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项目名称：空天地一体化对地观测传感网的理论与方法首席科学家：张良培武汉大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部湖北省科技厅二、预期目标(一) 总体目标系统研究对地观测传感网的理论与方法，通过多学科联合攻关，解决空天地多平台观测系统事件感知与协同观测机理、对地观测传感网数据同化与信息融合、对地观测传感网聚焦服务模型等关键科学问题，系统地揭示从事件感知到聚焦服务的转化机理，建立从空天地传感网数据实现地球陆表监测的科学理论与方法体系，为我国空天地协同对地观测系统的建立奠定理论与技术基础。
(二) 五年预期目标1. 科学目标空天地一体化对地观测理论和方法：为建立主动的、任务驱动的、动态自适应的、协同的空天地一体化观测系统奠定理论基础。
对地观测传感网多源多维数据一体化处理方法：围绕对地观测传感网的观测数据，集成数据融合与同化、智能化信息提取等技术，提供多源异质数据一体化处理、信息提取以及变化检测的新理论与新方法。
面向任务的对地观测传感网信息聚焦服务：按需提供聚合多传感器、数据、计算和决策的服务。
典型地区陆表环境综合观测与信息模拟：模拟我国典型地区陆表环境多源信息，建立多传感器综合观测实验方案，提供决策支持和应急快速反应服务。
2. 国家目标围绕我国典型地区陆表环境安全进行空天地一体化观测实验，研究空天地一体化对地观测传感网的理论与方法，提升我国对地观测能力与服务水平，为我国环境安全与自然灾害监测提供技术与方法支撑。
3.技术水平经过五年研究，在对地观测传感网架构和运行机制、空天地多传感器协同观测模型、多传感器源数据同化与融合、对地观测传感网信息聚焦服务模型等相关理论与方法方面取得突破性进展，达到国际先进水平；在事件智能感知模型、面向对象参数提取、动态变化分析等若干研究点上达到国际领先水平。
4．技术指标（1）实现50个以上的传感器信息描述；（2）数据融合与同化方法能够支持10种以上传感器；（3）提供传感器规划、观测获取、事件通知、数据处理、信息提取等10种以上服务。
空天一体化导航系统关键技术研究随着空天一体化发展，空天一体化导航系统成为了航空航天领域的重要研究方向。
空天一体化导航系统的核心技术是精确定位技术，因此要求导航系统具有高精度、高可靠性、高稳定性等特点。
本文将从空天一体化导航系统的概念、发展现状和关键技术三个方面进行分析。
一、空天一体化导航系统的概念空天一体化导航系统是指将地球上的导航系统与空间导航系统相互融合，实现空间导航与地面导航之间的协同作战。
其目的是为了提高导航的确定性和可用性，使导航系统更加安全、可靠和快速。
空天一体化导航系统包括GPS导航系统、GLONASS导航系统、北斗导航系统、伽利略导航系统、INS惯性导航系统和飞行器惯性/星基增强系统等。
这些系统在诈骗、反恐、海上油田勘探、出国旅游等领域得到了广泛应用。
二、空天一体化导航系统的发展现状目前，全球各地正在加紧开展空天一体化导航系统的研究工作。
近年来，中国在北斗导航系统的建设方面取得了突破性进展。
截至2021年，北斗导航系统已经实现了全球组网，既能够提供定位导航服务，也提供了数据通信、短报文和精准时钟等多种运用。
同时，欧洲伽利略导航系统也在向全球扩展，并主导开发基于伽利略的创新技术和行业应用。
美国的GPS导航系统则已经通过升级定位技术、提高信号覆盖面积和增强定位精度等方式，不断完善和改进导航系统，不断提高空间定位服务的可靠性和精度。
三、空天一体化导航系统的关键技术空天一体化导航系统的关键技术包括：1.导航卫星设计技术：导航卫星是空天一体化导航系统的基础设施。
通过改良载荷、提高卫星功率与性能、加强导航卫星的运动轨迹控制等方式，提高卫星系统的信号质量和精度。
2.导航信号处理技术：导航信号处理是实现导航系统高精度定位的关键技术。
目前，精确定位（cm级别）、高灵敏度（-185dBW/m2）、高抗干扰（可靠抵抗jamming、spoofing等电子攻击）的信号处理技术已经成为了导航系统发展的趋势，为导航系统高效可靠的运作奠定了基础。
训练用飞行仿真器视景显示系统研究训练用飞行仿真器视景显示系统研究2010年08月19日星期四下午01：19李明忠毕长剑张双建牛敦金(空军指挥学院作战模拟中心北京100089摘要：训练用飞行仿真器视景显示统是飞行员获取信息的主要窗口，其性能指标的高低直接影响到飞行仿真器性能和模拟训练效果。
本文围绕这一关键子系统，阐述了其分类、不同类型显示系统的组成、显示原理及特点，并通过对现代战争背景下飞行任务训练对视景显示系统要求的分析，提出了训练用飞行仿真器视景显示系统方案选择方法。
飞行仿真器视景显示系统实像虚像1引言视景显示系统是飞行仿真器的重要组成部分，其主要功能是将图像生成设备生成的图形图像通过一定的显示装置显示给飞行员，它是飞行员获取飞行中有用信息的主要窗口。
视景显示系统显示的真实与否，直接关系到飞行员能否对景象做出正确的判断，从而能否及时准确地做出相应的反应，并最终影响到模拟训练的效果。
该系统相对于飞行仿真器的其他系统而言，造价高、设备昂贵，在有限的研制经费范围内，权衡不好会直接影响到设备的综合性能。
因此，视景显示系统的方案选择问题也是飞行模拟器设计和研制中要重点考虑的问题。
2视景显示系统的分类视景显示系统的分类方法很多，按投影方式的不同，可分为正投视景显示系统和背投视景显示系统；按系统投影屏幕结构形状的不同，又可分为圆球形视景显示系统、平面视景显示系统等。
但这些分类方法，难以有效地反映出不同类型视景显示系统之间最本质区别。
最为有效的分类方法，是根据显示成像的特征和原理不同，将其分为实像显示和虚像显示两大类，本文按该分类的方法进行论述。
3实像显示系统的类型及特点根据物理学定义，实像是由实际光线汇合在一起所成的影像,可以显现在屏幕上。
实像显示系统一般光路比较简单，直接通过投影设备将图像投射到显示屏上，其最大缺点就是缺乏立体感和纵深感。
目前，比较常见的实像显示方式，有平面窗口式、球形幕显示、模拟球视景显示系统三种类型。
第23卷 第12期计 算 机 仿 真2006年12月 文章编号:1006-9348(2006)12-0038-05无人机飞行控制仿真环境三维视景子系统设计赵 龙,黄一敏(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016)摘要:针对无人机飞行控制仿真环境以数据方式输出仿真结果不利于挖掘隐藏于数据中的本质特性的缺陷,借助虚拟现实技术的相关理论,设计实现基于无人机飞行控制仿真环境的三维视景子系统,实时动态再现无人机飞行运动全过程,为研究无人机飞行运动规律提供直观的事实根据。
阐述了无人机飞行控制仿真环境三维视景子系统设计实现的目标,构造了系统结构并提出了三维视景系统的实现框架,对视景系统实现的主要技术进行了着重介绍,在视景系统的具体实现中对视景数据库设计、视景系统开发、视点切换、LynX Pri me和ACF配置文件、数据通信接口的具体实现进行了详细的论述。
最后给出了系统的实施效果。
关键词:无人机;飞行控制;视景系统中图分类号:TP39119 文献标识码:AD esign of3D Scene Graph Subsystem Ba sedon S i m ula tion Env ironm en t for FCS of UAVZHAO Long,HUAN G Yi-m in(College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and A stronautics,Nanjing J iangsu210016,China)ABSTRACT:A i med at the li m itation of the output in data for m of the si mulation environment for Flight ControlSystem(FCS)of Unmanned Aerial Vehicle(UAV),and based on the visual reality theory,the paper designs a3D scene graph subsystem based on si mulation environment for Flight Control System of Unmanned AerialVehicle,that could show the real-ti me flight p rocess of UAV and p rovide the truth for researching the flight ruleof UAV1The paper expounds the design objective of the design of3D scene graph subsystem based on si mulationenvironment for Flight Control System of Unmanned Aerial Vehicle,constructs the configuration of the systemand the framework of the3D scene graph subsystem,introduces the key technology for realizing the3D scenegraph subsystem,discusses the design of the3D scene graph database,the development of the3D scene graphsubsystem,the s w itch of the angle of view,the Lynx Pri m e and the ACF configuration file,the interface of thedata communications and show s the effect lastly1KEYWO RD S:UAV;FCS;Scene graph system1 引言近年来,随着无人机飞行功能的增加,其飞行控制系统日趋复杂,发生故障的可能性越来越大。
机舱视景仿真系统关键技术的研究与实现的开题报告一、选题背景和意义机舱视景仿真系统是指将真实的航空器驾驶舱外部的环境信息以电脑图像的方式呈现给飞行员，提供最为真实的机舱视角环境仿真，在此基础上实现飞行员对机动性和视觉距离、角度等参数的仿真训练。
机舱视景仿真技术是新一代全机型训练设备中最具代表性的一种，它已经成为现代飞行员实际训练的基本手段，具有重要的战略意义。
二、相关技术研究概述机舱视景仿真系统是由多个子系统组成的复杂系统。
主要涉及以下关键技术：1.景物模拟技术：实现模拟场景的模型的各种数据和光影特性，并能够根据需要调整和修改。
2.投影技术：将模拟出的场景光前投射至仿真器上的视景区域，根据视线方向对场景进行旋转和平移。
3.运动平台技术：用于真实地模拟飞行器的运动状态，例如加速、减速、俯仰、滚转等。
4.航空器数据接口技术：向视景系统提供从真实飞机中获取的航空器、故障数据以及安全保障数据等。
三、论文研究目标与重点本论文的研究目标是基于机舱视景仿真系统的关键技术，实现一个高度准确、稳定的机舱视景仿真系统。
其中的重点是：1.设计出一套完整的机舱视景仿真系统的技术框架及其组成模块。
2.研究和分析机舱视景仿真系统的关键技术，包括景物模拟、投影技术、运动平台技术以及航空器数据接口技术等，提高仿真环境的真实度。
3.通过实验数据对系统的仿真性能进行测试和验证，以确保系统的准确性、稳定性和可靠性。
四、论文研究方法论述采用文献法、理论分析、实验研究等多种研究方法：1. 文献法：主要利用图书馆、网络等渠道查阅有关机舱视景仿真系统的国内、外文献及相关技术资料，对其发展历史、现状和未来进行研究。
2. 理论分析：基于机舱视景仿真技术的原理与理论建立仿真系统的数学模型。
通过对系统进行建模和分析，对系统的关键技术和运行机理进行深入研究和分析。
3. 实验研究：通过构建完整的机舱视景仿真系统，对其各项功能进行测试和验证，为系统的优化提供数据支持。
空天一体化系统的设计与开发随着科技的不断进步，空天一体化系统在军事与民用领域的应用越来越广泛。
空天一体化系统是指将航空航天技术与地面系统相结合，实现多种功能的综合系统。
它涵盖了无人机、航天器、地面控制系统以及数据通信系统等多个组成部分，并通过互相协作，实现信息的采集、处理与传输。
本文将重点介绍空天一体化系统的设计与开发。
一、系统需求分析空天一体化系统的设计与开发需要首先明确系统的需求。
根据应用领域的不同，系统需求也会有所差异。
对于军事领域而言，系统需要具备高度机动性、隐蔽性和实时性等特点。
而在民用领域，系统可能更加注重数据的收集与传输效率。
因此，在设计与开发阶段，需要明确系统的功能、性能指标和运行环境等重要因素，以确保系统能够满足用户的需求。
二、组成部分设计空天一体化系统由多个组成部分组成，其中最重要的包括无人机、航天器、地面控制系统和数据通信系统。
在设计这些组成部分时，需要考虑到它们之间的协作与互动关系。
1.无人机设计：无人机作为空天一体化系统中的重要组成部分，其设计需要考虑到飞行性能、载荷能力、自主控制能力等方面。
无人机的机身结构、电力系统、导航与控制系统等都需要进行详细的设计与验证。
此外，为了提高系统的安全性和可靠性，还需要对无人机进行故障诊断与容错控制的设计。
2.航天器设计：航天器作为空天一体化系统中的重要组成部分，其设计需要考虑到航行性能、载荷能力和重复使用等因素。
航天器的结构设计、推进系统、姿态控制等都需要充分考虑系统的整体需求。
此外，为了提高航天器的回收利用率，还需要考虑到航天器的可靠性和再入控制等因素。
3.地面控制系统设计：地面控制系统负责对空天一体化系统进行控制与监测。
其设计需要包括指挥系统、地面控制站和地面通信设备等。
地面控制系统需要具备良好的人机交互界面和实时的数据处理与传输能力，以实现对空天一体化系统的有效控制。
4.数据通信系统设计：数据通信系统是空天一体化系统中各组成部分之间进行信息传输的重要环节。
Design and Realization of Scene Simulation System for Missile Defense Based on Vega 作者： 张继山[1] 程文娟[1] 陆文骏[2]
作者机构： [1]合肥工业大学计算机与信息学院,安徽合肥230009 [2]解放军炮兵学院信息工程教研室,安徽合肥230031
出版物刊名： 合肥师范学院学报
页码： 62-65页
年卷期： 2012年 第3期
主题词： 虚拟现实 视景仿真 Vega Lynx
摘要：虚拟现实技术是目前国内外仿真界研究的热点之一，而视景仿真技术是其核心技术。
利用Vega软件，研究了防空导弹发现并截击飞机的视景仿真过程，研究了点击式图形环境Lynx和Vega软件的开发方法，对类似问题的研究提供了帮助。
全飞行模拟机视景系统显示技术的发展1. 引言1.1 简介飞行模拟机是一种用于模拟飞行器飞行操作的设备，广泛应用于航空训练、飞行器设计和研发等领域。
传统的飞行模拟器采用投影式显示技术，用户通过观看屏幕上的图像来模拟飞行场景。
传统飞行模拟器存在着画质不够清晰、视觉效果不够真实等局限性，无法完全满足用户的需求。
为了克服传统飞行模拟器的局限性，全飞行模拟机视景系统技术得到了迅速的发展。
全飞行模拟机视景系统利用高清晰度的显示器、多通道投影技术、实时动态纹理映射等先进技术，实现了更加真实、逼真的飞行场景模拟效果。
用户可以通过全飞行模拟机视景系统，感受到飞行器在真实环境中飞行的感觉，提高飞行训练和飞行器设计的效果。
本文将介绍全飞行模拟机视景系统的发展历程、相关技术的应用和改进、未来发展方向以及目前市场情况。
通过对全飞行模拟机视景系统的研究和探讨，希望读者能够更加深入了解这一领域的最新进展，并为未来的发展提供参考和借鉴。
1.2 研究背景为了克服传统飞行模拟器的局限性，全飞行模拟机视景系统技术应运而生。
全飞行模拟机视景系统通过模拟真实飞行环境的场景，使飞行员能够获得更加真实的飞行体验，提高飞行员的训练效果。
全飞行模拟机视景系统的发展历程是一个不断探索和创新的过程，经过多年的研究和实践，技术不断得到改进和完善。
在全飞行模拟机视景系统技术的发展过程中，涉及到了许多相关技术的应用和改进。
随着技术的不断进步，全飞行模拟机视景系统在图像显示、虚拟现实、仿真技术等方面都得到了极大的提升和完善。
未来，全飞行模拟机视景系统技术仍将继续发展，不断创新，以满足飞行员日益增加的训练需求。
目前市场情况显示，全飞行模拟机视景系统技术已经得到广泛应用，被广泛用于民航、军事、航天等领域。
随着市场需求的增加，全飞行模拟机视景系统技术的发展前景十分广阔，有着巨大的市场潜力。
2. 正文2.1 传统飞行模拟器的局限性传统飞行模拟器在技术发展的初期无疑是一种革命性的工具，它可以提供飞行员在安全环境下进行训练和测试。
基于虚拟现实的航空仿真系统设计与实现概述随着科技的进步，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术迅速发展并广泛应用于各个领域。
其中，虚拟现实在航空仿真系统设计与实现方面扮演着重要角色。
本文将介绍基于虚拟现实的航空仿真系统的设计与实现，并探讨其在飞行培训、飞行模拟等方面的应用。
1. 虚拟现实技术的基本概念虚拟现实技术是一种通过计算机生成的仿真环境，能够模拟真实世界或虚构世界，让用户通过多感官的交互，沉浸在一个与现实世界完全不同的虚拟空间中。
虚拟现实技术通常包括3D图像生成、多通道感知技术和交互设备等核心组成部分。
2. 基于虚拟现实的航空仿真系统的设计与实现2.1. 硬件设备搭建基于虚拟现实的航空仿真系统的设计，首先需要搭建相应的硬件设备。
这包括一个高性能的计算机、虚拟现实头显设备、触觉反馈设备以及其他的交互设备。
同时，还需要一个专门设计的飞行模拟座舱，以提供更真实的体验感。
2.2. 软件系统开发在硬件设备搭建完成后，需要进行软件系统的开发。
这包括航空模型的建立、飞行动力学模型的开发、场景生成与渲染、用户交互界面开发等。
通过这些软件模块的开发与集成，可以实现基于虚拟现实的航空仿真系统的完整功能。
2.3. 数据集成与处理虚拟现实的航空仿真系统需要集成大量的数据，如地形数据、天气数据、飞行器模型数据和飞行器性能数据等。
这些数据需要经过预处理和集成处理，以便在整个仿真系统中实现高质量的图像渲染和真实感触感。
3. 基于虚拟现实的航空仿真系统在飞行培训中的应用虚拟现实的航空仿真系统在飞行培训中具有重要意义。
通过虚拟现实技术，飞行学员可以在安全的环境下进行训练，模拟各种飞行场景和紧急情况。
这不仅可以提高飞行员的反应能力和应对危险情况的能力，还可以节约大量的时间和资源。
4. 基于虚拟现实的航空仿真系统在飞行模拟中的应用虚拟现实的航空仿真系统在飞行模拟中也具有广泛的应用。
通过虚拟现实技术，飞行员可以进行复杂的飞行任务和飞行器操作的训练，如起飞、降落、空中操纵等。
飞行仿真技术：第五讲视景仿真
罗炳海
【期刊名称】《测控技术》
【年(卷),期】1994(013)006
【总页数】4页(P43-46)
【作者】罗炳海
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】V216.8
【相关文献】
1.台式飞行训练模拟器的视景仿真技术 [J], 许冰;孙永维;王英双;李洋
2.飞行仿真技术：第一讲飞行仿真技术综述 [J], 王行仁
3.无人直升机大屏幕多通道视景飞行仿真技术 [J], 宣昊;甄子洋;王新华;龚华军;陈琦
4.飞行目标跟踪训练视景仿真技术研究 [J], 于正林;谭微;姜涛
5.基于飞行视景仿真技术和BIM技术的机场设计优化应用技术路线研究 [J], 刘莹颖;云朋
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基于HoLoLens的飞行仿真辅助视景系统设计金荣深【摘要】本文利用微软Hololens技术,通过Hololens与飞行仿真交互功能开发,完成了飞行仿真辅助视景系统设计.在飞行仿真相关飞机地面模拟试验中,辅助视景系统能够模拟实时、准确、稳定的展示飞机本体变化,同时提高飞行仿真系统的开发、升级效率.【期刊名称】《工业设计》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】2页(P138-139)【关键词】Hololens;飞行仿真;辅助视景;地面模拟试验【作者】金荣深【作者单位】上海飞机设计研究院【正文语种】中文【中图分类】TB472以飞行仿真系统是民机飞控系统地面模拟试验不可或缺的试验设备之一，通过实时解算飞机运动方程和飞机发动机模型来更新飞机的飞行状态，其主要包括软硬件系统、I/O设备、飞行运动方程、模型如发动机模型、起落架模型等。
飞行仿真系统采用“硬件在回路”与“基于模型驱动”的仿真技术，在飞控系统地面模拟试验的全数字仿真、半物理仿真阶段、交联试验以及适航相关试验中占有非常重要的位置。
现阶段，飞行仿真系统设计完成后，其模型运行情况、系统闭环特性的评估主要依赖于后期的数据分析，如图、表、数等，设计人员缺乏直观的判断依据，且实时仿真过程中，无法实时确认故障时间点和故障类型。
因此，需要一种基于飞行仿真系统实时数据的辅助视景设备，供设计人员进行直观评判。
Hololens全息眼镜是微软推出的一款虚拟现实装置，为头戴式增强现实装置，是一种在现实场景中显示全息图像的设备，可以完全独立使用，同时无需线缆连接、无需同步电脑或智能手机。
通过Hololens技术，可以与飞行仿真系统进行通讯接口设计，为飞行仿真设计人员提供实时、逼真的辅助视景，直观显示飞机本体状态，并可通过互动实现观察视角的切换。
1 系统架构1.1 功能分析在飞行仿真试验过程中，需要通过HoloLens眼镜实时显示飞行时的飞机本体状态，并可通过互动实现观察视角的切换，方便设计人员全方位评判飞行仿真闭环特性。
小型微型计算机系统Journa l o f Ch i nese C om puter Sy ste m s2010年11月第11期V o l 31N o .112010收稿日期:2009 08 28 基金项目:国家"八六三"高技术研究发展计划项目资助. 作者简介:郭栋梁,男,1983年生,博士研究生,研究方向为计算机图形学、虚拟现实;聂俊岚,女,1964年生,博士,教授,研究方向为虚拟现实;王艳芬,女,1982年生,硕士,助理实验师,研究方向为虚拟现实、计算机图形学;孔令富,男,1957年生,博士生导师,教授,研究方向为计算机智能控制、机器视觉.空天一体化视景仿真关键技术研究郭栋梁,聂俊岚,王艳芬,孔令富(燕山大学信息科学与工程学院,河北秦皇岛066004)E m ai:l dong li an g1005@摘 要:针对空天场景中仿真实体坐标系难以组织,通过研究空天场景坐标系的一般关系树,提出基于V ega Pr i m e 的坐标系关系树组织结构;通过设计观察目标到视点距离和视域远近裁减面的函数对应关系,解决了空天场景中由于实体尺寸差别悬殊带来的展现失真问题;对气象环境加入区域约束,根据视点位置确定当前气象环境效果,实现空天场景多环境的展现.设计K T SG 系统,实现了空天一体化场景的逼真显示.关键词:空天一体化;视景仿真;多坐标系管理;多气象环境中图分类号:T P391 文献标识码:A 文章编号:1000 1220(2010)11 2255 05Research on K ey T echnologies of Scene Si m ulation AboutA erospace IntegrationGU O D ong liang,N IE Jun lan ,W ANG Y an fen ,KONG L ing fu(In f orma tion Science and En gi n eeri ng In stit u te,Yanshan Un iversity,Q i nhuangdao 066004,Ch i n a )Abstrac t :A no ve l organizati o na l structure o f coo rd i nate s h i e rarch ical tree t ha t base on V ega P ri m e w as propo s ed ,ai m i ng a t o rg an i z i ng the si m ulation entities i n aero s pace .A nov e l functi o n w as desi gned ,w h i ch is com po sed o f t he d istance bet w een targ et and o b serv er ,t he near c li ppi ng p l ane ,and t he far cli pp i ng plane .Succe ssfull y preven t the prob le m o f d is p l ay d isto rti on .The m ulti env iro n m ents w ere disp l ayed i n aero space scene ,buil ding on addi ng reg ion re str i c t to m eteo ro log i ca l env i ron m en.t Currentm eteo ro log i ca l en v i ron m ent w as cho se acco rd i ng t o t he po siti on o f v ie w er .K T S G syste m w as designed ,ex ac tl y d isplay i ng t he s pace scene .K ey word s :aero s pace i nteg ra tion ;scene si m ulati on ;m u lti coo rdi na t e sm anagem en ;t m ulti m eteo ro l og i ca l env iron m ent1 引 言空天场景是包含航天平台、临近空间平台、航空平台和地面环境一体化结合的三维场景,具有范围广、气象环境多样、实体描述复杂等特点.有效地组织三维空天场景,实现不同空间平台实时逼真地展现,在空间探测、空天虚拟战场仿真、三维游戏等方面都有着极其重要的研究意义.作为M u lti g en Parad i gm 公司推出的支持面向对象技术的实时视景驱动软件,V eg a P ri m e 具有展现效果逼真、配置灵活、扩展模块丰富等特点,在航空航天、虚拟战场、工业仿真等诸多领域得以广泛地应用.对于空间局部区域的视景仿真,使用其自带的场景配置工具L ynx P r i m e 就能很容易地实现.然而,由于空天场景的特点,V ega Pr i m e 实现空天视景仿真会遇到如下问题:1)描述仿真实体的坐标系各式各样.例如卫星等航空飞行器一般使用地心惯性坐标系,飞机等近地飞行器一般使用大地坐标系,而车辆、房屋等地面物体使用的却是当地坐标系.多种坐标系难以管理.2)实体尺寸比例相差很大,如卫星、飞机尺寸等只有米数量级,而地球半径、卫星轨道半径都在数千公里甚至更高数量级,不考虑尺寸因素会产生定位精度问题和Z fighting 现象;3)场景范围广,气象环境复杂,同一场景下不同区域不同环境的展现效果难以很好地展现,难以实现多角度、全方位观察整个空天场景.目前对于近地平台,只对局部区域进行视景仿真[1 3];对于航天、临近空间等单一平台,通常采用非真实比例,即缩小地球和卫星半径尺寸比例进行视景仿真[4 5].无法满足既包含航空平台、临近空间平台、航天平台、又包含局部精细地形区域的空天一体化真实场景的视景仿真要求.本文从多坐标系管理、视域远近裁剪面控制和多气象环境管理等方面入手,研究如何在V ega Pr i m e 中实现真实比例、高逼真度的空天场景展示.2 空天场景下多坐标系管理三维场景通常采用对笛卡尔坐标系进行平移、旋转、缩放等操作来组织场景图[1],而对于空天三维场景,一部分仿真实体的位置和姿态使用笛卡尔坐标系进行描述,而其他许多仿真实体是在大地等地理坐标系中进行描述的[6,7].通过对空天仿真实体定位方式的研究,总结空天场景坐标系之间的关系,如图1所示,图中椭圆表示各种不同的坐标系,大写字母表示不同坐标系下的转换矩阵.实体本体坐标系是真正绘制实体三维模型的坐标系;实体轨道坐标系是指环绕行星质心做规则周期运动实体所在坐标系,在其坐标系下描述的实体对应卫星、临近空间飞行器等运动有规律的实体;地心固定坐标系下的描述实体主要对应与实体轨道坐标系下相类似、只是参考坐标系不同的实体;大地坐标系下描述的实体对应飞机、近程导弹、局部地形等近地实体;当地坐标系则描述以某个地理位置点做参考的实体,如局部地形下的车辆、建筑等;而行星惯性坐标系一般在日心黄道坐标系下进行描述.图1 空天场景多坐标系关系树F i g.1M ulti sy ste m s h i erarch ies i n s pace scene在V ega P r i m e中,可以定义四种类型的坐标系:当地坐标系、大地坐标系、地心固定坐标系和投影坐标系[8][9].由于V ega Pr i m e是针对近地视景仿真,其本身提供的坐标系描述不足以支持整个空天场景的生成,必须进行坐标系扩展.描述地球表面场景可视化,V ega P ri m e采用地心固定坐标系为场景的根节点,然后再进行地理坐标系和当地坐标系的转换.在场景图中,实体本体坐标系越靠近根节点,矩阵计算误差越小,尤其是大范围场景中更要考虑这个因素.由于空天场景中大部分仿真实体是在以地球为中心的坐标系或大地坐标系下定位的,为了降低坐标转换带来的精度误差,所以采用以地心固定坐标系为空天场景的根节点,对图1的组织形式进行转变,得到图2以地固坐标系为根节点的空天场景组织关系图.图2 以地固坐标系为根的空天场景组织关系F i g.2Space scene o rg an iza ti on w ho seroo t is eart h fixed co ordi na t e sy ste m如图2所示,只需求得日心黄道坐标系到地心惯性坐标系的转换矩阵A的逆矩阵A^( 1),以及地心惯性坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵C的逆矩阵C^( 1)作为新关系树的转换矩阵,完成以地心固定坐标系为根节点的关系树的转换.对于大地坐标系这种直接与地球模型相关的地理坐标系,在V ega P ri m e中通过设定参考地球模型获得vpC oo rdSy s 对象,从而根据此对象获得地心固定坐标系到大地坐标系的坐标转换器v p C oo rdC ov erter对象.对于大地坐标系下的仿真实体vp O bjec,t只要设定其坐标转换器为此vpC oo rdC ov erter 对象,就可以以(经度,纬度,海拔,偏航角,俯仰角,滚动角)的地理位姿形式来描述仿真实体的运动.绘制时,场景图内部会自动地对其进行坐标转换矩阵F,从而实现笛卡尔坐标系与地理坐标系之间的转换.具体创建和使用vpC oo rdC ov erter 的方法如下://创建地球模型vpC oo rdSy s::E lli pso i d*m_E lli p s o i d=new v p C o o rdSy sEllips o i d("K TE art h",EARTH_SE M I M A J OR,EARTH _SE M I M I NOR);m_E lli p s o i d >ref();//通过m_E lli pso i d创建大地坐标系的vpC oo rdSy s对象vpC oo rdSy s*m_G eo de tic=new vpCo o rdSy s(v p C o o rdSy s::TY PE_GEO DET IC,m_E lli pso id);m_G eodeti c >re f();//通过m_Ellips o i d创建地心固定坐标系的vpC oo rdSy s 对象vpC oo rdSy s*m_G eocentr i c=new vpCoo rdSy s(v p C o o rdSy s::TY PE_GEO CENTR I C,m_E llipso i d);m_G eocentr i c >ref();//初始化大地坐标系转换器vpC oo rdCo nv erter*m_G eo de ti cC ov=ne w vpCo ord C onv erter();m_G eodeti cC ov >ref();m_G eodeti cC ov >s e t Co o rdSy s(m_G eo de tic);//初始化地心固定坐标系转换器vpC oo rdCo nv erter*m_G eocentricC ov=ne w vpCo ord C onv erter();m_G eocentr i cC ov >ref();m_G eocentr i cC ov >se t Co ordSy s(m_G eo centr ic);//初始化地心惯性坐标系的v p T ransfo r mvpT ransfor m*m_G eoCenInerT ran s=ne w vpT ran sfo r m ();m_G eoC enInerT rans >re f();//设置场景根节点m_Scene为地心固定坐标系形式m_Scene >se t Coo rd C onver t e r(m_G eo cen tricCo v);//建立地心固定坐标系和地形惯性坐标系的从属关系m_Scene >add C hil d(m_G eoC enInerT ran s);//设定场景中实体对象a irplane为大地坐标系描述形式的方法m_Scene >add C hil d(a irp l ane);a irp l ane >set C oo rdC onverter(m_G eodeticCo v);3 视域远近裁剪面控制大规模场景精确显示必须解决两个问题,一是如何提高2256 小 型 微 型 计 算 机 系 统 2010年三维场景中物体定位的精度,二是如何提高深度检测的准确性.在三维场景中,对于获得高精度的物体位姿数据,可以通过减少矩阵转换操作和采用高精度数据类型来实现[10].通过对空天场景下多坐标系的管理,采用以地固坐标系为根结点的空天场景组织关系,可以相应地减少矩阵转换操作,获得较高精度的物体位姿数据.此外,V eg a Pr i m e 较之前身V ega 在数据类型上进行了改进,采用更为精确的64位双精度浮点型数据类型,从而进一步提高了矩阵操作计算结果的精度.图3 大尺寸地球模型产生的Z fighti ng 现象F ig .3Z f i ghti ng caused by b i g ger earth m o de l 目前主流计算机最多支持32位的深度缓存,即对于三维场景而言,以视域远、近裁剪面为两端的深度值数据最多支持232个量化单位,而且随着远离视点,量化单位表示的距离是越来越大的.对空天一体化真实视景仿真,不仅要对大尺寸实体进行全局显示,也要对小尺寸实体进行局部特写.如果没有对视域近裁剪面的N ear 值和远裁剪面的F ar 值进行合理设置,就会出现用户不可容忍的失真效果[11]:若N ear 值很小而Far 值很大,就会使得绘制到同一屏幕像素上的面片深度检测不准确,出现如图3所示Z f i ghti ng 现象;若N ear 值很大且Far 值也很大,则大尺寸的物体不会出现Z fighti ng 现象,但是小尺寸的近处物体却会跑到近裁剪面之外,出现如图4所示部分"拦断",甚至全部看不到的现象.所以必须针对视点位置动态调整视域的远近裁剪面的值,更好地利用32位的深度量化级.图4 N ear 值太大出现的"拦断"现象F i g.4"blo ck"caused by larg er N ear nu m b l er 通过研究,发现空天场景具有以地球为中心,地球表面和星空为场景绘制背景,仿真实体作为场景单元嵌入其中,且运动位置在地球半径数量级以下的特点.通过设定不同的Near 、F ar 值和观察物体的尺寸进行试验还得出:以10米为N ear 值的话,F ar 值取地球直径(约1.3万公里)不会出现Z fi gh ting 现象且能满足对局部小尺寸实体进行特写的要求;以2000米为N ear 值的话,F ar 值取太阳系直径(约120亿公里)不会出现Z f i gh ting 现象,而且在这个范围内(2000米以上)小尺寸实体实际不需要局部精细表现.由此,采用式1建立观察目标到视点的距离d 和N ea r 、F a r 值的函数关系.其中m i n N 和m ax N 分别为实验得到的最小、最大N ea r 值(m i n N =10,m ax N =2000),ED 为地球直径,SD 为太阳系直径.当观察目标到视点的距离d 落在m i n N 和m ax N 之间时,为最大限度满足可视化范围和逼真度,使用等比例公式视域的远近裁剪面.在场景帧更新阶段,通过式1实时计算视域N ea r 、F a r 值,能很好地避免大尺寸实体的Z f i gh ting 现象和小尺寸实体的"拦断"现象,实现空天场景的高精度、大范围显示.图5 远处地球星空背景和近处实体同时展现的效果F ig .5E ffec ts s how ed by backg round o f starry sky i ni n fi n ity and entities in near d istance图5展现了合理确定N ea r 、F a r 以后,近处物体、远处地球和星空背景的展现效果.N ear =m i n N ,Fa r =ED:(d <m i n N )N ear =d,F a r =(m ax N -d ) S D +ED (d -m i n N )m ax D -m in D :(m in N !d !m ax N )N ear =m ax N,F a r =S D :(d >m ax N ea r )(1)4 多气象环境管理在视景仿真可视化中,支持气象环境效果对于增强三维沉浸感尤为重要.空天一体化场景不像局部场景那样只关注某一种气象环境的展现,而是关注对整个地球范围内不同区域的不同气象环境的展现.使得观察者不仅能动态了解不同空天仿真实体运行状态,还能真实感受其所处的自然环境.V eg a P ri m e 使用观察者绑定的方式实现环境效果的绘制,其vpEnv 模块对环境效果信息进行了封装,不仅可以定义展现环境的时间、地理位置、天空颜色等,而且作为环境管理者,vpEnv 还可以加载太阳、月亮、云层、风和雨等环境效果,通过合理设计和搭配,一个vpEnv 对象能够根据时间和所在225711期 郭栋梁等:空天一体化视景仿真关键技术研究位置,模拟出某一地点某时的真实环境展现.本文使用.star 格式的真实星体数据实现的星空效果作为空天场景的的默认环境.为了满足观察者进入不同区域表现不同的气象环境,设计了一个环境列表来组织管理不同的环境对象,并为列表中的环境对象设定其相应的展现区域,在场景运行时动态维护此环境列表.当每次帧更新时,通过判断视点所处的地理位置是否在某一个环境对象展现区域中,决定视点究竟与什么样的气象环境进行绑定.新设计的环境对象K TEnv类,继承自v p Env类,如下所示:classK T Env:pub lic vpEnv{doub l e m_M axL a,t m_M i nL a;t//纬度范围doub l e m_M axL on,m_M i nL on;//经度范围doub l e m_M axE le,m_M i nE l e;//高度范围public:boo l IsIn(v u V ec3d po s);//判断位置po s是否在该环境区域中};对于多视点多通道空天场景可视化的情况,其观察者(KTO b s e rv er)绑定环境(K TEnv)更新算法描述如下:(1)遍历K TO b s e rv er对象列表,如果遍历完成,退出,否则转入(2)处理;(2)通过大地坐标系的vpCo o rdCo ver t e r对象计算当前K TO bserver对象的经纬度海拔O bs LLA;(3)遍历K TEnv对象列表,如果遍历完成则转入S t ep1;否则转入(4)进行处理;(4)通过IsIn函数判断O bs L LA是否在当前KT Env对象区域中,如果为真转入(5);否则转入(6)进行处理;(5)如果K TO bserv er对象没有绑定任何KT Env对象,那么绑定当前K T Env对象于当前K TO bserver对象,并设置当前K TEnv对象的实际经纬度为此K TO bserv er对象的经纬度,然后转到(3)继续处理其他KT Env对象;否则直接转到(3);(6)如果当前K TEnv对象就是当前K TO b s e rv er对象绑定的环境对象,那么取消两者之间的绑定关系,然后转入(3)继续处理其他K TEnv对象;否则直接转到(3);通过上述算法,本文实现了多视点观察空天场景时,在地球上不同区域展现不同气象环境的效果.5 实验验证和生成效果采用本文对空天场景的组织和管理方法,在W i ndow s操作系统下的HP图形工作站上使用V C7.0和V ega P ri m e实现了K T S G(空天场景K ongT ian Scene G raph)可视化系统.使用地球、高精度局部地形、地面车辆、飞机、导弹和卫星等多种模型作为空天场景的三维可视化元素,模型尺寸完全使用真图6 空天场景可视化效果图F i g6Effects g raphics o f space scene v isuali za tion实比例,同时,场景中包含了粒子系统、三维动画等特殊效果和多种气象环境展现效果;为了多角度全方位展现整个空天场景,使用多视点多通道技术;同时,绘制帧率能保持在35帧/秒以上.K T SG系统的展现效果如图6所示.其中,通道1观察的是某一时间华北某地区月夜的气象环境;通道2观察的是同一时刻不同时区西北某地区白天飘雪的气象环境;通道3观察目标是一颗卫星载有多个传感器,对不同区域进行行扫的效果;通道4是以一颗卫星为观察目标显示整个地球和星空背景的效果.KT S G系统以一个统一、真实尺寸的场景多角度、全方位地展现了空天视景仿真效果.6 结论与展望本文对空天视景仿真的关键技术难点进行了分析并提出了有效地解决途径:1)获得空天场景坐标系组织的关系树,并研究其组织形式,设计出其改进后更适于空天视景仿真的关系树模型;2)设计观察目标到视点的距离和视域远近裁剪面的函数关系,有效解决实体尺寸悬殊时场景产生的失真现象; 2258 小 型 微 型 计 算 机 系 统 2010年3)设计了气象环境列表,对改进的环境对象类进行管理,根据视点所处环境区域动态展现区域气象环境,实现在地球上不同区域展现不同气象环境的效果.最后使用V ega P ri m e和VC7.0进行开发,实现了K T SG可视化系统,生成结果表明,该系统很好地展现了空天一体化场景效果,得到了预期的目标.随着航空航天技术的快速发展,空天视景仿真必然会成为虚拟现实领域研究的一个热点课题.今后,还需进一步研究空天场景三维可视化技术在分布式仿真中的应用,提高K T SG系统的实用性和通用性.R eferences:[1]Tang K a,i K ang Fen g j u,ZhaoW en ti n g,et a.l Gen eralv is uali zati on si m u l ati on d evel opm en t arch itecture[J].Journal o f Sy st e m S i m ulati on,2008,20(21):5752 5757.[2]H u C hun,T i an Ji n w en,M i ng De lie.C o ll abo rati ve d istri buted ocean attack d efen se scene si m u lati 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