osgEarth示例分析——osgearth_eci

前言

osgearth_eci示例，展示了J2000的天体坐标系和ECEF地固系的转换，绘制坐标系，以及读取卫星参数绘制卫星的功能。绘制卫星轨迹，添加差值效果和未添加差值的效果。

关于卫星两行根数的数据文件下载路径：CelesTrak: Historical NORAD Two-Line Element Sets

关于卫星两行根数的解释：CelesTrak: NORAD Two-Line Element Set Format

执行命令

// J2000ECI坐标系下绘制， --tessellate 开启差值功能。最好不要开启
osgearth_ecid.exe earth_image\world.earth --tle F:\osgData\Data\space\gps1-01.txt --tessellate

// 还可以通过 --maxpoints 1000 控制添加跟踪卫星的数量
osgearth_ecid.exe earth_image\world.earth --tle F:\osgData\Data\space\gps1-01.txt --maxpoints 1000 --tessellate

// ECEF地固系下 绘制，--tle 加载的文件，一定要写全路径，否则无法找到文件，即使放入系统环境变量也没用。
osgearth_ecid.exe earth_image\world.earth --tle F:\osgData\Data\space\gps1-01.txt --ecef --tessellate

效果

默认J2000ECI坐标系下绘制，此时设置时间为最终时间。共读取了4076条数据。

 在ECEF地固坐标系下绘制，此时设置时间为最终时间。共读取了4076条数据。如果代码中app.trackDrawable->load(app.true);参数设置为true，就会出现这种效果。

 在ECEF地固坐标系下绘制，此时设置时间为最终时间。共读取了4076条数据。限制绘制100条的情况。如果代码中app.trackDrawable->load(app.true);参数设置为true，就会出现这种效果。

 代码分析

1、J2000ECI坐标系：本例中，以地球为中心，Z轴指向北天极，X轴指向2000年1月1日中午12点的春分点，Y轴与Z、X成右手直角坐标系。所以定义J2000ECI坐标系时，需要定义时间。这个坐标系，是不会随着地球自转的。

2、ECEF地固坐标系：以地球质心为中心，Z轴指向北天极，X轴指向格林尼治天文台零度子午面与协议地球极赤道的交点，Y轴与Z、X成右手直角坐标系。这个坐标系是会随着地球自转而自转的。所以两个坐标系转换，需要乘以地球自转的旋转角矩阵，来实现转换。

3、卫星两行根数：跟据两行根数的各个内容，就可以计算出，卫星什么时候在什么坐标下，且速度、加速度等参数，都会有。

/**
 * Experiment with using a J2000/ECI reference frame as the root of the scene,
 * with the MapNode under an ECI-to-ECEF transform.
 * 尝试使用J2000/ECI参考帧作为场景的根，并在ECI到ECEF变换下使用MapNode。
 */
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define LC "[eci] "

using namespace osgEarth;
using namespace osgEarth::Util;
using namespace osgEarth::Symbology;
using namespace osgEarth::Annotation;
namespace ui = osgEarth::Util::Controls;

int
usage(const char* name, const char* msg)
{
    OE_NOTICE 
        << "\nUsage: " << name << " [file.earth]\n"
        << "     --tle     : Load a NORAD TLE file\n"		// 加载tle文件
        << "     --maxpoints    : Limit the track size to  points\n"		// 限制要绘制卫星的个数
        << "     --ecef              : View the track in ECEF space instead of ECI\n" // 在ECEF空间而不是ECI中查看轨迹。
        << "     --tessellate        : Add interpolated points to the track data\n"		// 向轨迹数据添加插值点
        << "\nDownload NORAD TLE files from https://www.celestrak.com/NORAD/archives\n\n" // 下载 NORAD TLE 文件地址
        << msg << std::endl;

    return 0;
}

// Reference time for the J2000 ECI coordinate frame 
// J2000 ECI坐标系的参考时间。起始时间为2000年1月1日中午12点整
static DateTime J2000Epoch(2000, 1, 1, 12.00);

// Transform that takes us from a J2000 ECI reference frame 
// to an ECEF reference frame (i.e. MapNode)
// 定义 从J2000ECI坐标系转到ECEF坐标系（地固系）的 转换矩阵
class J2000ToECEFTransform : public osg::MatrixTransform
{
public:
    void setDateTime(const DateTime& dt)
    {
        osg::Matrix matrix = createMatrix(dt);
        setMatrix(matrix);// 设置给父类
    }

	// 根据传入UTC时间，定义当前矩阵
    static osg::Matrix createMatrix(const DateTime& dt)
    {
        // Earth's rotation rate: International Astronomical Union (IAU) GRS 67
		// 地球自转率，即角速度
        const double IAU_EARTH_ANGULAR_VELOCITY = 7292115.1467e-11; // (rad/sec)

		// 都转化为儒略日时间，double类型
        double secondsElapsed = (double)(dt.asTimeStamp() - J2000Epoch.asTimeStamp());
        const double rotation = IAU_EARTH_ANGULAR_VELOCITY * secondsElapsed;// 时间*角速度，得到旋转角度
        
        osg::Matrix matrix;
        matrix.makeRotate(rotation, 0, 0, 1);
        return matrix;
    }
};

// Code to read TLE track data files from https://celestrak.com/NORAD
// 从TLE文件读取跟踪数据的代码
struct ECILocation
{
    DateTime timestamp;     // point time 运行在某个点的时间
    Angle incl;             // inclination 倾角
    Angle raan;             // right ascencion of ascending node 上升节点的右上升
    Distance alt;           // altitude	 高度
    osg::Vec3d eci;         // ECI coordinate ECI坐标系下的点位置
    osg::Vec3d ecef;        // ECEF coordinate  ECEF坐标系下的点位置

    void computeECIAndECEF()// 分别计算两个坐标系
    {
		// 根据从文件中获取的 raan incl alt ,计算eci
        eci =
            osg::Quat(raan.as(Units::RADIANS), osg::Vec3d(0, 0, 1)) *
            osg::Quat(incl.as(Units::RADIANS), osg::Vec3d(1, 0, 0)) *
            osg::Vec3d(alt.as(Units::METERS), 0, 0);
		
		// 根据时间获取转换矩阵
        osg::Matrix eci2ecef = J2000ToECEFTransform::createMatrix(timestamp);
        ecef = eci * eci2ecef;// 计算出ecef下坐标点
    }
};

// ECI跟踪
struct ECITrack : public std::vector
{
    // interpolate points for a smoother track
	// 差值，使得点连线更圆滑.此算法有问题！！！绘制效果特别差！！！
    void tessellate()
    {
		// 声明一个对象
        ECITrack newTrack;
        for(unsigned k=0; k(line1.substr(18, 2), 99);
            int year = year2digit > 50? 1900+year2digit : 2000+year2digit;
            double dayOfYear = osgEarth::as(line1.substr(20, 12), 0);
            loc.timestamp = DateTime(year, dayOfYear);

            // read ra/decl
            loc.incl.set(osgEarth::as(line2.substr(8,8),0), Units::DEGREES);
            loc.raan.set(osgEarth::as(line2.substr(17,8),0), Units::DEGREES);
            loc.alt.set(6371 + 715, Units::KILOMETERS);

            loc.computeECIAndECEF();
        }
		std::cout << "共解析数据条数：" << i << std::endl;
        OE_INFO << "Read " << track.size() << " track points" << std::endl;
        return true;
    }
};

// If the "global" coordinate system is ECI, you can put this transform
// under the MapNode (in ECEF space) to "revert" to that global ECI frame.
// Useful if you want to put ECI-space data under the MapNode.
// 如果“全局”坐标系是ECI，则可以将ECI坐标系变换放在MapNode（在ECEF空间中）下，
// 然后再“还原”到该全局ECI坐标系。
// 如果要将ECI空间数据放在MapNode下，则非常有用。
class ECIReferenceFrame : public osg::Group
{
public:
    ECIReferenceFrame()
    {
		// 关闭光照
        Lighting::set(getOrCreateStateSet(), osg::StateAttribute::OFF);
    }

	// 遍历
    void traverse(osg::NodeVisitor& nv)
    {
        osgUtil::CullVisitor* cv = Culling::asCullVisitor(nv);
        if (cv)
        {
            const osg::Camera* cam = cv->getRenderStage()->getCamera();
			// 添加模型视口矩阵
            cv->pushModelViewMatrix(new osg::RefMatrix(cam->getViewMatrix()), osg::Transform::ABSOLUTE_RF);
            osg::Group::traverse(nv);
            cv->popModelViewMatrix();// 再移除该矩阵
        }
        else osg::Group::traverse(nv);
    }
};

// Loads up an ECITrack for display as a series of points.
// 加载ECITrack以显示为一系列线/点。对LineDrawble类不太熟悉
class ECITrackDrawable : public LineDrawable //public PointDrawable
{
public:
    ECITrackDrawable() : LineDrawable(GL_LINE_STRIP)
    {
        Lighting::set(getOrCreateStateSet(), 0);
        //setPointSmooth(true);
        //setPointSize(4.0f);
    }

	// 通过 滑块 设置时间
    void setDateTime(const DateTime& dt)
    {
		// getVertexAttribArray(); 属于爷爷类的方法
		// 获取到当前顶点的时间
        osg::FloatArray* times = dynamic_cast(getVertexAttribArray(6));
        unsigned i;
        for (i = 0; i < getNumVerts(); ++i)
        {
            if (dt.asTimeStamp() < getVertexAttrib(times, i))// getVertexAttrib() 父类方法
                break;
        }
        setCount(i);
    }
    
	// 加载 track 列表的所有数据
    void load(const ECITrack& track, bool drawECEF)
    {
        osg::FloatArray* times = new osg::FloatArray();
        times->setBinding(osg::Array::BIND_PER_VERTEX);
        setVertexAttribArray(6, times);// 调用爷爷类的方法

        osg::Vec4f HSLA;// 颜色变量
        Color color;

		// 循环处理每一个卫星
        for(unsigned i=0; iallocate(6);

	// X轴
    d->setVertex(0, osg::Vec3(0,0,0));
    d->setColor(0, osg::Vec4(1,0,0,1));
    d->setVertex(1, osg::Vec3(R,0,0));
    d->setColor(1, osg::Vec4(1,0,0,1));

	// Y轴
    d->setVertex(2, osg::Vec3(0,0,0));
    d->setColor(2, osg::Vec4(0,1,0,1));
    d->setVertex(3, osg::Vec3(0,R,0));
    d->setColor(3, osg::Vec4(0,1,0,1));

	// Z轴
    d->setVertex(4, osg::Vec3(0,0,0));
    d->setColor(4, osg::Vec4(0,0,1,1));
    d->setVertex(5, osg::Vec3(0,0,R));
    d->setColor(5, osg::Vec4(0,0,1,1));

	// 坐标轴宽度
    d->setLineWidth(10);
    return d;
}

// Application-wide data and control structure
// 应用程序范围的数据和控制结构
struct App
{
    DateTime start, end;	// 时间
    HSliderControl* time;	// 时间滑块
    LabelControl* timeLabel;// 时间标签
    SkyNode* sky;			// 深空节点
    J2000ToECEFTransform* ecef;	// 坐标系转换矩阵
    osg::Group* eci;
    ECITrackDrawable* trackDrawable;// ECI跟踪绘制
    ECITrack track;				// J2000坐标系下卫星数据列表

    App() 
    {
        trackDrawable = 0L;
        start = J2000Epoch;// 设置为J2000坐标系的开始时间
        end = start + 24.0; // 初始设置时，必须保证start和end保持间距，且start < end
    }

	// 通过滑块设置时间
    void setTime()
    {
		// 获取最新时间
        DateTime newTime(time->getValue());

        if (sky)
            sky->setDateTime(newTime);

		// 如果是地固系，则需要根据时间旋转坐标系
        if (ecef)
            ecef->setDateTime(newTime);

        if (trackDrawable)
            trackDrawable->setDateTime(newTime);

		// 设置时间的显示
        timeLabel->setText(newTime.asRFC1123());
    }
};

// 将app.setTime 设置到这个宏定义中，之前其他例子有涉及到此宏定义的用法
OE_UI_HANDLER(setTime);


int
main(int argc, char** argv)
{
    osg::ArgumentParser arguments(&argc,argv);
    if ( arguments.read("--help") )
        return usage(argv[0], "");

	// 声明app变量
    App app;

    // Read in an optiona TLE track data file
	// 读取TLE文件获取数据
    std::string tlefile;
    if (arguments.read("--tle", tlefile))
    {
		// 读取并解析卫星数据，到app.track列表中
        TLEReader().read(tlefile, app.track);
        if (!app.track.empty())
        {
            int maxPoints;
            if (arguments.read("--maxpoints", maxPoints) && app.track.size() > maxPoints)
                app.track.resize(maxPoints);// 是否需要调整vector空间大小
			if (arguments.read("--tessellate")) {// 是否开启差值功能。最好不要开启，算法有点问题
				app.track.tessellate();
				std::cout << "开启差值功能 tessellate" << std::endl;
			}
            app.start = app.track.front().timestamp;// 设置开始时间
            app.end   = app.track.back().timestamp; // 设置结束时间
        }
    }

    osgViewer::Viewer viewer(arguments);
    viewer.setCameraManipulator( new EarthManipulator(arguments) );

	bool drawECEF = arguments.read("--ecef");

    ui::VBox* container = new ui::VBox();
    container->setChildSpacing(3);
	// 根据是否为ECI坐标系，更改标题
	if (drawECEF) {
		container->addControl(new ui::LabelControl("ECEF COORDINATE SYSTEM EXAMPLE", Color::Red));
	}
	else {
		container->addControl(new ui::LabelControl("ECI COORDINATE SYSTEM EXAMPLE", Color::Yellow));
	}

    // UI control to modify the time of day.
    ui::HBox* h = container->addControl(new ui::HBox());
    h->addControl(new ui::LabelControl("Time:"));
    app.time = h->addControl(new HSliderControl(
        app.start.asTimeStamp(), app.end.asTimeStamp(), app.end.asTimeStamp(),
        new setTime(app)));
    app.time->setWidth(500);// 500宽度太大了，修改小一些，也没有起作用，注释带此行，也没啥变化。
    app.timeLabel = container->addControl(new LabelControl());

    // Load an earth file  
    osg::Node* earth = MapNodeHelper().load(arguments, &viewer, container);
    if (earth)
    {
        // New scene graph root
        osg::Group* root = new osg::Group();

        // First create a Sky which we will place in the (default) ECI frame.
        SkyOptions skyOptions;
		if (drawECEF) {
			// 不太确定这里的 skyOptions.coordinateSystem() 设置为 COORDSYS_ECEF,是否正确，但运行效果没问题。
			skyOptions.coordinateSystem() = SkyOptions::COORDSYS_ECEF;// 地固坐标系
			std::cout << "ecef 坐标系" << std::endl;
		}
		else {
			skyOptions.coordinateSystem() = SkyOptions::COORDSYS_ECI;// 深空坐标系
			std::cout << "eci 坐标系" << std::endl;
		}
        app.sky = SkyNode::create(MapNode::get(earth));// 创建深空节点
        app.sky->attach(&viewer);
        app.sky->getSunLight()->setAmbient(osg::Vec4(0.5,0.5,0.5,1.0));// 环境光
        root->addChild(app.sky);
        
        // A special transform takes us from the ECI into an ECEF frame
        // based on the current date and time.
        // The earth (MapNode) lives here since it is ECEF.
        app.ecef = new J2000ToECEFTransform();// 坐标系转换
        app.sky->addChild(app.ecef);
        app.ecef->addChild(earth);// 将地球节点加入到坐标转换矩阵中
        
        // This group holds data in the ECI frame.
        app.eci = new ECIReferenceFrame();
        app.eci->addChild(createECIAxes());// 添加坐标轴
        MapNode::get(earth)->addChild(app.eci);

        // Track data
        if (!app.track.empty())
        {
            app.trackDrawable = new ECITrackDrawable();

            if (drawECEF)// 地固系，绘制连线
            {
                app.trackDrawable->load(app.track, false);// 如果设置为true，则会出现很多杂乱的线
                MapNode::get(earth)->addChild(app.trackDrawable);
				std::cout << "ecef 坐标系" << std::endl;
            }
            else // J2000坐标系，不绘制连线
            {
                app.trackDrawable->load(app.track, false);// 如果设置为true，则会出现很多杂乱的线
                app.eci->addChild(app.trackDrawable);
				std::cout << "eci 坐标系" << std::endl;
            }
        }

        viewer.realize();
        app.time->setWidth(viewer.getCamera()->getViewport()->width()-40);

        app.setTime();
        viewer.setSceneData(root);
        viewer.run();
    }
    else
    {
        return usage(argv[0], "Bad earth file");
    }

    return 0;
}