孫詩行　宗　群　徐　銳

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院　天津 300072)

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基于OGRE的衛(wèi)星視景仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫詩行宗群徐銳

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院天津 300072)

針對(duì)衛(wèi)星三維視景仿真的需求，設(shè)計(jì)并開發(fā)基于OGRE圖形引擎的衛(wèi)星視景仿真軟件，對(duì)整個(gè)飛行過程進(jìn)行模擬和演示。衛(wèi)星視景仿真軟件基于OGRE圖形引擎進(jìn)行底層渲染，結(jié)合3ds Max建模軟件進(jìn)行三維實(shí)體模型構(gòu)建，基于自主開發(fā)的場景編輯工具生成衛(wèi)星星空?qǐng)鼍?。仿真軟件的功能模塊包括OGRE主體框架模塊、文件路徑管理模塊、場景數(shù)據(jù)管理模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和人機(jī)交互模塊。運(yùn)行結(jié)果表明，衛(wèi)星視景仿真軟件可以逼真地模擬再現(xiàn)衛(wèi)星飛行場景，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行畫面模擬、數(shù)據(jù)監(jiān)視，具有廣闊的應(yīng)用前景。

視景仿真OGRE模塊化開發(fā)衛(wèi)星視景實(shí)時(shí)模擬

0　引　言

在航空航天技術(shù)的發(fā)展過程中，新時(shí)代的學(xué)科交叉對(duì)于推動(dòng)航空航天技術(shù)的不斷進(jìn)步起到了關(guān)鍵的作用，其中一個(gè)非常重要的方面就是視景仿真技術(shù)在航空航天相關(guān)領(lǐng)域研究中的應(yīng)用。視景仿真承擔(dān)了進(jìn)行可視化的任務(wù)，利用視景仿真技術(shù)對(duì)空間任務(wù)進(jìn)行全程模擬，可以獲得高效可靠的設(shè)計(jì)對(duì)策，并提供較為直觀的演示效果，增強(qiáng)了仿真的真實(shí)性，有利于增加研究人員對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的了解和認(rèn)識(shí)。

至今，視景仿真技術(shù)已經(jīng)取得了不小進(jìn)展，許多國內(nèi)外的高校和研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了視景開發(fā)與技術(shù)研究相關(guān)的工作。目前國外的三維視景仿真有采用OpenGL圖形庫的方式，比如美國航空航天局(NASA)德萊頓飛行研究中心開發(fā)的飛行訓(xùn)練系統(tǒng)，其中的實(shí)時(shí)視景模擬部分就是基于OpenGL進(jìn)行開發(fā)的[1]。美國MultiGen-Paradigm公司雖然開發(fā)了一款簡捷的三維視景軟件Vega，但是由于該軟件許多底層的功能并沒有實(shí)現(xiàn)，所以難以完成精細(xì)的開發(fā)[2]。華盛頓大學(xué)基于OGRE開發(fā)了移動(dòng)機(jī)器人視景仿真系統(tǒng)，取得了良好的效果[3]。國內(nèi)的視景仿真研究主要在近十幾年的時(shí)間內(nèi)興起，也取得了一定的研究進(jìn)展和成果。例如，西北工業(yè)大學(xué)基于STK模塊開發(fā)了衛(wèi)星實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，但由于其非開源的特性，加大了研究和使用的成本[4]；南京航空航天大學(xué)基于OGRE圖形引擎開發(fā)了電子海戰(zhàn)對(duì)戰(zhàn)模擬系統(tǒng)[5]；華中科技大學(xué)基于OGRE開發(fā)了港口仿真的可視化演示系統(tǒng)[6]；另外一些國內(nèi)的學(xué)者也針對(duì)衛(wèi)星視景軟件進(jìn)行了相關(guān)的研究工作[7-9]。上述這些視景仿真軟件雖然都實(shí)現(xiàn)了視景仿真效果，但某些非開源軟件耗費(fèi)了大量的開發(fā)時(shí)間與成本，需要團(tuán)隊(duì)人員較多，商業(yè)授權(quán)版本昂貴，不適合研究使用；某些開發(fā)基于底層圖形API，導(dǎo)致開發(fā)復(fù)雜，可復(fù)用程度低。

在此背景下，本文選擇了開源免費(fèi)的OGRE圖形引擎進(jìn)行了衛(wèi)星視景仿真軟件的開發(fā)。該視景軟件使用可靠的軟件系統(tǒng)結(jié)合實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)仿真過程的數(shù)字化、信息化及可視化監(jiān)控和管理。最后對(duì)設(shè)計(jì)的控制算法作出科學(xué)合理的判斷，并對(duì)算法進(jìn)行不斷優(yōu)化。本文首先進(jìn)行了基礎(chǔ)軟件模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)，采用了模塊化可復(fù)用的架構(gòu)設(shè)計(jì)，極大地簡化了后續(xù)開發(fā)以及改進(jìn)的流程，降低了使用以及維護(hù)的難度。然后在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，使用已設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)軟件模塊開發(fā)了一套以實(shí)時(shí)演示和可視化技術(shù)為基礎(chǔ)的衛(wèi)星視景仿真軟件，為衛(wèi)星飛行中對(duì)編隊(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)的驗(yàn)證和各個(gè)衛(wèi)星姿態(tài)的實(shí)時(shí)觀察提供一個(gè)更加優(yōu)秀的解決方案，提高衛(wèi)星控制算法驗(yàn)證的效率，驗(yàn)證算法設(shè)計(jì)的正確性。

本文開發(fā)的衛(wèi)星視景仿真軟件依托于仿真平臺(tái)而運(yùn)行，仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要包括xPC實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)、主控計(jì)算機(jī)以及視景仿真計(jì)算機(jī)。其中xPC實(shí)時(shí)仿真機(jī)運(yùn)行衛(wèi)星編隊(duì)仿真模型與算法，并將仿真數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)。這里，主控計(jì)算機(jī)用來模擬“地面站”，對(duì)整個(gè)仿真系統(tǒng)進(jìn)行管理與控制；同時(shí)通過以太網(wǎng)發(fā)送衛(wèi)星編隊(duì)的位置與姿態(tài)信息給視景仿真計(jì)算機(jī)，由其上運(yùn)行的衛(wèi)星視景仿真軟件實(shí)時(shí)演示衛(wèi)星編隊(duì)過程。

1　視景仿真軟件的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1視景仿真軟件需求分析

視景演示軟件的開發(fā)目標(biāo)，是在OGRE圖形引擎的基礎(chǔ)上，構(gòu)建可復(fù)用的實(shí)時(shí)視景演示程序，配合仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的三維模擬演示。軟件需要實(shí)現(xiàn)以下性能指標(biāo)：

1) 較高的開發(fā)效率。視景仿真軟件基于OGRE圖形引擎進(jìn)行開發(fā)，相對(duì)于DirectX和OpenGL圖形API擁有更高的開發(fā)效率，能夠極大地縮短開發(fā)周期，減少維護(hù)難度。

2) 基礎(chǔ)模塊的組成化特性。視景仿真軟件應(yīng)該對(duì)通用的功能特性(例如網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)界面等)具有很好的抽象，并具備相應(yīng)的基礎(chǔ)模塊，符合軟件工程的模塊化和可復(fù)用性的基本思想。

3) 良好的可擴(kuò)展性。視景仿真軟件的代碼構(gòu)建應(yīng)當(dāng)充分考慮需求變更的擴(kuò)展性，每當(dāng)需求發(fā)生改變的時(shí)候都能夠很好地應(yīng)對(duì)，降低開發(fā)人員所面臨的困難和復(fù)雜度。

4) 三維模型和場景構(gòu)建的簡易性。為了能夠在視景軟件中簡化三維模型和場景的構(gòu)建與導(dǎo)入工作，視景仿真軟件應(yīng)當(dāng)支持常用建模軟件，同時(shí)構(gòu)建適合演示的三維場景。

5) 良好的渲染幀率和顯示效果。視景仿真軟件應(yīng)當(dāng)具有較高的渲染幀率，使得整個(gè)演示過程流暢。因此衛(wèi)星視景開發(fā)的所有代碼都應(yīng)當(dāng)充分考慮運(yùn)行效率，避免不必要的內(nèi)存和顯卡開銷，使用良好的軟件設(shè)計(jì)模式，選用最優(yōu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，降低軟件運(yùn)行的時(shí)間、空間復(fù)雜度，提高渲染幀率和效果。

1.2衛(wèi)星視景仿真軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)

視景仿真軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，包括基礎(chǔ)環(huán)境、視景系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件模塊和視景應(yīng)用軟件三大部分。

1) 基礎(chǔ)環(huán)境部分主要包括操作系統(tǒng)、圖形API庫、OGRE圖形引擎開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。操作系統(tǒng)是開發(fā)和運(yùn)行視景應(yīng)用的基礎(chǔ)，圖形API庫(包括DirectX和OpenGL)是支撐環(huán)境。OGRE圖形引擎結(jié)合DirectX和OpenGL的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了跨操作系統(tǒng)平臺(tái)移植和開發(fā)的特性[10-13]。

2) 視景系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件模塊是在綜合分析三維視景應(yīng)用軟件的共有特點(diǎn)基礎(chǔ)上，為提高開發(fā)效率，獨(dú)立抽象和開發(fā)的可復(fù)用軟件模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)與主控計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸，提供友好的人機(jī)交互界面顯示和文件讀寫功能。

3) 應(yīng)用軟件部分根據(jù)具體的視景開發(fā)需求實(shí)現(xiàn)不同的視景應(yīng)用程序。

圖1　視景仿真軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

2　視景仿真軟件的基礎(chǔ)軟件模塊設(shè)計(jì)

基于OGRE圖形引擎的基礎(chǔ)軟件模塊部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，是后續(xù)視景軟件開發(fā)的基礎(chǔ)?；A(chǔ)軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括OGRE主體框架模塊、文件路徑管理模塊、場景數(shù)據(jù)管理模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和人機(jī)交互模塊共五大模塊。

圖2　衛(wèi)星視景基礎(chǔ)軟件模塊

2.1OGRE主體框架模塊

OGRE主體框架模塊是在OGRE圖形引擎的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的基礎(chǔ)。各部分的初始化和配置工作需要按照OGRE相關(guān)要求進(jìn)行，這部分模塊主要負(fù)責(zé)主體視景程序的構(gòu)建和初始化工作，是視景軟件系統(tǒng)的入口點(diǎn)。同時(shí)，主體框架模塊是推進(jìn)整個(gè)渲染進(jìn)程的渲染泵。本文的設(shè)計(jì)抽象出了所有視景應(yīng)用的共有部分，從而避免了針對(duì)相同問題的重復(fù)開發(fā)，提高了代碼的可復(fù)用性，提高了開發(fā)效率，同時(shí)也符合面向?qū)ο蟮拈_發(fā)思想。當(dāng)需要開發(fā)新的場景，或者擴(kuò)展不同的視景應(yīng)用時(shí)，可以在BaseApp類基礎(chǔ)上進(jìn)行繼承，復(fù)用已有的接口。

圖3　TinyXML庫解析XML文件流程

2.2文件路徑管理模塊

能夠統(tǒng)一管理文件和路徑，提供簡單易用的接口，減少每次文件讀寫時(shí)進(jìn)行的代碼修改工作。

這里將相關(guān)功能抽象為文件和路徑類型(PATHMANAGER類)，該類型全局共享，所有數(shù)據(jù)和方法均采用static關(guān)鍵字進(jìn)行標(biāo)注，不需要生成實(shí)例對(duì)象。同時(shí)將配置文件編譯成XML格式，基于TinyXML庫讀取XML配置文件，不必每次對(duì)視景程序進(jìn)行重新編譯，大大簡化了操作步驟，提高了開發(fā)效率。TinyXML庫解析XML文件流程如圖3所示[15]。

2.3場景數(shù)據(jù)管理模塊

針對(duì)不同視景仿真的場景，構(gòu)建多種場景素材，用于三維模擬演示。場景數(shù)據(jù)管理模塊封裝了與場景顯示相關(guān)的場景數(shù)據(jù)，包括地形、天空、三維模型等常見的視景應(yīng)用數(shù)據(jù)。場景數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中地形系統(tǒng)主要生成地形數(shù)據(jù)和地形靜態(tài)實(shí)體，包括樹木、石塊、草地等；天氣系統(tǒng)主要包括天氣變化，包括雨、雪等不同天氣，實(shí)現(xiàn)方式為添加粒子效果。通過使用OGRE中的粒子系統(tǒng)，可以很方便地進(jìn)行粒子效果模擬。

圖4　場景數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)圖

2.4網(wǎng)絡(luò)通信模塊

圖5　網(wǎng)絡(luò)程序接口流程

網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù)責(zé)與仿真平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和傳輸?shù)认嚓P(guān)工作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維模擬演示。網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用UDP協(xié)議方式實(shí)現(xiàn)。UDP協(xié)議是面向數(shù)據(jù)報(bào)的協(xié)議，不需要建立連接，也無需重傳確認(rèn)，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的簡單環(huán)境當(dāng)中干擾因素較少，不需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)確認(rèn)。所以這里的協(xié)議構(gòu)建基于UDP協(xié)議進(jìn)行，保證網(wǎng)絡(luò)傳輸具有較好的響應(yīng)效率[15]。視景仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口流程如圖5所示。

2.5人機(jī)交互模塊

圖6　加載CEGUI庫流程圖

友好的圖形操作界面負(fù)責(zé)在視景程序中對(duì)用戶的功能選項(xiàng)進(jìn)行響應(yīng)。OGRE圖形引擎并沒有提供與圖形界面相關(guān)的工具或者接口，圖形界面的開發(fā)需要依賴于第三方庫或者是操作系統(tǒng)接口API，這里選用CEGUI庫進(jìn)行圖形界面的開發(fā)。加載CEGUI庫流程如圖6所示，初始化完成之后，在幀監(jiān)聽當(dāng)中加入對(duì)應(yīng)的代碼，使得圖形界面能夠捕獲到系統(tǒng)輸入，并進(jìn)行用戶事件響應(yīng)。

同時(shí)通過第三方的OIS組件庫，結(jié)合OGRE圖形引擎，實(shí)現(xiàn)對(duì)人機(jī)交互的監(jiān)聽工作，包括用戶的鼠標(biāo)操作和鍵盤事件等。

3　衛(wèi)星視景仿真軟件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

在上述視景基礎(chǔ)軟件模塊的基礎(chǔ)上，根據(jù)衛(wèi)星視景開發(fā)的特點(diǎn)和需求，進(jìn)行了衛(wèi)星視景仿真軟件的開發(fā)。

3.1三維模型與場景構(gòu)建

衛(wèi)星視景仿真主要包括衛(wèi)星模型、地球模型和星空背景等。

衛(wèi)星與地球的三維模型主要通過3ds Max建模軟件進(jìn)行構(gòu)建，采用適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)系統(tǒng)和紋理貼圖進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)與調(diào)整；然后使用第三方插件OgreMax工具對(duì)建模軟件生成的資源素材進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的資源文件存放在OGRE圖形引擎資源路徑當(dāng)中。同時(shí)基于場景數(shù)據(jù)管理模塊，采用天空盒原理的方式進(jìn)行星空背景構(gòu)建，如圖7所示。

圖7　3ds Max下衛(wèi)星三維模型編輯

3.2多線程程序設(shè)計(jì)

為了協(xié)調(diào)各個(gè)程序功能之間的邏輯關(guān)系，進(jìn)行多線程控制以避免邏輯混亂[16,17]。在視景應(yīng)用當(dāng)中，主要任務(wù)分為實(shí)時(shí)渲染、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和圖形界面交互等。在程序?qū)崿F(xiàn)中，將這幾個(gè)任務(wù)抽象成為多個(gè)線程，其中渲染線程的主要流程如圖8所示。

圖8　渲染線程流程圖

4　衛(wèi)星視景仿真軟件效果驗(yàn)證

本文用于仿真驗(yàn)證的衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)型如圖9所示，采用一顆主星、三顆從星的編隊(duì)方式，構(gòu)成空間圓編隊(duì)。其中主星位于圓心處，三顆從星構(gòu)成同一平面的等邊三角形，四顆衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整進(jìn)而完成對(duì)深空的觀測任務(wù)。針對(duì)任務(wù)要求，整個(gè)仿真過程為6335 s，0～800 s為軌跡優(yōu)化與姿態(tài)調(diào)整階段；800～1000 s為編隊(duì)姿態(tài)保持階段；1000～6335 s為自由漂浮階段，整個(gè)仿真過程持續(xù)時(shí)間約為2小時(shí)。在各個(gè)階段，四顆衛(wèi)星的編隊(duì)構(gòu)型以及自身姿態(tài)均不完全相同，因此采用衛(wèi)星視景仿真軟件可以直觀真實(shí)地模擬再現(xiàn)整個(gè)過程。這里采用的衛(wèi)星軌道模型與姿態(tài)控制算法為實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的算法，如圖10所示，不再贅述。

圖9　衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)型

圖10　衛(wèi)星軌道與姿態(tài)控制simulink模型

在實(shí)驗(yàn)室視景計(jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)和主控計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，衛(wèi)星飛行視景仿真效果如圖11所示。實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)仿真程序(這里為基于xPC Target下的實(shí)時(shí)仿真程序)。通過以太網(wǎng)通信的方式，主控計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)發(fā)送給運(yùn)行有衛(wèi)星視景仿真軟件的視景計(jì)算機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星視景仿真軟件進(jìn)行衛(wèi)星飛行過程的模擬與演示。

圖11　衛(wèi)星編隊(duì)仿真視景效果圖

5　結(jié)　語

本文基于OGRE圖形引擎對(duì)衛(wèi)星視景仿真軟件中的基礎(chǔ)開發(fā)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，采用了模塊化可復(fù)用的架構(gòu)設(shè)計(jì)。這些基礎(chǔ)模塊是可復(fù)用的視景應(yīng)用模塊，是開發(fā)的基本組成部分?；谶@些模塊的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了衛(wèi)星視景仿真軟件的開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星飛行的三維視景演示。本套視景仿真軟件克服了數(shù)值仿真階段不夠直觀的特點(diǎn)，并且降低了開發(fā)以及維護(hù)的難度，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，使用方便，效果逼真，極大地縮短了仿真算法的設(shè)計(jì)周期。本套視景仿真軟件取得了滿意的效果，達(dá)到了預(yù)期希望，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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DESIGN AND REALISATION OF SATELLITE VISUAL SIMULATION SOFTWARE BASED ON OGRE

Sun ShihangZong QunXu Rui

(SchoolofElectricalandAutomationEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

For the needs of satellite visual simulation, we designed and developed the OGRE graphics engine-based satellite visual simulation software to carry out the simulation and demonstration of entire flight process. Satellite visual simulation software makes underlying rendering based on OGRE graphics engine, builds three-dimensional solid model in combination with 3ds Max modelling software, and generates the satellite sky scene on the basis of self-developed scene editing tools. The functional module of the simulation software includes OGRE main frame module, file path management module, scene data management module, network communication module and human-computer interaction module. Operational result showed that the satellite visual simulation software can realistically simulate the satellite flying scene. It is capable of making real-time screen simulation and data monitoring, therefore has broad application prospects.

Visual simulationOGREModular designSatellite visualReal-time simulation

2015-06-30。國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA 122602)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(11JCZDJC25100)。孫詩行，碩士生，主研領(lǐng)域：三維視景軟件開發(fā)。宗群，教授。徐銳，碩士。

TP311.52

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.10.045