航天器交会对接的三维场景构建方法与流程

本发明涉及航天器交会对接的三维场景构建方法，属于航天领域的三维可视化应用。

背景技术：

1、随着航天器的太空探索范围更深更广，深空探测能力的持续增强，航天器的工作环境和工作过程越发的复杂，需要利用三维引擎构建三维场景，以直观准确呈现航天器的工作环境和工作过程。

2、考虑到计算效率、内存占用等原因，目前三维引擎的坐标信息都是以单精度浮点数类型存储的，所以构建三维场景的可控空间范围被限制在105*105*105之内。使用三维引擎构建三维场景的过程中，受单精度浮点数限制，位于三维场景边界的坐标点无法精准的定位，因此位于三维场景边界的模型会出现形状异常、抖动等问题。渲染相机渲染范围受浮点数精度限制，渲染相机的远近截面比须小于104：1，且近截面最小距离为0.01单位，当三维场景内物体模型尺寸相差过大时，场景模型等比缩放布置于三维场景中，就存在场景模型尺寸过小无法被渲染相机渲染的问题。

3、综上，由于航天器交会对接工作环境内存在地球大型天体和航天器小型天体，所以在进行三维场景构建时，一定存在天体模型尺寸比相差过大和模型坐标位于三维场景边界的情况，这都会导致模型形状异常、模型抖动以及模型尺寸过小无法被相机渲染的问题。因此需要提供一种新的三维场景构建方法，在三维引擎单精度浮点数的限制下能够正确渲染航天器交会对接三维场景。

技术实现思路

1、针对现有航天器交会对接的三维场景构建时，由于单精度浮点数限制使三维场景边界产生模型形状异常、模型抖动以及模型渲染错误的问题，本发明提供一种航天器交会对接的三维场景构建方法。

2、本发明的一种航天器交会对接的三维场景构建方法，包括，

3、步骤一：将航天器交会对接三维场景分为近地轨道空间场景层级和航天器场景层级，近地轨道空间场景层级用于建立近地轨道空间三维场景模型；航天器场景层级用于建立目标航天器三维场景模型和追踪航天器三维场景模型；在每个层级内根据三维引擎场景浮点数精度分别设置缩放比例，使每个层级内模型坐标至少具有小数点后两位有效数字；

4、步骤二：根据设置的缩放比例，使用unity三维引擎在航天器场景层级内创建目标航天器三维场景模型，并构建以目标航天器为中心的轨道坐标系；创建追踪航天器三维场景模型，并构建以追踪航天器为中心的轨道坐标系；同时使用unity三维引擎在近地轨道空间场景层级内创建近地轨道空间三维场景模型，并构建以地球为中心的地心惯性坐标系；

5、在航天器交会对接三维场景内，采用光照系统平行光模拟太阳光，并创建星空天空盒背景；

6、步骤三：分别创建航天器渲染相机和近地轨道渲染相机，两个渲染相机视锥的水平视场角和垂直视场角相同；根据不同坐标系之间的关系进行坐标转换使两个渲染相机的空间位置和拍摄角度一致，并且两个渲染相机的视锥叠加形成单相机视锥效果；

7、渲染相机对每一帧的渲染画面在渲染之前首先清除颜色缓存，然后依次渲染天空盒、太阳，再按照由远及近的层级依次进行独立三维场景模型的渲染；

8、步骤四：对每个渲染相机视锥进行包围盒计算，确定追踪航天器三维场景模型的位置，再根据追踪航天器三维场景模型的位置进行所有三维场景模型的渲染，得到最终的航天器交会对接的三维场景。

9、根据本发明的航天器交会对接的三维场景构建方法，步骤一中，设置航天器场景层级的缩放比例为1单位：1m；近地轨道空间场景层级的缩放比例为1单位：104m。

10、根据本发明的航天器交会对接的三维场景构建方法，步骤二中，光照系统平行光的方向根据时间进行计算，并通过太阳赤纬角δ和太阳时角t驱动：

11、sinδ＝0.39795cos[0.98563(n-173)/180*pi]，

12、式中n为日数，由一年的1月1日开始计算，太阳赤纬角δ单位为弧度；

13、t＝(真太阳时-12)×15°。

14、根据本发明的航天器交会对接的三维场景构建方法，步骤三中，在航天器场景层级的缩放比例下，航天器渲染相机的视锥体远截面距离设置为104个单位，近截面距离设置为1个单位；在近地轨道空间场景层级的缩放比例下，近地轨道渲染相机的视锥体远截面距离设置为104个单位，近截面距离设置为1个单位。

15、根据本发明的航天器交会对接的三维场景构建方法，步骤四中，若追踪航天器三维场景模型处于航天器渲染相机视锥内，则对所有三维场景模型按渲染相机的设置进行渲染；若追踪航天器三维场景模型处于近地轨道渲染相机视锥内，则创建追踪航天器三维场景模型的屏幕投影模型，再对屏幕投影模型、目标航天器三维场景模型和近地轨道空间三维场景模型进行渲染。

16、根据本发明的航天器交会对接的三维场景构建方法，渲染相机将三维场景模型渲染成具有三维特征的二维画面。

17、根据本发明的航天器交会对接的三维场景构建方法，创建追踪航天器三维场景模型的屏幕投影模型的方法包括：

18、将追踪航天器三维场景模型在近地轨道空间场景层级的三维空间坐标转换为二维屏幕坐标，创建追踪航天器三维场景模型的屏幕投影模型。

19、根据本发明的航天器交会对接的三维场景构建方法，步骤四中，每个包围盒完全覆盖对应渲染相机视锥，且两个包围盒相互无交集。

20、本发明的有益效果：现有三维场景的构建方法中，若将尺寸比为106：1的地球模型与航天器模型同时布置于近地轨道空间三维场景之中，由于单精度浮点数的限制，会出现航天器模型位于三维场景边界而产生的航天器模型抖动和形状异常的问题以及模型尺寸过小无法被渲染相机渲染的问题。本发明方法针对此类问题，提供了一种高效的、准确的三维场景构建方法，使得尺寸比超过106：1的两种模型出现在同一三维场景中时，在三维引擎单精度浮点数的限制下仍旧能够正确渲染航天器交会对接三维场景。

21、本发明方法基于三维引擎有限的三维空间，通过将需要构建的航天器交会对接三维场景进行层级划分和独立场景划分，利用三维引擎分别构建独立三维场景并按顺序渲染，实现航天器交会对接三维场景的构建，进而有效地避免了三维场景浮点数精度损失导致天体模型抖动和变形的物理现象。

22、本发明方法中，构建的航天器交会对接三维场景，既可展示航天器交会对接任务细节，又可展示航天器交会对接三维场景中航天器与天体的准确的位置关系，在三维视景展示方面实现呈现逼真的显示效果和广泛的适用范围，可广泛使用于深空探测太空场景的构建。

技术特征：

1.一种航天器交会对接的三维场景构建方法，其特征在于包括，

2.根据权利要求1所述的航天器交会对接的三维场景构建方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的航天器交会对接的三维场景构建方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的航天器交会对接的三维场景构建方法，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的航天器交会对接的三维场景构建方法，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的航天器交会对接的三维场景构建方法，其特征在于，渲染相机将三维场景模型渲染成具有三维特征的二维画面。

7.根据权利要求6所述的航天器交会对接的三维场景构建方法，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的航天器交会对接的三维场景构建方法，其特征在于，

技术总结
一种航天器交会对接的三维场景构建方法，属于航天领域的三维可视化应用技术领域。本发明针对现有航天器交会对接的三维场景构建时，由于单精度浮点数限制使三维场景边界产生模型形状异常、模型抖动以及模型渲染错误的问题。包括：将航天器交会对接三维场景分为近地轨道空间场景层级和航天器场景层级，并分别设置缩放比例；创建目标航天器三维场景模型、追踪航天器三维场景模型和近地轨道空间三维场景模型，并建立对应坐标系；分别创建航天器渲染相机和近地轨道渲染相机；根据追踪航天器三维场景模型的位置进行所有三维场景模型的渲染，得到最终的航天器交会对接的三维场景。本发明用于航天器交会对接的三维场景构建。

技术研发人员：马文来,曾宪超,轩诗勋,梁磊
受保护的技术使用者：哈尔滨工大天域科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15