一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法

1.本发明涉及数据计算领域，尤其涉及一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法。


背景技术：

2.近年来，随着一网星座、星链星座为代表的低轨通信星座带动了全球低轨卫星星座的建设热潮，人们对于卫星可视化仿真的需求越来越高。低轨巨型星座由于总体数量庞大、在轨运行迅速、网络布局交错、路由转发频繁等问题，需要在可视化平台进行仿真实验，验证并展示其可行性和计算效果。为了实现物理世界向虚拟世界的等比例映射，对三维可视化编程平台进行自主开发，研究机理层中的运动计算方法，完成低轨卫星星座的精准可视化仿真，对于卫星星座的线上运行监测具有重要意义。
3.目前常见的可视化三维编程平台如unity3d、3dmax等，只拥有引擎平台内的三维空间坐标系，缺乏物理世界中常见坐标系的相互转换，对于可视化的机理计算缺少了灵活性；在时间纬度上，无法直接对齐处于不同时刻下的物体，在实际航空航天场景下的应用会受到限制；对于模型尺寸精度方面有着较大限制，与物理世界的物体存在一定的误差。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是常见的可视化三维编程平台缺乏物理世界相关坐标系的转换，不存在经纬度相关概念，对于可视化的机理计算缺少灵活性，且在时间纬度上，无法做到对齐不同时刻的物体，在航空航天领域会受到限制。本发明提供了一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，为可视化三维编程平台的三维空间定义了经纬度概念，并且实现了j2000坐标系、经纬高坐标系、三维空间局部坐标系的相互转换，还考虑了时间对齐问题，保证了不同时刻下的卫星可以轻松实现时间纬度的对齐操作，同时还增加了地球自转、摄动力干扰、自动化导入等操作，更加符合低轨巨型星座的线上仿真模拟场景。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，包括以下步骤：
6.在可视化三维编程平台上，基于时间加速系数，建立独立时间系统；
7.获取某个星座下所有卫星的tle星历数据，根据时间对齐函数,确定起始运行时刻基准，计算卫星与运行时刻基准的时间距离；
8.根据tle星历数据、记录纪元时间和卫星运行时间，使用sgp4轨道预测模型实时计算每个卫星的空间位置；
9.建立可视化三维编程平台内部的经纬度关系，进行坐标系转换，计算每个卫星的三维世界空间坐标；
10.根据地球自转周期，仿真模拟地球自转，并按一定比例进行全局缩放；
11.根据运行时间，实时更新地球自转角度以及所有卫星位置，展示低轨巨型星座网
络。
12.进一步地，基于时间加速系数，建立独立时间系统，具体包括以下步骤：
13.根据用户操作界面，得到此时的时间加速系数δ，其取值范围为1～500；
14.然后根据当前帧与上一帧之间的时间δτ，计算当前帧下经加速后的时间增量。
15.进一步地，计算当前帧下经加速后的时间增量，转换公式如下：
[0016][0017]
其中，t为当前帧经加速后的系统时间，t0为当前帧之前的系统时间，δ为时间加速系数，δτ为当前帧与上一帧之间的时间。
[0018]
进一步地，获取某个星座下所有卫星的tle星历数据，根据时间对齐函数,确定起始运行时刻基准，具体步骤包括：
[0019]
获取所有卫星的星历数据，得到每个卫星的记录纪元时间；
[0020]
基于时间对齐函数，得到起始运行时刻，并计算每个卫星与运行时刻的时间距离。
[0021]
进一步地，基于时间对齐函数，得到起始运行时刻，并计算每个卫星与运行时刻的时间距离，其计算公式如下：
[0022]
e＝max(e0，e1，e2，...)
[0023]
δti＝e-ei[0024]
其中e为起始运行时刻,e0、e1、e2为不同卫星的历元时间，δti为卫星i与起始运行时刻的时间距离，ei为卫星i的记录历元时间。
[0025]
进一步地，建立三维编程平台内部的经纬度关系，进行坐标系转换，计算每个卫星的三维世界空间坐标，具体步骤包括：
[0026]
根据卫星在j2000坐标系下的空间坐标位置，得到卫星在经纬高坐标系下的经度、纬度和离地高度；
[0027]
根据经纬度概念，建立三维编程平台内部的经纬度关系，经由全局缩放系数，得到卫星当前的空间直角坐标；
[0028]
根据建立地球与卫星的父子关系，消除地球自转的干扰，完成局部坐标系转换，计算得到卫星此时的最终坐标。
[0029]
进一步地，根据卫星在j2000坐标系下的空间坐标位置，得到卫星在经纬高坐标系下的经度、纬度和离地高度，转换公式如下：
[0030][0031][0032]
其中，λ为卫星经度，为卫星纬度，h为卫星高度，n为基准椭球体的曲率半径，e为椭球偏心率，a为椭球长半径。
[0033]
进一步地，建立三维编程平台内部的经纬度关系，经由全局缩放系数，计算得到卫星当前的空间直角坐标，计算公式如下：
[0034][0035]
其中，r为地球平均半径，其值为6371.393km，h为卫星离地高度，μ为系统全局缩放系数，其值为100。
[0036]
进一步地，根据建立地球与卫星的父子关系，完成局部坐标系转换，计算得到卫星此时的最终坐标，计算公式如下：
[0037][0038]
其中(x
′
，y
′
，z
′
)是转换后的局部坐标，(x0，y0，z0)是作为父物体的地球的空间坐标，s
x
是父物体x轴的比例尺度，sy是父物体y轴的比例尺度，sz是父物体z轴的比例尺度。
[0039]
进一步地，根据地球自转周期，仿真模拟地球自转，并按一定比例进行全局缩放，地球转过角度的计算公式如下：
[0040][0041]
其中，θ为转过的角度，sec为一天的总秒数，t系统时间。
[0042]
技术效果
[0043]
本发明提供了一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，为可视化三维编程平台的三维空间定义了经纬度概念，并且实现了j2000坐标系、经纬高坐标系、三维空间局部坐标系的相互转换，还考虑了时间对齐问题，保证了不同时刻下的卫星可以轻松实现时间纬度的对齐操作，同时还增加了地球自转、摄动力干扰、自动化导入等操作，更加符合低轨巨型星座的线上仿真模拟场景。
[0044]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0045]
图1是本发明的一个较佳实施例的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法的流程示意图；
[0046]
图2是本发明的一个较佳实施例的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法的卫星可视化效果图。
具体实施方式
[0047]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0048]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定内部程序、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
[0049]
如图1所示，本发明提供了一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，包括以下步骤：
[0050]
s1：在可视化三维编程平台上，基于时间加速系数，建立独立时间系统；具体包括以下步骤：
[0051]
s11：根据用户操作界面，得到此时的时间加速系数δ，其取值范围为1～500；
[0052]
s12：然后根据当前帧与上一帧之间的时间δτ，计算当前帧下经加速后的时间增量，转换公式如下：
[0053][0054]
其中，t为当前帧经加速后的系统时间，t0为当前帧之前的系统时间，δ为时间加速系数，δτ为当前帧与上一帧之间的时间。
[0055]
s2：获取某个星座下所有卫星的tle星历数据，根据时间对齐函数,确定起始运行时刻基准，计算卫星与运行时刻基准的时间距离；具体步骤包括：
[0056]
s21：获取所有卫星的星历数据，得到每个卫星的记录纪元时间，并作为输入；
[0057]
s22:基于时间对齐函数，得到起始运行时刻，并计算每个卫星与运行时刻的时间距离；具体是基于步骤s21得到的每个卫星记录纪元时间，根据时间对齐函数的过滤，获得统一的起始运行时刻，并计算每个卫星与起始运行时刻的时间距离，在系统刚开始启动时每个卫星各自补齐时间差距，保证时间一致性，其计算公式如下：
[0058]
e＝max(e0,e
t
,e2,...)
[0059]
δti＝e-ei[0060]
其中e为起始运行时刻,e0、e1、e2为不同卫星的历元时间，δti为卫星i与起始运行时刻的时间距离，ei为卫星i的记录历元时间。
[0061]
s3：根据tle星历数据、记录纪元时间和卫星运行时间，使用sgp4轨道预测模型实时计算每个卫星的空间位置；该步骤中，基于某个星座下所有卫星的tle星历数据，获取卫星的星历数据、记录纪元时间以及系统运行时间，将其作为输入，采用sgp4轨道预测模型实时计算每个卫星在j2000坐标系下的空间坐标(x，y，z)。
[0062]
s4：建立可视化三维编程平台内部的经纬度关系，进行坐标系转换，计算每个卫星的三维世界空间坐标；具体为，基于步骤s3中获取卫星在j2000坐标系下的空间坐标(x，y，z)，计算卫星在经纬高坐标系下的经度、纬度和离地高度，从j2000坐标到经纬高坐标的转换公式如下：
[0063][0064][0065]
其中，λ为卫星经度，为卫星纬度，h为卫星高度，n为基准椭球体的曲率半径，e为椭球偏心率，a为椭球长半径。
[0066]
s42：基于步骤s41中卫星在经纬高坐标系下得到的卫星经度λ，卫星纬度和卫星离地高度h，根据经纬度的概念，建立适用于三维编程平台空间的经纬度关系，并经由全局缩放系数转换下，得到卫星在当前三维世界空间下的空间直角坐标，其计算公式如下所示：
[0067][0068]
其中，r为地球平均半径，其值为6371.393km，h为卫星离地高度，μ为系统全局缩放系数，其值为100，代表着三维编程平台空间中1单位等效于现实世界的100km。
[0069]
s43：基于步骤s42中获得卫星在三维世界空间下的空间直角坐标，此空间直角坐标属于静态坐标系，考虑到在地球自转的情况下，卫星的经纬度参考系需相对于地球静止，建立地球与卫星的父子关系，消除地球自转干扰，完成三维世界中空间坐标系到局部坐标系的转换，其计算公式如下：
[0070][0071]
其中(x
′
，y
′
，z
′
)是转换后的局部坐标，(x0，y0，z0)是作为父物体的地球的空间坐标，s
x
是父物体x轴的比例尺度，sy是父物体y轴的比例尺度，sz是父物体z轴的比例尺度。
[0072]
s5：根据地球自转周期，仿真模拟地球自转，并按一定比例进行全局缩放；地球转过角度的计算公式如下：
[0073][0074]
其中，θ为转过的角度，sec为一天的总秒数，t系统时间。
[0075]
s6：根据运行时间，实时更新地球自转角度以及所有卫星位置，展示低轨巨型星座网络。具体为根据步骤s1的独立时间系统、步骤s4的卫星在三维空间下的坐标、步骤s5的地球自转模型，以系统运行时间为驱动，实时更新地球自转角度以及所有卫星位置，增添时间加速滑条，以及开始、暂停、重置等功能，并为每个卫星绘制相应的轨道路径，最终展示低轨巨型星座网络。
[0076]
以下将举例说明本发明提供的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，本实施例中的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法是一种适用低轨巨型星座可视化系统中机理层计算的时空一致性控制方法，本实施例中，将以计算starlink-1007和starlink-1008这两颗卫星为例，在独立时间系统下，经过时间对齐后，计算这两颗卫星在2023年2月27日15:45:50.460(utcg)时刻的空间位置以及在三维世界空间的转换后，最终确认结果位置。
[0077]
1、根据用户操作界面，得到此时的时间加速系数δ，假设系统刚启动，此时t0＝0，然后根据在三维编程平台中根据time.deltatime获取当前帧与上一帧之间的时间差δτ，计算当前帧下经加速后的时间增量，
[0078][0079]
其中，t为当前帧经加速后的系统时间，t0为当前帧之前的系统时间，δ为时间加速系数，δτ为当前帧与上一帧之间的时间间隔，若δ＝50，δτ＝0.00452，则
[0080]
t＝t0+δ*δτ＝50*0.00452＝0.226
[0081][0082][0083]
注意，δτ与电脑性能有关，电脑性能越高，δτ的值越小。
[0084]
2、获取starlink-1007和starlink-1008这两颗卫星的tle数据，并基于每个卫星的记录纪元时间，根据时间对齐函数,确定起始运行时刻基准，计算卫星与运行时刻基准的时间距离；
[0085]
首先在www.celestrak.org网站获取这两颗卫星的tle数据：
[0086]
starlink-1007
[0087]
1 44713u 19074a 23058.65683403.00040542 00000+0 27217-2 0 9998
[0088]
2 44713 53.0521 111.7933 0001686 84.7611 275.3570 15.06445509182212
[0089]
starlink-1008
[0090]
1 44714u 19074b 23058.63565621.00031123 00000+0 20946-2 0 9995
[0091]
2 44714 53.0538 111.8896 0001266 96.9584 263.1549 15.06479519182217
[0092]
得到starlink-1007和starlink-1008这两颗卫星的记录纪元时间，通过以下转换公式，可分别得到starlink-1007和starlink-1008与运行时刻基准的时间距离：
[0093]
e＝max(e
star_1007
,e
star_1008
)
[0094]
δti＝e-ei[0095]
其中e为起始运行时刻,e
star_1007
、e
star_1008
为starlink-1007和starlink-1008这两颗卫星的历元时间，δti为卫星i与起始运行时刻的时间距离，ei为卫星i的记录历元时间。
[0096]
参数单位参数值starlink-1007记录纪元时间e
star_1007
utcg27feb202315:45:50.460starlink-1008记录纪元时间e
star_1008
utcg27feb202315.15.20.697起始运行时刻eutcg27feb202315:45:50.460starlink-1007与基准时间差δts0starlink-1008与基准时间差δts1829.763
[0097]
3、使用sgp4轨道预测模型计算这两颗卫星在2022年2月27日15:45:50.460(utcg)时刻在j2000坐标系下的直角坐标：
[0098]
j2000_x/kmj2000_y/kmj2000_z/kmstartlink_1007-2571.3326430.9750startlink_1008-2410.135-4121.2465006.628
[0099]
4、基于两颗卫星在j2000坐标系下的坐标，根据以下转换公式计算卫星在经纬高坐标系下的经纬、纬度和离地高度，
[0100][0101][0102]
其中，λ为卫星经度，为卫星纬度，h为卫星高度，n为基准椭球体的曲率半径，e为椭球偏心率，a为椭球长半径。
[0103]
纬度/deg经度/deg离地高度/kmstartlink_10070.00078.112547.842startlink_100846.538-154.000551.160
[0104]
基于卫星starlink-1007的经纬高坐标，在三维编程平台内部建立相应的经纬度关系，并经由全局缩放系数转换下，得到卫星在当前三维空间下的空间直角坐标，公式如下：
[0105]
[0106]
其中，r为地球平均半径，其值为6371.393km，h为卫星离地高度，μ为系统全局缩放系数，其值为100，代表着三维空间中1单位等效于现实世界的100km，带入上述公式可得：
[0107][0108]
基于卫星starlink-1007在当前三维空间下的空间直角坐标(x,y,z)，建立地球与卫星的父子关系，消除地球自转干扰，需完成三维空间坐标系到局部坐标系的转换，计算公式如下：
[0109][0110]
其中(x
′
，y
′
，z
′
)是转换后的局部坐标，(x0，y0，z0)是作为父物体的地球的空间坐标，由于地球位于三维空间中心，坐标为(0,0,0)，sx是父物体x轴的比例尺度，sy是父物体y轴的比例尺度，sz是父物体z轴的比例尺度，s
x
、sy、sz其值均为127.43，带入上述公式可得：
[0111][0112]
卫星starlink-1008在三维空间的局部坐标系求解过程与上述过程一致，这里就不再赘述。
[0113]
5、根据地球自转周期，仿真模拟地球的自转，并按一定比例进行三维空间内的全局缩放，地球角速度公式如下：
[0114][0115]
其中，sec为一天的总秒数，然后根据系统时间t，即可得到地球转过角度θ＝ωt。
[0116]
6、基于步骤1的独立时间系统、步骤2的起始时间基准、步骤4的卫星在三维空间的局部坐标、步骤5的地球自转模型，以系统运行时间为驱动，实时更新地球自转角度以及所有卫星位置，增添时间加速滑条，以及开始、暂停、重置等功能，并为每个卫星绘制相应的轨道路径，最终展示低轨巨型星座网络。
[0117]
重复上述步骤，可以实时计算任意卫星在三维空间的位置，并最终可以得到低轨巨型星座网络。
[0118]
本发明提供的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，解决了可视化三维编程平台缺乏物理世界常见坐标系转换、不同时刻下物体的对齐操作等问题，与传统可视化仿真技术相比，本方法在卫星星座规模上、模型构建时间上、可视化机理层计算上都有了更大的提升，为卫星网络的可视化仿真提供了可靠计算和模型构建的数据支撑。本发明使用的数学模型，其计算速度和主机配置相关，不受软件限制和影响，并且可以根据业务场景修改、甚至可以增加更多考量公式，灵活性较高。本发明的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，在机理层的运动计算方面有更高的准确性提高，可视化效果以及与真实对象拟合的一致性更好。
[0119]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：在可视化三维编程平台上，基于时间加速系数，建立独立时间系统；获取某个星座下所有卫星的tle星历数据，根据时间对齐函数,确定起始运行时刻基准，计算卫星与运行时刻基准的时间距离；根据tle星历数据、记录纪元时间和卫星运行时间，使用sgp4轨道预测模型实时计算每个卫星的空间位置；建立可视化三维编程平台内部的经纬度关系，进行坐标系转换，计算每个卫星的三维世界空间坐标；根据地球自转周期，仿真模拟地球自转，并按一定比例进行全局缩放；根据运行时间，实时更新地球自转角度以及所有卫星位置，展示低轨巨型星座网络。2.如权利要求1所述的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，其特征在于，基于时间加速系数，建立独立时间系统，具体包括以下步骤：根据用户操作界面，得到此时的时间加速系数δ，其取值范围为1～500；然后根据当前帧与上一帧之间的时间δτ，计算当前帧下经加速后的时间增量。3.如权利要求2所述的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，其特征在于，计算当前帧下经加速后的时间增量，转换公式如下：其中，t为当前帧经加速后的系统时间，t0为当前帧之前的系统时间，δ为时间加速系数，δτ为当前帧与上一帧之间的时间。4.如权利要求1所述的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，其特征在于，获取某个星座下所有卫星的tle星历数据，根据时间对齐函数,确定起始运行时刻基准，具体步骤包括：获取所有卫星的星历数据，得到每个卫星的记录纪元时间；基于时间对齐函数，得到起始运行时刻，并计算每个卫星与运行时刻的时间距离。5.如权利要求4所述的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，其特征在于，基于时间对齐函数，得到起始运行时刻，并计算每个卫星与运行时刻的时间距离，其计算公式如下：e＝max(e0，e1，e2，...)δt
i
＝e-e
i
其中e为起始运行时刻,e0、e1、e2为不同卫星的历元时间，δt
i
为卫星i与起始运行时刻的时间距离，e
i
为卫星i的记录历元时间。6.如权利要求1所述的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，其特征在于，建立三维编程平台内部的经纬度关系，进行坐标系转换，计算每个卫星的三维世界空间坐标，具体步骤包括：根据卫星在j2000坐标系下的空间坐标位置，得到卫星在经纬高坐标系下的经度、纬度和离地高度；根据经纬度概念，建立三维编程平台内部的经纬度关系，经由全局缩放系数，得到卫星
当前的空间直角坐标；根据建立地球与卫星的父子关系，消除地球自转的干扰，完成局部坐标系转换，计算得到卫星此时的最终坐标。7.如权利要求6所述的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，其特征在于，根据卫星在j2000坐标系下的空间坐标位置，得到卫星在经纬高坐标系下的经度、纬度和离地高度，转换公式如下：转换公式如下：其中，λ为卫星经度，为卫星纬度，h为卫星高度，n为基准椭球体的曲率半径，e为椭球偏心率，a为椭球长半径。8.如权利要求7所述的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，其特征在于，建立三维编程平台内部的经纬度关系，经由全局缩放系数，计算得到卫星当前的空间直角坐标，计算公式如下：其中，r为地球平均半径，其值为6371.393km，h为卫星离地高度，μ为系统全局缩放系数，其值为100。9.如权利要求8所述的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，其特征在于，根据建立地球与卫星的父子关系，完成局部坐标系转换，计算得到卫星此时的最终坐标，计算公式如下：其中(x
′
，y
′
，z
′
)是转换后的局部坐标，(x0，y0，z0)是作为父物体的地球的空间坐标，s
x
是父物体x轴的比例尺度，s
y
是父物体y轴的比例尺度，s
z
是父物体z轴的比例尺度。
10.如权利要求1所述的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，其特征在于，根据地球自转周期，仿真模拟地球自转，并按一定比例进行全局缩放，地球转过角度的计算公式如下：其中，θ为转过的角度，sec为一天的总秒数，t系统时间。

技术总结
本发明公开了一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，包括以下步骤：在可视化三维编程平台上建立独立时间系统；获取某个星座下所有卫星的TLE星历数据，确定起始运行时刻基准，计算卫星与运行时刻基准的时间距离；实时计算每个卫星的空间位置；建立可视化三维编程平台内部的经纬度关系，计算每个卫星的三维世界空间坐标；仿真模拟地球自转，并按一定比例进行全局缩放；实时更新地球自转角度以及所有卫星位置，展示低轨巨型星座网络。本发明的一种适用低轨巨型星座可视化系统的时空一致性控制方法，定义经纬度概念，完成坐标系的相互转换，保证实现时间和空间纬度的对齐操作，提高准确性，可视化效果及与真实对象拟合的一致性更好。象拟合的一致性更好。象拟合的一致性更好。


技术研发人员：李正璇 刘金磊 曹炳尧
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/13