基于OpenGL的GPS卫星轨道仿真与可视化实现

摘要

GPS全球定位系统具有全球性、全天候、实时连续三维导航与定位能力，精确的轨道信息是导航定位的基础。目前，我国卫星测控水平虽居世界先进水平，但随着科学技术的发展，在卫星监测中引入三维可视化图形技术已是必然的趋势，结合我国卫星监测技术和学院在空间信息科学方面的研究，开发具有良好界面的卫星监测图形软件，对提高卫星监测应用水平具有十分明显的意义。本文的目的是探求一种新的求解卫星运动方程的方法，并实现卫星运动状态的三维可视化模拟。旨在为航天试验任务中自主开发出具有准确、实时、形象直观的轨道三维可视化工程应用软件奠定基础。 文章的主要内容包括： 1.详细地论述了与GPS仿真系统有关的一系列参考系统：时间系统、坐标系统和力模型系统。它们构成了仿真的理论基础。 2.阐述了OpenGL绘图的关键技术，着重研究分析了OpenGL的纹理贴图映射技术和坐标变换技术。 3.分析卫星运行原理，深入研究卫星动力学模型，总结了卫星运动微分方程各种解法的特点及改进措施。为方便求取卫星任意历元的位置、速度、加速度，本文选用了Collocation积分方法，并编制程序对外推轨道的精度进行仿真，验证了此积分方法的正确性和可行性。 4.设计了定位仿真系统程序《GPS—Simulator》的结构、功能、以及使用方法，编制了卫星星座建立模块，利用OpenGL技术实现了卫星星座的三维场景演示，详细分析研究了这些不同模块的设计方法以及程序的具体实现。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1选题的背景和意义

1.2仿真技术的发展及研究现状

1.3本课题的主要研究内容和工作

第2章 卫星轨道动力学基础

2.1时间和坐标系统

2.1.1时间参考系统

2.1.2空间坐标系统

2.2二体问题

2.2.1二体问题下卫星运动的微分方程

2.2.2开普勒轨道根数

2.3卫星星历

2.3.1广播星历(预报星历)

2.3.2 IGS精密星历(后处理星历)

2.3.3广播星历的用户算法

2.4卫星的受摄运动

2.4.1地球非球形摄动力位函数

2.4.2 N体摄动模型

2.4.3太阳光压辐射摄动模型

2.4.4潮汐摄动

2.4.5地球反照和红外辐射摄动

2.4.6相对论效应

2.5本章小结

第3章 OpenGL的关键技术

3.1 OpenGL概述

3.2 OpenGL与其它三维仿真软件的比较

3.3 OpenGL实现绘图的基本原理

3.4 OpenGL实现的关键技术

3.4.1 OpenGL及相关库

3.4.2 OpenGL的数据类型定义

3.4.3纹理映射技术

3.4.4 OpenGL变换

3.5本章小结

第4章 卫星运动方程的求解

4.1仿真计算过程中用到的物理常量

4.2轨道初值计算

4.3轨道外推

4.4轨道根数和位置及速度间的转换

4.4.1由轨道根数转化为位置和速度

4.4.2由位置和速度转化为轨道根数

4.5轨道仿真结果分析

4.5.1不同多项式阶数对积分结果的影响

4.5.2不同步长的积分结果比较

4.6本章小结

第5章 GPS轨道仿真系统的程序设计与实现

5.1系统分析

5.1.1系统组成

5.1.2系统开发流程

5.2场景对象建模

5.2.1卫星3DS模型的建立

5.2.2 3DS模型数据的读取和对象的绘制

5.2.3真实感地球模型

5.3系统仿真结果分析

5.4本章小结

结论

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

参考文献

致谢