基于虚拟现实技术的GPS仿真系统的研究.docVIP

基于虚拟现实技术的GPS仿真系统的研究 虚拟现实（Virtual?Reality，简称VR）是近年来出现的高新技术，由计算机生成具有三维空间的虚拟环境，用户在此环境中利用特殊装置，以最自然的方式与环境交互，操作和控制环境，从而产生身临其境的效果。它可以将一系列的物理模型、数据结果动态、以逼真的三维图形展示出来。由于其直观、准确、清晰的特点，虚拟现实技术已经广泛应用于生产和生活的各个领域。　　GPS（Global?Positioning?System，全球定位系统）是一种能够在全球范围内进行实时定位、导航的系统，最早是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。随着科学技术的进步，GPS逐渐开始应用于人们的生活中，如车辆定位、防盗、反劫、行驶路线键控及呼叫指挥等。将虚拟现实技术应用于GPS系统中，建立三维卫星系统仿真模拟及相关分析。航天器实时监控人员、航天器轨道设计分析人员、GPS测量人员以及GPS原理教学与学习人员能够方便直观的观察分析卫星运行情况，对进一步加快导航定位系统的发展具有很大的现实意义。　　1?GPS系统　　GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候的提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。GPS的前身是美国军方研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。为此，美国海军研究实验室（NRL）提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，这是GPS精度定位的基础。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作星和3颗备用星工作在互成60度的6条轨道上。　　如图1所示，为GPS系统结构图。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成，保证时间同步并对卫星进行跟踪。二是空间部分，由分布在6个轨道平面上的24颗卫星、广播L1、L2卫星轨道、时间数据及辅助资料信息。三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并进行定位于导航。24颗卫星的空间位置是已知的，通过测量已知卫星到用户接收器之间的距离，然后综合3颗卫星得到的位置数据组成3个方程式，便可以得出观测点即用户的位置。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，再引入第4颗卫星，形成四个方程式，便能得到观测点的经纬度和高程。x、y、z为待测点的空间直角坐标，vt为接收机的钟差，di=cti为卫星到接收机之间的距离，ti为各卫星的信号到达接收机所经历的时间，c为GPS信号的传播速度。　　[x1-x2+y1-y2+z1-z212+cvt1-vt0=d1]　　[x2-x2+y2-y2+z2-z212+cvt2-vt0=d2]　　[x3-x2+y3-y2+z3-z212+cvt3-vt0=d3]　　[x4-x2+y4-y2+z4-z212+cvt4-vt0=d4]　　GPS在道路工程中能够用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等，无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对于检测常规测量的支点也非常有效。随着GPS对民间的开放，它越来越多的融入到人们生活的方方面面，其中三维导航作为GPS的首要功能，可以帮助飞机、轮船、车辆甚至行人进行导航。除了用于导航、定位、测量外，还可以传送精确的时间和频率信息，获得气象数据，为某些实验和工程服务。　　2?设计思路　　考虑到实验条件的限制，本系统主要是基于PC机的桌面式GPS仿真系统，模拟卫星在轨道运行的情况并进行简单的数据分析，通过输出工具如鼠标、键盘、数据手套等实现人机交互的目的。　　如图2所示为该系统的框架结构图，GPS仿真系统主要由三部分构成，分别是数据处理模块、数据库模块以及运行窗口部分，前两个模块都是为了最后一个模块服务的。通过带有卫星信息的数据库和数据处理部分，用户在运行窗口中不但能够观察到卫星的运行轨迹，并对整个GPS仿真场景进行平移、缩放、漫游等交互操作，还能载入常见的sp3格式的星历、tle轨道历书，通过输入轨道参数能够观察到卫星的运行情况，同时能够模仿实际卫星的定位情况对虚拟用户的位置进行定位分析。　　　　图2?GPS仿真系统　　在本系统中，排除了外界环境对地球和卫星的影响，包括大气阻力、太阳辐射的压力，将地球看成一个内部分布均匀的理想球体，卫星围绕地球运动看成严格准遵循牛顿第二定律和开普勒定律，如图3所示。　　　　图3?GPS导航卫星系统?　1）牛顿第二运动定律：物体加速度的大小跟物体受到的作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同，即F=kma（k