基于OpenGL的空间态势可视化系统设计与实现

【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。
【关键词】：空间目标 轨道预报 视点变换 场景漫游 碰撞检测 对象拾取 设计与实现
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP391.41