虛擬地理環(huán)境中空天環(huán)境仿真技術研究

張宗佩，萬 剛，劉 靜

（信息工程大學，河南 鄭州450052）

1957年第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功，標志著人類進入了空間時代。人類的活動范圍已經由地球表面延伸到近地空間、外層空間、行星際空間等空間環(huán)境，空間已成為未來人類航天活動和科學探索的重要場所。盡管目前已有一些功能強大的航天仿真軟件，尤其是被廣泛應用于航天領域的衛(wèi)星系統(tǒng)分析軟件衛(wèi)星工具包（Satellite Tool Kit，STK）。其能夠為衛(wèi)星設計、制造、發(fā)射、運行和應用提供強大的分析仿真能力，幫助使用者快速準確地了解飛行任務。但其價格十分昂貴，仿真空間多以人造衛(wèi)星活動空間為主，缺乏對行星際空間的仿真，與虛擬地理環(huán)境結合不足。

目前，虛擬地理環(huán)境研究領域主要集中于地球表面以及地下地上數千米范圍內，未考慮地球公轉自轉因素，對太陽系空間環(huán)境中包含的信息描述不足。因此，結合目前虛擬地理環(huán)境研究成果和空天環(huán)境仿真需求，提出一種充分利用虛擬地理環(huán)境仿真成果的空天環(huán)境仿真方案。將虛擬地理環(huán)境仿真中地球的仿真技術應用于太陽系中其他行星仿真；給出空天環(huán)境仿真的流程，研究空天環(huán)境仿真的建?；A和關鍵技術，實現對空天環(huán)境中主要要素及其變化運行規(guī)律仿真，提高觀察者對空天環(huán)境的認知能力，為利用空天環(huán)境開展空間活動提供技術支持。

1 空天環(huán)境仿真流程和基礎

1．1 空天環(huán)境仿真流程

空天環(huán)境仿真流程如圖1所示，首先建立空天環(huán)境仿真的基礎條件，包括空間基準和坐標變換、時間基準和時間變換，以及歷表／解析法求解位置速度方法。在建立的空天環(huán)境仿真基礎上，計算恒星、彗星和行星／衛(wèi)星在太陽質心黃道坐標系中任意時刻具體位置、速度和姿態(tài)信息，結合虛擬地理環(huán)境仿真技術，拓展虛擬地理環(huán)境仿真空間范圍，實現對空天環(huán)境的仿真。

圖1 空天環(huán)境仿真流程

1．2 空天環(huán)境仿真時間基準

空天環(huán)境是時刻變化的環(huán)境，為了實現對空天環(huán)境仿真，必須選定時間基準?？仗飙h(huán)境仿真中常用的時間系統(tǒng)有恒星時系統(tǒng)、太陽時系統(tǒng)和原子時系統(tǒng)。

1）恒星時系統(tǒng)。以春分點的周日視運動周期所確定的時間計量系統(tǒng)，稱為恒星時系統(tǒng)［1］。恒星時常用S表示。春分點連續(xù)兩次通過測站的子午圈所經歷的時間段，稱為一個恒星日。根據春分點的運動情況，可以把它分為平春分點和真春分點。真春分點是指隨歲差和章動變化的春分點，相對于真春分點的恒星時稱為真恒星時；平春分點只受歲差的影響，對應的恒星時稱為平恒星時。

2）太陽時系統(tǒng)。太陽時系統(tǒng)是以太陽的周日視運動周期為基準的時間計量系統(tǒng)，包括真太陽時和平太陽時。格林尼治平太陽時稱為世界時，用UT表示。

3）原子時系統(tǒng)。國際原子時（TAI）是由國際計量局（BIPM）根據國際單位制時間單位秒的定義，以各研究所運轉的原子鐘讀數為根據，在海平面上建立時間參考坐標。

以J2000．0紀元為虛擬地理環(huán)境中空間環(huán)境仿真的時間起點，行星／衛(wèi)星等天體和自然現象的變化仿真都以J2000．0紀元為基準。通常J2000．0紀元指的是TAI時2000年1月1日11：59：27．816或協調世界時2000年1月1日11：58：55．816。

1．3 空天環(huán)境仿真空間基準

為了仿真空天環(huán)境中各種要素，必須建立準確的空間基準，即天球坐標系。常用天球坐標系包括地平坐標系、赤道坐標系和黃道坐標系。

研究空天環(huán)境中各天體的運動情況時，需要使用日心黃道坐標系。日心黃道坐標系是描述太陽系各個行星、小行星的坐標系基礎，其坐標原點位于太陽質心。

地球繞太陽公轉的軌道平面稱為黃道面，黃道面與天球相交的大圓稱為黃道。黃道坐標系選取黃道為基本圈，Z軸指向北黃極，X軸指向春分點，為右手坐標系。黃道坐標系的緯角稱為黃緯，常用β表示；經角為黃經，常用λ表示，如圖2所示。過北黃極和春分點的大圓是黃道坐標系的零經圈。

圖2 黃道坐標系［1］

1．4 星歷表計算行星位置

JPL行星／月球星歷是目前關于太陽系、行星和月球的通用星歷，該歷表以切比雪夫多項式的形式給出太陽、大行星和月球的位置速度，以及地球章動和月球天平動的數據。

在給定的時刻，每個天體的位置和速度都以切比雪夫多項式的系數序列給出。其通常都有相同的形式，以x坐標分量的插值位置矢量為例，在t時刻它的位置可由式（1）給出。

式中：Tk（t）是第一類切比雪夫多項式；ak是存在星歷文件中的系數；方程中的時間t是一個標準化的時刻，即－1＜t＜1，其值可以通過式（2）根據儒略日計算得到

式中：T為當前的儒略日數；T0為存在系數節(jié)點開始處的儒略日數；ΔT為系數記錄的時間跨度。

根據切比雪夫多項式可推導出

由上述遞推式可以計算得到任意時刻t的x分量，同理對于其他分量也采用同樣方法。

2 空間環(huán)境仿真的關鍵技術

2．1 星空背景仿真

在空天環(huán)境中建立準確的三維星空模型，是進行逼真空天環(huán)境仿真的基礎。星空背景主要由遠離太陽系的各類恒星、彗星等天體組成。因此，星空背景仿真主要是在太陽系天球背景上繪制恒星和彗星。

根據星的亮度等級，采用點狀與Bill boar d組合方式仿真［4］。恒星亮度等級可以通過依巴谷星表快速獲取，目前恒星亮度等級多分為6個等級，肉眼能夠剛剛看到的恒星亮度為6等，最亮的一些恒星星等為1等，1等星亮度是6等星亮度的100倍。觀測恒星亮度由于衍射現象，通?？吹降暮阈嵌际侵虚g亮、周圍略微暗淡的模糊點，因此文中采用以下紋理對應6個等級的恒星，如圖3所示。為了管理依巴谷星表中恒星數據，建立恒星數據結構如下：

typedef str uct Star Str uct｛

fl oat Star Level；／／星等

vec3f Star Position；／／位置

GLuint＊Star Text ure；／／紋理

GLfloat ambient［4］；／／環(huán)境光

GLfloat diff use［4］；／／散射光

GLfloat specular［4］；／／反射光

GLfloat shiness；／／自發(fā)光強度

｝

圖3 6個星等對應的紋理

在恒星數據結構內完全記錄恒星背景仿真需要的所有原始數據，通過讀取依巴谷星表填充星等、位置信息，并根據星等不同選定紋理、確定光照參數。

1）亮度等級低于5等。由于低亮度等級恒星數量多，都采用面紋理繪制將消耗大量紋理資源，影響仿真系統(tǒng)運行效率，并且人眼觀察低亮度等級恒星多為一個模糊點。因此，對于亮度等級低于5等（包含5等）的恒星采用繪制顏色略顯暗淡點來表示，自發(fā)光強度設置為0．1即可。

2）亮度等級高于4等。對于亮度高于4等（包括4等）的恒星，采用衍射紋理映射結合Bill boar d表示。根據星表獲取的星等決定使用那個亮度紋理，采用Bill boar d技術將紋理映射到恒星位置處一個正方形面板上，并添加自發(fā)光光照效果，增加真實性。

依據星等把恒星劃分為點狀和Bill boar d兩類并分別使用不同的表示方法，合理并符合人眼觀察星空的觀察習慣，便于觀察者形成空天環(huán)境背景的認知感，如圖4（a）所示。

2．2 行星仿真

太陽系主要組成部分為8大行星，行星的仿真效果對于整個空天環(huán)境仿真效果起決定性作用。行星仿真主要包括行星表面仿真、行星自轉公轉仿真、行星其他特效仿真（如晨昏線、大氣圈光暈、土星光環(huán)等）。

2．2．1 行星表面仿真

行星表面仿真采用混合式全球網格劃分方法［2］對行星橢球體進行剖分，并對表面紋理、特征等數據按照此方法進行管理、顯示。對不同行星進行混合式全球網格劃分時，需要明確行星采用的坐標系統(tǒng)定義，才能實現混合式網格剖分，進而管理表面紋理數據、高程數據等信息。

混合式全球網格劃分方法是在45°緯度以上區(qū)域采用基于極地等距離方位投影的極地正方形變換來進行網格劃分，在45°緯度以下區(qū)域采用基于等距離正圓柱投影的網格劃分方案。

2．2．2 行星自轉公轉仿真

行星自轉公轉仿真主要是對行星位置信息、姿態(tài)信息的表達，而行星位置和姿態(tài)信息通過建立的時空基準變換關系和JPL歷表獲取。采用更新回調機制，在每次重繪仿真場景之前，更新場景中行星位置和姿態(tài)信息，從而實現對行星自轉公轉仿真。以地球、月球仿真為例論述其流程。

1）確定地球、月球在仿真初始時刻J2000的姿態(tài)信息，包括自轉軸朝向、本初子午線朝向等信息。

2）根據JPL歷表計算當然時刻t地球、月球在日心黃道坐標系中坐標位置以及地球、月球的相對于初始姿態(tài)的變化信息，反映到數學層面就是一個平移向量和一個旋轉矩陣M。

3）在以日心黃道系為基準的仿真框架內，實時更新地球、月球的位置信息以及姿態(tài)變化信息，實現地球、月球的公轉位置變化和自轉姿態(tài)變化。

同理，可以對太陽系內其他行星、衛(wèi)星進行自轉、公轉運動仿真，仿真效果如圖4（b）所示。

圖4 空間環(huán)境仿真效果

2．2．3 行星其他特效仿真

行星其他特效仿真對于空天環(huán)境仿真效果非常重要。采用著色語言，操縱圖形渲染過程，實現對行星某些特效仿真，文中主要論述晨昏線特效仿真。

太陽光照是太陽系內行星、衛(wèi)星晨昏線形成的主要原因。因此，仿真中可以在日心黃道坐標系原點即太陽質心位置，設置一個虛擬全局光照LightS，行星衛(wèi)星圍繞LightS旋轉，如圖5所示，由于行星距離太陽遠遠大于行星自身直徑，可將太陽光近似為平行光。通過Open GL提供的光源參數，設定全局光照LightS光源位置為原點，光源為方向行光源即平行光，并設置光照的環(huán)境光、散射光、反射光參數。此外，為每個行星、衛(wèi)星維護一個材質參數結構體，包括環(huán)境光、散射光、反射光和自發(fā)光4個參數。自發(fā)光參數主要解決行星陰面過于漆黑難辨的問題。通過Open GL，采用Gouraud光照處理方法，實現晨昏線顯示效果，如圖4（c）所示。

圖5 全局光照示意圖

2．3 空間環(huán)境要素仿真

空間環(huán)境要素主要包括地表以上的各類現象（云霧氣體、電離層）和場（地磁場）、太陽風暴、星際間磁場等。其主要是由計算、測量或實驗而得到的近地空間環(huán)境要素的數據集構成3D及高維數據場。這些數據場中包含龐大復雜的信息，不易被理解與分析。本文采用光線投射體繪制技術［3，7］，對近地溫度場要素數據進行可視化仿真。其具體過程如下：

1）利用Open GL著色語言的頂點著色器計算頂點，即體素的位置、相機的位置和視線方向；片元著色器計算當前視線方向上最大穿越距離。

2）利用片元著色器計算采樣紋理坐標，并對體紋理進行采樣，即光線穿越體紋理的過程。采用最大密度投射（Maxi mu m Intensity Pr ojection）作為體繪制的光照吸收模型

式中：k為尺度因子；ρ（t）為體素中記錄的溫度場數據（經歸一化處理的數據，取值范圍為［0，1］），光線穿越整個體紋理的所有體素時，要遍歷體素確定最大值。該過程結束的條件是是否超過最大距離或者透明度大于1。

3）在片元著色器中完成對體紋理采樣后得到視線方向最大溫度場數據，建立轉換函數（Transfer Function），實現顏色與場數據的對應關系，根據轉換函數獲取最終的顏色輸出。遍歷所有光線方向后即可得到最終的近地溫度場要素可視化效果，如圖4（d）所示。

2．4 空天環(huán)境仿真效果

本文空天環(huán)境仿真效果如圖4所示，其準確地對空間恒星背景、行星進行仿真，對于空間環(huán)境要素仿真進行探索。仿真幀率達到30幀以上，基本能夠滿足仿真系統(tǒng)實時、真實需求。

3 結束語

論述空天環(huán)境仿真基礎，并對空天環(huán)境仿真的關鍵技術進行深入研究，基本實現空間環(huán)境仿真的主要內容，仿真效果十分逼真，且實時性強，提高觀察者對空間環(huán)境的認知能力，為利用空間環(huán)境規(guī)律開展空間活動提供堅實基礎。

［1］ 馬高峰．地月參考系及其轉換研究［D］．鄭州：信息工程大學，2005．

［2］ 韓陽，萬剛，曹雪峰．混合式全球網格劃分方法及編碼研究［J］．測繪科學，2009，34（2）：136－139．

［3］ 唐澤圣．三維數據場可視化［M］．北京：清華大學出版社，1999．

［4］ 劉世光．航天器飛行場景的真實感生成［J］．計算機學報，2005，68（1）：68－73．

［5］ 王鵬．基于HLA的空間環(huán)境要素建模與仿真技術研究［D］．鄭州：信息工程大學，2006．

［6］ 胡蜂，孫國基．航天仿真技術的現狀及展望［J］．系統(tǒng)仿真學報，1999，10（2）：83－88．

［7］ 楊帆，蘭嵐．基于X3D的虛擬場景設計方法［J］．測繪工程，2013，22（4）：5－9．

［8］ NAGY Z，KLEIN R．High－quality silhouette illustration f or texture－based volu me rendering［J］．Journal of WSCG，2004，12（2）：301－308．

［9］ 吳秀蕓，王海江，徐狄軍，等．基于多視角側視仿真地圖的研究與應用［J］．測繪與空間地理信息，2014，37（3）：213－214．