（计算机科学与技术专业论文）基于大气折射的可视化自主导航仿真平台研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 近几年，随着航天事业的蓬勃发展，基于星光大气折射的自主导航方法因具 有全自主、高精度、低成本等优点开始受到人们的关注。在航天仿真领域，可视 化仿真技术作为一种重要的仿真手段，可降低航空实验的成本和风险，现己广泛 应用于人造卫星、航天飞船等工程研制中。为降低地面导航计算的复杂性和导航 试验的成本，本文从可视化仿真的角度对星光大气折射自主导航进行剖析，重点 研究了大气折射模型和星空背景建模技术，开发出具有卫星导航演示功能的原型 仿真平台。 ( 1 ) 对自主导航仿真平台的基本功能和目标进行分析，采用m v c 设计思想 建立平台的总体框架。研究平台中星光折射自主导航组件的原理与组成，构建仿 真平台的数据库并加以规范化。 ( 2 ) 为提高计算效率以保证可视化仿真的实时性，对自主导航组件的建模进 行研究。建立考虑摄动影响的卫星动力学模型；通过分析大气密度随高度的变化 规律来建立简化的大气折射模型和系统观测模型。该模型不考虑大气压和温度等 因素的影响，形式上比较简单，计算量低，对可视化仿真具有一定的应用价值。 ( 3 ) 对可视化场景中的星空背景建模原理进行分析，给出恒星视位置的计算 方法。考虑大气压强、温度等对折射率的影响，提出一种融合大气折射的逼真星 空背景绘制算法。绘制结果表明，该算法相比常规星空模拟方法更具逼真性；在 根据星表动态生成星空时，具有较好的实时性。 ( 4 ) 对可视化仿真驱动框架和驱动流程进行研究，基于m u l t i g e nc r e a t o r 和 v e g ap r i m e 软件平台开发出可视化自主导航原型仿真平台。该平台使用导航数据 对卫星进行实时驱动，借助星空背景绘制、视点切换等技术，较好地演示了卫星 在轨运行的全过程。 主题词：大气折射，自主导航，可视化仿真，星空背景，实时绘制 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h eh i g hd e v e l o p m e n to fs p a c e c r a f t e n g i n e e r i n gi n r e c e n t y e a r s t h e a u t o n o m o u sn a v i g a t i o nm e t h o dt h a tb a s e ss t e l l a ra t m o s p h e r er e f r a c t i o ni sb e c o m i n gt o d r a wp e o p l e sa t t e n t i o nb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g eo ff u l l yi n d e p e n d e n t ，h i g hp r e c i s i o n a n dl o wc o s t i nt h ea r e ao fs p a c es i m u l a t i o n a sa ni m p o r t a n ts i m u l a t i o nm e a n s ，t h e t e c h n o l o g yo fv i s u a ls i m u l a t i o nn o w i sw i d e l yu s e di nt h ee n g i n e e r i n gd e v e l o p m e n to f m a n m a d es a t e l l i t e ，s p a c e c r a f ta n ds oo n m sp a p e rp a r s e st h en a v i g a t i o nm e t h o do f s t e l l a ra t m o s p h e r er e f r a c t i o n i nt e r m so fv i s u a ls i m u l a t i o n r e s e a r c h e st h em o d e lo f a t m o s p h e r er e f r a c t i o na n dt h em o d e l i n gt e c h n o l o g yo fc e l e s t i a lb a c k g r o u n da n d d e v e l o p sap r o t o t y p es i m u l a t i o np l a t f o r mo fa u t o n o m o u sn a v i g a t i o nt h a tb a s e sv i s u a l s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y t h ep l a t f o r r mc a nb eu s e dt od e m o n s t r a t et h ep r o c e s so fs a t e l l i t e n a v i g a t i o n ( 1 ) a n a l y s e st h es i m u l a t i o np l a t f o r m sb a s i cf u n c t i o n sa n dg o a la n da d o p t st h e d e s i g nm e t h o d o l o g yo fm v c t ob u i l du pt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h ep l a t f o r i l l s t u d i e s t h ep r i n c i p l ea n dc o m p o s i t i o no ft h ep l a t f o r m sa u t o n o m o u sn a v i g a t i o nc o m p o n e n tt h a t b a s e ss t e l l a rr e f r a c t i o na n dc o n s t r u c t st h ep l a t f 0 1 t n sd a t a b a s ea n ds t a n d a r d i z e si t ( 2 ) i no r d e rt oi m p r o v et h ec a l c u l a t i o ne f f i c i e n c ya n ds a t i s f yt h ev i s u a ls i m u l a t i o n s r e q u i r e m e n ti nr e a lt i m e ，r e s e a r c h e st h em o d e l i n gt e c h n o l o g yo fa u t o n o m o u sn a v i g a t i o n c o m p o n e n t b u i l du pt h es a t e l l i t e k i n e t i c sm o d e lt h a tr e f e r st op e r t u r b a t i o n b y a n a l y z i n gt h ea t m o s p h e r ed e n s i t y sv a r i a t i o nl a w t ot h eh e i g h t ，e s t a b l i s h e st h es i m p l i f i e d a t m o s p h e r er e f r a c t i o nm o d e la n ds y s t e mo b s e r v a t i o nm o d e l t h em o d e l d o e s n t c o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo fa t m o s p h e r i cp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e i th a sas i m p l ef o r m a n dn e e d sl e s sc a l c u l a t i o n ，s oi th a ss o m ea p p l i c a t i o nv a l u ef o rv i s u a ls i m u l a t i o n ( 3 ) a n a l y s e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fc e l e s t i a lb a c k g r o u n dm o d e l i n gf o rv i s u a l s i m u l a t i o n b r i n g sf o r w a r dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fs t a r so b s e r v e dp o s i t i o n o nt h e p r e m i s eo fc o n s i d e r i n gt h ea t m o s p h e r ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e si n f l u e n c et ot h e r e f r a c t i o ni n d e x ，b r i n g sf o r w a r dad r a w i n ga l g o r i t h mo fr e a l i s t i cs t a r r ys k yt h a t i n t e g r a t e sa t m o s p h e r er e f r a c t i o n t h ed r a w i n g r e s u l tp r o v e st h a tt h ea l g o r i t h mh a sm o r e r e a l i s mt h a nt h ec u s t o ms t a r r ys k ys i m u l a t i o na l g o r i t h m m e ni tg e n e r a t e st h es t a r r y s k ya c c o r d i n gt ot h es t a rc a t a l o g u e ，i tc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fr e a lt i m e ( 4 ) r e s e a r c h e st h ed r i v i n gf r a m e w o r ka n dp r o c e d u r eo fv i s u a ls i m u l a t i o na n d d e v e l o p st h ev i s u a ls i m u l a t i o np l a t f o i 1 1 1o fa u t o n o m o u sn a v i g a t i o nw i t ht h em u l t i g e n c r e a t o ra n dv e g ap r i m es o f t w a r ep l a t f o r m t h ep l a t f o r mu s e sn a v i g a t i o nd a t at od r i v e t h es a t e l l i t e sr e a lt i m er u n n i n g i td e m o n s t r a t e st h es a t e l l i t e so no r b i tm o t i o np r o c e s s b yu s i n gs t a r r ys k yd r a w i n ga n dv i e w p o i n ts w i t c h i n gt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：a t m o s p h e r er e f r a c t i o n ，a u t o n o m o u sn a v i g a t i o n ，v i s u a l s i m u l a t i o n ，c e l e s t i a lb a c k g r o u n d ，r e a l t i m er e n d e r i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 三种模型数据的比较2 4 表5 1卫星标称轨道数据5 3 表5 2 卫星导航轨道数据5 3 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 图 图 图 图2 3 图2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图目录 航天仿真的发展和演变过程4 s t k 界面5 星光折射自主导航仿真平台逻辑框架1 1 星敏感器的工作原理1 2 星光大气折射随高度的变化1 3 星光折射自主导航组件结构组成1 4 卫星绕行轨道及坐标系中的参考点16 本体坐标系与当地轨道坐标系之间的位置关系17 二体问题l8 卫星运行的轨道参数1 9 星光折射几何关系2 1 三种大气折射模型的曲线图2 4 星光折射间接敏感地平原理2 5 u t 变换过程2 8 天球31 时角坐标系3 2 地平坐标系3 2 赤道坐标系3 3 岁差和章动3 4 恒星视位置计算流程图3 8 大气密度分布图3 8 大气温度、压强分布3 9 不同星等的绘制效果( 从左至右星等依次为3 、2 、1 ) 4 3 普通画线函数绘制的星空( 左图) 和本文算法绘制的星空( 右图) 4 4 地球纹理映射原理4 7 地球纹理映射结果4 7 平台仿真流程图5 0 仿真平台运行主界面5 2 星空背景设置窗口5 2 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：_ 三童童上茎生一 日期：历秒降月l 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：篁煎磊日期：卅年，月jf 日 ，二月，j 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 当今世界，航天技术己经成为衡量一个国家综合国力和科学技术发展水平的 重要标志，也是保卫国家安全必不可少的工具，世界各军事强国都把发展航天技 术放在重要位置。卫星自主导航技术是一种不需与外界传输和交换信息且不依赖 于地面设备的定位技术，因为简化了地面系统操作，它可以大大降低航天任务的 成本。星光大气折射自主导航通过测量恒星星光在通过地球边缘大气层时发生的 折射来间接得到大地水平信息，由此可确定卫星的位置信息。该技术可以摆脱依 靠惯性设备来提供水平基准的束缚，能够实现全自主导航，可以作为战时可靠的 导航手段，在未来高技术战争中将发挥重大作用。本章先介绍论文研究的背景和 意义，然后对星光折射自主导航和星空背景建模等技术的国内外研究现状进行分 析，最后给出本文研究的主要内容和论文的结构安排。 1 1 论文研究背景及意义 在过去几十年中，大多数国家主要发展大容量、多用途、长寿命、高效率的 大型卫星。大型卫星的研制周期长、费用高、风险大且发射费用昂贵，在很大程 度上限制了其应用和发展。随着美国g p s 全球定位系统成功投入商业运营，小卫 星依靠其成本低、性能好、方便灵活的优势成为航天领域重要的发展方向。但由 于小卫星自身功能的不足，大多数情况下它是以星座的形式来提供服务，因而导 致在轨卫星数目增多，为卫星地面测控带来许多特殊性和复杂性。 随着航天任务的不断增加，依靠地面测控站进行卫星定轨与跟踪将难以承受 高负荷的数据传输与处理，加上地面站布局存在一定的局限性，其生存在战时电 子环境下具有一定的危险性。考虑到我国不可能像美国那样可以全球布点建站， 而且战时也没有实力来保护这些站点的安全运行。因此，以陆海基测控为主的卫 星导航在未来面临着严峻的挑战： ( 1 ) 对于军用卫星，若是过分依赖地面站的测控，其在战争状况下的安全是 令人担忧的，一旦地面测控系统遭到敌方破坏，整个天基系统将陷入瘫痪。 ( 2 ) 对于民用卫星，随着人造卫星的增多，地面测控站的负担越来越重，测 控成本会不断上涨。 因此，我国要想发展深空探测技术和卫星星座技术，首先必须解决卫星的自 主导航问题。研制与我国未来航天器技术发展需要相适应的卫星自主导航系统有 着重要意义【l j 。 目前，自主导航系统主要采用四种方法【2 】：( 1 ) 直接敏感地平( 2 ) 利用全球 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 定位系统( g p s ) ( 3 ) 航天器之间的互相观测( 4 ) 通过星光折射间接敏感地平。 近几年，随着基于星光折射的高精度自主水平基准的出现，利用星敏感器间接敏 感地平的自主导航方法开始成为人们研究的热点【3 】。 星光折射自主导航是一种重要的精度颇高的导航方法。其基本原理是：利用 星敏感器同时观测两颗恒星，一颗恒星的星光高度远大于大气层的高度，星光未 受折射，而另一颗恒星的星光则被大气折射，通过测量这两颗恒星之间角距的变 化量来得到星光折射角，通过对星光折射角与大气密度模型进行几何解算，可以 精确确定出卫星与地球之间的位置关系。 该导航方法的主要特点包括：利用安装在卫星上的星敏感器来量测星光折射 角，不需要任何地面信息，无能量辐射，是完全自主式导航；采用间接敏感地平 的测量方法，相对于某些直接敏感地平( 如红外地平仪进行地平扫描) 的方案具 有较高的导航精度；观测量与大气的性质有关，建立星光穿越大气的折射模型并 降低模型的不确定性是该导航方案的特殊问题；测量系统同时可确定卫星的姿态， 耗费低廉。 星光折射自主导航技术对我国未来航天器技术的发展有着重要意义。首先可 以有效打破超级大国对导航信息的垄断，将我国国防及经济建设建立在独立自主、 安全可靠的导航技术之上。其次，实现自主导航，地面操作人员只需定期检查航 天器工作状态，免除了复杂的导航计算任务，从而极大地降低了对于人力和地面 设施的要求，也降低了航天计划的成本。再次，在战时地面系统遭到敌方破坏情 况下，实现自主导航的航天器即使在与地面通信联络完全中断的条件下，仍然能 够完成轨道确定、轨道保持等日常操作，使航天器具有更强的生命力。最后，我 国航天器的地面保障功能由地面测控站和个别远洋测控船完成，实现自主导航将 缓解因我国国土区域有限造成的地面测控站布点局。 仿真可视化是指把仿真中的数字信息变为直观的、以图形图像形式表示的且 随时间和空间变化的仿真过程，使研究人员能够知道系统中变量之间、变量与参 数之间、变量与外部环境之间的关系，从而获得系统的静态和动态特性。仿真可 视化不单是使用图形与图像来表征仿真计算的结果，更重要的是为研究人员提供 观察数据并进行交互的手段，可以实时跟踪并有效驾驭数据模拟和实验过程。简 单地说，仿真可视化包含两层含义：仿真结果可视化和仿真计算过程可视化。 航天事业是一种高投入、高风险的科技密集型行业，研制可视化仿真系统可 以有效降低其成本和风险，提高成功率。可视化仿真技术可以为自主导航仿真产 生的数字结果提供一个直观清晰的表现与再现形式，能够以更直观的方式反映自 主导航技术对卫星定轨的综合影响。但现有的自主导航仿真程序大部分是数字仿 真程序，用户界面不太友好，给出的结果是数字文本信息，解读时需要很强的专 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 业背景，而且仿真结果不能直观地体现卫星自主定轨的精度以及轨道和姿态的变 化，无法很好地展示卫星、地球、太阳之间的时空关系。针对这些问题，仿真用 户对自主导航仿真系统的功能提出了新的需求【4 儿5 】：( 1 ) 直观表现的需求：需要 在现有数字仿真程序的基础上集成可视化仿真环境，实时显示卫星位置和姿态的 变化；( 2 ) 实时交互的需求：仿真用户与仿真系统之间需要一种快捷的信息交流 方式，这样仿真用户才能够对机器信息作出及时的响应，从而对仿真过程进行实 时的控制。 当今，利用计算机仿真技术生成的动态场景图象己被广泛地应用于虚拟战场 仿真、目标识别与跟踪、导弹寻的模拟等众多国防领域以及人造卫星、航天飞船 等航空航天领域中。它为未来国家防御系统和军事装备体系的建立和拓展奠定了 基础。其中，深空环境中星空背景建模技术是实现对太空目标识别与跟踪、导弹 寻的、飞行器导航等目的的关键技术之一。星空背景建模与仿真是指利用天文星 表来构造并绘制随时间、地点动态变化的星空背景，模拟在任意观测时刻任意观 测地点观测到的星空背景。它在航空航天、遥感探测、军事等方面具有重要意义， 有着重要的应用价值。 星敏感器是近些年新兴的一种高精度姿态敏感部件。由于星敏感器具有高度 自主性、较高的跟踪精度以及快速故障恢复能力，无须地面人为干预和任何先验 姿态信息即可实现卫星姿态的初始捕获和跟踪，使得它在未来将得到更为广泛的 应用。星敏感器在工作过程中需要大量原始星空图像，而航天实验费用极为昂贵， 所以难以全部进行实时拍摄。加之星敏感器有两种工作模式【6 】【7 】，如果将星空背景 的建模和生成技术应用到星敏感器中，只需在初始姿态捕获时进行全天球拍摄星 图，而在跟踪模式中只需在计算机中模拟星图，并传送到星敏感器中即可。这样 可以节省下大量的经费和时间。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 基于星光折射的自主导航技术 通过星光折射间接敏感地平方案自主确定卫星轨道的研究工作最早可追溯到 2 0 世纪6 0 年代。美国在实施a p o l l o 计划过程中，对利用天体掩星、星光在大气 中的折射、星光穿越大气时的衰减等实现自主导航的方案进行了研究，并将其作 为一种自主导航系统【8 1 1 9 。1 9 7 5 年，d r a p e r 实验室对星光折射和星光色散自主导航 方案进行了研究。研究表明，折射建模不存在任何问题，这种方法能达到很高的 精度【l0 1 。国外对星光自主导航技术的研究比较成熟，有些技术已经用在具体的太 空探测上。比如，美国的林肯实验卫星6 、阿波罗登月飞船、前苏联“和平号 空 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 间站以及与飞船的交会对接。法国国家空间研究中心在1 9 8 5 年和1 9 8 6 年，曾多 次释放平流层气球对星光折射进行了实际测量，在此基础上，对大气折射的精确 模型、测量方案、自然环境对系统观测的约束、误差分配和系统性能优化等方面 进行了深入的分析和仿真试验，并且讨论了系统硬件的设计及性能。当时预计该 系统导航精度为3 0 0 m ，曾计划利用s p o t 卫星等作轨道进行飞行试验。 我国在星光折射自主导航方面研究的起步较晚，但也已经积累了一定的技术 基础。9 0 年代初期，国内有关单位对利用星光折射的自主导航方案进行了预先研 究，并取得一定进展。目前，国内房建成1 1 1 】【1 2 】、周凤崎【1 3 】等在这方面做过较多研 究，但相对国际先进水平来说，我国航天器自主导航技术的研究还处于起步阶段， 有不少理论与应用问题以及关键技术有待解决。当把星光折射概念用于航天器导 航时，除了需要一套完整的星图之外，还需要建立准确的大气折射模型。其中影 响导航精度的主要因素是星光折射角的测量误差和星光大气折射模型的不确定 性。国内王国权【1 4 】、胡静【1 5 】等针对2 5 5 0 k m 高度范围内的星光大气折射模型进行 了研究。 1 2 2 可视化航天仿真技术 由于仿真技术具有安全、经济、可控、无破坏性、允许多次重复等许多优点， 因此被广泛应用于军事领域，尤其是航天领域。航天仿真是基于物理效应模型或 根据飞行器运动学、动力学及轨道动力学等有关理论建立的数学模型进行模拟试 验与分析的研究工作，是系统仿真技术与航天工程相结合的产物。 航天仿真的发展和演变过程如下图所示【1 6 】【17 】【1 8 】。 i 4 0 年代翁i约、。s 0 年代 i g o 8 0 q - ：代 i 笮代以瑶 i 图1 1航天仿真的发展和演变过程 早期的模拟计算机仿真和数字计算机仿真都缺乏对仿真对象、仿真过程、仿 真结果进行可视直观的显示，不利于对大型决策系统提供支持。进入7 0 年代后， 随着计算机图形技术的迅速发展，系统仿真方法和计算机仿真软件设计技术在交 互性、直观性等方面取得了比较大的进展，先后出现了动画仿真、可视交互仿真、 多媒体仿真和虚拟环境仿真等一系列新的仿真理论和仿真技术。航天仿真技术在 可视化和交互能力方面也取得了明显的进展。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 卫星仿真是航天仿真领域的一个重要的分支，其处理方法往往也涉及到多种 仿真技术的集成。作为系统仿真技术与卫星技术相结合的产物的卫星仿真，从人 类研制第一颓人造卫星开始，至今已走过了半个多世纪的历程，井在航天器的轨 道设计和仿真方面展开了大量的研究，取得了丰硕成果1 1 9 i f 2 0 。 目前，国际上在航天器轨道设计与分析仿真方面的典型产品首推美国a g i 公 司开发的卫星工具包( s t k ) 。1 9 9 8 年，s t k 正式进入中国市场。s t k 的主要优 势包括：( 1 ) 集卫星的任务功能定义、系统分析、设计、制造、测试、发射、在 轨运行等于一体。( 2 ) 借助强大的可视化模块为用户提供逼真的二维和三维显示。 ( 3 ) 为航天器的轨道设计与仿真提供了优秀的集成环境。 喾 图12s t k 界面 s t k 的主要劣势包括：( 1 ) 属于商业软件价格昂贵。( 2 ) 不公开源代码， 无法自主进行软件扩展，可复用性差。( 3 ) 依赖于数据文件而非数据库，不便于 对业务数据实施管理。 中国空间技术研究院、科学院空间中心、科学院电子所、紫金山天文台、北 京航空航天大学、哈尔滨工业大学等数十家单位购买了s t k 产品部分模块。目前 国内很多航空航天仿真试验都是在s t k 提供的接口上进行开发，为此每年必须向 国外提供高额的软件使用费。随着中国航空事业的高速发展国外一直采取对中 国进行技术封锁的簧略，有些高端航空软件已经明确限制对中国销售。 近年来国内一直在发展研究星光自主导航技术。“十五”期间完成国家自 然科学基金项目“航天器新颖自主天文导航方法与仿真试验研究”。北京航空航 天大学自主研发了一套星光导航半物理仿真系统，研制了相应的星图模拟器和星 敏感器模拟器，并构成了完整的半物理仿真系统，此外还对星图匹配，识别方法 进行了深入研究和探索。不过半物理仿真费用高，周期长。解放军信息工程大学 测绘学院以s t k 为借鉴，进行了航天器轨道设计、星下点轨迹计算等方面的研究； 清华大学工程力学系开发了“卫星轨道姿态控制系统仿真软件”( s a t e l l i t e ) 。目 前，“科学数据可视化”这一观念得到了普遍认可。对于轨道仿真而言，就要求 以图形曲线、窗口文本、三维动画等诸多可视化形式输出模拟计算得到的飞行数 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 据。目前，国内一些单位根据自己的需要开发了轨道仿真计算程序，但其中许多 仿真程序是以数据流文件或二维曲线的方式来输出仿真结果，数据的可视化程度 不高，不便于导航数据和轨道的直观显示。 1 2 3 星空背景建模与仿真 近年来，星空背景建模技术的研究取得了很大进展。随着工业需求的不断增 强，在理论研究和实践中都取得了很大的成果，其广泛应用于航空、航天、遥感 探测、军事等多个领域。星空背景建模涉及复杂的大气折射、衍射、散射、衰减 等机理，采用常规绘制方法很难逼真地模拟。如何真实地模拟太空场景是摆在计 算机图形学研究者面前的一项具备挑战性的新课题。 英、美、法等发达国家己对深空环境仿真进行了长期的研究，取得了相当大 的成就，并研制了相应的计算机模拟系统。1 9 8 6 年，n i s h i t a 等1 2 2 j 提出多云和晴朗 气候下的天空光照模型，该模型将天空等分成带状光源，不同的天气条件使用不 同的c i e 标准天空光照函数来计算天空光照，但这种利用经验公式进行模拟的方 法还比较粗略。1 9 9 3 年，n i s h i t a 等【2 3 】考虑了大气分子和其它微粒对光线的散射机 制，有效计算了光线进入大气后历经的光程及天空光强，较真实地绘制出太空视 点的地球场景。1 9 9 7 年，j a c k e l 等【2 4 】详细分析了大气中各种成分对光传输的影响， 并对m i e 散射进行了较准确的模拟。1 9 9 9 年，p r e e t h a m 等【2 5 】提出了一个计算耗费 较小的白昼光分析模型，比较全面地考虑了大气对户外景物的各种影响。2 0 0 2 年， d o a b s h i 等【2 6 】采用图形硬件加速的方法实现了在太空探视地球大气层及日出场景 的模拟。同年，h o f f m a n 等【27 】采用g p u 加速的方法实时绘制出户外的天空光散射 效果，该方法主要偏重于天空绘制的硬件加速。j e n s e n 等【2 8 】提出了一个基于物理 模型的夜空场景绘制模型，但其没有考虑地球大气的折射和散射的影响。上述这 些研究都没有涉及星空背景的建模。 我国有关深空背景环境的计算机仿真模拟研究还处在起步阶段。2 0 0 2 年，国 防科技大学电子科学与工程学院的孙晓起、皇甫堪等提出一种基于f k s 星表精确 实时地计算恒星视位置的方法【2 9 1 ，并且根据f k s 星表给出的历元时刻的恒星平位 置赤经、赤纬、赤经自行、赤纬自行、视向速度和周年视差，在得出恒星视位置 的直角坐标后，再求出恒星的视赤经、视赤纬，从而得到真实的星空模拟结果， 并把这种技术推广到运动平台上雷达的精度标校，提出了技术方案和初步的数学 模型，给出了试验的解算结果和统计结果。2 0 0 2 年，浙江大学c a d & c g 国家重 点实验室的刘世光、王章野等人提出了一种航天器飞行场景真实感生成的新方法 【3 0 】。该方法基于天文星表，能准确构造并绘制出地球外太空星空背景随时间的动 态变化，由天体物理学原理确定出航天器的飞行轨迹，并合成产生了航天器太空 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 飞行的动态场景。 2 0 0 5 年，浙江大学c a d & c g 国家重点实验室的缪永伟、王章野、王长波等 依据依巴谷星表数据做出了对任意时间、地点所观测到的星空进行模拟的方法【3 ， 利用天文星表数据，通过时间坐标变换和空间坐标变换，将星体在历元时间的平 位置数据转换为观测瞬间观察者所处位置的地平坐标数据，从而绘制出任意时间 和地点观测到的星空，并编制了有关星空背景建模和仿真的软件。同年，王长波、 王章野等提出一种考虑大气折射的天空场景真实感绘制方法【3 2 1 ，首先基于大气光 学知识推导出大气折射率与气压、温度和水汽压的定量关系，详细计算了光线在 大气中的折射轨迹，采用一种考虑折射的路径跟踪方法计算天空光强度的分布， 并绘制出不同时间、不同季节、不同观测地点下更具真实感的太阳、月亮和星星 的天空场景。 近年来航天机电集团、浙江大学等单位对星空背景建模，太空场景的可见光 与红外波段真实感成像进行了建模和仿真等方面进行了研究，已经取得了初步的 成果。 为了给自主定轨和校验提供良好的集成环境，有必要针对自主导航技术来开 发相应的可视化仿真程序。另外，为保证可视化场景的真实性，还需要研究星空 背景的逼真绘制算法。 1 3 本文主要内容和结构安排 本文首先按照可视化仿真系统的驱动流程，采用m v c 设计思想对自主导航仿 真平台进行总体架构设计。在现有星光折射自主导航数字仿真环境的基础上，结 合可视化仿真的具体需求，对影响导航精度的大气折射模型进行研究，给出一种 简化的可随高度变化的折射模型。在场景可视化中，重点对星空背景的绘制展开 研究，提出一种考虑大气折射影响的逼真星空背景绘制算法，最后实现了一个可 视化原型仿真平台。本文主要内容概括如下： ( 1 ) 分析星光折射可视化自主导航仿真平台的总体结构，采用m v c 设计思 想划分平台的功能模块，建立各模块之间的数据接口规范。分析整个仿真平台中 自主导航仿真模块的原理与组成。建立仿真平台的数据库并进行规范化。 ( 2 ) 从可视化仿真的实时性出发，对影响星光折射导航精度的大气折射模型 展开讨论，使用曲线拟合方法对密度标高和大气密度进行建模。不考虑大气压和 温度对折射模型的影响，建立简化的大气折射模型，减少了计算量和计算时间， 保证了仿真平台的实时性。 ( 3 ) 为提高可视化场景的逼真度，提出一种逼真星空背景绘制算法。对恒星 视位置的计算方法进行研究。在综合考虑大气压强、温度等对折射率影响的基础 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 上，建立较精确的分层大气折射系数模型。结合基于折射路径的散射光强计算方 法以及恒星亮度和衍射的计算模型绘制出星空场景，提出了优化绘制效率的措施。 ( 4 ) 设计平台可视化仿真场景的驱动框架和流程，对卫星导航轨道和标称轨 道进行绘制。 本文章节安排： 第1 章绪论。简要概述课题的研究背景及意义，分析基于大气折射的自主导 航技术以及可视化仿真中星空背景建模技术的研究现状，提出本文研究的意义和 重点工作，最后介绍论文的组织结构和主要内容。 第2 章可视化导航仿真平台总体设计。概述平台的基本功能和目标，根据 m v c 设计思想对平台逻辑功能进行划分，建立平台的总体框架，详述各模块的功 能。对平台中星光折射自主导航组件的原理与组成进行介绍，最后研究平台数据 库的管理模式。 第3 章星光折射自主导航建模与仿真。介绍系统建模时用到的参考坐标系及 变换矩阵；在考虑轨道摄动的基础上建立系统的状态方程；有针对性地对大气折 射模型进行简化，提出可随高度连续变化的大气折射模型，研究自主导航中常用 的卡尔曼滤波算法。 第4 章星空背景建模与可视化。介绍星空背景建模的基础知识；提出恒星视 位置的计算方法和流程；建立大气折射中的温度和大气压强模型，在此基础上给 出任意高度、不同条件下比较精确的折射系数模型；给出受星等、光谱亮度和衍 射效应影响的恒星亮度计算方法，完成对单个星点的绘制，最后给出整个逼真星 空绘制算法的流程，提出改进绘制效率的措施。 第5 章可视化原型仿真平台的实现。介绍平台实现上涉及的关键技术，给出 平台的运行结果。 第6 章总结。对全文内容进行总结，展望下一步的研究工作。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章可视化导航仿真平台总体设计 本章首先介绍自主导航仿真平台的基本功能和目标，然后根据m v c 设计思想 对平台逻辑功能进行划分，建立平台的总体框架，详述各模块的功能。对平台中 星光折射自主导航组件的原理与组成进行介绍，最后研究仿真平台数据库的组成 和规范化。 2 1 1 平台目标 2 1 可视化导航仿真平台功能 设计基于星光折射的自主导航可视化仿真平台应用了航天轨道动力学、卫星 自主导航、天文历法、图形学、虚拟现实等多种技术，可以对自主导航系统进行 理论验证和效果演示，具体包含以下几个目标： ( 1 ) 建立符合可视化仿真需求的简化的大气折射模型，研究相关的系统观测 模型和导航滤波算法； ( 2 ) 建立较为精确的星空背景模型，能够实时计算出当前视点中包含的星体 及其位置、亮度等信息。 ( 3 ) 通过对大气压和温度进行建模来建立分层大气折射系数模型，采用效率 较好的星空背景绘制算法完成星空的绘制； ( 4 ) 设计友好的人机接口，方便自主导航技术研究，支持导航参数定制，提 供可视化的数据统计和分析功能； ( 5 ) 支持功能扩展，方便模块的扩充和裁剪； 该自主导航可视化仿真平台包含多个复杂的模块，涉及大量天文数据的处理， 所以平台架构对系统目标的实现影响巨大，必须采用合理有效的设计方法才能保 证平台良好的实时性和通用性。 2 1 2 平台功能 该仿真平台由星光折射自主导航仿真组件和星空可视化仿真环境两大部分构 成。星光折射自主导航组件以星光折射间接敏感地平天文导航原理为基础，通过 建立大气折射模型、导航滤波算法并根据仿真条件来产生导航数据，对导航误差 进行分析，最后将产生的导航和误差数据保存到数据库中，供可视化仿真环境进 行导航轨迹的显示。 自主导航仿真组件主要由轨道生成器、导航恒星产生器、星敏感器和导航计 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 算四个模块组成。具体来说，每个模块的功能为： 星敏感器：根据星光捕获星图，完成对星图的预处理、星图识别、星体质心 提取和星光矢量计算。 轨道生成器：根据设定的卫星轨道参数来产生卫星的位置、速度、姿态等信 息，然后由每时刻的位置姿态信息和星敏感器的安装方位，求解出对应的地心惯 性系下的光轴指向数据。 导航恒星产生器：根据恒星星表生成恒星星历，然后根据轨道生成器求解出 的光轴指向信息来提取该时刻星敏感器视场内的导航星。 导航计算：根据轨道参数建立系统状态方程，根据大气折射模型和观测量建 立系统量测方程，采用滤波算法计算出卫星的实时位置和速度。 可视化仿真环境负责场景漫游和实时绘制，主要包括星空背景生成、卫星实 时位置显示、导航误差统计与分析、视点切换、特效生成等。 2 2 可视化仿真平台的体系结构 2 2 1 基于m v c 的设计思想 随着可视化仿真系统功能性和复杂度的增加，建立具有良好柔性的仿真系统 对于进一步研究实时交互仿真系统具有重要的现实意义。系统柔性指具备良好的 可扩展性、可移植性和通用性，能够开放式扩展和进化。基于m ：v c 的设计理念能 够从理论和技术上支持仿真软件实现上述各种柔性特征【3 3 1 。 m v c 是模型视图控制器的简称。其基本思想是将应用逻辑分别按照模型、 视图、控制器来加以分离。从应用程序的角度看，系统被分成模型层、视图层和 控制层三个层次。模型层代表系统对象逻辑，它负责封装对象的核心数据和功能 计算。视图层代表用户交互接口，它负责接受用户输入并显示相关的数据。视图 从模型获取显示信息，同时根据用户要求来显示不同的视图。控制器负责处理用 户和系统的交互，并且将用户输入反馈给模型，同时它还要对模型进行计算控制， 确保模型和视图的统一。 基于m v c 的可视化仿真系统将系统功能分解为模型、视图和控制器三种构 件。模型构件负责场景和数据对象管理，视图构件负责场景驱动和显示，控制器 构件负责定义视图构件对用户输入的响应方式，并向模型发出控制指令。系统采 用“订阅通知”机制协调视图和模型。系统启动前，视图构件先向模块构件发出 注册请求，这样当模型构件出现变化时能够及时更新视图。如果通过视图构件接 受输入，则控制器构件也可向视图构件发出注册请求，这样当视图构件收到输入 时可以交由控制器处理。控制器将输入传递给模型构件，模型做出相应地处理。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 如果模型数据发生了变化，它会遍历所有已注册的视图构件并通知它们做出更新。 该机制具有很好的扩展性，比如创建新的模型视图时不需要重新创建模型。 2 2 - 2 平台逻辑框架 根据m v c 设计思想可将平台分解为模型、视图和控制三个子模块。每个子模 块包含细化的功能组件。 模型模块 控制器模块 数据镑理 巨囹圈 i 翌堑l ： ：锗歌戡韶ll 挈 戮截 l 巨囹围 说翻模块 巳野弋= = ：= = = = 到 、：i ：= = ： 图2 1星光折射自主导航仿真平台逻辑框架 该框架的特点是： ( 1 ) 支持可视化要素扩展，为新添视图留有程序接口。 ( 2 ) 支持数据源扩展，可以在不改变视图的前提下实现实体属性的扩展。 ( 3 ) 具有良好的可移植性，可方便完成数据库和系统间的移植。 2 2 3 各模块功能 2 2 3 1 模型模块 模型模块包括仿真实体及其功能实现。实体大小、位置、姿态等信息构成了 实体的物理属性，动态实体间的交互行为和规则则构成了实体的行为属性。实体 功能包括实体属性数据的存储和访问，触发事件引发的业务逻辑，协调各功能模 块等。本仿真平台