基于STK 的彈箭半實(shí)物飛行實(shí)時(shí)可視化仿真*

紀(jì) 錄，吳國(guó)東，王志軍，尹建平，劉亞昆

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061）

0 引言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、大型工程項(xiàng)目和高新技術(shù)產(chǎn)品，因其技術(shù)復(fù)雜性、過(guò)程一次性和投入風(fēng)險(xiǎn)大等原因，因此，初始階段采用仿真。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代信息化條件下的戰(zhàn)爭(zhēng)，已經(jīng)不再是傳統(tǒng)意義上機(jī)械化戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代以平臺(tái)為中心的火力與火力的較量，而是基于信息系統(tǒng)體系與體系的對(duì)抗。當(dāng)前世界信息化條件下體系對(duì)抗的核心是，在信息系統(tǒng)支持下將預(yù)警探測(cè)、情報(bào)偵察、通信導(dǎo)航、電子對(duì)抗、空間支援、后勤保障等信息技術(shù)裝備和火力毀傷的作戰(zhàn)武器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化融合，形成有序組合、協(xié)同配合的作戰(zhàn)整體共同完成作戰(zhàn)任務(wù)［1-4］。

本文采用彈箭半實(shí)物仿真技術(shù)，采用五軸飛行轉(zhuǎn)臺(tái)作為彈箭飛行模擬器，模擬彈箭飛行的姿態(tài)和軌跡，然后研究基于Windows+RTX 的實(shí)時(shí)飛行仿真通訊和控制系統(tǒng)和與STK 軟件相互結(jié)合的實(shí)時(shí)可視化場(chǎng)景的方案設(shè)計(jì)。通過(guò)STK 及其VO、Connect 和RT3 模塊為核心，建立Button Tool 簡(jiǎn)易控制臺(tái)，以時(shí)間為主線，完成對(duì)仿真過(guò)程主要項(xiàng)目的控制，并通過(guò)STK 軟件對(duì)彈箭飛行姿態(tài)和軌跡進(jìn)行分析，是否符合需求和是否滿足實(shí)時(shí)可視化的要求。

1 實(shí)時(shí)可視化仿真軟件

1.1 STK 軟件簡(jiǎn)介

STK 軟件的全稱是Systems Tool Kit，即衛(wèi)星仿真工具包，由美國(guó)AGI（Analytical Graphics）公司開(kāi)發(fā)，是航天領(lǐng)域最先進(jìn)的商品化的仿真分析軟件。STK 從基礎(chǔ)的航天與衛(wèi)星領(lǐng)域起步，經(jīng)過(guò)幾十年的不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為能夠快速全面支持對(duì)復(fù)雜陸、海、空、天、電一體，覆蓋航天宇航飛行控制、空間環(huán)境、衛(wèi)星、雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信、導(dǎo)彈設(shè)計(jì)、反導(dǎo)分析、空間飛行器仿真、深空探測(cè)等與基礎(chǔ)航天動(dòng)力學(xué)相關(guān)的所有領(lǐng)域，并提供易于理解的圖表和文本形式的分析結(jié)果，以及高逼真度的空間可視化的表現(xiàn)。STK 完美支持所有任務(wù)的全周期的仿真分析，包括概念、需求、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、發(fā)射、運(yùn)行和應(yīng)用等，STK 是基礎(chǔ)航天及其相關(guān)領(lǐng)域必不可少的分析軟件［5-9］。

STK 提供專業(yè)的分析引擎用于分析計(jì)算，并以多種形式顯示方式，如二維地圖、三維場(chǎng)景、數(shù)據(jù)圖表、統(tǒng)計(jì)文本數(shù)據(jù)等顯示衛(wèi)星、火箭、導(dǎo)彈、空間飛行器、雷達(dá)、通信、飛機(jī)、艦船、地面車輛、目標(biāo)以及其他對(duì)象等［10-12］。STK 的核心能力是能夠產(chǎn)生所有分析對(duì)象所需的各種精確、專業(yè)的分析數(shù)據(jù)，并提供各種形式的分析報(bào)表，且能夠在多維空間中根據(jù)用戶需要進(jìn)行直觀的可視化顯示，通過(guò)STK 分析結(jié)果置信度為99.50%。

1.2 STK 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理編程接口

AGI 的實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)（Real-Time Tacking Technology，RT3）主要用于集成處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，或者處理來(lái)自AGI 系統(tǒng)軟件、用戶應(yīng)用程序或者第三方軟件產(chǎn)生的高效實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)。STK 提供了一套用于處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接口RT3，該接口可用于構(gòu)建用戶自定義的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分析處理與可視化［13-14］。

STK 一個(gè)基本功能需求是能夠處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，STK 允許用戶直接使用STK 的對(duì)象模型（Object Model）編程接口來(lái)進(jìn)行分析處理。為了能夠便于用戶編寫(xiě)這種應(yīng)用程序，RT3 編程接口提供了一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用程序框架。RT3 Software Development Kit（SDK）接口包括了一整套應(yīng)用程序編程接口（API），編程文檔和一組示例代碼文件。RT3 SDK 不僅可以用來(lái)增強(qiáng)RT3 擴(kuò)展接口對(duì)用戶自定義數(shù)據(jù)流的采集，特殊數(shù)據(jù)的處理，以及預(yù)定義的可視化分析設(shè)置，同時(shí)也可以通過(guò)STK 引擎、組件對(duì)象庫(kù)的方式，將STK 的分析和顯示數(shù)據(jù)功能集成在用戶的應(yīng)用程序中，圖1 顯示了RT3 模塊工作方式圖，其中包括RT3 編程接口的應(yīng)用方式和RT3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理基本流程兩部分。

圖1 RT3 模塊工作方式圖

2 彈箭飛行仿真系統(tǒng)方案簡(jiǎn)介

在設(shè)計(jì)的彈箭飛行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，結(jié)構(gòu)圖中主要包括彈體運(yùn)動(dòng)計(jì)算機(jī)、五軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)、彈載計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器、模擬負(fù)載器、三維實(shí)時(shí)視景顯示器和對(duì)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)姿態(tài)和軌跡進(jìn)行評(píng)估的設(shè)備等，主要是實(shí)現(xiàn)整個(gè)彈箭飛行仿真實(shí)時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的搭建，形成整體飛行仿真系統(tǒng)的閉環(huán)。

圖2 彈箭飛行仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

在信息傳輸方案過(guò)程中，如圖3 所示主要是通過(guò)主控計(jì)算機(jī)傳輸同步控制信號(hào)到高速網(wǎng)絡(luò)中，其中彈體運(yùn)動(dòng)計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器、飛行轉(zhuǎn)臺(tái)控制計(jì)算機(jī)、模擬負(fù)載器、評(píng)估系統(tǒng)設(shè)備、三維飛行視鏡顯示設(shè)備及顯示記錄設(shè)備共同連接到高速網(wǎng)絡(luò)中，本系統(tǒng)采用的反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)，將導(dǎo)彈或者飛行器的飛行軌跡或者位置信息傳輸?shù)叫l(wèi)星信號(hào)模擬器中；將導(dǎo)彈或者飛行器的飛行姿態(tài)信息傳送到飛行轉(zhuǎn)臺(tái)控制計(jì)算機(jī)中，飛行轉(zhuǎn)臺(tái)控制計(jì)算機(jī)將飛行姿態(tài)信息傳輸?shù)斤w行轉(zhuǎn)臺(tái)控制柜，通過(guò)飛行狀態(tài)控制柜控制五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的姿態(tài)，五軸飛行轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)置的模擬彈載計(jì)算機(jī)，通過(guò)彈載計(jì)算機(jī)上的衛(wèi)星信號(hào)接收和發(fā)送器與衛(wèi)星信號(hào)模擬器通過(guò)天線進(jìn)行通信，從而調(diào)整飛行的軌跡；模擬負(fù)載器由壓力負(fù)載器和舵機(jī)負(fù)載器組成，分別模擬導(dǎo)彈或者飛行器在大氣飛行過(guò)程中所受的壓力變化情況和制導(dǎo)飛行時(shí)舵面負(fù)載力矩的變化情況；評(píng)估系統(tǒng)設(shè)備包括姿態(tài)評(píng)估和位置或者軌跡評(píng)估系統(tǒng)，分別對(duì)模擬的導(dǎo)彈或者飛行器的姿態(tài)和飛行軌跡或者位置是否精準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；三維飛行視景顯示設(shè)備是采用三維圖形建模軟件建立真實(shí)的仿真實(shí)體模型，然后利用STK 實(shí)時(shí)三維視景系統(tǒng)軟件使導(dǎo)彈或者飛行器在真實(shí)的地圖場(chǎng)景中飛行。

3 彈箭實(shí)時(shí)可視化飛行方案設(shè)計(jì)

圖3 彈箭飛行仿真實(shí)時(shí)信息傳輸圖

利用STK 軟件的可視化功能，仿真中導(dǎo)彈模型的飛行狀態(tài)嚴(yán)格遵從彈道飛行數(shù)據(jù)，使方案逼真再現(xiàn)或展現(xiàn)彈箭飛行真實(shí)姿態(tài)和軌跡。該實(shí)時(shí)可視化方案在彈箭半實(shí)物飛行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上融合STK 及其VO、Connect 和RT3 模塊，通過(guò)建立Button Tool 簡(jiǎn)易控制臺(tái)，建立可視化的彈箭的模型和飛行的界面，以時(shí)間為主線，完成對(duì)導(dǎo)彈飛行仿真過(guò)程主要項(xiàng)目的控制［15-16］。

3.1 彈箭三維模型建立

利用三維建模軟件Solidworks，建立如彈箭的三維模型，并通過(guò)Deep Exploration 軟件對(duì)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換成MDL 格式模型，圖4 為導(dǎo)彈轉(zhuǎn)換后用模型MDE 打開(kāi)的模型。

圖4 MDL 文件打開(kāi)圖

3.2 飛行仿真的方案結(jié)構(gòu)及流程

經(jīng)方案結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)輸入、控制、計(jì)算與數(shù)據(jù)輸出顯示3 部分，如下頁(yè)圖5 所示的實(shí)時(shí)可視化方案，通過(guò)數(shù)據(jù)輸入包含了3 部分：1）導(dǎo)彈的彈道信息、姿態(tài)控制信息和控制模型動(dòng)作的信息等；2）地面基站，衛(wèi)星設(shè)置信息及雷達(dá)接收與發(fā)送設(shè)備的信息文件；3）采用Solidworks 的三維模型信息。

其整個(gè)流程圖如圖6 所示，從導(dǎo)彈的彈道、姿態(tài)和控制信息輸入，然后如何對(duì)飛行的彈道姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整通過(guò)該流程可以實(shí)現(xiàn)所需要的目標(biāo)。

3.3 STK 的簡(jiǎn)易控制臺(tái)方案設(shè)計(jì)

圖5 實(shí)時(shí)可視化方案設(shè)計(jì)

圖6 實(shí)時(shí)可視化仿真系統(tǒng)流程圖

STK 中的ButtomTool 是創(chuàng)建自己的STK 控制功能欄?？梢园凑展δ茉O(shè)計(jì)符合功能的界面。如圖7 所示Button Tool 完成簡(jiǎn)易控制臺(tái)自定義界面。

圖7 Button Tool 控制臺(tái)自定義界面

3.4 彈箭實(shí)時(shí)飛行參數(shù)配置

在圖8 中新建任務(wù)，其中，包含了彈箭飛行的發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)緯度、海拔高度、初始速度、彈道數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)和起始時(shí)間等必要的參數(shù)。

圖8 彈箭飛行參數(shù)設(shè)置

在圖9 中光纖地址配置，在軌跡模式中選擇實(shí)時(shí)軌跡，然后設(shè)置光纖地址，可以實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)彈飛行的軌跡。

圖9 實(shí)時(shí)彈箭飛行系統(tǒng)光纖地址配置

在下頁(yè)圖10 顯示所輸入的彈道信息和軌跡信息，通過(guò)衛(wèi)星信息模擬器連接到STK 中RT3 模塊中，將姿態(tài)和軌跡數(shù)據(jù)輸入到三維實(shí)時(shí)視景顯示中。

4 導(dǎo)彈飛行實(shí)時(shí)可視化仿真界面

通過(guò)三維模型建立及轉(zhuǎn)換，在STK 中建立符合功能的實(shí)時(shí)視景仿真的三維及二維實(shí)時(shí)導(dǎo)彈飛行仿真模型。如圖11 在RT3 模塊下實(shí)時(shí)二維及三維導(dǎo)彈飛行姿態(tài)和軌跡圖。

5 彈箭實(shí)時(shí)飛行姿態(tài)和軌跡分析

通過(guò)對(duì)彈箭實(shí)時(shí)飛行姿態(tài)和軌跡的分析，其飛行軌跡如圖12（a）所示，其導(dǎo)彈飛行高度與飛行距離之間的關(guān)系。彈箭飛行過(guò)程中姿態(tài)的變化如圖12中（b）所示，可以清楚看到其歐拉角中的俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角變化情況。在圖12（c）中可以看到在J2000 坐標(biāo)系下導(dǎo)彈飛行過(guò)程中速度隨著時(shí)間變化情況，Vx、Vy和Vz隨著飛行時(shí)間的變化情況。從圖12（d）可以看到彈箭飛行過(guò)程中隨著時(shí)間經(jīng)度（longitude）、緯度（latitude）和海拔高度（altitude）變化情況。通過(guò)STK 中軟件的分析可以發(fā)現(xiàn)彈箭飛行姿態(tài)和軌跡與彈道數(shù)據(jù)相一致。

圖10 衛(wèi)星信號(hào)模擬器軌跡圖

圖11 STK 實(shí)時(shí)顯示界面導(dǎo)彈飛行姿態(tài)和軌跡圖

圖12 彈箭飛行姿態(tài)和軌跡分析圖

6 結(jié)論

由于STK 強(qiáng)大的信息作戰(zhàn)仿真支持能力，逼真的圖形顯示和真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)報(bào)告等特征及STK中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理RT3 模塊。1）本文完成了彈箭實(shí)時(shí)飛行仿真系統(tǒng)的可視化系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，在STK 真實(shí)仿真模擬了彈箭飛行的整個(gè)過(guò)程；2）為了滿足對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理高效率需求，將STK 中的RT3 模塊接入整個(gè)仿真系統(tǒng)中，從而形成一整套高效數(shù)據(jù)處理、變換、顯示和分析的能力，能夠高斯處理和顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、高效變化和監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；3）通過(guò)對(duì)飛行仿真軌跡的分析，導(dǎo)彈飛行過(guò)程各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。隨著對(duì)STK 技術(shù)的深入研究，基于STK 的實(shí)時(shí)導(dǎo)彈飛行可視化系統(tǒng)將成為開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，在以后的靶場(chǎng)飛行試驗(yàn)與飛行任務(wù)支持中將得到更廣泛的應(yīng)用。