[发明专利]空天地一体化态势表达引擎及其视点跨尺度无缝切换方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空天地一体化态势表达引擎及其视点跨尺度无缝切换方法。

背景技术

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。

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。

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gluLookAt()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、WorldWind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。

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。

1.1数据类型多

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。

1.2空间尺度和距离变化大

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。

1.3涉及坐标系多