工况软件模拟演示验证系统设计

工况软件模拟演示验证系统设计

朱利伟;李宇波;李辉芬;黄琼;孙楠

【摘要】In order to provide visual platform and simulation medium for work cond ition design and decision making,this paper designs a simulation,demonstration and verification system.According to the characteristic of STK/X module,the s oftware layered design based on operating and drive engine is present,and STK w idget is embedded into the software for function integration.Through the analys is on layered design,the problems to be solved in system implementation are obt ained.Aiming at these problems,such key technologies as STK/X application tech nology,STK three-dimensional modeling and controlling technology,position velo city and attitude transfer of satellite and rocket are studied,and the system d esign and development are completed.%为了给工况设计和指挥决策提供可视化平台和仿真验证手段,设计模拟演示验证系统。根据STK/X整合模块的特点,提出基于操作驱动引擎的软件分层设计,把STK控件嵌入到应用程序中实现功能的集成。通过对软件各层设计分析,梳理出系统实现所需要解决的问题。针对问题研究解决了STK/X应用技术、STK三维建模以及模型控制技术、火箭位置速度姿态的转换方法、卫星轨道姿态的转换方法等关键技术,完成了系统设计开发工作。

【期刊名称】《无线电工程》

【年(卷),期】2012(042)004

【总页数】4页(P44-46,50)

【关键词】模拟演示验证;STK/X;操作驱动引擎;嵌入式开发

【作者】朱利伟;李宇波;李辉芬;黄琼;孙楠

【作者单位】中国卫星海上测控部,江苏江阴214431;中国卫星海上测控部,江苏江阴214431;中国卫星海上测控部,江苏江阴214431;中国卫星海上测控部,江苏江阴214431;中国卫星海上测控部,江苏江阴214431

【正文语种】中文

【中图分类】TN311

0 引言

在进行航天测量船海上测控工况设计时，传统的工况设计软件计算结果不够形象直观，且程序版本和计算精度也不完全统一，不便于互相验证。为满足后续试验任务需求，有必要研制一套试验任务模拟演示验证系统，使用户能够对航天器的飞行状态和测量船执行任务的场景有直观全面的了解，为决策指挥提供一定程度的可视化支持，为型号总体人员提供验证海上测控方案正确与否的平台，尤其可以对应急工况的设计提供及时准确的仿真验证手段。

试验任务模拟演示验证系统包括试验任务工况设计软件和模拟演示验证系统2个部分。其中试验任务工况设计软件用于进行海上测控任务的工况设计，并以数据文件的形式输出设计结果。模拟演示验证系统采用基于卫生工具包软件(Satellite Tool Kit，STK)的可视化平台实现进行设计开发，用于仿真验证工况设计结果并向用户提供试验任务过程的可视化支持。

1 系统设计

模拟演示验证系统利用STK软件的STK/X嵌入式软件开发技术实现。STK是美国

分析图形有限公司(Analytical Graphics Inc.，AGI)开发的航天领域中的商品化的卫星系统仿真分析软件［1，2］。STK/X是AGI公司使用4DX嵌入技术生成的STK整合模块。基于OpenGL技术的三维可视化技术，可以逼真地再现空间视景环境、飞行器飞行姿态和关键动作等。

使用STK/X技术嵌入到程序中进行开发设计，需要掌握大量的STK Command操作命令接口，这为基于STX/X的程序开发带来很大的困难。鉴于此，提出了开发STK/X操作驱动引擎的设计思路。STK/X操作驱动引擎的好处，就是它隐藏了几乎所有复杂的STK Command操作命令，使程序开发者能够更加专注于仿真演示验证系统软件本身的设计开发。利用STK/X操作驱动引擎方法，把模拟演示验证软件分为4层，如图1所示。

图1 程序设计分层结构

各层的主要功能及数据传递关系如下:

① 最底层是 STK/X嵌入控件，通过 STK Command命令接受上层输入的指令和参数，调用数据文件进行仿真演示，并可以输出STK计算的跟踪性能，其二维和三维窗口可以实现图形的显示与实时刷新。

②第2层是驱动引擎层，是任务开发中应用STK/X技术的核心部分。驱动引擎层向下使用STK Command命令，直接对STK控件和计算模块进行操作控制并传递数据;向上提供标准的程序函数接口，使得上层的其他软件开发人员可以不去关心STK Command操作的实现过程，只要调用普通函数接口就可以传递用户操作和数据;

③第3层是数据处理层，该层的作用是衔接用户输入和STK驱动引擎。数据处理层接收用户操作层获取的操作和输入的数据，并对操作和数据进行处理和转换，生成STK适用的指令和数据参数，提供给驱动引擎层使用;

④最上层是用户操作层，提供程序和工况设计人员的接口。该层主要通过程序界面

实现数据输入检查，对输入操作响应，并向下一层传递操作和参数。

2 需要解决的问题

模拟演示验证系统软件的分层设计把不同的功能分在不同的层次进行设计开发，每一层所涉及的开发技术都不相同。

2.1 STK/X嵌入控件层和驱动引擎层

嵌入控件层的技术特点是对象嵌入式程序开发，需解决STK/X控件技术。

编写驱动引擎层需要掌握大量的STK Command操作命令，还需要建立必须的STK三维模型供STK三维窗口控件使用。操作命令可以通过STK软件的Help文件查询和学习掌握，该层需要解决的问题包括STK三维建模方法和STK三维模型的动作控制方法。

2.2 数据处理层和用户操作层

数据处理层实现工况设计用户数据和STK数据之间的转换。海上航天测控涉及的数据主要包括:任务总体参数、航天测量船工位参数、发射场工位参数、火箭弹道数据和卫星轨道姿态数据等。其中火箭和卫星的数据量大且较复杂，因此需要解决的问题包括火箭位置速度姿态的转换和卫星轨道姿态的转换。

用户操作层的主要功能是向用户提供程序操作界面以获取用户输入的数据。根据STK所提供的对外接口的特点，选择Microsoft Visual C#进行程序界面的设计开发。该层没有需要解决的问题。

3 关键技术

3.1 STK/X控件技术

STK/X主要使用AGI Map Control和AGI Globe Control 2个控件实现二维和三维界面的显示和刷新，使用AgSTKXApplication完成在整个应用程序生命周期对STK对象的管理和调度［3］。应用STK/X控件技术，用户可以根据需要开发独立的视景系统，实现在不打开STK主程序的情况下使用STK的演示界面和计算函数