基于STK引擎的星載遙感器對(duì)地觀(guān)測(cè)仿真軟件設(shè)計(jì)

李遂賢 張曉

【關(guān)鍵詞】STK（Satellite Tool Kit） 軟件二次開(kāi)發(fā) 衛(wèi)星可見(jiàn)分析 姿態(tài)仿真

1 引言

在開(kāi)發(fā)衛(wèi)星在軌仿真的軟件項(xiàng)目時(shí)，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)不僅要對(duì)衛(wèi)星本身作詳盡仿真，而且需要完整地掌握航天領(lǐng)域的其它高級(jí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和天體運(yùn)動(dòng)的理論知識(shí)，同時(shí)在軟件可視化仿真方面也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。STK的全稱(chēng)是Satellite Tool Kit（衛(wèi)星仿真工具包），是由美國(guó)AGI公司開(kāi)發(fā)，是航空航天領(lǐng)域一個(gè)功能強(qiáng)大的大型仿真平臺(tái)，并且隨著其版本變化其功能得到不斷地增強(qiáng)和擴(kuò)展。目前為止，STK航天工業(yè)領(lǐng)域中仍然是處于領(lǐng)先地位衛(wèi)星系統(tǒng)分析軟件，利用它可以快速方便地分析航天任務(wù)中各種錯(cuò)綜復(fù)雜的情況，并能以形象直觀(guān)的三維場(chǎng)景真實(shí)地再現(xiàn)空間目標(biāo)整個(gè)壽命周期的運(yùn)行情況。但STK軟件自成體系，和其它軟件交互數(shù)據(jù)、軟件界面的靈活性往往不能適合項(xiàng)目需求。

從國(guó)內(nèi)近年發(fā)表的航空航天領(lǐng)域關(guān)于STK二次開(kāi)發(fā)仿真軟件設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)看，多注重于STK功能實(shí)現(xiàn)本身，關(guān)于二次開(kāi)發(fā)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容較少，并且局限于VC6.0和Matlab開(kāi)發(fā)環(huán)境，雖然可以查閱STK的英文幫助文檔，但難以在短時(shí)間對(duì)STK的二次開(kāi)發(fā)有較為全面的理解和快速高效開(kāi)發(fā)。

在自主開(kāi)發(fā)的軟件中嵌入STK，把STK作為衛(wèi)星在軌仿真的計(jì)算引擎和三維可視化引擎，是一個(gè)可行的技術(shù)途徑。本文以介紹VS2008為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，介紹利用STK二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌可視化仿真軟件的實(shí)現(xiàn)方法，在此基礎(chǔ)上，給出了在軌衛(wèi)星的可見(jiàn)性分析和姿態(tài)仿真的軟件設(shè)計(jì)方法和仿真軟件的運(yùn)行結(jié)果。

2 STK二次開(kāi)發(fā)仿真技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 通過(guò)STK二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)仿真任務(wù)的技術(shù)選用

通過(guò)STK可以實(shí)現(xiàn)的任務(wù)可以分為五類(lèi)，分別為自動(dòng)化重復(fù)性任務(wù)、和其它程序集成、擴(kuò)展AGI插件和用戶(hù)接口定制、開(kāi)發(fā)定制應(yīng)用程序、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。

2.1.1 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化重復(fù)性任務(wù)

可以利用HTML、Connect和STK Object建立鏈接STK功能組件的工具，或者用遠(yuǎn)程工具驅(qū)動(dòng)STK，如按鈕工具、COM接口、命令行或批處理文件向STK發(fā)送Connect命令也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化重復(fù)性任務(wù)。

2.1.2 和其它應(yīng)用程序集成

STK和其它程序的接口有多種形式可供選擇，具體接口形式的選擇取決于任務(wù)的類(lèi)型。任務(wù)涉及僅僅是分析，還是既涉及分析又涉及可視化，抑或是可視化回放，可選用的客戶(hù)端程序不同。客戶(hù)端應(yīng)用程序幾種具體形式為：MATLAB， 自定義程序， MS Office，瀏覽器等，STK系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)置有用戶(hù)采用的開(kāi)發(fā)環(huán)境所必備的程序接口，如STK MATLAB接口、COM接口、視景控件（the Viewer Control）和視景應(yīng)用對(duì)象模型（Viewer Application object models），以及數(shù)量眾多的不同的Connect庫(kù)等。

2.1.3 擴(kuò)展AGI插件擴(kuò)展和用戶(hù)接口定制

AGI在產(chǎn)品擴(kuò)展上為用戶(hù)提供了多種途徑?？蓴U(kuò)展機(jī)制可以分劃分為兩個(gè)方面：用戶(hù)接口可擴(kuò)展和計(jì)算引擎可擴(kuò)展。用戶(hù)接口可擴(kuò)展指的是允許用戶(hù)為STK定制圖形用戶(hù)界面（GUI）和控件，提供用戶(hù)自定義的工作流程，從而使程序綁定STK程序的功能；計(jì)算引擎可擴(kuò)展性選項(xiàng)是指STK引擎插件允許用戶(hù)僅定制模型中非通用部分，而對(duì)通用部分則借力于現(xiàn)成商務(wù)軟件（COTS software），即STK本身。

插件的優(yōu)點(diǎn)至少包含兩方面內(nèi)容。首先，寫(xiě)一個(gè)高可信度的軟件組件對(duì)大多數(shù)用戶(hù)有難度。當(dāng)然，最佳的情形是軟件具備高可信度模型可以使用。AGI不斷提高產(chǎn)品的可信度和可靠性持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品，但其產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)往往在于聚焦通用功能，從而覆蓋大多數(shù)用戶(hù)需求。就問(wèn)題產(chǎn)生的性質(zhì)來(lái)說(shuō)，更高可信度模型的非通用應(yīng)用功能需求，僅可能在少數(shù)高級(jí)用戶(hù)中存在。其次，總體說(shuō)來(lái)，一個(gè)模型的非通用部分的范圍很窄，因而大部分可以利用現(xiàn)有的通用模型。當(dāng)然，如果定制軟件部分的價(jià)格同時(shí)也包含了所有通用部分的費(fèi)用，用戶(hù)可以自己開(kāi)發(fā)整個(gè)軟件，但必須經(jīng)過(guò)不斷地測(cè)試、維護(hù)、改進(jìn)和升級(jí)才能滿(mǎn)足變化的需求。

2.1.4 開(kāi)發(fā)定制程序

STK引擎可以為用戶(hù)開(kāi)發(fā)定制程序使用，STK用戶(hù)界面不需要出現(xiàn)，允許用戶(hù)使用自己的接口將STK功能嵌入到程序中。

2.1.5 RT3數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理

STK桌面應(yīng)用和STK引擎定制程序的一個(gè)共性任務(wù)是對(duì)實(shí)時(shí)處理輸入的數(shù)據(jù)。AGI公司的RT3擴(kuò)展軟件為向STK輸入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的輸入提供了框架。為簡(jiǎn)化實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)的處理，可用直接使用STK對(duì)象模型（STK Object Model）。

RT3開(kāi)發(fā)SDK包括應(yīng)用編程接口A(yíng)PI、文檔，以及一套例子代碼文件。RT3 SDK可通過(guò)自定義數(shù)據(jù)輸入接口增強(qiáng)RT3拓展軟件的功能，使數(shù)據(jù)處理專(zhuān)業(yè)化，并可預(yù)先設(shè)置顯示參數(shù)。RT3 SDK還能用來(lái)分析和處理STK引擎程序以及來(lái)自AGI公司的軟件部件產(chǎn)品線(xiàn)的類(lèi)庫(kù)的輸入數(shù)據(jù)。在用戶(hù)開(kāi)發(fā)的程序中使用RT3需要購(gòu)買(mǎi)用戶(hù)許可證書(shū)。如果已經(jīng)安裝了RT3，RT3 SDK可從這里看到：Start > Programs > AGI > RT3。

2.2 利用STK引擎開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件

STK為開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用軟件提供了兩類(lèi)核心庫(kù)，分別是STK Object Model和Connect。通過(guò)這兩個(gè)核心庫(kù)，可以在用戶(hù)自己開(kāi)發(fā)的軟件中改變STK場(chǎng)景和參數(shù)配置。由于兩者在基于STK二次開(kāi)發(fā)軟件中涉及的最多，下面分別對(duì)兩者作簡(jiǎn)要介紹。

2.2.1 使用STK Object Model核心庫(kù)

STK對(duì)象模型（STK Object Model）是一個(gè)COM庫(kù)集，包括STK Objects、STK X、STK Util，、STK ESRI Display、STK Vector Geometry Tool、和STK Astrogator等COM庫(kù)，涵蓋數(shù)據(jù)類(lèi)型、接口、事件和表示各種STK應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)的類(lèi)。通過(guò)這些類(lèi)庫(kù)，使得開(kāi)發(fā)基于STK和STK引擎定制程序變得簡(jiǎn)而易行。各種組件提供的開(kāi)發(fā)工具對(duì)STK對(duì)象實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，并在整個(gè)生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)STK對(duì)象的管理，通過(guò)數(shù)據(jù)提供工具（data provider），執(zhí)行可見(jiàn)性和覆蓋計(jì)算，并對(duì)STK發(fā)出的事件做出響應(yīng)。由于STK Object Model是建立在微軟組建對(duì)象（COM）技術(shù)之上的，因此STK Object Model可用于支持COM標(biāo)準(zhǔn)的任何自動(dòng)化程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。常見(jiàn)的開(kāi)發(fā)環(huán)境包括inc .Net （Visual Basic， Visual C#， etc.）， Java， Visual C++， PowerPoint， Excel， Access，以及支持COM后綁定的腳本語(yǔ)言。在STK桌面應(yīng)用程序和對(duì)STK X作為引擎的兩種情況下，均可使用STK對(duì)象模型。

2.2.2 使用Connect核心庫(kù)

Connect 模塊為CS模式連接STK提供一個(gè)簡(jiǎn)單的途徑。用第三方程序調(diào)用Connect核心庫(kù)的函數(shù)、常量和各種消息，可建立和STK的通信連接。Connect允許重寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)消息和通知，用自己的消息格式實(shí)現(xiàn)和第三方軟件的兼容，所以利用Connect對(duì)STK實(shí)現(xiàn)二次開(kāi)發(fā)的程序有很好的消息環(huán)境。

在實(shí)時(shí)性上，通過(guò)Connect實(shí)現(xiàn)STK和3D圖形通信，可實(shí)現(xiàn)事件的可視化實(shí)時(shí)仿真實(shí)現(xiàn)。舉例來(lái)說(shuō)，用Connect在發(fā)射和早期軌道階段可注入實(shí)時(shí)的遙測(cè)數(shù)據(jù)，在2D和3D場(chǎng)景中可以對(duì)該任務(wù)實(shí)現(xiàn)可視化實(shí)時(shí)化仿真，協(xié)助任務(wù)執(zhí)行人員理解和解決在發(fā)射階段可能發(fā)生的問(wèn)題。

2.3 STK Connect模塊的使用

由于Connect提供了外部控件和STK交互的機(jī)制，在航天仿真應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)中應(yīng)用很廣。在外部調(diào)用STK的應(yīng)用程序中，其工作機(jī)制的要點(diǎn)在于：在外部程序中向STK發(fā)送Connect命令實(shí)現(xiàn)和STK的交互。通過(guò)外部程序或者HTML網(wǎng)頁(yè)發(fā)送Connect命令和STK交互，可采用兩種方式：其一，通過(guò)TP/ICP鏈接經(jīng)指定端口發(fā)送Connect命令，STK默認(rèn)的端口為5001，當(dāng)然通過(guò)Edit->Preferences菜單可修改Connect的默認(rèn)參數(shù)；其二，通過(guò)COM接口向STK發(fā)送命令，這種情況下不必通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)端口實(shí)現(xiàn)。需要注意的是，COM無(wú)法支持異步Connect命令。

在STK9.X中，在相應(yīng)的安裝目錄下，有支持多種語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境的例程可供參考，這些例程已經(jīng)完成了外部程序?qū)TK二次開(kāi)發(fā)的軟件環(huán)境的搭建。開(kāi)發(fā)者在基本例程框架的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)基于STK二次開(kāi)發(fā)的對(duì)仿真軟件實(shí)現(xiàn)。支持STK9.X二次開(kāi)發(fā)的環(huán)境有C++/C++CLI/CSharp/HTML/Java/Matlab/ PowerPoint/Vb.net，在STK系統(tǒng)安裝文件夾下，分別由這幾種語(yǔ)言下的二次開(kāi)發(fā)例程。其中，CSharp/java/Matlab的例程較多，對(duì)CSharp而言，VS2008下有24個(gè)例程，涉及到航空航天仿真的許多方面，從簡(jiǎn)單易行角度這幾種語(yǔ)言不失為首選。但C++語(yǔ)言的實(shí)時(shí)性最好，結(jié)合文件夾下部署的例程和豐富的Connect Api，可以開(kāi)發(fā)出功能強(qiáng)大的航空航天仿真應(yīng)用軟件。

3 基于VS2008/MFC平臺(tái)的STK二次開(kāi)發(fā)

3.1 仿真軟件實(shí)現(xiàn)

在VS2008/MFC平臺(tái)下進(jìn)行STK二次開(kāi)發(fā)的開(kāi)發(fā)步驟為：開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建、用戶(hù)界面設(shè)計(jì)、通過(guò)MFC用戶(hù)界面發(fā)送Connect接口指令驅(qū)動(dòng)STK引擎、將STK計(jì)算結(jié)果和仿真可視化結(jié)果在用戶(hù)界面展示和結(jié)果文件存盤(pán)等，本文結(jié)合STK的給定的例程說(shuō)明。

3.1.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

STK9.X的C++例程是基于MFC的對(duì)話(huà)框程序，在該MFC例程框架下，已經(jīng)完成了STK系統(tǒng)的2D和VO控件的添加以及和STK引擎交互的支撐文件的配置。在例程的工程文件中，包含了通過(guò)MFC和STK交互的基本文件和函數(shù)。具體可仔細(xì)研究閱讀程序代碼。

3.1.2 用戶(hù)界面設(shè)計(jì)

在例程的MFC對(duì)話(huà)框界面中，已經(jīng)具備了少量功能簡(jiǎn)單的控件和STK的二維地圖和三維地球控件，利用MFC完備的功能通過(guò)各種控件的綜合設(shè)計(jì)，可達(dá)到符合設(shè)計(jì)要求的結(jié)果。圖1為本文在軌衛(wèi)星可見(jiàn)分析和姿態(tài)仿真的界面設(shè)計(jì)，圖2為衛(wèi)星和仿真場(chǎng)景參數(shù)輸入界面，圖3為地面觀(guān)測(cè)目標(biāo)參數(shù)的錄入界面。

3.1.3 Connect接口指令發(fā)送驅(qū)動(dòng)軟件運(yùn)行

在MFC平臺(tái)下向STK發(fā)送命令的函數(shù)為：m_VOControl.GetApplication（）.ExecuteCommand（"Connect_Command"），其中m_VOControl為三維地球可視控件變量，所有Connect命令均通過(guò)該方法發(fā)送至STK引擎，“Connect_Command”指Connect命令，可通過(guò)SDK獲得，并以符合系統(tǒng)要求的格式作為發(fā)送的命令字符串。STK在接到Connect命令后，執(zhí)行相應(yīng)的計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果返回或者生成結(jié)果報(bào)告存盤(pán)；同時(shí)在2D和VO空間中進(jìn)行二維和三維可視化仿真顯示。

3.2 軟件運(yùn)行結(jié)果

圖4給出了在VS2008下利用MFC開(kāi)發(fā)的在軌衛(wèi)星的可見(jiàn)性分析和姿態(tài)仿真仿真軟件的運(yùn)行結(jié)果；圖5為條帶目標(biāo)下，在軌衛(wèi)星的可見(jiàn)弧段的可視化顯示結(jié)果；圖6為在軌衛(wèi)星仿真的姿態(tài)計(jì)算結(jié)果。同時(shí)，該軟件還可仿真結(jié)果輸出為文本文件存入磁盤(pán)，以備后續(xù)的仿真讀取。

4 結(jié)論和展望

通過(guò)對(duì)在軌衛(wèi)星的可見(jiàn)性和姿態(tài)仿真軟件的開(kāi)發(fā)可以看出，在熟悉MFC程序框架、STK Connect接口指令系統(tǒng)和STK的專(zhuān)業(yè)仿真功能的基礎(chǔ)上，在微軟

公司的VS2008平臺(tái)下對(duì)STK進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)可完成較為復(fù)雜的航空航天仿真任務(wù)。后續(xù)的衛(wèi)星在軌軟件研制中，將對(duì)RT3實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)仿真方法進(jìn)行研究，以適應(yīng)遙測(cè)數(shù)據(jù)作為衛(wèi)星在軌仿真輸入下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理情形。

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