STK在飛行器仿真試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用

文/張慧娟 劉海波

在航空航天領(lǐng)域，可視化技術(shù)與仿真技術(shù)的結(jié)合即飛行可視化仿真技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，作用越來(lái)越突出，應(yīng)用可視化仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的可視化仿真是試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。隨著計(jì)算機(jī)、軟件工程及圖形圖像技術(shù)的發(fā)展，可視化仿真技術(shù)在許多領(lǐng)域里得到運(yùn)用。利用飛行數(shù)據(jù)對(duì)飛行器試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，是對(duì)飛行器性能進(jìn)行評(píng)估、分析的重要內(nèi)容，也是對(duì)未知對(duì)象進(jìn)行分析與反設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。衛(wèi)星工具軟件STK（Systems Tool Kit）是航空航天領(lǐng)域中先進(jìn)的系統(tǒng)分析軟件，由美國(guó)分析圖形有限公司（AGI）研制，用于分析復(fù)雜的陸地、海洋、航空及航天任務(wù)。它可以提供逼真的可視化動(dòng)態(tài)場(chǎng)景以及精確的圖表、報(bào)告等多種分析結(jié)果，在飛行器性能仿真、傳感器跟蹤覆蓋分析等方面具有極大的應(yīng)用潛力。

飛行器軌道數(shù)據(jù)處理結(jié)果主要以參數(shù)表和曲線(xiàn)表示，其缺點(diǎn)是飛行器的參數(shù)狀態(tài)難以得到全面、及時(shí)、直觀(guān)地反映，由于組織大型試驗(yàn)的代價(jià)巨大，因此得到的樣本量極為有限，一般的做法是應(yīng)用仿真試驗(yàn)達(dá)到等效替代的目的。文中提出一種利用STK軟件系統(tǒng)，以仿真或?qū)嶋H測(cè)量數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)飛行過(guò)程，通過(guò)構(gòu)造被測(cè)目標(biāo)、測(cè)量傳感器模型對(duì)象，在地圖模型中再現(xiàn)豐富的二維與三維視覺(jué)場(chǎng)景，將目標(biāo)對(duì)象在視覺(jué)場(chǎng)景中的飛行狀況生動(dòng)地呈現(xiàn)出來(lái)，根據(jù)飛行器的軌道特性，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)給定起始點(diǎn)、落點(diǎn)、軌道、內(nèi)部參數(shù)等數(shù)據(jù)，模擬飛行器的飛行狀態(tài)。以可視化實(shí)例進(jìn)行演示分析，能夠通過(guò)圖形圖表快速地認(rèn)知目標(biāo)在飛行過(guò)程各階段的姿態(tài)，目標(biāo)與地面?zhèn)鞲衅髦g的幾何位置關(guān)系，達(dá)到復(fù)演飛行過(guò)程和直觀(guān)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的效果?？梢酝ㄟ^(guò)修改參數(shù)，對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行控制，大大增加了仿真試驗(yàn)的可操作性，更加直觀(guān)地了解目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析仿真結(jié)果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及仿真程序流程

飛行器試驗(yàn)可視化仿真，主要用于支持飛行任務(wù)的數(shù)據(jù)顯示和飛行方案再現(xiàn)，整個(gè)仿真流程可分為資源準(zhǔn)備、仿真準(zhǔn)備、仿真運(yùn)行和結(jié)果分析四個(gè)階段。通過(guò)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)飛行器的動(dòng)作時(shí)序和系統(tǒng)的邏輯控制關(guān)系。

STK提供用戶(hù)操作界面，在仿真準(zhǔn)備階段，用戶(hù)根據(jù)飛行器航行過(guò)程構(gòu)建所需的環(huán)境。從三維模型庫(kù)中調(diào)用各類(lèi)模型和地形并加載到場(chǎng)景中。在仿真飛行過(guò)程中，用戶(hù)可以通過(guò)場(chǎng)景管理模塊在線(xiàn)控制仿真場(chǎng)景的運(yùn)行，并通過(guò)顯示控制模塊方便的控制三維顯示，實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)變化、動(dòng)作定義等功能。從而實(shí)現(xiàn)與STK服務(wù)器之間數(shù)據(jù)、指令的傳輸以及某些屬性及關(guān)鍵細(xì)節(jié)，如測(cè)量傳感器跟蹤指向轉(zhuǎn)換，航跡規(guī)劃自動(dòng)顯示等。在結(jié)果分析階段，場(chǎng)景管理模塊用于獲取仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，顯示控制模塊，用于控制仿真場(chǎng)景的播放。

2 仿真場(chǎng)景資源的建立

依據(jù)仿真流程建立可視化仿真系統(tǒng)，確定運(yùn)行系統(tǒng)需要的測(cè)量概況和運(yùn)行參數(shù)。建立仿真系統(tǒng)使用的模型，主要包括三維地形、飛行器體、測(cè)量傳感器等。

根據(jù)外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各類(lèi)模型，構(gòu)成仿真模型庫(kù),使用LightWave軟件進(jìn)行渲染。飛行器模型，一般由多個(gè)圖層組成，目的是滿(mǎn)足后續(xù)飛行動(dòng)作的要求；采用傳感器模型表示地面觀(guān)測(cè)設(shè)備。

建立試驗(yàn)場(chǎng)場(chǎng)景通過(guò)四個(gè)步驟來(lái)完成。首先，建立試驗(yàn)場(chǎng)二維、三維地圖視場(chǎng)；其次，添加飛行器、測(cè)量傳感器、地圖的三維模型；然后輸入運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)文件；最后，配置與場(chǎng)景信息相關(guān)的參數(shù)。其中，軌跡文件的內(nèi)容應(yīng)包括星歷信息、時(shí)間以及位置和速度參數(shù)。選用橢球體模型，定義地球軌道平面（EOP）模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地圖視場(chǎng)的二、三維布景，姿態(tài)采用俯仰角、偏航角和滾動(dòng)角表示。

3 仿真場(chǎng)景的建立與運(yùn)行

首先，向場(chǎng)景中添加飛行器目標(biāo)對(duì)象，通過(guò)設(shè)置目標(biāo)模型的屬性，把模型與軌跡文件、姿態(tài)文件關(guān)聯(lián)起來(lái)，以確定軌道和姿態(tài)。將目標(biāo)設(shè)置為主體對(duì)象，它可提供一個(gè)在飛行過(guò)程中始終有效的參考對(duì)象，以方便觀(guān)測(cè)整體的飛行航路，為用戶(hù)提供一個(gè)基本的視場(chǎng)中心。

然后，為場(chǎng)景添加測(cè)量傳感器對(duì)象，標(biāo)出以經(jīng)度、緯度和高程定義的測(cè)量位置。

當(dāng)所有的場(chǎng)景信息和模型信息設(shè)置完成后，目標(biāo)將按照用戶(hù)預(yù)先指定的軌道和姿態(tài)及其他設(shè)定條件進(jìn)行飛行復(fù)演，按照時(shí)序完成各項(xiàng)動(dòng)作，三維視景畫(huà)面可描述該時(shí)刻飛行器位置、速度及姿態(tài)參數(shù)或者用戶(hù)需要關(guān)注的其它參數(shù)。

4 結(jié)果分析

通過(guò)加載飛行數(shù)據(jù)對(duì)飛行器在空中的飛行情況及地面設(shè)備的測(cè)量跟蹤情況進(jìn)行模擬。飛行軌跡由位置參數(shù)驅(qū)動(dòng)；飛行姿態(tài)由俯仰、偏航、滾動(dòng)參數(shù)驅(qū)動(dòng)。用戶(hù)可以通過(guò)參數(shù)配置的交互手段實(shí)現(xiàn)對(duì)不同飛行試驗(yàn)方案的仿真。最后將相關(guān)信息記錄下來(lái)，得到參數(shù)圖表，供用戶(hù)進(jìn)行分析。

5 結(jié)論

本文基于STK軟件系統(tǒng)的仿真工具包，對(duì)飛行器試驗(yàn)的環(huán)境布景、測(cè)量傳感器布設(shè)方案以及相關(guān)仿真模型庫(kù)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，建立了一種飛行器試驗(yàn)可視化仿真系統(tǒng)。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)與虛擬場(chǎng)景相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)飛行器航行的快速可視化仿真過(guò)程。幫助用戶(hù)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程的輔助直觀(guān)分析，同時(shí)便于可對(duì)觀(guān)測(cè)設(shè)備布設(shè)幾何及跟蹤覆蓋質(zhì)量分析，為優(yōu)化測(cè)量方案提供直觀(guān)的參考，還可為故障檢測(cè)、訓(xùn)練仿真等提供分析依據(jù)。

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