一种空间目标实时模拟方法
【专利摘要】本发明涉及一种空间目标实时模拟方法，属于航天仿真【技术领域】。本发明首先构建可视化的星空背景，然后结合空间目标的轨道根数，利用可编程处理器完成位置、大小和颜色的高速解算和绘制，最后结合视点位置和用户裁剪信息，完成目标方向空间态势的生成。本发明充分利用了GPU的并行处理和高精度浮点运算特性，加速效果明显，实时性好，为空间态势表达中目标的实时模拟提供可靠的手段。
【专利说明】一种空间目标实时模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种空间目标实时模拟方法，属于航天仿真【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着人类探索太空的步伐越来越快，作为直观展示空间目标分布、空间环境状态的重要手段，基于航天仿真技术的空间态势表达受到了越来越多的关注。相较于地面态势的表达，空间态势表达最大的特点在于所要描述的时空范围非常之大，由此包含的空间目标的数量级别更是数以万计，这对于目标的实时模拟是一个巨大的挑战。
[0003]目前，国内外已有多家单位对空间态势表达进行了一定的探索，但更多的集中于星空背景、特定或少量空间目标的仿真模拟，对空间目标的实时模拟研究较少。OpenGL作为图形硬件的一种软件接口，是目前最流行的3D图形和模型库之一，可以辅助完成空间目标的一般模拟。然而，对于空间目标的实时模拟，采用OpenGL固定功能管线处理数据无法满足速度上的要求。图形处理器(GPU)能够从硬件上支持T&L (Transform and Lighting),具有并行性好和浮点运算能力强的特点，通过图形硬件编程(如图1所示)可以分担GPU大部分的T&L运算，从而大幅加快3D渲染的速度。随着GPU的应用范围进一步扩大，一些通用的计算任务通过着色语言转移至GPU运行，这为空间目标的实时位置解算和绘制渲染提供了新的思路，
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种空间目标实时模拟方法，以解决采用OpenGL固定功能管线处理方式来实时模拟空间目标导致时速度无法满足的问题。
[0005]本发明为解决上述技术问题而提供一种空间目标实时模拟方法，该实时模拟方法的步骤如下:
[0006]I)计算恒星位置、大小和亮度，并根据恒星像点的成像模型，绘制星空背景；
[0007]2)根据空间目标轨道根数利用GPU实时解算空间目标的位置，并分别利用GPU中的顶点着色器和片段着色器设置空间目标的大小和颜色；
[0008]3)结合视点位置和用户裁剪信息，将空间目标渲染成目标相应方向的空间态势。
[0009]所述步骤2)中对空间目标位置实时解算及属性设置的具体步骤如下；
[0010]A.建立轨道定向四元数与轨道角元素之间的关系，利用四元数对空间目标的轨道姿态进行描述；
[0011]B.将空间目标内置属性中的轨道根数与顶点位置、表面法线和纹理坐标进行关联；
[0012]C.利用OpenGL着色语言对顶点着色器进行编程，实现对空间目标位置的解算，并设置其大小；
[0013]D.对空间目标的图元进行装配和光栅化处理，将图元分解为更小的片元，并为片元分配不同的透明度，结合透明度变化对目标颜色进行设置。[0014]所述步骤A中轨道定向四元数与轨道角元素之间的关系为:
【权利要求】
1.一种空间目标实时模拟方法，其特征在于，该模拟方法的步骤如下: 1)计算恒星位置、大小和亮度，并根据恒星像点的成像模型，绘制星空背景； 2)根据空间目标轨道根数利用GPU实时解算空间目标的位置，并分别利用GPU中的顶点着色器和片段着色器设置空间目标的大小和颜色； 3)结合视点位置和用户裁剪信息，完成目标方向的空间态势生成。
2.根据权利要求1所述的空间目标实时模拟方法，其特征在于，所述步骤2)中对空间目标位置实时解算及属性设置的具体步骤如下； A.建立轨道定向四元数与轨道角元素之间的关系，利用四元数对空间目标的轨道姿态进行描述； B.将空间目标内置属性中的轨道根数与顶点位置、表面法线和纹理坐标进行关联； C.利用OpenGL着色语言对顶点着色器进行编程，实现对空间目标位置的解算，并设置其大小； D.对空间目标的图元进行装配和光栅化处理，将图元分解为更小的片元，并为片元分配不同的透明度，结合透明度变化对目标颜色进行设置。
3.根据权利要求2所述的空间目标实时模拟方法，其特征在于，所述步骤A中轨道定向四元数与轨道角元素之间的关系为:
/ Ω + /'.1 il-f Ct = cos—cos-—,Cl.= sm—cos-— ' 2 2 2 2.1.Ω —//.Ω + / qv = sin—sin--,Qyv = cos—sin- 22 2 2 其中qx, qy, qz, qw为轨道姿态的四元数，Ω为升交点赤经，i为轨道倾角，σ = ω+f为升交点角距，ω为近地点角距，f为真近点角。
4.根据权利要求2所述的空间目标实时模拟方法，其特征在于，所述步骤C中利用轨道根数解算空间目标的天球坐标系坐标的过程如下: a.由历元平近点角Mc1、平均角速度η和当前历元时间time,计算平近点角，
M = M0+time*n ； b.由偏心率e,依据开普勒方程M= E-e sin E,迭代求解偏近点角E ； c.由长半轴a，计算目标在轨道平面直角坐标系的坐标， f χ\(H)S E — C
y ^ J(I — e2) sin E， 、^ , d.利用轨道姿态四元数计算目标在天球坐标系中的坐标， x| ml + yq.q,, + zqxq.+ a0qu, - a,q.+ a2qv Y = mAj + VQy + + a0q.+ ^qw — a2qx zIcs 卜H + VQA + zq' - a0qu + aA + a2q:
5.根据权利要求2所述的空间目标实时模拟方法，其特征在于，所述步骤D中为片元分配的透明度模型如下:
【文档编号】G06T13/20GK103679780SQ201310371425
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】蓝朝桢, 徐青, 施群山, 吕亮, 周杨, 李建胜, 邢帅 申请人:中国人民解放军信息工程大学