STK在飞行器仿真试验与数据分析中的应用

文/张慧娟 刘海波

在航空航天领域，可视化技术与仿真技术的结合即飞行可视化仿真技术的应用越来越广泛，作用越来越突出，应用可视化仿真技术，实现对飞行器的可视化仿真是试验数据处理的一项重要研究内容。随着计算机、软件工程及图形图像技术的发展，可视化仿真技术在许多领域里得到运用。利用飞行数据对飞行器试验过程进行仿真实现，是对飞行器性能进行评估、分析的重要内容，也是对未知对象进行分析与反设计的重要环节。卫星工具软件STK（Systems Tool Kit）是航空航天领域中先进的系统分析软件，由美国分析图形有限公司（AGI）研制，用于分析复杂的陆地、海洋、航空及航天任务。它可以提供逼真的可视化动态场景以及精确的图表、报告等多种分析结果，在飞行器性能仿真、传感器跟踪覆盖分析等方面具有极大的应用潜力。

飞行器轨道数据处理结果主要以参数表和曲线表示，其缺点是飞行器的参数状态难以得到全面、及时、直观地反映，由于组织大型试验的代价巨大，因此得到的样本量极为有限，一般的做法是应用仿真试验达到等效替代的目的。文中提出一种利用STK软件系统，以仿真或实际测量数据驱动飞行过程，通过构造被测目标、测量传感器模型对象，在地图模型中再现丰富的二维与三维视觉场景，将目标对象在视觉场景中的飞行状况生动地呈现出来，根据飞行器的轨道特性，对试验进行仿真设计，通过给定起始点、落点、轨道、内部参数等数据，模拟飞行器的飞行状态。以可视化实例进行演示分析，能够通过图形图表快速地认知目标在飞行过程各阶段的姿态，目标与地面传感器之间的几何位置关系，达到复演飞行过程和直观分析试验数据的效果。可以通过修改参数，对分析对象进行控制，大大增加了仿真试验的可操作性，更加直观地了解目标的运动规律，分析仿真结果。

1 系统结构及仿真程序流程

飞行器试验可视化仿真，主要用于支持飞行任务的数据显示和飞行方案再现，整个仿真流程可分为资源准备、仿真准备、仿真运行和结果分析四个阶段。通过分析系统结构，并根据飞行器的动作时序和系统的逻辑控制关系。

STK提供用户操作界面，在仿真准备阶段，用户根据飞行器航行过程构建所需的环境。从三维模型库中调用各类模型和地形并加载到场景中。在仿真飞行过程中，用户可以通过场景管理模块在线控制仿真场景的运行，并通过显示控制模块方便的控制三维显示，实现视点变化、动作定义等功能。从而实现与STK服务器之间数据、指令的传输以及某些属性及关键细节，如测量传感器跟踪指向转换，航迹规划自动显示等。在结果分析阶段，场景管理模块用于获取仿真数据结果，显示控制模块，用于控制仿真场景的播放。

2 仿真场景资源的建立

依据仿真流程建立可视化仿真系统，确定运行系统需要的测量概况和运行参数。建立仿真系统使用的模型，主要包括三维地形、飞行器体、测量传感器等。

根据外形和结构设计各类模型，构成仿真模型库,使用LightWave软件进行渲染。飞行器模型，一般由多个图层组成，目的是满足后续飞行动作的要求；采用传感器模型表示地面观测设备。

建立试验场场景通过四个步骤来完成。首先，建立试验场二维、三维地图视场；其次，添加飞行器、测量传感器、地图的三维模型；然后输入运动轨迹与运动姿态文件；最后，配置与场景信息相关的参数。其中，轨迹文件的内容应包括星历信息、时间以及位置和速度参数。选用椭球体模型，定义地球轨道平面（EOP）模型，实现对试验场地图视场的二、三维布景，姿态采用俯仰角、偏航角和滚动角表示。

3 仿真场景的建立与运行

首先，向场景中添加飞行器目标对象，通过设置目标模型的属性，把模型与轨迹文件、姿态文件关联起来，以确定轨道和姿态。将目标设置为主体对象，它可提供一个在飞行过程中始终有效的参考对象，以方便观测整体的飞行航路，为用户提供一个基本的视场中心。

然后，为场景添加测量传感器对象，标出以经度、纬度和高程定义的测量位置。

当所有的场景信息和模型信息设置完成后，目标将按照用户预先指定的轨道和姿态及其他设定条件进行飞行复演，按照时序完成各项动作，三维视景画面可描述该时刻飞行器位置、速度及姿态参数或者用户需要关注的其它参数。

4 结果分析

通过加载飞行数据对飞行器在空中的飞行情况及地面设备的测量跟踪情况进行模拟。飞行轨迹由位置参数驱动；飞行姿态由俯仰、偏航、滚动参数驱动。用户可以通过参数配置的交互手段实现对不同飞行试验方案的仿真。最后将相关信息记录下来，得到参数图表，供用户进行分析。

5 结论

本文基于STK软件系统的仿真工具包，对飞行器试验的环境布景、测量传感器布设方案以及相关仿真模型库等进行了设计，建立了一种飞行器试验可视化仿真系统。通过仿真数据与虚拟场景相结合的方式，实现了基于数据驱动飞行器航行的快速可视化仿真过程。帮助用户在数据处理过程的辅助直观分析，同时便于可对观测设备布设几何及跟踪覆盖质量分析，为优化测量方案提供直观的参考，还可为故障检测、训练仿真等提供分析依据。

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