基于STK的高超声速飞行器可视化仿真平台研究*

常建松

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空间智能控制技术国家级重点实验室，北京100190）

基于STK的高超声速飞行器可视化仿真平台研究*

常建松1，2

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空间智能控制技术国家级重点实验室，北京100190）

论证了利用STK软件建立高超声速飞行器可视化仿真平台的可行性，研究了创建高超声速飞行器结构模型以及模拟其所处空间地理环境的方法，提出了利用STK/Connect模块功能实现分布式实时可视化仿真的策略，仿真结果表明基于STK的仿真平台能够满足任务需求。

STK；可视化仿真；高超声速飞行器

1 引 言

高超声速飞行器在30～100km高的范围内进行5马赫以上的高超声速、高机动性、高精度飞行，可有效提升武器系统的作战性能和突防能力，是未来近太空作战中一种攻防兼备的武器，高超声速飞行器能长航时、超远程飞行，是快速交通运输的新工具，对促进中国乃至世界的经济和科技发展具有重要意义[1]。

高超声速飞行器控制系统的研制是一项高风险、高投入、高复杂度而又要求高精度的系统工程，在控制系统方案设计过程中，仿真工作是一项必不可少并贯穿始终的重要环节。所谓飞控系统的可视化仿真，就是把虚拟现实技术用于飞行器控制系统的稳定性研究和性能分析中，用可视化的方法验证假设条件、飞行器动力学模型的正确性和控制策略的有效性，为未来高超声速飞行器控制系统的实现提供理论依据和技术支持。

2 可视化仿真平台的研究内容

在高超声速飞行器仿真平台的研究过程中，需要结合CAD技术、系统仿真技术和VR（virtual reality）技术进行飞控系统的可视化仿真[2]，主要目的就是给用户提供一个多视点、多角度、多层次观察仿真进程的人机交互环境，以直观的可视化仿真结果验证控制方法的有效性。其主要研究内容为：

（1）虚拟现实技术

在高超声速飞行器二维和三维模型图片的基础上，利用某三维建模工具绘制飞行器的三维模型；采用虚拟现实技术实现飞行器飞行环境的模拟和飞行器运动轨迹的三维显示。

（2）模块化建模

仿真平台采用模块化的建模方式，分别构建高超声速飞行器的各个子模块，允许灵活地改变控制策略，能兼容各种控制算法的实现。

（3）高超声速飞行器飞控系统稳定性检验

可视化仿真的实现过程中，在给定飞行状态下加入一定强度的扰动信号，以三维动画的直观形式展现飞行器在扰动开始和扰动结束情况下的飞行轨迹，检验控制算法的有效性和控制系统的稳定性。

3 利用STK构建仿真平台

STK（satellite tool kit）是美国Analytical Graphics公司开发的一款在航天工业领域处于领先地位的商品化分析软件。STK的三维图像显示窗口可以提供飞行器轨迹、姿态及其所处空间环境的可视化三维影像，通过更改三维窗口的属性设置（诸如模型外观、空间环境和地理特征等），结合灵活的场景观察控制功能，能够实现逼真的可视化仿真[3]。

3.1 高超声速飞行器模型的创建

三维实体模型的创建是整个虚拟场景建立的关键部分，模型的建立应采用模块化建模思想，分别构建高超声速飞行器各个组成部分的模型，结合具体控制策略，实现各部分子模型的动态控制。

在STK中，用户可以为目标对象设置三维模型，为方便用户掌握模型，STK专门提供一个模型查看程序MDE.exe。通过该程序即可以对目标模型的结构组成进行分析，对模型各部分细节进行控制，并以直观的三维图像演示出来。

对于简单模型的建立，可从STK本身提供的模型库中找到类似的模型，在此模型的基础上进行相应的修改，直接以W indows的记事本文档格式修改参数即可。

对于自主设计的复杂的高超声速飞行器模型，由于STK本身并没有提供模型制作工具，因此可以先通过三维模型制作软件LightWave创建模型文件，再利用STK提供的转换工具LwConvert.exe进行文件转换，之后方可使用[4]。

图1是以美国NASA研制的高超声速飞行器X-31为例，展示STK软件三维模型显示功能的效果图。

图1 X-31三维模型

3.2 空间环境和地形特征的模拟

STK专业版包含Earth Imagery地球高精度影像模块和STK/Terrain高精度地形数据模块，可用于高超声速飞行器飞行环境的可视化仿真。

Earth Imagery模块由GeoSphere Project's开发的地球影像数据包和ARC科学仿真公司开发的“地球之颜”数据包组成，为STK提供最佳地球影像三维环境视觉效果，这些数据包是由NOAA13卫星拍摄的无云照片合成的全球影像，影像的地面分辨率约1km/象素。在STK/VO中调用Earth Imagery模块将生成高精度的地球三维影像，达到生动、逼真的可视化仿真效果。图2为高精度地球三维影像示例。

图2 高精度地球三维影像

STK/Terrain地形数据包含精确的全球三维数字海拔地形数据，并与STK/PRO专业版和STK/AVO高级三维可视化模块紧密结合。该数据包使用高级多维差值运算方法提供精确的360°方位角/仰角遮罩，用于对地面任意一点与卫星的可见性分析。此运算法还可提供由用户定义的地面站和地基目标的海拔高度信息，其地形数据的水平分辨率优于30″或1 km，可以安装到硬盘上，也可以直接从光盘驱动器读取。在STK/AVO高级三维可视化模块中使用地形数据可以显示出生动、逼真的三维地貌，还可以看到地形对可见性分析的影响。图3为高精度地形数据影像示例。

图3 高精度地形数据影像

通过设置STK三维显示窗口的属性，调用这些高分辨率的地图地形影像文件，可以实现对高超声速飞行器飞行环境的模拟。

3.3 可视化仿真演示界面的建立

利用STK三维显示窗口作为可视化仿真平台的演示界面，可显示高超声速飞行器三维模型和其所处的空间飞行环境以及运动轨迹和姿态的变化，但首先要创建所需的场景并进行相应设置。场景建立与仿真流程如图4所示。

图4 仿真界面的建立与仿真流程图

首先启动STK，创建新场景和对象；设置对象VO类下Model页属性，选择加载高超声速飞行器模型文件；设置三维窗口Graphics类下Globe页属性，选择加载高精度地球影像模块或高精度地形数据文件；设置仿真起始时间、轨迹和姿态等初始信息参数；通过程序接口实时接收轨迹和姿态信息，通过STK三维显示窗口进行可视化演示，并进行数据存贮。

4 分布式实时可视化仿真策略

根据平台研究内容，希望可视化仿真可以实现在给定的扰动信号初始条件下，实时演示飞行器在扰动信号作用下轨迹和姿态的变化情况。更具体说，就是希望可以通过采用与用户交互的方式改变飞行器的动力学模型、模型的可调参数、不确定参数的变化范围、输入指令参数、扰动信号参数、飞行器的运行条件和飞行状态等参数，来验证假设条件、飞行器动力学模型的正确性和控制策略的有效性。这就要求平台具有分布式实时可视化仿真能力，利用STK/Connect模块提供的功能，可以实现这种要求。

4.1 STK/Connect模块介绍

STK/Connect模块为用户提供在服务器环境下与STK连接的功能。STK/Connect为第三方应用程序提供了一个向STK发送命令和接收来自STK数据的通信工具，模块功能如图5所示。

该模块主要特性如下：

1）在客户机/服务器环境下工作¯¯¯Connect模块通过TCP/IP的Socket或UNIX Domain Socket可很方便地建立用户应用程序和STK接口。这种网络能力允许来自任何虚拟环境的实时数据传送。

2）连接库¯¯¯用户可以通过Connect模块提供的连接库方便地建立和使用TCP/IP，利用库提供的函数、常值和其它消息能力可以建立第三方应用程序与STK的连接。

3）信息功能¯¯¯Connect模块可以有选择地生成信息，用户可以不按照标准格式生成信息，使用自定义的格式以适应第三方的应用程序。这个功能可以使用户更好地控制信息环境。

4）实时可视化¯¯¯Connect模块联接着STK和STK/VO，这样可以实时地观察事件。

该模块通过TCP/IP的Socket或UNIX Domain Socket即可很方便地建立用户应用程序和STK接口。这种网络能力允许来自任何虚拟环境的实时数据传送，进而可以实现分布式实时可视化仿真。例如，可以通过STK/Connect获得从火箭或卫星上得到的遥测数据，而后通过三维VO地图窗口模拟飞行任务，帮助了解并解决任何可能出现的问题。

图5 连接模块功能图

4.2 驱动指令

Connect模块提供了丰富的外部连接命令，用以实现各种接口功能，驱动VO窗口实时显示飞行器轨迹与姿态的控制指令与方法如下[5]：

其中Object Path为有效路径；Position Type为位置类型，可以选择ECI和LLA等格式；Date Time为数据时间；Position Data为与选择的位置类型相对应的位置数据。

其中Object Path为有效路径；Date Time为数据时间；Q1、Q2、Q3、Q4为姿态四元数。

仿真程序实时调用以上两条指令，驱动VO窗口实时地更新轨迹和姿态信息，飞控系统可视化仿真实质是飞行器的运动轨迹和姿态数据在计算机屏幕上的映射，而实时计算出的数据对场景中飞行器的驱动即实现这一过程，驱动过程表明，飞行器运动轨迹和姿态数据的更新是实时的。

4.3 仿真策略

利用STK/Connect模块提供的功能，运用相应的连接指令，即可实现实时可视化仿真。在此基础上，结合分布式仿真技术相关思想，提出分布式实时可视化仿真策略，仿真原理如图6所示。

图6 分布式实时可视化仿真原理图

图6所示的分布式实时可视化仿真策略体现了模块化设计的思想。高超声速飞行器控制系统可以分解为多个子模块，交由任务计算机组中相应的计算机处理，再把需要的数据通过网络传输给仿真计算机，仿真计算机则及时处理输入数据，并驱动STK三维显示窗口，以三维动画的直观形式展现飞行器在控制指令作用下的飞行轨迹和姿态，以达到检验控制系统设计稳定性的目的。

5 仿真示例与结果分析

高超声速飞行器三维模型以NASA的X-31为例，飞行环境以地球高精度影像数据模块来模拟，采用分布式实时可视化仿真策略。仿真过程中假设飞行器受到扰动信号的作用，绕滚动轴旋转90°，飞行器在这一过程中的轨迹和姿态变化过程如图7和图8所示。

从仿真结果可以看出：1）以STK软件建立的仿真平台可以实现高超声速飞行器的三维模型、飞行环境以及运动轨迹和姿态的三维显示功能；2）通过采用分布式实时可视化仿真策略，实现了飞行器在扰动信号作用下飞行轨迹和姿态变化过程的实时可视化三维显示，从而达到验证控制系统有效性的目的，满足平台建设要求；3）仿真过程中可能出现个别数据丢失现象，但并不影响总体仿真结果，三维窗口可视化显示过程仍可顺利完成。

图7 扰动作用前飞行器的轨迹与姿态

图8 扰动作用后飞行器的轨迹与姿态

6 结束语

本文探讨以STK软件为开发环境的情况下，建立高超声速飞行器可视化仿真平台的可行性。研究了创建飞行器三维模型和模拟空间地理环境的方法及过程，提出分布式实时可视化仿真策略，并结合具体的仿真示例说明平台建设满足了任务设计要求。但是，该平台虚拟现实的程度和效果还要受STK自身在模型建立和空间地理环境模拟精度方面的限制，因此今后还应进一步研究利用其它虚拟现实技术软件建立高超声速飞行器仿真平台的方法。

[1]康志敏.高超声速飞行器发展战略研究[J].现代防御技术，2000，28（4）：27-33

[2]朱云骥.高超声速飞行器鲁棒控制及可视化仿真研究[D].西北工业大学硕士论文，2005，55-57

[3]蓝朝桢，陈景伟，李建胜，徐青.航天任务实时3维可视化仿真[J].测绘科学技术学报，2007，24（1）：47-50

[4]杨颖，王琦.STK在计算机仿真中的应用[M].北京：国防工业出版社，2005，61-67

[5]常建松，林晓辉.STK与MATLAB联合仿真方法及应用研究[C].全国仿真技术学术会议.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

*国家自然科学基金（60736023）资助项目.

2008-03-27

常建松（1982-），男，黑龙江人，助理工程师，研究方向为卫星控制系统数学仿真技术（e-mail：changjiansong@163.com）。