基于虚拟现实技术的GPS仿真系统的研究

1、基于虚拟现实技术的GPS仿真系统的研究虚拟现实（VirtualReality，简称VR）是近年来出现的高新技术，由计算机生成具有三维空间的虚拟环境，用户在此环境中利用特殊装置，以最自然的方式与环境交互，操作和控制环境，从而产生身临其境的效果。它可以将一系列的物理模型、数据结果动态、以逼真的三维图形展示出来。由于其直观、准确、清晰的特点，虚拟现实技术已经广泛应用于生产和生活的各个领域。GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系统）是一种能够在全球范围内进行实时定位、导航的系统，最早是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一

2、些军事目的。随着科学技术的进步，GPS逐渐开始应用于人们的生活中，如车辆定位、防盗、反劫、行驶路线键控及呼叫指挥等。将虚拟现实技术应用于GPS系统中，建立三维卫星系统仿真模拟及相关分析。航天器实时监控人员、航天器轨道设计分析人员、GPS测量人员以及GPS原理教学与学习人员能够方便直观的观察分析卫星运行情况，对进一步加快导航定位系统的发展具有很大的现实意义。1GPS系统GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候的提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。GPS的前身是美国军方研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天

3、最多绕过地球13次，无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。为此，美国海军研究实验室（NRL）提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，这是GPS精度定位的基础。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作星和3颗备用星工作在互成60度的6条轨道上。如图1所示，为GPS系统结构图。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成，保证时间同步并对卫星进行跟踪。二是空间部分，由分布在6个轨道平面上的24颗卫星、广播L1、L2卫星轨道、时间数据及辅助资料信息。三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成能够捕获到按一

4、定卫星截止角所选择的待测卫星，并进行定位于导航。24颗卫星的空间位置是已知的，通过测量已知卫星到用户接收器之间的距离，然后综合3颗卫星得到的位置数据组成3个方程式，便可以得出观测点即用户的位置。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，再引入第4颗卫星，形成四个方程式，便能得到观测点的经纬度和高程。x、y、z为待测点的空间直角坐标，vt为接收机的钟差，di=cti为卫星到接收机之间的距离，ti为各卫星的信号到达接收机所经历的时间，c为GPS信号的传播速度。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在道路工程中能够用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等，无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对于检测常规测量的支点也非常有效。随着GPS对民间的开放，它越来越多的融入到人们生活的方方面面，其中三维导航作为GPS的首要功能，可以帮助飞机、轮船、车辆甚至行人进行导航。除了用于导航、定位、测量外，还可以传送精确的时间和频率信息，获得气象数据，为某些实验和工程服务。2设计思路考虑到实验条件的限制，本系统主要是基于PC机的桌面式GPS仿真系统，模拟卫星在轨道运行的情况并进行简单

6、的数据分析，通过输出工具如鼠标、键盘、数据手套等实现人机交互的目的。如图2所示为该系统的框架结构图，GPS仿真系统主要由三部分构成，分别是数据处理模块、数据库模块以及运行窗口部分，前两个模块都是为了最后一个模块服务的。通过带有卫星信息的数据库和数据处理部分，用户在运行窗口中不但能够观察到卫星的运行轨迹，并对整个GPS仿真场景进行平移、缩放、漫游等交互操作，还能载入常见的sp3格式的星历、tle轨道历书，通过输入轨道参数能够观察到卫星的运行情况，同时能够模仿实际卫星的定位情况对虚拟用户的位置进行定位分析。图2GPS仿真系统在本系统中，排除了外界环境对地球和卫星的影响，包括大气阻力、太阳辐射的压力

7、，将地球看成一个内部分布均匀的理想球体，卫星围绕地球运动看成严格准遵循牛顿第二定律和开普勒定律，如图3所示。图3GPS导航卫星系统1）牛顿第二运动定律：物体加速度的大小跟物体受到的作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同，即F=kma（k为比例系数）。2）开普勒第一定律（也称椭圆定律）：每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点上。开普勒第二定律（也称面积定律）：在相等时间内，太阳和运动中的行星的连线（向量半径）所扫过的面积是相等的。这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒。用公式表示为：SAB=SCD=SEK。开普勒第三定律（也称周期定律）：

8、指饶以太阳为焦点的椭圆轨道运行的所有行星，其椭圆轨道半长轴的立方与周期的平方之比是一个常量。用公式表示为：k=a3T2，其中K=GM42，a是行星公转轨道半长轴，T是行星公转周期，M为中心天体的质量。基于以上分析，该仿真系统有两部分设计对象：虚拟实体对象和虚拟环境对象。虚拟实体对象主要包括地球、卫星以及地面的控制部分和用户，其中还涉及到地球的自传和卫星的公转等动态对象；虚拟环境对象是地球卫星运行所处的环境，一般是静态的，这使得地球和卫星运动过程中有一定的参照大环境，同时也增加了虚拟现实的表现力。3设计与开发3.1虚拟场景建模近年来，随着计算机性能的不断提高以及人们对事物直观、准确、清晰的需求，

9、三维建模越来越多的被应用于生产制造中，三维建模软件随之大量涌现。但是目前主流的三维建模软件国内主要有SolidWorks、UG、PROE，国外有3dsMax、Maya、AutoCAD等，而能对模型进行后期处理功能的方式也有多种，如中视典的VRP、Virtools、OpenGL、VRML等。3Dsmax广泛应用于游戏开发、视觉效果和设计行业等，功能强大，渲染速度快，插件丰富，支持多种相关软件的不同类型文件的导入导出，如VRP、Virtools等。在综合考虑了目前成熟的各类技术的实现方式、学习难易程度、开发成本和周期、软件间的兼容问题后，为保证实现过程简便易行，作品真实感、动态交互之间的适度平衡，

10、选择了成本低、操作方便、功能强大的3DsMax软件，先建立起地球、卫星等三维模型，然后将模型导入兼容性好、压缩率高、沉浸感好的VRP-BUILDER平台进行二次开发，建立虚拟环境对象和后期交互处理。3Dsmax的建模方法有基础建模、复合对象建模、多边模建模、面片建模、NURBS建模等，对于本系统中的模型主要采用了基础模型结合其他几种建模方法构建地球、卫星、主控站、汽车、移动设备等。本系统中因存在具有运动行为的动态模型，所以需要针对不同的模型进行行为建模。它是在设计产品时，综合考虑产品所要求的功能行为、设计背景和几何图形，采用知识捕捉和迭代求解的一种智能化设计方法。为了便于运行过程中动态模型的仿

11、真，依据面向对象的建模方法，把模型看成对象，针对不同的运动模型ID，编写相应的仿真运行方法。3.2数据库和数据处理3.2.1数据库模块数据库的链接能够实现接收机数据的接收和存取，使得运行场景更加逼真。为了减小工作量，缩短开发周期，选择MicrosoftOffice中自带的Access数据库开发工具进行数据的接受和存取，即在VisualC+环境下采用Csocket类和Access2000数据库开发实时信息显示系统，采用SQL语言将接受数据存储在Access2000数据库中，并发送给虚拟仿真界面，以实现实时信息显示，系统还将通过获取实时数据完成系统的仿真运行。3.2.2数据处理系统对地球自转和卫星

12、公转等运行场景的建立首先建立天球坐标系，获取卫星及地球运动位置的相关数据，准确定位它们之间的位置关系。在构建三维卫星场景时，利用获取到的卫星的轨道参数和sp3格式存储方式为ASCII的星历文件，通过一定的算法，实现卫星运行轨道的绘制，并得到卫星的当前位置。星历文件能够提供卫星的精确轨道位置，它包括表头信息和文件体，文件体中每隔15min给出1个卫星的位置，有时还会给出卫星的运行速度。实际结算中可以进行精密钟差的估计或内插，以提高其可使用的历元数。4结论该系统能够通过非编程的方式建立了三维虚拟卫星定位仿真系统，为用户提供了一个实时交互的GPS平台，可实现卫星地球运行显示、卫星轨道参数显示、星下点轨迹显示、空间漫游、坐标定位等功能，配合实时卫星星历等实时数据库