基于STK 的弹箭半实物飞行实时可视化仿真*

纪 录，吴国东，王志军，尹建平，刘亚昆

（1.中北大学机电工程学院，太原 030051；2.江苏自动化研究所，江苏 连云港 222061）

0 引言

现代科学技术、大型工程项目和高新技术产品，因其技术复杂性、过程一次性和投入风险大等原因，因此，初始阶段采用仿真。随着信息技术的飞速发展和在军事领域的广泛应用，现代信息化条件下的战争，已经不再是传统意义上机械化战争时代以平台为中心的火力与火力的较量，而是基于信息系统体系与体系的对抗。当前世界信息化条件下体系对抗的核心是，在信息系统支持下将预警探测、情报侦察、通信导航、电子对抗、空间支援、后勤保障等信息技术装备和火力毁伤的作战武器进行网络化融合，形成有序组合、协同配合的作战整体共同完成作战任务［1-4］。

本文采用弹箭半实物仿真技术，采用五轴飞行转台作为弹箭飞行模拟器，模拟弹箭飞行的姿态和轨迹，然后研究基于Windows+RTX 的实时飞行仿真通讯和控制系统和与STK 软件相互结合的实时可视化场景的方案设计。通过STK 及其VO、Connect 和RT3 模块为核心，建立Button Tool 简易控制台，以时间为主线，完成对仿真过程主要项目的控制，并通过STK 软件对弹箭飞行姿态和轨迹进行分析，是否符合需求和是否满足实时可视化的要求。

1 实时可视化仿真软件

1.1 STK 软件简介

STK 软件的全称是Systems Tool Kit，即卫星仿真工具包，由美国AGI（Analytical Graphics）公司开发，是航天领域最先进的商品化的仿真分析软件。STK 从基础的航天与卫星领域起步，经过几十年的不断发展和完善，现在已经发展成为能够快速全面支持对复杂陆、海、空、天、电一体，覆盖航天宇航飞行控制、空间环境、卫星、雷达、电子对抗、通信、导弹设计、反导分析、空间飞行器仿真、深空探测等与基础航天动力学相关的所有领域，并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果，以及高逼真度的空间可视化的表现。STK 完美支持所有任务的全周期的仿真分析，包括概念、需求、设计、制造、测试、发射、运行和应用等，STK 是基础航天及其相关领域必不可少的分析软件［5-9］。

STK 提供专业的分析引擎用于分析计算，并以多种形式显示方式，如二维地图、三维场景、数据图表、统计文本数据等显示卫星、火箭、导弹、空间飞行器、雷达、通信、飞机、舰船、地面车辆、目标以及其他对象等［10-12］。STK 的核心能力是能够产生所有分析对象所需的各种精确、专业的分析数据，并提供各种形式的分析报表，且能够在多维空间中根据用户需要进行直观的可视化显示，通过STK 分析结果置信度为99.50%。

1.2 STK 实时数据处理编程接口

AGI 的实时跟踪技术（Real-Time Tacking Technology，RT3）主要用于集成处理实时数据，或者处理来自AGI 系统软件、用户应用程序或者第三方软件产生的高效实时仿真数据。STK 提供了一套用于处理实时数据的接口RT3，该接口可用于构建用户自定义的实时数据采集、分析处理与可视化［13-14］。

STK 一个基本功能需求是能够处理实时数据流，STK 允许用户直接使用STK 的对象模型（Object Model）编程接口来进行分析处理。为了能够便于用户编写这种应用程序，RT3 编程接口提供了一个实时数据处理的应用程序框架。RT3 Software Development Kit（SDK）接口包括了一整套应用程序编程接口（API），编程文档和一组示例代码文件。RT3 SDK 不仅可以用来增强RT3 扩展接口对用户自定义数据流的采集，特殊数据的处理，以及预定义的可视化分析设置，同时也可以通过STK 引擎、组件对象库的方式，将STK 的分析和显示数据功能集成在用户的应用程序中，图1 显示了RT3 模块工作方式图，其中包括RT3 编程接口的应用方式和RT3 实时数据处理基本流程两部分。

图1 RT3 模块工作方式图

2 弹箭飞行仿真系统方案简介

在设计的弹箭飞行实时仿真系统的整体系统结构如图2 所示，结构图中主要包括弹体运动计算机、五轴飞行仿真转台、弹载计算机、卫星导航信号模拟器、模拟负载器、三维实时视景显示器和对仿真转台姿态和轨迹进行评估的设备等，主要是实现整个弹箭飞行仿真实时系统的结构的搭建，形成整体飞行仿真系统的闭环。

图2 弹箭飞行仿真系统的结构图

在信息传输方案过程中，如图3 所示主要是通过主控计算机传输同步控制信号到高速网络中，其中弹体运动计算机、卫星导航信号模拟器、飞行转台控制计算机、模拟负载器、评估系统设备、三维飞行视镜显示设备及显示记录设备共同连接到高速网络中，本系统采用的反射内存网络，将导弹或者飞行器的飞行轨迹或者位置信息传输到卫星信号模拟器中；将导弹或者飞行器的飞行姿态信息传送到飞行转台控制计算机中，飞行转台控制计算机将飞行姿态信息传输到飞行转台控制柜，通过飞行状态控制柜控制五轴转台的姿态，五轴飞行转台内置的模拟弹载计算机，通过弹载计算机上的卫星信号接收和发送器与卫星信号模拟器通过天线进行通信，从而调整飞行的轨迹；模拟负载器由压力负载器和舵机负载器组成，分别模拟导弹或者飞行器在大气飞行过程中所受的压力变化情况和制导飞行时舵面负载力矩的变化情况；评估系统设备包括姿态评估和位置或者轨迹评估系统，分别对模拟的导弹或者飞行器的姿态和飞行轨迹或者位置是否精准进行评价；三维飞行视景显示设备是采用三维图形建模软件建立真实的仿真实体模型，然后利用STK 实时三维视景系统软件使导弹或者飞行器在真实的地图场景中飞行。

3 弹箭实时可视化飞行方案设计

图3 弹箭飞行仿真实时信息传输图

利用STK 软件的可视化功能，仿真中导弹模型的飞行状态严格遵从弹道飞行数据，使方案逼真再现或展现弹箭飞行真实姿态和轨迹。该实时可视化方案在弹箭半实物飞行实时仿真系统的基础上融合STK 及其VO、Connect 和RT3 模块，通过建立Button Tool 简易控制台，建立可视化的弹箭的模型和飞行的界面，以时间为主线，完成对导弹飞行仿真过程主要项目的控制［15-16］。

3.1 弹箭三维模型建立

利用三维建模软件Solidworks，建立如弹箭的三维模型，并通过Deep Exploration 软件对模型进行转换成MDL 格式模型，图4 为导弹转换后用模型MDE 打开的模型。

图4 MDL 文件打开图

3.2 飞行仿真的方案结构及流程

经方案结构分为数据输入、控制、计算与数据输出显示3 部分，如下页图5 所示的实时可视化方案，通过数据输入包含了3 部分：1）导弹的弹道信息、姿态控制信息和控制模型动作的信息等；2）地面基站，卫星设置信息及雷达接收与发送设备的信息文件；3）采用Solidworks 的三维模型信息。

其整个流程图如图6 所示，从导弹的弹道、姿态和控制信息输入，然后如何对飞行的弹道姿态进行调整通过该流程可以实现所需要的目标。

3.3 STK 的简易控制台方案设计

图5 实时可视化方案设计

图6 实时可视化仿真系统流程图

STK 中的ButtomTool 是创建自己的STK 控制功能栏。可以按照功能设计符合功能的界面。如图7 所示Button Tool 完成简易控制台自定义界面。

图7 Button Tool 控制台自定义界面

3.4 弹箭实时飞行参数配置

在图8 中新建任务，其中，包含了弹箭飞行的发射点坐标经纬度、海拔高度、初始速度、弹道数据、星历数据和起始时间等必要的参数。

图8 弹箭飞行参数设置

在图9 中光纤地址配置，在轨迹模式中选择实时轨迹，然后设置光纤地址，可以实时显示导弹飞行的轨迹。

图9 实时弹箭飞行系统光纤地址配置

在下页图10 显示所输入的弹道信息和轨迹信息，通过卫星信息模拟器连接到STK 中RT3 模块中，将姿态和轨迹数据输入到三维实时视景显示中。

4 导弹飞行实时可视化仿真界面

通过三维模型建立及转换，在STK 中建立符合功能的实时视景仿真的三维及二维实时导弹飞行仿真模型。如图11 在RT3 模块下实时二维及三维导弹飞行姿态和轨迹图。

5 弹箭实时飞行姿态和轨迹分析

通过对弹箭实时飞行姿态和轨迹的分析，其飞行轨迹如图12（a）所示，其导弹飞行高度与飞行距离之间的关系。弹箭飞行过程中姿态的变化如图12中（b）所示，可以清楚看到其欧拉角中的俯仰角、偏航角和滚转角变化情况。在图12（c）中可以看到在J2000 坐标系下导弹飞行过程中速度随着时间变化情况，Vx、Vy和Vz随着飞行时间的变化情况。从图12（d）可以看到弹箭飞行过程中随着时间经度（longitude）、纬度（latitude）和海拔高度（altitude）变化情况。通过STK 中软件的分析可以发现弹箭飞行姿态和轨迹与弹道数据相一致。

图10 卫星信号模拟器轨迹图

图11 STK 实时显示界面导弹飞行姿态和轨迹图

图12 弹箭飞行姿态和轨迹分析图

6 结论

由于STK 强大的信息作战仿真支持能力，逼真的图形显示和真实可靠的数据报告等特征及STK中的实时数据处理RT3 模块。1）本文完成了弹箭实时飞行仿真系统的可视化系统的方案设计，在STK 真实仿真模拟了弹箭飞行的整个过程；2）为了满足对实时数据的处理高效率需求，将STK 中的RT3 模块接入整个仿真系统中，从而形成一整套高效数据处理、变换、显示和分析的能力，能够高斯处理和显示实时数据、高效变化和监控实时数据；3）通过对飞行仿真轨迹的分析，导弹飞行过程各项指标满足要求。随着对STK 技术的深入研究，基于STK 的实时导弹飞行可视化系统将成为开发的重点，在以后的靶场飞行试验与飞行任务支持中将得到更广泛的应用。