基于觀察者模式的航天發(fā)射任務(wù)三維圖形仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三維圖形仿真領(lǐng)域，特別是航天發(fā)射任務(wù)中的火箭飛行過程仿真，適用于火箭自點(diǎn)火起至衛(wèi)星火箭分離的全過程。
【背景技術(shù)】
[0002]航天發(fā)射任務(wù)中使用三維圖形仿真展現(xiàn)運(yùn)載火箭的飛行狀態(tài)，并進(jìn)而完成對(duì)抽象測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)，是航天測(cè)控領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢(shì)。但國(guó)內(nèi)專門用于航天任務(wù)的三維仿真工具軟件卻并不豐富，且大多是由GIS系統(tǒng)衍生而來，滿足航天過程中地理信息展現(xiàn)的需要綽綽有余，卻很難滿足火箭飛行過程中各種關(guān)鍵要素的協(xié)同仿真要求，尤其不能統(tǒng)籌諸如飛行彈道、箭體姿態(tài)、關(guān)鍵動(dòng)作等要素，沒有成熟的航天發(fā)射任務(wù)軟件方法模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種航天發(fā)射三維仿真方法，實(shí)現(xiàn)多個(gè)仿真對(duì)象實(shí)體間的弱耦合，降低仿真對(duì)象間的互干擾風(fēng)險(xiǎn)，方法概括:發(fā)射過程中所有與時(shí)間相關(guān)的對(duì)象是觀察者，時(shí)間系統(tǒng)中的變量是被觀察者，當(dāng)被觀察者有變化時(shí)，觀察者根據(jù)變化情況調(diào)整自己的狀態(tài)。
[0004]為了滿足航天發(fā)射任務(wù)中國(guó)產(chǎn)自主可控三維圖形仿真需求，本發(fā)明提出一種基于觀察者模式的航天發(fā)射任務(wù)三維圖形仿真方法。其中，被觀察對(duì)象為時(shí)間系統(tǒng)，其他數(shù)據(jù)處理、場(chǎng)景部件動(dòng)作等事件均為觀察者，觀察者參照被觀察者的動(dòng)作進(jìn)行同步活動(dòng)，不同的觀察者之間互不影響，可以獨(dú)立進(jìn)行動(dòng)作。航天器以及天地設(shè)備與時(shí)間系統(tǒng)時(shí)刻保持一致，根據(jù)獲取時(shí)間系統(tǒng)的信息來確定航天器位置、飛行狀況、天地設(shè)備跟蹤等情況，實(shí)現(xiàn)了天(基)、地(基)、(航天)器的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案具體包括以下步驟:
[0006](I)構(gòu)建基于四叉樹分層切割的地理影像數(shù)據(jù)源，并以此為基礎(chǔ)創(chuàng)建三維場(chǎng)景。
[0007](2)構(gòu)建用于對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行讀取的、實(shí)現(xiàn)解析和控制時(shí)間相關(guān)模塊的模型解析與控制模塊，模型解析與控制模塊提供時(shí)間相關(guān)模塊的運(yùn)動(dòng)方式列表。
[0008](3)構(gòu)建為三維場(chǎng)景提供準(zhǔn)確時(shí)間軸的時(shí)間系統(tǒng)模塊，同時(shí)定時(shí)向外發(fā)布時(shí)間信息。
[0009](4)彈道數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊通過彈道數(shù)據(jù)的注冊(cè)時(shí)間信息，將彈道數(shù)據(jù)中的位置和速度信息轉(zhuǎn)化為火箭在三維場(chǎng)景中的位置與狀態(tài)。
[0010]具體地，所述步驟(2)中所述模型解析與控制模塊以注冊(cè)三維場(chǎng)景的時(shí)間信息的方式控制與時(shí)間相關(guān)模塊動(dòng)作。
[0011]具體地，所述彈道數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊能加載一條理論彈道，同時(shí)允許接收多條實(shí)時(shí)彈道數(shù)據(jù)。
[0012]更進(jìn)一步，所述時(shí)間相關(guān)模塊包括箭體位置、箭體姿態(tài)、關(guān)鍵飛行時(shí)序動(dòng)作、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、測(cè)量設(shè)備跟蹤情況、火箭飛行軌跡、星下點(diǎn)位置信息。
[0013]根據(jù)以上，構(gòu)建的航天任務(wù)仿真平臺(tái)，能提供三維地理信息中的地面影像、高程、豐富多樣的測(cè)控設(shè)備三維模型、高精度的火箭、衛(wèi)星三維模型，并能夠根據(jù)提前規(guī)劃的彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行航天任務(wù)事前(實(shí)時(shí)/事后)仿真，具有要求輸入數(shù)據(jù)少、場(chǎng)景顯示豐富、運(yùn)行高效等優(yōu)勢(shì)，能滿足航天任務(wù)的三維可視化仿真的需求。
[0014]此方法將觀察者模式運(yùn)用到航天發(fā)射三維仿真軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過被觀察者發(fā)布消息的方式實(shí)現(xiàn)各觀察者之間以及觀察者與被觀察者之間的弱耦合，能有效降低三維仿真單個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)不合理對(duì)整體渲染效率的影響，也能有效降低各功能模塊之間的相互影響，更有利于添加新的功能模塊，從而保證了火箭發(fā)射任務(wù)三維圖形渲染的實(shí)時(shí)性，也提升了軟件的可擴(kuò)展性。
[0015]本發(fā)明適用于火箭自點(diǎn)火起至衛(wèi)星火箭分離的全過程，通過觀察者模式，實(shí)現(xiàn)了航天發(fā)射任務(wù)三維場(chǎng)景仿真元素的高效統(tǒng)一，能夠?qū)w位置、箭體姿態(tài)、關(guān)鍵飛行時(shí)序動(dòng)作、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、測(cè)量設(shè)備跟蹤情況、火箭飛行軌跡、星下點(diǎn)位置等多種參數(shù)進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確、易于理解的空間圖形仿真，且具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性。
【附圖說明】
[0016]圖1順序仿真方法模塊效率傳遞圖；
[0017]圖2觀察者模式仿真方法效率傳遞圖；
[0018]圖3火箭飛行效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面以四個(gè)基本模塊為例，描述了該方法的實(shí)施步驟:
[0020]1、構(gòu)建一個(gè)基于四叉樹分層切割的地理影像數(shù)據(jù)源，并以此為基礎(chǔ)創(chuàng)建三維場(chǎng)景，搭建用于三維仿真的基礎(chǔ)環(huán)境模塊。
[0021]2、構(gòu)建模型解析與控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)三維場(chǎng)景的讀取、時(shí)間相關(guān)模塊的部件解析與動(dòng)作控制，并通過讀取配置文件，提供一個(gè)時(shí)間相關(guān)模塊的運(yùn)動(dòng)方式列表，以注冊(cè)場(chǎng)景的時(shí)間信息的方式自動(dòng)控制時(shí)間相關(guān)模塊的關(guān)鍵動(dòng)作。
[0022]3、構(gòu)建時(shí)間系統(tǒng)模塊，為三維場(chǎng)景提供準(zhǔn)確的時(shí)間軸，同時(shí)定時(shí)發(fā)布時(shí)間信息。
[0023]4、構(gòu)建一個(gè)彈道數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊，能夠加載一條理論彈道，同時(shí)允許接收多條實(shí)時(shí)彈道數(shù)據(jù)，通過注冊(cè)時(shí)間信息，將彈道信息中的位置和速度等信息轉(zhuǎn)化為火箭在三維場(chǎng)景世界中的位置與狀態(tài)。
[0024]下面描述各模塊在觀察者模式下的仿真運(yùn)行過程。
[0025]本發(fā)明構(gòu)建的時(shí)間系統(tǒng)模塊，該模塊是系統(tǒng)的核心模塊，主要完成軟件各模塊的時(shí)間統(tǒng)一功能，通過對(duì)時(shí)間系統(tǒng)的前進(jìn)、后退、加速、減速、對(duì)時(shí)等接口實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景運(yùn)行時(shí)間的控制，時(shí)間信息以消息的方式與外界交互。
[0026]時(shí)間系統(tǒng)的每次變化都會(huì)將其變化內(nèi)容以消息的形式進(jìn)行發(fā)布，所有時(shí)間相關(guān)模塊都訂閱了時(shí)間系統(tǒng)的消息，并通過接收時(shí)間變更消息實(shí)現(xiàn)與時(shí)間系統(tǒng)的松耦合，解除了單個(gè)時(shí)間相關(guān)功能模塊故障影響場(chǎng)景運(yùn)行效率的風(fēng)險(xiǎn)。
[0027]時(shí)間系統(tǒng)有變化時(shí)，會(huì)將時(shí)間消息進(jìn)行發(fā)布，訂閱了時(shí)間系統(tǒng)消息的各功能組件就能同時(shí)收到時(shí)間消息，從而實(shí)現(xiàn)各模塊間的協(xié)同?？梢姇r(shí)間系統(tǒng)是核心，其他各模塊的工作不會(huì)影響到時(shí)間系統(tǒng)的工作。
[0028]由圖1可知，采用順序仿真方法時(shí)，三維場(chǎng)景一幀的渲染過程中，時(shí)間的開銷是所有模塊渲染時(shí)間的總和，如果一個(gè)模塊發(fā)生效率問題，則會(huì)直接導(dǎo)致整個(gè)場(chǎng)景效率的下降。在圖2中，時(shí)間系統(tǒng)定時(shí)發(fā)布時(shí)間信息，各模塊接收到時(shí)間信息后執(zhí)行相應(yīng)操作，由于時(shí)間系統(tǒng)與各模塊沒有直接耦合關(guān)系，渲染一幀所用時(shí)間等于時(shí)間系統(tǒng)設(shè)定的時(shí)間間隔，場(chǎng)景運(yùn)行效率可控，且一個(gè)模塊運(yùn)行效率低時(shí)不影響整體的運(yùn)行效率。通過觀察者模式仿真方法，軟件運(yùn)行流暢，在集成彈道、姿態(tài)、動(dòng)作、地理信息等多種功能時(shí)能很好的控制效率，運(yùn)行效果圖如圖3所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于觀察者模式的航天發(fā)射任務(wù)三維圖形仿真方法，其特征在于包括以下步驟: (1)構(gòu)建基于四叉樹分層切割的地理影像數(shù)據(jù)源，并以此為基礎(chǔ)創(chuàng)建三維場(chǎng)景； (2)構(gòu)建用于對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行讀取的、并能實(shí)現(xiàn)解析和控制時(shí)間相關(guān)模塊的模型解析與控制模塊，提供時(shí)間相關(guān)模塊的運(yùn)動(dòng)方式列表； (3)構(gòu)建為三維場(chǎng)景提供準(zhǔn)確時(shí)間軸的時(shí)間系統(tǒng)模塊，同時(shí)定時(shí)向外發(fā)布時(shí)間信息； (4)彈道數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊通過彈道數(shù)據(jù)的注冊(cè)時(shí)間信息，將彈道數(shù)據(jù)中的位置和速度信息轉(zhuǎn)化為火箭在三維場(chǎng)景中的位置與狀態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于觀察者模式的航天發(fā)射任務(wù)三維圖形仿真方法，其特征在于:所述步驟(2)中所述模型解析與控制模塊以注冊(cè)三維場(chǎng)景的時(shí)間信息的方式控制與時(shí)間相關(guān)模塊動(dòng)作。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于觀察者模式的航天發(fā)射任務(wù)三維圖形仿真方法，其特征在于:所述彈道數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊能加載一條理論彈道，同時(shí)允許接收多條實(shí)時(shí)彈道數(shù)據(jù)。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述基于觀察者模式的航天發(fā)射任務(wù)三維圖形仿真方法，其特征在于:所述時(shí)間相關(guān)模塊包含箭體位置、箭體姿態(tài)、關(guān)鍵飛行時(shí)序動(dòng)作、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、測(cè)量設(shè)備跟蹤情況、火箭飛行軌跡、星下點(diǎn)位置信息。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于觀察者模式的航天發(fā)射任務(wù)三維圖形仿真方法，本方法將發(fā)射過程中所有與時(shí)間相關(guān)的對(duì)象是觀察者，時(shí)間系統(tǒng)中的變量是被觀察者，當(dāng)被觀察者有變化時(shí)，觀察者根據(jù)變化情況調(diào)整自己的狀態(tài)。構(gòu)建基于四叉樹分層切割的地理影像數(shù)據(jù)源，并以此為基礎(chǔ)創(chuàng)建三維場(chǎng)景，構(gòu)建模型解析與控制模塊及時(shí)間系統(tǒng)模塊，彈道數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊通過彈道數(shù)據(jù)的注冊(cè)時(shí)間信息，將彈道數(shù)據(jù)中的位置和速度信息轉(zhuǎn)化為火箭在三維場(chǎng)景中的位置與狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)多個(gè)仿真對(duì)象實(shí)體間的弱耦合，降低仿真對(duì)象間的互干擾風(fēng)險(xiǎn)。能夠?qū)教彀l(fā)射中的多種參數(shù)進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確、易于理解的空間圖形仿真，且具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號(hào)】CN105574234
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510915992
【發(fā)明人】王英杰, 趙梅, 陳陽, 胡杰, 何孝港, 劉劍鋒, 白起光, 王振東, 崇玉海, 紀(jì)鳳珠
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍63791部隊(duì)
【公開日】2016年5月11日
【申請(qǐng)日】2015年12月11日