基于osgEarth的空间态势三维场景视点控制与卫星轨道绘制

基于osgEarth的空间态势三维场景视点控制与卫星轨道绘制

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一、问题的提出

osgEarth提供了全球地形的实时显示，同时实现了SkyNode类，可以向场景中加入太阳、月亮和星空背景的显示，因此基于osgEarth很容易构造空间态势系统。

对于空间态势而言，可以有两种随时间变化设置视点的方式。

一是将视点置于地固系中，这与一般的三维系统并无区别，即视点并不随时间而改变，而只是根据操作改变视点。此时随时间变化，地球固定不动，而太阳和星空背景随时间变化。SkyNode类有一个接口setDateTime，其作用是根据时间计算一个相应的旋转矩阵，应用到太阳和星空上。但是需要指出的是，该类的时间是格林威治时间，当我们开发基于北京时间的系统时，需要对该时间进行换算。

二是将视点置于惯性系中，这是一般态势系统无需考虑的。相当于视点在太阳系中某个位置固定，而非在地球的坐标系中固定。此时， 太阳和星空位置基本不动，但地球在自转。
除地球自转与否之外，更重要的是空间态势中卫星轨道的显示问题。为增强真实感或表现卫星运动趋势，空间态势系统中往往会显示卫星的轨道。通常我们所说的卫星轨道面，实际上是存在于惯性系中的，如果在某个固定时刻观察，轨道上的采样点并不处于同一平面之上。即如果在地固系下观察，卫星轨道上任一个点是与某个时间点相关的。在目前的STK版本中，三维场景的视点是在惯性系下的，可以看到卫星的轨道为平面封闭圆。在STK的二维场景中，通过投影方式设置，可以以类似三维的方式呈现，此时视点在地固系下，但其速度是非常慢的。

而很多空间态势系统在视点处理问题上，往往采用地固系视点，而要实现地球自转效果，则只是运用传统的图形学技术，让视点以一定速度绕地球旋转或旋转场景，在卫星轨道的显示方面，也往往不够准确。

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二、视点控制方法

系统中地球以及各种实体的位置都是定义在地固系下的，场景的绘制也是基于地固系进行的。

如果视点置于地固系，并不需要特别控制视点，如果视点置于惯性系，则控制方法如下：
（1）实现一个Timer，在其中进行视点随时间的控制；
（2）根据上一个仿真时间，计算视点对应的惯性系坐标；
（3）计算当前仿真时间时，该惯性系坐标对应的地固系坐标；
（4）将该地固系坐标设置为当前视点。

QDateTime st = _lastDateTime;	
st = st.addSecs(-3600 * 8);
osg::Matrix mat = createJ2000ToECEFMatrix(DateTimeQt2Earth(st));
mat.invert(mat);
osgViewer::Viewer* viewer = _osgWidget3D->getOsgViewer();
osgEarth::Viewpoint vp = (osgEarth::Util::EarthManipulator*)viewer->getCameraManipulator())->getViewpoint();
osg::Vec3d p0;
vp.focalPoint()->toWorld(p0);
p0 = mat * p0;
st = simTime;
st = st.addSecs(-3600 * 8);
mat = createJ2000ToECEFMatrix(DateTimeQt2Earth(st));
p0 = mat * p0;
osgEarth::GeoPoint ppp;
ppp.fromWorld(MapNode::get(_mapNode)->getMapSRS(), p0);
vp.focalPoint() = ppp;
((osgEarth::Util::EarthManipulator*)viewer->getCameraManipulator())->setViewpoint(vp);

在上述逻辑中，createJ2000ToECEFMatrix计算惯性系到地固系的旋转矩阵，虽然精确计算卫星轨道时需要考虑岁差、章动和极移，但此时仅仅为了态势显示中的控制，单纯考虑地球自转的角度即可。

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三、卫星轨道绘制

在地固系下的卫星轨道显示非常简单，预推一定时间范围的卫星轨道采样点，然后采用GL_LINE_STRIP生成primitive即可。

惯性系下的卫星轨道采用如下技术：
（1）卫星轨道采用惯性系下的采样点（对应星历时间的轨道数据）；
（2）使用一个完整的轨道周期数据，当仿真时间超出当前轨道数据对应的时间范围时，根据当前时间重新预推；
（3）绘制时根据当前时间，计算卫星星历时间到当前时间的变换矩阵，基于该矩阵绘制。

class movingObjectShow3D :public osg::Group{
public:
	……
	osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform>	_trajectoryTransform;
	osg::ref_ptr<osg::Geode>	_trajectory;
	osg::ref_ptr<osg::Geometry>	_trajectoryGeometry;}

绘制类定义如上所示，其中trajectoryTransform定义了变换矩阵，绘制的几何体是该矩阵的子节点。

QDateTime st = Application::_simCurrentTime;
st = st.addSecs(-3600 * 8);
SatelliteLib::Astro::AstroDateTime at;
QDateTime2DateTime(st, at);
CMatrix3D mats[4];
Application::_astroInterface->QueryCRFtoTRFMats(at, mats);
CMatrix3D mat = mats[0] * mats[1];
osg::Matrix omat;
omat.set((double*)mat.m_mat);
_trajectoryTransform->setMatrix(omat);

在场景中的每一帧，矩阵更新代码如上所示。

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四、效果

上图为地固系下的场景，可以看出，此时卫星轨道并不位于同一平面上。

上图为惯性系下的场景，此时卫星轨道闭合且处于同一平面上。同时，在视点控制方式改变时，卫星当前位置与地球的位置关系是固定的、准确的。