基于觀察者模式的航天發(fā)射任務三維圖形仿真方法
【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)射任務中的火箭飛行過程仿真，適用于火箭自點火起至衛(wèi)星火箭分離的全過程。
【背景技術(shù)】
[0002]航天發(fā)射任務中使用三維圖形仿真展現(xiàn)運載火箭的飛行狀態(tài)，并進而完成對抽象測量數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)，是航天測控領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢。但國內(nèi)專門用于航天任務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)鍵動作等要素，沒有成熟的航天發(fā)射任務軟件方法模型。

【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，實現(xiàn)多個仿真對象實體間的弱耦合，降低仿真對象間的互干擾風險，方法概括:發(fā)射過程中所有與時間相關(guān)的對象是觀察者，時間系統(tǒng)中的變量是被觀察者，當被觀察者有變化時，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)射任務中國產(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)射任務三維圖形仿真方法。其中，被觀察對象為時間系統(tǒng)，其他數(shù)據(jù)處理、場景部件動作等事件均為觀察者，觀察者參照被觀察者的動作進行同步活動，不同的觀察者之間互不影響，可以獨立進行動作。航天器以及天地設(shè)備與時間系統(tǒng)時刻保持一致，根據(jù)獲取時間系統(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，實現(xiàn)了天(基)、地(基)、(航天)器的聯(lián)動運行。
[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)建三維場景。
[0007](2)構(gòu)建用于對三維場景進行讀取的、實現(xiàn)解析和控制時間相關(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間相關(guān)模塊的運動方式列表。
[0008](3)構(gòu)建為三維場景提供準確時間軸的時間系統(tǒng)模塊，同時定時向外發(fā)布時間信息。
[0009](4)彈道數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊通過彈道數(shù)據(jù)的注冊時間信息，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三維場景的時間信息的方式控制與時間相關(guān)模塊動作。
[0011]具體地，所述彈道數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊能加載一條理論彈道，同時允許接收多條實時彈道數(shù)據(jù)。
[0012]更進一步，所述時間相關(guān)模塊包括箭體位置、箭體姿態(tài)、關(guān)鍵飛行時序動作、火箭發(fā)動機工作狀態(tài)、測量設(shè)備跟蹤情況、火箭飛行軌跡、星下點位置信息。
[0013]根據(jù)以上，構(gòu)建的航天任務仿真平臺，能提供三維地理信息中的地面影像、高程、豐富多樣的測控設(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)進行航天任務事前(實時/事后)仿真，具有要求輸入數(shù)據(jù)少、場景顯示豐富、運行高效等優(yōu)勢，能滿足航天任務的三維可視化仿真的需求。
[0014]此方法將觀察者模式運用到航天發(fā)射三維仿真軟件的架構(gòu)設(shè)計中，通過被觀察者發(fā)布消息的方式實現(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功能模塊設(shè)計不合理對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)射任務三維圖形渲染的實時性，也提升了軟件的可擴展性。
[0015]本發(fā)明適用于火箭自點火起至衛(wèi)星火箭分離的全過程，通過觀察者模式，實現(xiàn)了航天發(fā)射任務三維場景仿真元素的高效統(tǒng)一，能夠?qū)w位置、箭體姿態(tài)、關(guān)鍵飛行時序動作、火箭發(fā)動機工作狀態(tài)、測量設(shè)備跟蹤情況、火箭飛行軌跡、星下點位置等多種參數(shù)進行科學、準確、易于理解的空間圖形仿真，且具有較強的實時性和可擴展性。
【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。
【具體實施方式】
[0019]下面以四個基本模塊為例，描述了該方法的實施步驟:
[0020]1、構(gòu)建一個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現(xiàn)對三維場景的讀取、時間相關(guān)模塊的部件解析與動作控制，并通過讀取配置文件，提供一個時間相關(guān)模塊的運動方式列表，以注冊場景的時間信息的方式自動控制時間相關(guān)模塊的關(guān)鍵動作。
[0022]3、構(gòu)建時間系統(tǒng)模塊，為三維場景提供準確的時間軸，同時定時發(fā)布時間信息。
[0023]4、構(gòu)建一個彈道數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊，能夠加載一條理論彈道，同時允許接收多條實時彈道數(shù)據(jù)，通過注冊時間信息，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行過程。
[0025]本發(fā)明構(gòu)建的時間系統(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間統(tǒng)一功能，通過對時間系統(tǒng)的前進、后退、加速、減速、對時等接口實現(xiàn)對場景運行時間的控制，時間信息以消息的方式與外界交互。
[0026]時間系統(tǒng)的每次變化都會將其變化內(nèi)容以消息的形式進行發(fā)布，所有時間相關(guān)模塊都訂閱了時間系統(tǒng)的消息，并通過接收時間變更消息實現(xiàn)與時間系統(tǒng)的松耦合，解除了單個時間相關(guān)功能模塊故障影響場景運行效率的風險。
[0027]時間系統(tǒng)有變化時，會將時間消息進行發(fā)布，訂閱了時間系統(tǒng)消息的各功能組件就能同時收到時間消息，從而實現(xiàn)各模塊間的協(xié)同?？梢姇r間系統(tǒng)是核心，其他各模塊的工作不會影響到時間系統(tǒng)的工作。
[0028]由圖1可知，采用順序仿真方法時，三維場景一幀的渲染過程中，時間的開銷是所有模塊渲染時間的總和，如果一個模塊發(fā)生效率問題，則會直接導致整個場景效率的下降。在圖2中，時間系統(tǒng)定時發(fā)布時間信息，各模塊接收到時間信息后執(zhí)行相應操作，由于時間系統(tǒng)與各模塊沒有直接耦合關(guān)系，渲染一幀所用時間等于時間系統(tǒng)設(shè)定的時間間隔，場景運行效率可控，且一個模塊運行效率低時不影響整體的運行效率。通過觀察者模式仿真方法，軟件運行流暢，在集成彈道、姿態(tài)、動作、地理信息等多種功能時能很好的控制效率，運行效果圖如圖3所示。
【主權(quán)項】
1.基于觀察者模式的航天發(fā)射任務三維圖形仿真方法，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)建三維場景； (2)構(gòu)建用于對三維場景進行讀取的、并能實現(xiàn)解析和控制時間相關(guān)模塊的模型解析與控制模塊，提供時間相關(guān)模塊的運動方式列表； (3)構(gòu)建為三維場景提供準確時間軸的時間系統(tǒng)模塊，同時定時向外發(fā)布時間信息； (4)彈道數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊通過彈道數(shù)據(jù)的注冊時間信息，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三維場景的時間信息的方式控制與時間相關(guān)模塊動作。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于觀察者模式的航天發(fā)射任務三維圖形仿真方法，其特征在于:所述彈道數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊能加載一條理論彈道，同時允許接收多條實時彈道數(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)射任務三維圖形仿真方法，其特征在于:所述時間相關(guān)模塊包含箭體位置、箭體姿態(tài)、關(guān)鍵飛行時序動作、火箭發(fā)動機工作狀態(tài)、測量設(shè)備跟蹤情況、火箭飛行軌跡、星下點位置信息。
【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)射任務三維圖形仿真方法，本方法將發(fā)射過程中所有與時間相關(guān)的對象是觀察者，時間系統(tǒng)中的變量是被觀察者，當被觀察者有變化時，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)建三維場景，構(gòu)建模型解析與控制模塊及時間系統(tǒng)模塊，彈道數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊通過彈道數(shù)據(jù)的注冊時間信息，將彈道數(shù)據(jù)中的位置和速度信息轉(zhuǎn)化為火箭在三維場景中的位置與狀態(tài)。實現(xiàn)多個仿真對象實體間的弱耦合，降低仿真對象間的互干擾風險。能夠?qū)教彀l(fā)射中的多種參數(shù)進行科學、準確、易于理解的空間圖形仿真，且具有較強的實時性和可擴展性。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105574234
【申請?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, 紀鳳珠
【申請人】中國人民解放軍63791部隊
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月11日