[发明专利]一种基于OSG三维引擎的经典轨道三维空间关系构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种一种经典轨道三维空间关系构建方法，特别是一种基于OSG三维引擎的经典轨道三维空间关系构建方法，属于三维建模技术领域。

背景技术

随着航天技术的不断发展，太空中航天器的数目不断增加，它们在太空中执行各种各样的工作，所扮演的角色也越来越重要。为了更好的观察或设计航天器的运行状态，希望对航天器轨道空间进行实时的三维可视化仿真建模，并能实现对航天器观察视角的跟踪变换。

经典轨道是航天仿真系统的基本组成部分,目前国内航天仿真可视化演示系统中空间轨道解算和空间仿真三维场景一般各自独立解算和渲染；经典轨道根数处理过程一般是通过先转换为J2000(笛卡尔坐标系)系统下的位置坐标，再设置三维场景中的航天器模型到坐标位置两个步骤实现。上述处理过程中普遍存在轨道根数结果显示不直观、数据驱动接口需要对轨道根数进行二次转换、轨道系下的航天器姿态驱动及视角调整需要额外提供标称系相对J2000坐标系转换矩阵数据等问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于OpenSceneGraph(OSG)三维引擎的经典轨道三维空间关系构建方法，卫星位置设置基于六根数几何关系，根据经典轨道六根数之间的空间关系，进行三维坐标系变换，得到多个坐标系。在坐标变换过程中，能够清晰地反映出轨道六根数之间的变换关系，且由于坐标系实时变换，能够实现观察视角的跟踪，并通过相对轨道系的矩阵、欧拉角、欧拉轴角、四元数四种方式精确地表示航天器的位姿。解决了轨道根数显示不直观、轨道根数需要进行二次转换、轨道系下的姿态和视角调整需要额外数据及航天器位姿表示不精确等问题。

本发明的技术解决方案是：一种基于OSG三维引擎的经典轨道三维空间关系构建方法，所述经典轨道的轨道六根数包括：升交点赤经Ω、轨道倾角i、近地点辐角ω、轨道偏心率e和轨道半长轴a；步骤如下：

(1)在OpenSceneGraph，即OSG三维渲染引擎下，建立原始地球坐标系mO，所述原始地球坐标系mO以地心为原点，X轴正方向为地心指向春分点方向，Z轴正方向为地心垂直于赤道的向上的方向，Y轴正方向由右手法则确定；

(2)将步骤(1)中的原始地球坐标系mO绕其Z轴转过升交点赤经Ω，得到转动后的坐标系mΩ；

(3)将步骤(2)中的坐标系mΩ绕其X轴转过轨道倾角i，得到转动后的坐标系mi；

(4)将步骤(3)中的坐标系mi绕Z轴转过近地点辐角ω，得到转动后的坐标系mω；

(5)将步骤(4)中的坐标系mω绕其Z轴转过真近点角f，得到转动后的坐标系mf；

(6)将步骤(5)中的坐标系mf坐标系绕其Z轴转过+90°，得到转动后的坐标系mr1，再将mr1坐标系绕其X轴转过-90°，得到转动后的坐标系mr2，作为观察视角坐标系；

(7)利用经典轨道的轨道六根数，计算出航天器距离地心的距离r；

(8)利用步骤(7)中航天器距离地心的距离r，将坐标系mω沿其x轴平移rcosf，沿其y轴平移rsinf，得到平移后的坐标系mp，作为航天器坐标系；

(9)计算得到步骤(2)～步骤(8)中任意两个坐标系之间的变换矩阵，完成经典轨道三维空间关系的构建。

所述步骤(7)中的利用经典轨道的轨道六根数，计算出航天器距离地心的距离r，具体由公式：

给出。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明直接基于轨道系六根数建立空间关系，通过三维坐标系间的变换，可以动态展示升交点赤经、轨道倾角、近地点辐角及真近点角几何角度变化过程，对于轨道根数参数表示过程是基于空间几何关系，卫星视角跟踪和位置计算不经过二次坐标转换，解决了轨道根数显示不直观、轨道根数需要进行二次转换及轨道系下的姿态和视角调整需要额外数据等问题；

(2)本发明首次将轨道根数直观地显示出来，通过引入两层新的坐标系解决了传统模式下的轨道系的视角定位问题，同时航天器提供了相对轨道系的矩阵、欧拉角、欧拉轴角、四元数四种姿态输入接口以及航天器本体轴、轨道轴的显示和定制，可以帮助分析航天器在轨姿态的正确性，能得到航天器的准确位姿；

(3)本发明提出的一种基于OpenSceneGraph(OSG)三维引擎的经典轨道三维空间关系构建方法，对外接口直接使用航天轨道参数降低了对于数据的依赖，减少了仿真数据接入过程中复杂的三维场景空间关系构建、联调时间，建模方法具有高效性、快速性和准确性；