基于OpenGL的空间态势可视化系统设计与实现

论文摘要

随着人类航天事业的快速发展,在轨空间目标的数目不断增加,空间目标之间发生碰撞的风险也明显增加,已对航天器的正常运行和人类航天事业的发展构成了严重威胁,人类必须加强对空间安全问题的研究。掌握空间运行态势是研究空间安全问题的重要组成部分。随着计算机仿真技术的发展,在航天产品设计及应用中也大量地引用了视景仿真技术。运用Open GL视景仿真技术将空间目标轨道数据采用三维可视化形式进行表现,对空间目标运行态势和轨道特征的理解能起到重要辅助作用。首先,研究了空间目标轨道动力学模型。介绍了轨道动力学仿真中常用的时间系统和坐标系统;给出了空间目标二体轨道预报模型和SGP4/SDP4解析轨道模型;分析了卫星的几何覆盖区。其次,介绍了空间态势可视化系统中的视景仿真技术。描述了Open GL的工作原理及Open GL中三维空间到二维屏幕所需的模型变换、视图变换、投影变换和视区变换;阐述了Open GL纹理贴图技术,包括一维纹理贴图、二维纹理贴图和立方体纹理贴图技术;提出了3DS格式模型加载和绘制方法及基于XML文件的三维模型管理方法;推导了基于二维图像的空间目标拾取算法;介绍了空间态势可视化系统中的特效显示技术,包括地球大气模拟、光照效果和星空天球背景。再次,研究了系统涉及到的场景控制技术。推导了球坐标系下的视点变换及屏幕坐标变换对应的球坐标下的视点平移、旋转和缩放变换算法;分析了基于路径漫游的场景漫游方法及场景漫游过程中的碰撞检测问题。最后,从功能需求、设计约束和开发环境等方面阐述了系统主要设计要求;分析了系统层次结构和组成结构;描述了系统的外部文件接口和内部数据接口;采用Visual C++6.0与Open GL开发库搭建基于MFC的空间态势可视化系统。该系统界面友好,具有较强的人机交互功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 研究内容
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 系统需求分析
• 2.1 系统功能需求
• 2.2 设计约束
• 2.3 开发环境
• 第三章 空间目标仿真模型
• 3.1 时间系统
• 3.1.1 时间系统的定义
• 3.1.2 时间系统之间的转换关系
• 3.2 坐标系统
• 3.2.1 常用坐标系
• 3.2.2 坐标系之间的转换
• 3.3 空间目标的轨道模型
• 3.3.1 二体轨道预报模型
• 3.3.2 SGP4/SDP4解析轨道模型
• 3.4 卫星覆盖计算
• 3.5 本章小结
• 第四章 视景仿真关键技术研究
• 4.1 Open GL介绍
• 4.1.1 Open GL工作流程
• 4.1.2 Open GL坐标变换
• 4.2 对象拾取算法
• 4.2.1 典型拾取算法
• 4.2.2 基于二维图像拾取算法
• 4.3 三维模型加载与管理
• 4.3.1 3DS模型文件结构
• 4.3.2 3DS模型绘制
• 4.3.3 三维模型管理
• 4.4 纹理贴图技术
• 4.4.1 三维实体贴图——二维纹理贴图
• 4.4.2 卫星覆盖绘制——一维纹理贴图
• 4.4.3 天空盒绘制——立方体纹理贴图
• 4.5 特效显示技术
• 4.5.1 地球大气模拟
• 4.5.2 光照效果
• 4.5.3 星空天球背景
• 4.6 本章小结
• 第五章 场景控制算法研究
• 5.1 视点变换算法
• 5.1.1 笛卡尔坐标视点与球坐标视点转换
• 5.1.2 视点平移
• 5.1.3 视点旋转
• 5.1.4 视点远近调整
• 5.2 场景漫游
• 5.2.1 路径编辑管理
• 5.2.2 路径漫游的基本思想
• 5.2.3 路径生成插值算法
• 5.3 碰撞检测
• 5.3.1 常见包围盒类型
• 5.3.2 包围球与包围球检测模型
• 5.3.3 包围球与层次包围盒检测模型
• 5.3.4 碰撞处理
• 5.4 本章小结
• 第六章 系统设计与实现
• 6.1 系统总体设计
• 6.1.1 设计原则
• 6.1.2 系统架构
• 6.1.3 系统组成
• 6.2 数据接口
• 6.2.1 外部文件接口
• 6.2.2 内部数据接口
• 6.3 模块设计与实现
• 6.3.1 空间目标轨道计算模块
• 6.3.2 对象拾取模块
• 6.3.3 场景绘制模块
• 6.3.4 场景控制模块
• 6.3.5 数据处理模块
• 6.3.6 仿真管理模块
• 6.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果