中進(jìn)行編輯，然后存儲為STK指定后綴的文件名，放在與場景存檔文件相同的文件夾內(nèi)即可。圖10是動畫腳本文件的編輯格式和轉(zhuǎn)換方法。

發(fā)射場火箭發(fā)射動畫的主要關(guān)節(jié)動作設(shè)定舉例如表1所示。

表1 火箭發(fā)射動畫的關(guān)節(jié)動作設(shè)定（例）

3 應(yīng)用實例

3.1 流程及效果

通過綜合運用以上技術(shù)，并對發(fā)射場某次火箭發(fā)射仿真場景進(jìn)行搭建和設(shè)定，流程如下：

1）場景對象三維模型：火箭、塔架。通過模型庫提供并修改實現(xiàn)。

圖11 STK聯(lián)合GIS完成火箭發(fā)射場景仿真效果

2）地形高程數(shù)據(jù)：發(fā)射場周邊地形。獲取發(fā)射場周圍20 km×20 km，約400 km2的.dem高程數(shù)據(jù)，精度30 m。

3）地表紋理數(shù)據(jù)：與地形高程數(shù)據(jù)匹配的400 km219級地表紋理.jpg。

4）地理信息矢量數(shù)據(jù)：顯示國界的地理信息矢量數(shù)據(jù)。

實現(xiàn)效果如圖11所示。通過對模型關(guān)節(jié)進(jìn)行動畫設(shè)定等步驟，可完成火箭發(fā)射及衛(wèi)星入軌全過程的場景仿真。

3.2 仿真效果評估

3.2.1 場景模型精度

場景模型精度一是與場景模型的選用、制作和修改精細(xì)程度有關(guān)；二是模型添加到GIS地理場景下，要與場景進(jìn)行縮放匹配，實現(xiàn)與山體、場地真實尺寸大小等一致。本實例通過對選用的火箭、塔架模型與地形進(jìn)行了縮放及角度匹配，尺寸精度較高。但塔架模型構(gòu)成與實物存在一定差距，在展示細(xì)節(jié)上存在不足。

3.2.2 發(fā)射過程真實度

發(fā)射過程的真實度取決于仿真模型動畫設(shè)定參數(shù)與真實發(fā)射任務(wù)的點火、一級/二級等脫落、太陽能帆板展開時序是否一致。參數(shù)設(shè)定如能夠精細(xì)設(shè)定各時刻火箭動作，即可精細(xì)模擬火箭發(fā)射過程。

3.2.3 發(fā)射彈道準(zhǔn)確度

在STK中，通過設(shè)定發(fā)射點和入軌位置經(jīng)緯度、海拔高度等，可自動生成過程彈道。作為仿真場景展現(xiàn)，此彈道滿足效果展示要求，但與實際彈道存在偏差。想要真實模擬火箭發(fā)射彈道，則可通過實時彈道的數(shù)據(jù)錄入實現(xiàn)。

4 結(jié)語

STK聯(lián)合GIS數(shù)據(jù)構(gòu)建航天發(fā)射場三維場景技術(shù)，是三維仿真建模、地理信息融合、計算機可視化等技術(shù)的綜合運用，具有效果逼真、專業(yè)性強、前景廣闊等優(yōu)勢。采用此方法構(gòu)建三維場景，不僅可實現(xiàn)航天發(fā)射任務(wù)三維仿真、彈道/軌道計算、實時展示的功能，還可運用到后續(xù)發(fā)射系統(tǒng)建設(shè)中，填補現(xiàn)階段任務(wù)訓(xùn)練、演練缺乏展示手段和平臺的空白。