航天器在轨运行的三维可视化仿真

本科生科研训练计划项目（SRTP）项目成果项目名称：航天器在轨运行的三维可视化仿真

项目负责人：林凡庆

项目合作者：曲大铭侯天翔杨唤晨孙洁

所在学院：空间科学与物理学院

专业年级：空间科学与技术2013级

山东大学（威海）

大学生科技创新中心

航天器在轨运行的三维可视化仿真

空间科学与物理学院空间科学与技术专业林凡庆

指导教师许国昌杜玉军摘要：航天器在轨运行的三维可视化程序设计是建立卫星仿真系统最基础的工作。航天器在轨运行的三维可视化仿真有着重要的意义：它既可以使用户对卫星在轨运行情况形成生动直观、全面具体的视觉印象，又可以大大简化卫星轨道的设计过程。本文首先构建了航天器在轨运行的三维可视化仿真程序的基本框架，然后对涉及到的关键理论与知识，如时间、坐标转换、卫星轨道理论、OpenGL图形开发库等也做了阐述，最后介绍了我们的主要工作和科研成果。我们的主要成果是实现了卫星在轨运行的三维可视化仿真并对原有程序进行了改进。

关键词：航天器在轨运行三维可视化程序设计 OpenGL

Abstract：The programmer of three-dimensional visualization on satellite in-orbiting is the utmost foundational work in establishing satellite emulation system. The three-dimensional visual simulation on satellite is of great significance: it assures that users may receive a vivid and direct-viewing and it also can greatly simplify the design process of satellite orbit.The basic frame of three-dimensional visual simulation program on satellite in-orbiting has been set up firstly. then, related essential theory and knowledge such as time system, coordinate conversation, satellite orbit, OpenGL and etc also has been introduced. Lastly, our main work and research results has been introduced. Our main achievement is that we realized the program of three-dimensional visualization on satellite in-orbiting and we improve the original program.

Key words：satellite In-orbit movement 3D visualization programming OpenGL

一、引言

当今社会是一个信息的社会，谁掌握了信息的主动权，就意味着掌握了整个世界。而人造卫星是当今人们准确、实时、全面的获取信息的重要手段，卫星的各项应用已经成为信息社会发展的强大动力。而人造卫星的应用是一项高投入、高风险、长周期的活动，仿真技术由于具有可控制、可重复、经济、安全、高效的特点，在人造卫星应用领域以至整个航天领域都起到了重大的作用。目前国际上较常用的卫星仿真软件主要有美国的Winorbit、美国Cybercom System公司研制的CPLAN和AGI公司的STK。其中以STK功能最为强大，界面最为友好，在卫星仿真领域占有绝对领先地位。STK功能虽然强大，但其价格昂贵，源码也不公开，无法自主扩展，并且该软件被限制了对中国的销售，所以中国不得不独立开发适于自己的卫星仿真系统[1]。而且国内目前卫星系统的仿真软件很少，主要有一些大学开发的小型的卫星系统仿真软件，还有北京航天慧海系统仿真科技有限公司开发的Vpp-STK航天卫星仿真开发平台V4.0。总体来说，国内目前在这个方面的技术还相当不成熟，因此研究和自主开发卫星仿真系统意义重大。

仿真可视化，就是把仿真中的数字信息变为直观的，以图形图像形式表示的，随时间和空间变化的仿真过程呈现在研究人员面前，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，直接获得系统的静态和动态特征[2]。

本文首先构建了航天器在轨运行的三维可视化仿真程序的基本框架，然后对涉及到的关键理论与知识，如时间、坐标转换、卫星轨道理论、OpenGL图形开发库等也做了阐述，最后介绍了我们的主要工作和科研成果。

二、程序设计综述

（一）程序的总体框架

我们根据太阳、地球、月球等天体运行的规律、人造卫星轨道理论以及常用的时间和坐标系统的转换关系，以OpenGL仿真技术为手段，在Windows平台上使用 Visual C++高级编程语言，实现卫星在轨运行的三维可视化表达的程序。我们设计的程序的主要功能有：

1. 显示地球、卫星和星空背景等空间对象运动变化过程。

2. 动态显示卫星轨迹、覆盖范围等本身不可见对象。

3. 视点变换和多场景的一致显示。

4. 在有条件的情况下，实现卫星轨道的设计与变更、轨道预报。

我们根据程序的主要功能将程序分为4个模块：数据读取和预处理、实体建模和运动建模、视景仿真驱动和三维显示输出。

图1 程序总体框架图

（二）系统设计原则

1.通用性和可扩展性[3]。

为了保证系统的通用性和便于对系统进行扩展和完善，采用面向对象程序设计方法；采用类和动态链接库（DLL）进行模块化设计。

2.满足实时动态的仿真要求[3]。

为满足系统实时性，仿真算法、数据通讯等要求达到一定速度。

3.结构化、标准化、可扩展的输入输出方式[3]。

4.良好的人机交互功能[3]。

采用OpenGL技术显示卫星轨道，使画面清晰、直观；允许用户随时查询、修改和保存数据；允许同时打开多个仿真窗口，可以同时对多个方案进行仿真和比较，进行分析，也可以对同一方案的不同运行阶段同时进行仿真和比较。

5.数据快速的交互能力[3]。

三、基本理论

（一）OpenGL仿真技术

OpenGL(Open Graphics Library)是美国高级图形和高性能计算机系统公司（SGI）开发的一套计算机图形处理系统，是图形硬件的软件接口。由于OpenGL的优越性能，目前OpenGL已被认为是高性能图