一种基于STK的多联合实时视景仿真方法

技术领域

本发明属于雷达视景仿真领域，尤其涉及一种基于STK的多联合实时视景仿 真方法。

背景技术

视景仿真(VisualSimulation)是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地 说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的 特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行 交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。其作为计 算机技术中最为前沿的应用领域之一，它已经广泛应用于虚拟现实、模拟驾驶、场 景再现、城市规划及其它应用领域。

卫星工具包(SatelliteToolKit,STK)是由美国AnalyticalGraphics(AGI)公司开 发的一个基于物理原理的几何引擎软件，它能够在真实或者仿真时间中准确的显示 和分析陆地、海洋、天空以及宇宙空间中的任务。STK先进的2D和3D可视化技 术以及分析数据输出功能，能够帮助用户增强对视景仿真情况的理解和认识。作为 一款商业分析软件，STK的领先地位在航天领域毋庸置疑，其支持包括设计、测试、 发射、运行和任务应用在内的航天任务的全过程。STK起初多应用于卫星轨道分析， 现已逐渐扩展成分析和执行陆、海、空、天、电磁任务的专业仿真平台，是一种先 进的现货分析和可视化工具，支持航天、防御和情报任务。

但是在实际的视景仿真中，我们往往不需要那么多功能，STK软件本身对于视 景仿真来说就过于臃肿，功能过于复杂，操作失分繁琐，使用掌握困难。而且STK 软件本身和其他软件进行数据交互并不理想，同时也不便在仿真系统中来控制 2D/3D场景与当前数据的同步显示。采用VisualStudio开发MFC程序，集成STKX 技术，便能有效解决这一问题。

实时操作系统(RTOS)是指当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快 的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系 统做出快速响应，调度一切可利用的资源完成实时任务，并控制所有实时任务协调 一致运行的操作系统。提供及时响应和高可靠性是其主要特点。

RedHawkLinux系统是美国并行计算机公司开发的Linux实时操作系统，该系 统主要应用于多处理器环境，并能在多处理或多核心环境下确保应用程序的可靠性。 RedHawk内核可以将控制权由低优先级进程转交给高优先级进程。这样就保证了正 在等待外部事件发生的高优先级进程能够在事件发生时被立即响应，即使CPU正 在被占用也不受影响。这种操作系统目前的主要支持对象是美国军方，美国海军的 神盾级巡洋舰的反空袭，反水面舰艇，反潜武器系统均采用的是这种操作系统。

申请号为201410322798.1，发明名称为《基于STK的多实时数据驱动对象通 用态势显示系统及方法》的专利，给出了STK软件在空天地系统中多实时数据驱 动对象仿真应用方案，突破了STK在实时驱动仿真中仿真对象少的限制，通过采 用时分复用策略完成多STK仿真对象所需的外部驭动数据的传输分配管理，实现 STK场景内多对象的实时外部数据驱动显示与控制。但其缺点在于没有结合仿真区 域的地理信息，也没有提出一个完整的实时仿真系统架构。

申请号为201410258901.0，发明名称为《一种基于STK模型的空间目标可见 性分析的方法》，申请号为201410423444.6，发明名称为《一种天基空间目标成像 仿真方法及装置》等，都是针对航天领域的卫星等目标提出的。卫星等空间目标往 往具有固定的运行轨道，一旦发射到预定轨道后，其轨道一般不会改变，即使改变， 轨道也是可计算的。而战斗机、导弹等目标的飞行轨迹是具有随机性的，其目标数 量也不确定，需要对其进行实时检测、跟踪，同时因为飞行高度的限制，地理环境 也要被考虑在内，这些都给视景仿真增加了难度和复杂性。

发明内容

本发明提供一种基于STK的多联合实时视景仿真方法，主要针对战斗机、导 弹等目标的仿真。

本发明的思路：首先把视景仿真模块从雷达仿真系统中分离开，将系统规划为 三部分，分别负责目标模型仿真、雷达系统仿真、视景仿真，再将三个模块用光纤 连接，然后雷达仿真机根据目标模型仿真机发送的目标信息，搜索目标并跟踪计算 目标的位置，计算结果每隔一定的时间发送到视景仿真机，视景仿真机根据计算的 目标位置，实时显示仿真的三维结果。

一种基于STK的多联合实时视景仿真方法，包括如下步骤：

S1、搭建目标模型仿真机，建立相应的目标模型模块，采用RedHawkLinux 实时操作系统，每隔10ms向雷达系统仿真机发送一次目标回波数据；

S2、搭建雷达系统仿真机，建立相应的雷达模型模块，所述雷达系统仿真机采 用RedHawkLinux实时操作系统，每隔10ms向视景仿真机发送一次目标位置数据 建立相应的视景仿真场景；

S3、搭建视景仿真机，建立相应的仿真场景模块，每隔1ms检测一次数据接收 端，每当接收到一次S2所述雷达系统仿真机发送的目标数据，控制STK响应一次， 所述仿真场景为地形二维、三维模型，目标三维模型；

S4、将S1所述目标模型模块、S2所述雷达模型模块和S3所述仿真场景模块 用光纤连接，采用内存反射卡交换数据；

S5、运行S1所述目标模型仿真机、S2所述雷达系统仿真机和S3视景仿真机 上的仿真程序，视景仿真机上将实时显示检测到的目标和目标跟踪的轨迹。

进一步地，S3所述搭建视景仿真机，建立相应的仿真场景模块，具体步骤如 下：

S31、利用JQuery+PHP的方法接入谷歌地图API，抓取卫星地图的栅格模型， 将抓取到的栅格模型划分为20个等级，包括精度71km～0.27m；

S32、获取仿真区域的DEM地形数据，利用抓取的卫星地图制作地形纹理，将 地形纹理映射到地形模型生成三维地形模型；

S33、建立MFC工程，在资源的Dialog中添加GlobalControl和MapControl 两个ActiveX控件，用于分别显示三维/二维实时仿真场景和目标；

S34、新建线程接收S2所述雷达系统仿真机发送的数据，根据接收到的内容， 选择响应“添加新目标”事件或“移动目标位置”事件。

本发明的有益效果是：

利用RedHawkLinux的实时计算保证了仿真的实时性，使用真实的地图地形数 据和战斗机目标三维模型让视景仿真显得更加真实，同时采用雷达系统仿真机驱动 视景仿真机的方式，保证了STK视景仿真的实时性。

附图说明

图1是本发明多联合仿真系统的结构框图。

图2是视景仿真机系统结构图。

图3是映射好的纹理地形图。

图4是视景仿真运行效果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。

下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，搭建如图结构的多联合仿真系统。

S1、搭建目标模型仿真机，建立相应的目标模型模块；

目标模型的关键部分是目标雷达截面积(RCS)模型，可用公式表示为：

目标雷达散射体截面积$\sigma =4\pi \underset{R\to \infty }{\lim }{R}^2\frac{|E^s{|}^2}{|E^i{|}^2}=4\pi \underset{R\to \infty }{\lim }{R}^2\frac{|H^s{|}^2}{|H^i{|}^2},$

其中,Eⁱ表示入射电磁波在目标处的矢量电场强度(V/m)，Hⁱ表示入射电磁波在目 标处的矢量磁场强度(A/m)，E^s表示目标散射波在观测点处的矢量电场强度(V/m)， H^s表示目标散射波在观测点处的矢量磁场强度(A/m)，R为目标与雷达间的距离；

该目标仿真机采用RedHawkLinux实时操作系统，每隔10ms向雷达系统仿真 机发送一次目标回波数据。

S2、搭建雷达系统仿真机，建立相应的雷达模型；

该雷达系统仿真的关键部分在于回波模拟，主要包括点目标回波、杂波和噪声。

目标回波模型如下：

在天线阵面方向余弦坐标系中，点目标在雷达的第n子阵、第k个脉冲的回波 模型可采用公式表示为：

其中，θ,分别为目标的方位角和俯仰角，P_t是峰值发射功率，L为传播与系统损 耗因子，G_t、分别为发射天线的功率增益和方向图，G_r,n、为第n 路子阵的接收天线的功率增益和方向图。Φ_s,n为第n路子阵的空间相移，Φ_t,k为第k 次回波时的时域相移。

杂波模型如下：

典型杂波的生成通常利用网格映像法，根据雷达分辨单元大小及有效作用距离， 将海(地、空)表面按距离、方位向划分成网格状的杂波单元，每个杂波单元视为 一个点散射体。杂波单元在第n个子阵中的第k次采样的回波采用公式表示：

其中，P_t是峰值发射功率，D_u为压缩比，L_c为系统的杂波损耗因子，σ_c为雷 达散射体截面积，R_L为第l号单元距离，G_t、分别为发射天线的功率增益 和方向图，G_r,n、为第n路子阵的接收天线的功率增益和方向图。Φ_s,n为 第n路子阵的空间相移、Φ_t,k为第k次回波的时域相移。为符合杂波幅度分 布模型和功率谱模型的复随机序列。

噪声模型如下：

雷达系统的噪声包括从天线进入的噪声和接收机本身的噪声。接收机噪声模型 通常采用一个服从均值为0，方差为的正态分布随机过程来模拟，其数学表示形 式如下：

n_r(t)＝n_R(t)-j*n_I(t)，

其中，n_R(t)，n_I(t)为独立的均值为0、方差为的高斯随机过程。

该雷达系统仿真机采用RedHawkLinux实时操作系统，硬件采用NVIDIAK20 GPU，实时计算目标信息，同时进行目标检测、目标跟踪，并将目标当前位置信息 发送给视景仿真机，每隔10ms向视景仿真机发送一次目标位置数据。

S3、搭建视景仿真机，建立相应的视景仿真场景，包括地形二维、三维模型， 目标三维模型等；

该视景仿真机采用Windows7操作系统，建立相应的仿真场景，每接收到一次 雷达系统仿真机发送的目标数据，控制STK响应一次。流程如图2所示，具体如 下：

S31、利用JQuery+PHP的方法接入谷歌地图API，抓取其卫星地图的栅格模型 (瓦片模型)，抓取的等级从1～20，分别代表精度71km～0.27m，具体如表1所示。

表1各级比例尺及空间分辨率例表

S32、下载所仿真区域的DEM地形数据，利用抓取的卫星地图制作地形纹理， 根据地理相关性数据，将地形纹理映射至地形模型，最终生成三维地形模型，如图 3，同时还要选取会用到的战斗机目标三维模型；

S33、建立MFC工程，在资源的Dialog中添加GlobalControl和MapControl 两个ActiveX控件，用于分别显示三维/二维实时仿真场景和目标，同时添加其他控 制按钮；

S34、分别加载场景配置、地形数据、地图映射、目标模型到视景仿真系统中。 其中，场景配置又包括场景初始化、场景开始时间、观察者位置、观察者行为(固 定视角固定位置、固定视角跟踪目标)；

S35、新建线程接收雷达系统仿真机发送的数据，根据接收到的内容，实时响 应“添加新目标”或“移动目标位置”的动作；

S4、将S1、S2、S3搭建的三个模块用光纤连接，采用反射内存卡交换数据， 反射内存中断请求的发送由程序控制，即发送端将数据写入反射内存后，向数据保 存节点发送中断请求信号，同时发送一个RFM2GEVENTINFO数据结构，其中包含 了扩展信息、中断类型、等待时限、节点号和驱动指定数据等信息；

S5、运行三机上的仿真程序，视景仿真机上将实时显示检测到的目标和目标跟 踪的轨迹。

运行效果图如图4，左上方的窗口为2D地图，显示雷达和目标的位置以及目 标的跟踪轨迹；左下方的表格为跟踪的目标战斗机轨迹信息，包括经度、纬度、高 度、速度、加速度、时间；右上方的窗口为目标3D模型，实时监测目标姿态和方 向的变化，图中所使用的模型为B52轰炸机；右下方为全局观察者视图，可以观测 仿真的空间位置信息。