STK在飛行器仿真試驗與數據分析中的應用

文/張慧娟 劉海波

在航空航天領域，可視化技術與仿真技術的結合即飛行可視化仿真技術的應用越來越廣泛，作用越來越突出，應用可視化仿真技術，實現對飛行器的可視化仿真是試驗數據處理的一項重要研究內容。隨著計算機、軟件工程及圖形圖像技術的發展，可視化仿真技術在許多領域里得到運用。利用飛行數據對飛行器試驗過程進行仿真實現，是對飛行器性能進行評估、分析的重要內容，也是對未知對象進行分析與反設計的重要環節。衛星工具軟件STK（Systems Tool Kit）是航空航天領域中先進的系統分析軟件，由美國分析圖形有限公司（AGI）研制，用于分析復雜的陸地、海洋、航空及航天任務。它可以提供逼真的可視化動態場景以及精確的圖表、報告等多種分析結果，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用潛力。

飛行器軌道數據處理結果主要以參數表和曲線表示，其缺點是飛行器的參數狀態難以得到全面、及時、直觀地反映，由于組織大型試驗的代價巨大，因此得到的樣本量極為有限，一般的做法是應用仿真試驗達到等效替代的目的。文中提出一種利用STK軟件系統，以仿真或實際測量數據驅動飛行過程，通過構造被測目標、測量傳感器模型對象，在地圖模型中再現豐富的二維與三維視覺場景，將目標對象在視覺場景中的飛行狀況生動地呈現出來，根據飛行器的軌道特性，對試驗進行仿真設計，通過給定起始點、落點、軌道、內部參數等數據，模擬飛行器的飛行狀態。以可視化實例進行演示分析，能夠通過圖形圖表快速地認知目標在飛行過程各階段的姿態，目標與地面傳感器之間的幾何位置關系，達到復演飛行過程和直觀分析試驗數據的效果。可以通過修改參數，對分析對象進行控制，大大增加了仿真試驗的可操作性，更加直觀地了解目標的運動規律，分析仿真結果。

1 系統結構及仿真程序流程

飛行器試驗可視化仿真，主要用于支持飛行任務的數據顯示和飛行方案再現，整個仿真流程可分為資源準備、仿真準備、仿真運行和結果分析四個階段。通過分析系統結構，并根據飛行器的動作時序和系統的邏輯控制關系。

STK提供用戶操作界面，在仿真準備階段，用戶根據飛行器航行過程構建所需的環境。從三維模型庫中調用各類模型和地形并加載到場景中。在仿真飛行過程中，用戶可以通過場景管理模塊在線控制仿真場景的運行，并通過顯示控制模塊方便的控制三維顯示，實現視點變化、動作定義等功能。從而實現與STK服務器之間數據、指令的傳輸以及某些屬性及關鍵細節，如測量傳感器跟蹤指向轉換，航跡規劃自動顯示等。在結果分析階段，場景管理模塊用于獲取仿真數據結果，顯示控制模塊，用于控制仿真場景的播放。

2 仿真場景資源的建立

依據仿真流程建立可視化仿真系統，確定運行系統需要的測量概況和運行參數。建立仿真系統使用的模型，主要包括三維地形、飛行器體、測量傳感器等。

根據外形和結構設計各類模型，構成仿真模型庫,使用LightWave軟件進行渲染。飛行器模型，一般由多個圖層組成，目的是滿足后續飛行動作的要求；采用傳感器模型表示地面觀測設備。

建立試驗場場景通過四個步驟來完成。首先，建立試驗場二維、三維地圖視場；其次，添加飛行器、測量傳感器、地圖的三維模型；然后輸入運動軌跡與運動姿態文件；最后，配置與場景信息相關的參數。其中，軌跡文件的內容應包括星歷信息、時間以及位置和速度參數。選用橢球體模型，定義地球軌道平面（EOP）模型，實現對試驗場地圖視場的二、三維布景，姿態采用俯仰角、偏航角和滾動角表示。

3 仿真場景的建立與運行

首先，向場景中添加飛行器目標對象，通過設置目標模型的屬性，把模型與軌跡文件、姿態文件關聯起來，以確定軌道和姿態。將目標設置為主體對象，它可提供一個在飛行過程中始終有效的參考對象，以方便觀測整體的飛行航路，為用戶提供一個基本的視場中心。

然后，為場景添加測量傳感器對象，標出以經度、緯度和高程定義的測量位置。

當所有的場景信息和模型信息設置完成后，目標將按照用戶預先指定的軌道和姿態及其他設定條件進行飛行復演，按照時序完成各項動作，三維視景畫面可描述該時刻飛行器位置、速度及姿態參數或者用戶需要關注的其它參數。

4 結果分析

通過加載飛行數據對飛行器在空中的飛行情況及地面設備的測量跟蹤情況進行模擬。飛行軌跡由位置參數驅動；飛行姿態由俯仰、偏航、滾動參數驅動。用戶可以通過參數配置的交互手段實現對不同飛行試驗方案的仿真。最后將相關信息記錄下來，得到參數圖表，供用戶進行分析。

5 結論

本文基于STK軟件系統的仿真工具包，對飛行器試驗的環境布景、測量傳感器布設方案以及相關仿真模型庫等進行了設計，建立了一種飛行器試驗可視化仿真系統。通過仿真數據與虛擬場景相結合的方式，實現了基于數據驅動飛行器航行的快速可視化仿真過程。幫助用戶在數據處理過程的輔助直觀分析，同時便于可對觀測設備布設幾何及跟蹤覆蓋質量分析，為優化測量方案提供直觀的參考，還可為故障檢測、訓練仿真等提供分析依據。

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