空天地一体化态势表达引擎及其分类分级目标浏览方法
【专利摘要】本发明涉及空天地一体化态势表达引擎及其分类分级目标浏览方法，包括目标分类：判断目标属于球类目标还是属于非球类目标；若目标属于非球类目标，则采用通用的视点控制方法；距离分级：若为球类目标，判断是远视点浏览还是近球面浏览，若为远视点浏览，则采用通用的视点控制方法；若为近球面浏览，则采用特殊的视点控制方法。通用的视点控制方法可以用于球类目标的远视点时和其它非球类目标的视点控制，对于球类目标和非球类目标的主要区别是：对球类目标进行浏览时，视点一般不进入球体内部，并且近球面浏览时采用的视点控制方法有别于远视点时的控制方法。
【专利说明】空天地一体化态势表达引擎及其分类分级目标浏览方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种空天地一体化态势表达引擎及其分类分级目标浏览方法。
【背景技术】
[0002]随着技术的发展，人类的活动不再局限于地面，空间成为人类活动的又一重要场所。为了占领空间这块重要的领地，越来越多的卫星发射升空，使得在轨和失效的卫星达到了成千上万颗，空间环境急剧恶化。为确保空间安全，维护空间利益，各国纷纷建立了自己的空间态势感知系统。空间态势感知系统是一个庞大复杂的系统工程，其获取的数据包含天基、地基等各类多源异构数据，如何将这些数据有效利用起来，为战略战术决策及其他空间活动提供信息服务成为一个迫切需要解决的问题。
[0003]为了更好的掌握空间态势系统感知的空间目标、空间环境等各类数据的变化规律及其相互作用关系，需要开发空天地一体化态势表达引擎，将大到整个太阳系的各大行星，小到地球上的一个地面站及其周围高分辨率地形，可见的空间目标及不可见的空间环境等各类数据进行统一展示。要实现各类态势数据的自然顺畅展示，首先需要解决的就是视点控制问题，视点控制的好坏直接影响用户对态势表达引擎的使用体验。
[0004]视点是用户观察可视化场景的唯一接口，是虚拟现实的基本要素。对于简单的可视化场景展示，一般利用开发工具本身提供的函数即可满足要求，如OpenGL的gluLookAtO函数。对于复杂的可视化场景则需要更加具有“沉浸感”的视点控制方法，如GoogleEarth, Worldffind等数字地球可视化系统的视点控制方法，这类可视化引擎的视点控制主要解决的是如何更好的实现地面上的漫游，视点始终以地球为关注点，可以进行旋转、缩放和绕地面某点进行旋转，近地漫游时地平线始终水平，无法倾斜；还有一类如STK这样的重点在空间目标仿真的可视化引擎，该引擎将用户关注的目标一直置于视场的中心，对目标进行旋转和缩放，不适合地面场景的浏览，视点可以在不同目标之间进行切换，但是切换采用直接变换方式，没有变换的过程，很突兀；另外一类是如Celestia这样的行星际可视化引擎，这类可视化引擎视点可以在不同目标之间进行流畅的切换，但是其主要关注的焦点是各类天文目标，当视点拉近到地球等球体表面时，会出现地平线倾斜，无法绕球面某点进行旋转等问题，从而影响地面地形的浏览体验。上面的几类视点控制方法都无法很好的满足空天地一体化态势表达引擎的需求。
[0005]由于空天地一体化态势表达引擎的主要特点有数据类型多、空间尺度和距离变化大、涉及坐标系多等特点，为了使设计的视点控制方法能够更好的适应空天地一体化态势表达，下面对空天地一体化态势表达的各个主要特点进行详细的分析。
[0006]1.1数据类型多
[0007]空间态势感知数据是空天地一体化态势表达引擎的表达对象，空间态势感知数据纷繁复杂。根据监测数据的类型，感知数据可分为两大类，一是空间目标数据，包括地球轨道上的所有目标:在轨活动卫星、失效卫星、空间碎片等各类大小目标；二是空间环境数据，包括太阳活动相关数据、地磁场、电离层、空间辐射带、高能粒子等各类数据。除了感知数据外还有一类数据是空间态势感知系统本身的数据，如地基和天基监视系统本身分布情况、运行状态等，这类数据从表达形式上可以和空间目标数据归为一类。另外一类数据是地球本身的地理信息数据以及整个太阳系的各大行星数据和恒星背景数据。由此构成了一个完整的包含空天地的态势表达系统的基础数据，上面这些数据中，部分数据本身是可见的直观的，如空间目标等数据，这些数据要真实的再现，部分数据本身是抽象的不可见的，因此需要对这些数据进行可视化表达，使不可见的变为可见的。如此繁多的数据需要在同一个框架下进行统一展示，这为视点控制带来了前所未有的困难。图1是空天地一体化态势表达引擎的数据分类图。
[0008]1.2空间尺度和距离变化大
[0009]空天地一体化态势表达引擎除了数据类型多外，还有一个重要的特点就是需要表达的目标空间尺度和距离变化巨大，大到整个太阳系中半径为696，300千米的最大目标太阳，小到地球表面上一个几米大的监控雷达；远到距离太阳最远的海王星离太阳4，504, 300, 000千米，到太阳最近的水星也有57，910, 000千米，而地面上的两个目标之间的距离则可以近到一米以内，如何实现这么大尺寸跨度的目标的精确表示，以及这么大距离跨度的目标之间的无缝切换是是必须解决的关键技术。
[0010]1.3涉及坐标系多
[0011 ] 空天地一体化态势表达弓I擎中的各类目标不是简单的叠加，而是按照严格的时空关系模型，让目标在相应的时间处于正确的地点，对各类目标空间位置的描述则必须基于它们相应的坐标系。由于空间态势感知的数据种类繁多，涉及到了多个学科，而在不同的学科中对研究对象的描述都有常用的坐标系，如在描述太阳系中各大行星的运动时常用日心黄道坐标系；描述某一行星的卫星运动时通常采用该行星的惯性坐标系，对卫星本身的描述则采用卫星本体坐标系；描述行星表面上的固定目标时，则采用该行星的固定坐标系；对于空间环境数据的描述，如辐射带常采用地磁坐标系，地球磁场数据则习惯采用地心太阳磁层坐标系。
[0012]由此可见，涉及的坐标系繁多是空天地一体化态势表达引擎的又一特点，要把涉及到这么多坐标系的数据在一起统一展示，则必须要解决的是这些坐标系之间的相互转换问题，为此本发明综合各类态势感知数据的参考坐标构建了如图2所示的坐标转换关系图，该转换关系覆盖了太阳系范围内常用的参考坐标，与空间目标相关的各类轨道坐标、本体坐标，与空间环境相关的以地球为中心的各种磁层参考坐标等。坐标关系的理顺为视点控制奠定了基础。
[0013]空天地一体化态势表达引擎所表达的数据类型繁多，空间尺度和距离大、涉及坐标系多，视点控制要达到比较满意的目的，必须针对这些特点进行设计。现有技术主要存在如下问题:
[0014]问题一，由于空天地一体化引擎包含了行星、航天器、地面地形、空间环境等各类态势感知数据的可视化表达，态势表达引擎中若只采用一种浏览目标的视点控制方法则难以满足要求，如浏览航天器的视点控制方法用到地面地形的浏览时则会出现地平线倾斜、无法绕地形关注点进行旋转等一系列影响用户体验的问题，
[0015]问题二，综合分析视点控制方法，视点的浏览主要有两类动作:一类是绕某一方向矢量旋转一定角度，另外一类是进行缩放时按缩放值进行位移。在以桌面电脑为平台的态势表达引擎中，视点控制主要通过鼠标交互接口进行实现，通常情况下，直接将鼠标移动量和滚轮滚动量映射到视点的旋转角度和缩放值上即可实现视点的交互控制，这种方法映射关系简单，便于实现，鼠标动多少，视点就对应的旋转相应的角度，滚轮转多少，视点就对应的缩放多少，鼠标的变换停止视点变换就立刻停止，这种交互效果生硬，没有动感。
[0016]问题三，当需要将视点从当前关注的目标切换到另外一个目标时，可以采用立即模式，即用户设置新的关联目标后，场景中立即出现新关联的目标。这种视点切换方式实现简单，但是缺乏视点从一个位置到另外一个位置的过渡，显得比较呆板，不生动，尤其是从整个太阳系切换到地球某颗卫星时，这种方法显得较为突兀。
[0017]问题四，空天地一体化态势表达引擎的一大特点就是时空跨度巨大，要想实现如此大尺度下各类空间目标的精细表达就必须克服由于浮点数舍入误差过大引起的抖动问题，抖动会造成物体某些部分被不确定裁剪、三角网格破裂、纹理错乱等一系列问题。
【发明内容】
[0018]本发明的目的是提供一种空天地一体化态势表达引擎及其分类分级目标浏览方法，用以解决上述问题一的采用单一视点控制方法影响用户体验的问题。
[0019]为实现上述目的，本发明的方案包括:
[0020]空天地一体化态势表达引擎的分类分级目标浏览方法，包括如下步骤:
[0021]目标分类:判断目标属于球类目标还是属于非球类目标；若目标属于非球类目标，则采用通用的视点控制方法；
[0022]距离分级:若为球类目标，判断是远视点浏览还是近球面浏览，若为远视点浏览，则采用通用的视点控制方法；若为近球面浏览，则采用特殊的视点控制方法；通用的视点控制方法包括:绕目标旋转、缩放和视线方向控制的视点控制方法；
[0023]特殊的视点控制方法包括:地平线水平的视点控制方法、视点不穿越地形的视点控制方法、视点绕前方某点旋转的视点控制方法。
[0024]通用的视点控制方法和特殊的视点控制方法还包括带惯性的视点控制方法，所述带惯性的视点控制方法如下:
[0025]
【权利要求】
1.空天地一体化态势表达引擎的分类分级目标浏览方法，其特征在于，包括如下步骤:目标分类:判断目标属于球类目标还是属于非球类目标；若目标属于非球类目标，则采用通用的视点控制方法；距离分级:若为球类目标，判断是远视点浏览还是近球面浏览，若为远视点浏览，则采用通用的视点控制方法；若为近球面浏览，则采用特殊的视点控制方法；通用的视点控制方法包括:绕目标旋转、缩放和视线方向控制的视点控制方法；特殊的视点控制方法包括:地平线水平的视点控制方法、视点不穿越地形的视点控制方法、视点绕前方某点旋转的视点控制方法。
2.根据权利要求1所述的空天地一体化态势表达引擎的分类分级目标浏览方法，其特征在于，通用的视点控制方法和特殊的视点控制方法还包括带惯性的视点控制方法，所述带惯性的视点控制方法如下:
3.采用权利要求1所述空天地一体化态势表达引擎的分类分级目标浏览方法，其特征在于，包括:目标分类模块:判断目标属于球类目标还是属于非球类目标；若目标属于非球类目标，则采用通用的视点控制方法；距离分级模块:若为球类目标，判断是远视点浏览还是近球面浏览，若为远视点浏览，则采用通用的视点控制方法；若为近球面浏览，则采用特殊的视点控制方法；通用的视点控制方法包括:绕目标旋转、缩放和视线方向控制的视点控制方法；特殊的视点控制方法包括:地平线水平的视点控制方法、视点不穿越地形的视点控制方法、视点绕前方某点旋转的视点控制方法。
4.根据权利要求3所述空天地一体化态势表达引擎的分类分级目标浏览方法，其特征在于，通用的视点控制方法和特殊的视点控制方法还包括带惯性的视点控制方法，所述带惯性的视点控制方法如下:
【文档编号】G06T19/00GK103606194SQ201310533457
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月1日 优先权日:2013年11月1日
【发明者】蓝朝桢, 徐青, 周杨, 龚志辉, 施群山, 吕亮, 李建胜, 邢帅, 何钰 申请人:中国人民解放军信息工程大学