基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的GPS仿真系統(tǒng)的研究

1、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的GPS仿真系統(tǒng)的研究虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，簡稱VR）是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，由計(jì)算機(jī)生成具有三維空間的虛擬環(huán)境，用戶在此環(huán)境中利用特殊裝置，以最自然的方式與環(huán)境交互，操作和控制環(huán)境，從而產(chǎn)生身臨其境的效果。它可以將一系列的物理模型、數(shù)據(jù)結(jié)果動態(tài)、以逼真的三維圖形展示出來。由于其直觀、準(zhǔn)確、清晰的特點(diǎn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系統(tǒng)）是一種能夠在全球范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)，最早是為陸?？杖箢I(lǐng)域提供實(shí)時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一

2、些軍事目的。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，GPS逐漸開始應(yīng)用于人們的生活中，如車輛定位、防盜、反劫、行駛路線鍵控及呼叫指揮等。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于GPS系統(tǒng)中，建立三維衛(wèi)星系統(tǒng)仿真模擬及相關(guān)分析。航天器實(shí)時監(jiān)控人員、航天器軌道設(shè)計(jì)分析人員、GPS測量人員以及GPS原理教學(xué)與學(xué)習(xí)人員能夠方便直觀的觀察分析衛(wèi)星運(yùn)行情況，對進(jìn)一步加快導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。1GPS系統(tǒng)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是以全球24顆定位人造衛(wèi)星為基礎(chǔ)，向全球各地全天候的提供三維位置、三維速度等信息的一種無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GPS的前身是美國軍方研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Transit），該系統(tǒng)用5到6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天

3、最多繞過地球13次，無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。為此，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）提出了名為Tinmation的用12到18顆衛(wèi)星組成10000km高度的全球定位網(wǎng)計(jì)劃，這是GPS精度定位的基礎(chǔ)。1988年又進(jìn)行了最后一次修改：21顆工作星和3顆備用星工作在互成60度的6條軌道上。如圖1所示，為GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。它由三部分構(gòu)成，一是地面控制部分，由主控站、地面天線、監(jiān)測站及通訊輔助系統(tǒng)組成，保證時間同步并對衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤。二是空間部分，由分布在6個軌道平面上的24顆衛(wèi)星、廣播L1、L2衛(wèi)星軌道、時間數(shù)據(jù)及輔助資料信息。三是用戶裝置部分，由GPS接收機(jī)和衛(wèi)星天線組成能夠捕獲到按一

4、定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并進(jìn)行定位于導(dǎo)航。24顆衛(wèi)星的空間位置是已知的，通過測量已知衛(wèi)星到用戶接收器之間的距離，然后綜合3顆衛(wèi)星得到的位置數(shù)據(jù)組成3個方程式，便可以得出觀測點(diǎn)即用戶的位置?？紤]到衛(wèi)星的時鐘與接收機(jī)時鐘之間的誤差，再引入第4顆衛(wèi)星，形成四個方程式，便能得到觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。x、y、z為待測點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)，vt為接收機(jī)的鐘差，di=cti為衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離，ti為各衛(wèi)星的信號到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時間，c為GPS信號的傳播速度。x1-x2+y1-y2+z1-z212+cvt1-vt0=d1x2-x2+y2-y2+z2-z212+cvt2-vt0=d2x3-x2+y3-

5、y2+z3-z212+cvt3-vt0=d3x4-x2+y4-y2+z4-z212+cvt4-vt0=d4GPS在道路工程中能夠用于建立各種道路工程控制網(wǎng)及測定航測外控點(diǎn)等，無需通視，可構(gòu)成較強(qiáng)的網(wǎng)形，提高點(diǎn)位精度，同時對于檢測常規(guī)測量的支點(diǎn)也非常有效。隨著GPS對民間的開放，它越來越多的融入到人們生活的方方面面，其中三維導(dǎo)航作為GPS的首要功能，可以幫助飛機(jī)、輪船、車輛甚至行人進(jìn)行導(dǎo)航。除了用于導(dǎo)航、定位、測量外，還可以傳送精確的時間和頻率信息，獲得氣象數(shù)據(jù)，為某些實(shí)驗(yàn)和工程服務(wù)。2設(shè)計(jì)思路考慮到實(shí)驗(yàn)條件的限制，本系統(tǒng)主要是基于PC機(jī)的桌面式GPS仿真系統(tǒng)，模擬衛(wèi)星在軌道運(yùn)行的情況并進(jìn)行簡單

6、的數(shù)據(jù)分析，通過輸出工具如鼠標(biāo)、鍵盤、數(shù)據(jù)手套等實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的目的。如圖2所示為該系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)圖，GPS仿真系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，分別是數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊以及運(yùn)行窗口部分，前兩個模塊都是為了最后一個模塊服務(wù)的。通過帶有衛(wèi)星信息的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理部分，用戶在運(yùn)行窗口中不但能夠觀察到衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡，并對整個GPS仿真場景進(jìn)行平移、縮放、漫游等交互操作，還能載入常見的sp3格式的星歷、tle軌道歷書，通過輸入軌道參數(shù)能夠觀察到衛(wèi)星的運(yùn)行情況，同時能夠模仿實(shí)際衛(wèi)星的定位情況對虛擬用戶的位置進(jìn)行定位分析。圖2GPS仿真系統(tǒng)在本系統(tǒng)中，排除了外界環(huán)境對地球和衛(wèi)星的影響，包括大氣阻力、太陽輻射的壓力

7、，將地球看成一個內(nèi)部分布均勻的理想球體，衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)動看成嚴(yán)格準(zhǔn)遵循牛頓第二定律和開普勒定律，如圖3所示。圖3GPS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)1）牛頓第二運(yùn)動定律：物體加速度的大小跟物體受到的作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同，即F=kma（k為比例系數(shù)）。2）開普勒第一定律（也稱橢圓定律）：每一個行星都沿各自的橢圓軌道環(huán)繞太陽，而太陽則處在橢圓的一個焦點(diǎn)上。開普勒第二定律（也稱面積定律）：在相等時間內(nèi)，太陽和運(yùn)動中的行星的連線（向量半徑）所掃過的面積是相等的。這一定律實(shí)際揭示了行星繞太陽公轉(zhuǎn)的角動量守恒。用公式表示為：SAB=SCD=SEK。開普勒第三定律（也稱周期定律）：

8、指饒以太陽為焦點(diǎn)的橢圓軌道運(yùn)行的所有行星，其橢圓軌道半長軸的立方與周期的平方之比是一個常量。用公式表示為：k=a3T2，其中K=GM42，a是行星公轉(zhuǎn)軌道半長軸，T是行星公轉(zhuǎn)周期，M為中心天體的質(zhì)量?；谝陨戏治觯摲抡嫦到y(tǒng)有兩部分設(shè)計(jì)對象：虛擬實(shí)體對象和虛擬環(huán)境對象。虛擬實(shí)體對象主要包括地球、衛(wèi)星以及地面的控制部分和用戶，其中還涉及到地球的自傳和衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)等動態(tài)對象；虛擬環(huán)境對象是地球衛(wèi)星運(yùn)行所處的環(huán)境，一般是靜態(tài)的，這使得地球和衛(wèi)星運(yùn)動過程中有一定的參照大環(huán)境，同時也增加了虛擬現(xiàn)實(shí)的表現(xiàn)力。3設(shè)計(jì)與開發(fā)3.1虛擬場景建模近年來，隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高以及人們對事物直觀、準(zhǔn)確、清晰的需求，

9、三維建模越來越多的被應(yīng)用于生產(chǎn)制造中，三維建模軟件隨之大量涌現(xiàn)。但是目前主流的三維建模軟件國內(nèi)主要有SolidWorks、UG、PROE，國外有3dsMax、Maya、AutoCAD等，而能對模型進(jìn)行后期處理功能的方式也有多種，如中視典的VRP、Virtools、OpenGL、VRML等。3Dsmax廣泛應(yīng)用于游戲開發(fā)、視覺效果和設(shè)計(jì)行業(yè)等，功能強(qiáng)大，渲染速度快，插件豐富，支持多種相關(guān)軟件的不同類型文件的導(dǎo)入導(dǎo)出，如VRP、Virtools等。在綜合考慮了目前成熟的各類技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式、學(xué)習(xí)難易程度、開發(fā)成本和周期、軟件間的兼容問題后，為保證實(shí)現(xiàn)過程簡便易行，作品真實(shí)感、動態(tài)交互之間的適度平衡，

10、選擇了成本低、操作方便、功能強(qiáng)大的3DsMax軟件，先建立起地球、衛(wèi)星等三維模型，然后將模型導(dǎo)入兼容性好、壓縮率高、沉浸感好的VRP-BUILDER平臺進(jìn)行二次開發(fā)，建立虛擬環(huán)境對象和后期交互處理。3Dsmax的建模方法有基礎(chǔ)建模、復(fù)合對象建模、多邊模建模、面片建模、NURBS建模等，對于本系統(tǒng)中的模型主要采用了基礎(chǔ)模型結(jié)合其他幾種建模方法構(gòu)建地球、衛(wèi)星、主控站、汽車、移動設(shè)備等。本系統(tǒng)中因存在具有運(yùn)動行為的動態(tài)模型，所以需要針對不同的模型進(jìn)行行為建模。它是在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時，綜合考慮產(chǎn)品所要求的功能行為、設(shè)計(jì)背景和幾何圖形，采用知識捕捉和迭代求解的一種智能化設(shè)計(jì)方法。為了便于運(yùn)行過程中動態(tài)模型的仿

11、真，依據(jù)面向?qū)ο蟮慕７椒?，把模型看成對象，針對不同的運(yùn)動模型ID，編寫相應(yīng)的仿真運(yùn)行方法。3.2數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理3.2.1數(shù)據(jù)庫模塊數(shù)據(jù)庫的鏈接能夠?qū)崿F(xiàn)接收機(jī)數(shù)據(jù)的接收和存取，使得運(yùn)行場景更加逼真。為了減小工作量，縮短開發(fā)周期，選擇MicrosoftOffice中自帶的Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受和存取，即在VisualC+環(huán)境下采用Csocket類和Access2000數(shù)據(jù)庫開發(fā)實(shí)時信息顯示系統(tǒng)，采用SQL語言將接受數(shù)據(jù)存儲在Access2000數(shù)據(jù)庫中，并發(fā)送給虛擬仿真界面，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時信息顯示，系統(tǒng)還將通過獲取實(shí)時數(shù)據(jù)完成系統(tǒng)的仿真運(yùn)行。3.2.2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對地球自轉(zhuǎn)和衛(wèi)星

12、公轉(zhuǎn)等運(yùn)行場景的建立首先建立天球坐標(biāo)系，獲取衛(wèi)星及地球運(yùn)動位置的相關(guān)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確定位它們之間的位置關(guān)系。在構(gòu)建三維衛(wèi)星場景時，利用獲取到的衛(wèi)星的軌道參數(shù)和sp3格式存儲方式為ASCII的星歷文件，通過一定的算法，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星運(yùn)行軌道的繪制，并得到衛(wèi)星的當(dāng)前位置。星歷文件能夠提供衛(wèi)星的精確軌道位置，它包括表頭信息和文件體，文件體中每隔15min給出1個衛(wèi)星的位置，有時還會給出衛(wèi)星的運(yùn)行速度。實(shí)際結(jié)算中可以進(jìn)行精密鐘差的估計(jì)或內(nèi)插，以提高其可使用的歷元數(shù)。4結(jié)論該系統(tǒng)能夠通過非編程的方式建立了三維虛擬衛(wèi)星定位仿真系統(tǒng)，為用戶提供了一個實(shí)時交互的GPS平臺，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星地球運(yùn)行顯示、衛(wèi)星軌道參數(shù)顯示、星下點(diǎn)軌跡顯示、空間漫游、坐標(biāo)定位等功能，配合實(shí)時衛(wèi)星星歷等實(shí)時數(shù)據(jù)庫