朱政霖，林友明，黃 鵬，馬廣彬

(1.中國科學院大學,北京 100049;2.中國科學院 遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100094)

遙感衛(wèi)星對地覆蓋仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

朱政霖1,2，林友明2，黃 鵬2，馬廣彬2

(1.中國科學院大學,北京 100049;2.中國科學院 遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100094)

衛(wèi)星對地覆蓋的仿真可以直觀、形象地顯示對地覆蓋方案，并檢驗其準確性和高效性。當前常見的衛(wèi)星對地覆蓋仿真平臺擴展性差、功能不夠完善。為此，提出了一種基于Unity3D平臺的遙感衛(wèi)星對地覆蓋仿真系統(tǒng)的設計方案。該方案通過建立衛(wèi)星掃描覆蓋模型來計算衛(wèi)星對地覆蓋范圍，通過Unity3D腳本系統(tǒng)控制模型的運動、繪制衛(wèi)星運動軌跡及地面覆蓋區(qū)域，并在三維場景中動態(tài)顯示。針對衛(wèi)星軌道計算問題，采用了NORAD發(fā)布的MSGP-SGP4模型，精確計算衛(wèi)星位置和速度。仿真實驗結(jié)果表明，所提出的設計方案首次將Unity3D應用到對地觀測仿真領域，可準確計算并形象展示衛(wèi)星對地覆蓋區(qū)域，具有擴展性好、設計簡單和可跨平臺應用等優(yōu)點，擁有較高的推廣應用價值，對衛(wèi)星成像任務規(guī)劃、衛(wèi)星軌道設計和教學演示等具有重要意義。

衛(wèi)星；對地覆蓋；Unity3D；軌道；仿真

0 引 言

遙感衛(wèi)星對地觀測具有觀測范圍廣、可重復觀測和獲取途徑安全合法等優(yōu)點[1-2]，在防災減災、城鎮(zhèn)規(guī)劃以及軍事偵察等重要領域發(fā)揮了重要作用。遙感衛(wèi)星對地覆蓋仿真系統(tǒng)能夠直觀、形象地顯示衛(wèi)星的實時運行狀態(tài)和對地覆蓋區(qū)域，檢驗衛(wèi)星任務規(guī)劃的正確性，分析成像計劃的效益性。仿真系統(tǒng)對成像任務規(guī)劃、衛(wèi)星軌道設計和教學演示等也具有重要意義。

國內(nèi)外對于衛(wèi)星對地覆蓋仿真已有較長時間的研究[3]，形成了一系列仿真軟件，例如AGI公司研發(fā)的STK-Satellite Tool Kit，Cybercom System公司研制的CPLAN以及清華大學開發(fā)的衛(wèi)星軌道姿勢控制系統(tǒng)仿真軟件。但此類軟件具有功能單一且難于擴展[4]、提供二次開發(fā)接口較少、開發(fā)平臺單一和對地覆蓋仿真功能不完善等缺點。

Unity3D是新興起的游戲開發(fā)工具，與其他開發(fā)工具相比，具有開發(fā)效率高、使用靈活、兼容性好以及跨平臺等優(yōu)點[5-7]。為此?；赨nity3D平臺設計了遙感衛(wèi)星對地覆蓋仿真系統(tǒng)，能夠根據(jù)輸入的衛(wèi)星參數(shù)信息進行仿真計算，通過三維場景形象顯示衛(wèi)星覆蓋區(qū)域。

1 系統(tǒng)整體設計

結(jié)合衛(wèi)星軌道計算模型和Unity3D三維仿真技術，開發(fā)衛(wèi)星對地覆蓋仿真系統(tǒng)。主要包括兩部分：第一部分為衛(wèi)星軌道、對地覆蓋區(qū)域計算，根據(jù)用戶輸入的衛(wèi)星參數(shù)信息進行計算，得到每隔一定時間間隔的衛(wèi)星位置、掃描條帶的左右邊界點信息，用于顯示；第二部分為三維仿真模塊，該模塊實現(xiàn)以下功能：顯示具有真實感的地球地表的三維模型；以動畫方式實現(xiàn)衛(wèi)星實時位置、運行軌跡的可視化；實現(xiàn)衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的可視化；能夠以人機交互方式實現(xiàn)三維場景的漫游，以不同角度、方向觀察仿真結(jié)果。

2 衛(wèi)星軌道、對地覆蓋區(qū)域計算

2.1衛(wèi)星軌道計算

衛(wèi)星軌道計算是衛(wèi)星對地覆蓋問題的基礎。采用NORAD發(fā)布的TLE根數(shù)可以較為準確地計算衛(wèi)星在任意時刻的位置。它考慮了日月引力的攝動、大氣阻力和地球扁率等因素的影響[8]。TLE文件中包含軌道傾角、升交點赤經(jīng)、近地點俯角、軌道半長軸、軌道偏心率和真近點角等6個開普勒軌道參數(shù)，利用這6個根數(shù)可以確定衛(wèi)星在任意時刻的位置和速度。

但TLE根數(shù)是某一特定時刻的開普勒根數(shù)，隨著時間推移，預測衛(wèi)星位置的精確性將下降，要想獲得精確的衛(wèi)星位置，需要不斷更新TLE根數(shù)，這樣會引起諸多不便。在實際計算中，遙感衛(wèi)星的軌道計算通常采用NORAD發(fā)布的MSGP-SGP4模型[9-10]。該模型考慮了大氣阻尼、太陽光壓和日月引力等因素。將TLE根數(shù)代入MSGP-SGP4模型中，就可以計算衛(wèi)星的準確位置和速度。

2.2對地覆蓋區(qū)域計算

對于線推掃式的遙感衛(wèi)星，其掃描覆蓋區(qū)域是具有一定幅寬的條帶，如圖1所示。由此可見，遙感衛(wèi)星的覆蓋范圍主要取決于衛(wèi)星傳感器視場角的大小和衛(wèi)星飛行高度。成像掃描時，首先在垂直于飛行方向的像面上形成一條線影像，然后沿預定軌道逐行推掃，形成二維影像。

圖1 線推掃式遙感衛(wèi)星掃描區(qū)域覆蓋示意圖

(1)

(2)

(3)

左邊界所在直線l的方向向量為:

(4)

圖2 衛(wèi)星區(qū)域覆蓋計算示意圖

受自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)等因素的影響，地球是一扁球體，但地球的扁率較小且仿真中地球模型的尺度較小，可將地球等效為一半徑為R的球體，其球面的表達式為：

x2+y2+z2=R2

(5)

3 Unity實時仿真

3.1模型制作

主要的仿真對象為衛(wèi)星和地球，太陽和月亮等對象僅影響衛(wèi)星軌道，而對衛(wèi)星覆蓋仿真的影響較小，故需要創(chuàng)建的模型為衛(wèi)星和地球模型。研究重點是衛(wèi)星對地覆蓋分析，對衛(wèi)星模型本身沒有較高的要求。采用Unity3D的建模功能生成一個三維球體作為衛(wèi)星模型。對于地球模型，由于要對其表面進行衛(wèi)星觀測覆蓋，因此需要大尺度顯示地球表面，但Unity3D本身的建模能力較弱，使用其他工具建立地球模型較為方便。采用3DS MAX作為建模工具，該工具功能強大，操作簡單，擴展性好，與Unity3D的配合較為流暢[12-13]。在3DS MAX中，根據(jù)地球?qū)嶋H尺寸，按照一定比例縮放建立球體，將地球表面二維貼圖覆蓋于球體表面，貼圖可增加球體的質(zhì)感，使創(chuàng)建的地球模型接近真實。最后將結(jié)果以Unity3D支持的FBX格式導出，導入到Unity3D的場景中。這樣，就完成了模型的導入。

3.2攝像機控制

在Unity3D場景中，攝像機的作用包括世界坐標到攝像機觀察坐標的變換和透視投影變換[14-15]。為方便觀察地球表面衛(wèi)星對地覆蓋情況，需要控制場景中攝像機的位置和朝向。在Unity3D的腳本中，利用camera.transform.position控制攝像機的位置，調(diào)用camera.transform.LookAt(eye,up)改變朝向。在所采用系統(tǒng)中，可通過鍵盤按鍵事件調(diào)用以上函數(shù)，以控制攝像機的位置和朝向。

3.3衛(wèi)星運動軌跡、覆蓋區(qū)域的顯示

根據(jù)衛(wèi)星軌道、對地覆蓋區(qū)域的計算結(jié)果，在每一幀中，根據(jù)衛(wèi)星位置確定衛(wèi)星模型在Unity3D場景中的位置。為清楚顯示衛(wèi)星運動軌跡，需對衛(wèi)星經(jīng)過的位置做一軌跡線，以便于觀察衛(wèi)星軌道形狀的特點。繪制軌跡線需調(diào)用OpenGL的繪制線接口，主要代碼如下：

Unity3D腳本代碼：

matOrbit.SetPass(1);//指定著色器渲染通道

//運動軌跡

GL.Begin(GL.LINES);

for(i=0;i

{

GL.Vertex(PathPoint[i]);

GL.Vertex(PathPoint[i+1]);

}

GL.End();

顯示覆蓋區(qū)域需繪制衛(wèi)星推掃產(chǎn)生的條帶。衛(wèi)星覆蓋的區(qū)域是地球表面的一個球面四邊形，其四個頂點并不位于同一平面，故繪制以上區(qū)域需調(diào)用OpenGL的繪制三角面的接口，并關閉背面消引功能，主要代碼如下：

著色器渲染代碼：

Pass

{

Material

{

Emission[_EmissionGreen]

}

Lighting On//啟用燈光

Cull Off//關閉消引

}

Unity3D腳本代碼：

matOrbit.SetPass(2); //指定著色器渲染通道

GL.Begin(GL.TRIANGLES);

GL.Color(Color.red);

for(i=1;i<=step;i++)

{

//從計算得出的條帶位置數(shù)組data中讀取條帶各個端點位置

x=data[i-1,3];y=data[i-1,4];z=data[i-1,5];

v1=new Vector3(x,y,z);

x=data[i-1,6];y=data[i-1,7];z=data[i-1,8];

v2=new Vector3(x,y,z);

x=data[i,3];y=data[i,4];z=data[i,5];

v3=new Vector3(x,y,z);

x=data[i,6];y=data[i,7];z=data[i,8];

v4=new Vector3 (x,y,z);

GL.Vertex(v1);GL.Vertex(v2);GL.Vertex(v3);

GL.Vertex(v2);GL.Vertex(v3);GL.Vertex(v4);

}

GL.End();

對于動畫的實現(xiàn)，利用Unity3D定時繪制每一幀圖像即可。

4 仿真結(jié)果及分析

為檢驗所采用系統(tǒng)的正確性，以中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所接收的HJ-1A衛(wèi)星為例進行分析，將所用系統(tǒng)衛(wèi)星軌道計算和衛(wèi)星地面覆蓋的仿真結(jié)果與STK軟件的結(jié)果進行對比。HJ-1A是中國自主研發(fā)的光學遙感衛(wèi)星，其標稱參數(shù)為：軌道高度649 km，軌道傾角97.9°，回歸周期31天，降交點地方時10:30。傳感器視場角為56°。

4.1衛(wèi)星軌道計算仿真

設定仿真起止時間依次為2016/08/09 10:35:00-2016/08/09 12:12:00，仿真步長為60 s。圖3為所用系統(tǒng)(左)和STK軟件(右)仿真結(jié)果的對比圖，所用系統(tǒng)的界面顯示了具有真實感的地球地表的三維模型，實現(xiàn)了衛(wèi)星運行軌跡的可視化，能夠以人機交互的方式從不同角度觀察仿真結(jié)果。對比圖中左右兩部分，仿真結(jié)果的衛(wèi)星軌道基本一致，證明所用系統(tǒng)衛(wèi)星軌道計算結(jié)果的正確性。

表1是在J2000C坐標系下，采用系統(tǒng)輸出的衛(wèi)星位置坐標與STK軟件輸出的衛(wèi)星位置坐標的對比，各點的時間間距為10 min。

圖3 所采用系統(tǒng)與STK軟件衛(wèi)星軌道仿真對比圖

表1 所用系統(tǒng)與STK軟件輸出衛(wèi)星位置坐標對比

從表中可見，所用系統(tǒng)輸出的衛(wèi)星位置坐標與標準值的相對誤差均小于0.06%，具有較高的準確度，進一步證明所用系統(tǒng)衛(wèi)星軌道計算結(jié)果的正確性。

4.2衛(wèi)星地面覆蓋仿真

設定仿真起止時間依次為2016/08/09 10:35:00-2016/08/09 10:40:00，仿真步長為60 s。圖4為所用系統(tǒng)(左)和STK軟件(右)仿真結(jié)果的對比圖。所用系統(tǒng)形象地顯示了衛(wèi)星掃描條帶，實現(xiàn)了衛(wèi)星對地覆蓋區(qū)域的可視化。在圖5中將衛(wèi)星覆蓋區(qū)域局部放大，可以看出，所用系統(tǒng)顯示的衛(wèi)星覆蓋區(qū)域與STK軟件顯示的衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的形狀和位置基本一致，證明所用系統(tǒng)區(qū)域覆蓋計算結(jié)果的正確性。

圖4 所用系統(tǒng)與STK軟件地面覆蓋仿真對比圖

圖5 所用系統(tǒng)與STK軟件地面覆蓋仿真對比圖(局部放大)

以上對比結(jié)果表明，所用系統(tǒng)已完成預期的設計功能。

5 結(jié)束語

遙感衛(wèi)星對地覆蓋仿真對衛(wèi)星成像規(guī)劃、衛(wèi)星軌道設計等具有重要意義。在分析國內(nèi)外研究結(jié)果和現(xiàn)有仿真系統(tǒng)不足的基礎上，提出并實現(xiàn)了遙感衛(wèi)星對地覆蓋仿真系統(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)以Unity3D為開發(fā)平臺，將外部模型導入場景中，在衛(wèi)星軌道計算結(jié)果的基礎上，通過Unity3D該系統(tǒng)控制衛(wèi)星模型的移動、運行軌跡的繪制以及觀察者視角的改變，成功完成了預期的設計目標。

仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)計算衛(wèi)星軌道和掃描條帶邊界的準確度較高，可用于驗證衛(wèi)星任務規(guī)劃的有效性、軌道計算的準確性等。

與STK等仿真軟件相比，遙感衛(wèi)星對地覆蓋仿真系統(tǒng)具有開發(fā)靈活、擴展性好、修改或添加功能方便、兼容各種建模工具、腳本簡潔和編輯場景可視化等優(yōu)點。與OpenGL、DirectX等開發(fā)工具相比，基于Unity3D的開發(fā)更為高效。此外，系統(tǒng)還具有良好的跨平臺特性，可方便移植到iOS、Android和Web等常見平臺。與常見的仿真系統(tǒng)相比，系統(tǒng)具有較高的推廣應用價值。

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DesignandImplementationofGroundCoverageSimulationSystemofRemoteSensingSatellite

ZHU Zheng-lin1,2,LIN You-ming2,HUANG Peng2,MA Guang-bin2

(1.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 2.Institute of Remote Sensing and Digital Earth,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China)

The simulation of satellites ground coverage can show the scheduling scheme of satellites ground coverage intuitively and verify its accuracy and high efficiency.Currently,common satellite ground coverage simulation platforms lack extensibility and its functions are imperfect.For this purpose,a method of remote sensing satellites ground coverage system based on Unity3D platform is presented,in which ground coverage ranges are calculated by establishing satellite scanning coverage model and the movements of models are controlled by the scripts system of Unity3D,besides satellite orbit and ground coverage areas are drawn with the scripts system of Unity3D and 3D scenes are shown dynamically.To solve the problems of satellite orbit calculation,MSGP-SGP4 model published by NORAD is adopted for calculating the positions and velocities of satellites accurately.Simulation results show that it has applied Unity3D to ground coverage simulation field firstly and can calculate and display the satellite ground coverage area precisely and vividly,which demonstrates its advantages of good expansibility,simple design and cross-platform,such as a higher value of spreading,and important significance for satellite imaging tasks planning,satellite orbit design and teaching demonstration.

satellite;ground coverage;Unity3D;orbit;simulation

TP391.9

A

1673-629X(2017)10-0126-04

2016-10-11

2017-01-13 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間

時間：2017-07-11

國家“863”高技術發(fā)展計劃項目(2012AA12A301)

朱政霖(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為多衛(wèi)星成像任務規(guī)劃；林友明，碩士生導師，正高級工程師，通信作者，研究方向為遙感數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)集成。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170711.1455.050.html

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.10.027