CN107330012B - 一种海量空间目标处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海量空间目标处理方法，包括以下步骤：根据空间目标轨道根数的六维数据，采用分段方法，实时动态计算空间目标轨道采样点；根据当前时刻，插值计算目标当前的位置坐标；采用空间裁剪算法，裁剪当前视角下被地球遮挡的空间目标；进行图形化组装，调用图形绘制接口，编程实现空间目标的可视化输出，最终可达到存在上万批空间目标时，内存占用约100M并且渲染帧率25帧以上的效果。

Description

一种海量空间目标处理方法

技术领域

本发明属于计算机图形学领域，涉及一种海量空间目标处理方法。

背景技术

随着空间技术的不断发展，人类对宇宙空间探索范围的深度和广度持续扩展，各国均在大力发展与提高自身的空间探索与掌控能力，以求在日益激烈的太空竞争中占据一席之地。目前空间相关技术已经涉足到人类社会中军用民用的众多领域，如GPS定位，电子侦察，天文观测，气象预报等。

迄今为止，人类已发射了大量的卫星，太空中的空间目标数量日益增多。据文献[1]：Air Force Space Command.JSpOC Increase Tracking Capabilities[EB/OL].(2014-03-11)[2014-05-13].http://www.afspc.af.mil/news/story.asp？id＝123165722.统计，目前宇宙空间中直径在10cm以上的探测器数目约为20000个，10cm以下的约为500000个，而更小的如空间碎片等，则达到千万级别。因此，空间目标态势的处理对于管理和监测空间目标是具有重要意义的。空间目标的处理根据不同的应用需求，有着不同的设计方案，但主要都应包括空间目标的位置信息和轨道信息的可视化。

然而，空间目标由于其数目的庞大，在现有的计算机硬件条件下，空间目标态势的处理主要存在以下两方面的问题。1.内存占用。空间目标在一定的轨道上运行，其可视化展示必然要对轨道点进行采样以获取空间目标的运行位置，当空间目标数目庞大时，对每一个目标进行轨道点数据的采样和存储将需要极大的内存空间；2.显示效率。空间目标在计算机上的可视化最终是通过使用图形编程来实现，空间目标的数量越多，对显示效率的压力则越大，如何在大量目标显示时保证效率是一个值得考虑的问题。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题时针对现有技术的不足，提供一种高效的海量空间目标处理方法，用于支持海量空间目标的处理。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种海量空间目标处理方法，包括以下步骤：

步骤1，轨道点分段计算：根据空间目标轨道根数的六维数据，动态实时计算空间目标轨道采样点，获得轨道采样点坐标；

步骤2，轨道点插值计算：获取当前时间，插值计算当前时间空间目标的位置；

步骤3，空间裁剪与渲染绘制：采用空间裁剪算法，裁剪当前视角下被地球遮挡的空间目标，对可见空间目标进行渲染绘制。

步骤1包括：

步骤1-1，判断是否需要计算下一段轨道采样点，如果是，执行步骤1-2；

步骤1-2，动态计算轨道采样点。

步骤1-1包括以下步骤：

步骤1-1-1，调用计算机***API接口获取当前时间，计算当前时间T_now与本段轨

道采样点结束时间T_end之间的时间差Δt：

Δt＝T_end-T_now，

轨道采样点起始时间T_start和结束时间T_end均初始化为零；

步骤1-1-2，计算时间差Δt与轨道采样点的时间步长T_step的倍数关系，时间步长取卫星轨道周期的1/400，轨道周期可通过SDP-4/SGP-4算法计算获得；若时间差Δt大于两倍的轨道点采样时间步长T_step，则判定目前不需要计算下一段轨道采样点；否则，判定需要计算下一段轨道采样点，执行步骤1-2。

步骤1-2包括如下步骤：

步骤1-2-1，获取空间目标的轨道根数的六维数据，包括长半轴，偏心率，轨道倾角，升交点经度，近地点角距和升交角距；

步骤1-2-2，采用SDP-4/SGP-4算法(文献[2]：HOOTS F R,ROEHRICH R L.Spacetrack report No.3models for propagation of NORAD element sets[D].Peterson:NORAD,1980.1)，以当前时间T_now为起始时间，计算预测下一段轨道采样点的时间和坐标，并将轨道采样点的起始时间T_start更新为T_now，结束时间T_end为本次计算预测的轨道采样点最后一个点所处的时刻；

步骤1-2-3，将本次计算预测的轨道采样点数据替换上次计算预测的轨道采样点数据。

步骤2包括以下步骤：

步骤2-1，调用计算机***API接口获取当前时间并转换成秒数；

步骤2-2，计算当前时刻T_now和本段轨道采样点的起始时间T_start的时间差：

Δt1＝T_now-T_start

根据时间差Δt1和轨道采样点的时间步长T_step，计算得出距离当前时刻最近的两个轨道采样点的索引位置p₁和p₂：

p₂＝p₁+1，

步骤2-3，根据索引位置p₁和p₂，分别得到距离当前时刻最近的两个轨道采样点的空间坐标v₁和v₂，空间目标在当前时刻T_now下对应的轨道位置在v₁和v₂之间；

步骤2-4，计算当前时刻T_now距离坐标v₁所在时刻的时间差占v₁、v₂之间的时间差的比例d：

步骤2-5，通过线性插值计算得出当前时刻T_now下空间目标的位置v_object：

v_object＝v₁+(v₂-v₁)*d

步骤3包括以下步骤：

步骤3-1，根据当前视点v_eye位置坐标，以及空间目标v_object位置坐标，建立过这两点的空间直线方程：

其中x,y,z为方程未知量，v_eye.x,v_eye.y,v_eye.z分别为当前视点v_eye在空间坐标系中X轴的分量，Y轴的分量和Z轴的分量，v_object.x,v_object.y,v_object.z分别为空间目标v_object在空间坐标系中X轴的分量，Y轴的分量和Z轴的分量；

步骤3-2，计算地球球心到步骤3-1的空间直线上距离最短的点v_linepoint的三维坐标v_linepoint.x、v_linepoint.y、v_linepoint.以及对应的最短距离d_distance：

步骤3-3，若最短距离d_distance大于地球半径R_earth，即d_distance>R_earth，则判断该空间目标在当前视点下可见，未被地球遮挡；若d_distance<R_earth，继续判断点v_linepoint是否在线段v_eyev_object上，若点v_linepoint在此线段上，则判定该空间目标不可见，否则判定其可见；

步骤3-4，对可见空间目标进行渲染绘制。

步骤3-4包括：

通过调用DirectX9.0(文献[3]：FrankD.luna.DirectX9.03D游戏开发编程基础[M].北京:清华大学出版社,2007.)图形绘制接口，编程实现对未被遮挡的可见空间目标进行渲染绘制，达到可视化的效果。

有益效果：本发明具有以下优点：首先，本发明分段计算空间目标轨道点，实时更新每一阶段的轨道点数据，并非一次性计算空间目标的整个轨道数据，可使海量目标情况下内存占用情况得到大幅优化；其次，本发明利用线性插值计算空间目标位置，可使目标位置的表现更为准确；最后，本发明使用空间裁剪技术，减少不必要的绘制渲染，提高绘制效率和显示流畅度。

本发明动态计算空间目标轨道点，实时更新每一阶段的轨道点数据，并非一次性计算空间目标的整个轨道数据，可使海量目标情况下内存占用情况得到大幅优化；另外本专利利用线性插值计算空间目标位置，可使目标位置的表现更为准确，并且使用空间裁剪技术，减少不必要的绘制渲染，提高绘制效率和显示流畅度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明的处理流程示意图。

图2a～2b是本发明轨道点动态计算示意图。

图3是本发明轨道点插值示意图。

图4是本发明空间目标裁剪示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明公开的一种高效的海量空间目标处理方法，具体包括以下步骤：

步骤一，轨道点分段计算：根据空间目标轨道根数，动态计算空间目标目前所处位置下一段的轨道点，获得轨道采样点坐标，包括判断是否需要计算下一段轨道采样点和轨道采样点动态计算两个步骤。

步骤二，轨道点插值：根据当前时间，插值计算当前时刻空间目标的准确位置，包括获取当前时间和插值计算目标位置坐标两个步骤。

步骤三，空间裁剪与渲染绘制：采用空间裁剪算法，裁剪当前视角下被地球遮挡的空间目标，然后对可见目标进行渲染绘制，包括空间目标裁剪和渲染绘制两个步骤。

下面具体介绍各个步骤的主要流程：

1、轨道点分段计算

轨道点分段计算：根据空间目标轨道根数，动态计算空间目标目前所处位置下一段的轨道点，获得轨道采样点坐标，包括判断是否需要计算下一段轨道采样点和轨道采样点动态计算两个步骤。

1.1判断是否需要计算下一段轨道采样点

根据本段轨道采样点的结束时间以及当前时间，判断是否需要进行下一段轨道采样点的计算。过程如下：

步骤1计算当前时间T_now与本段轨道采样点结束时间T_end之间的时间差Δt，轨道采样点开始时间T_start和结束时间T_end均初始化为零。

步骤2若时间差Δt小于两倍的轨道点采样时间步长T_step，即Δt<2T_step，则说明空间目标已快要走完本阶段轨道采样点，需要预测下一段轨道采样点。

1.2轨道采样点动态计算

根据空间目标轨道根数的六维数据(长半轴，偏心率，轨道倾角，升交点经度，近地点角距，升交角距)，采用SDP-4/SGP-4算法，动态计算下一段的轨道采样点坐标。过程如下：

步骤1获取空间目标轨道根数六维数据，轨道根数存储于数据库、文件等均可。

步骤2根据天文学轨道计算算法，以当前时间T_now为时间起始点，计算预测下一段轨道采样点的时间和坐标，并更新轨道采样点的起始时间T_start＝T_now，结束时间T_end为本次预测的轨道采样点最后一个点所处的时刻。

步骤3将本次预测的轨道采样点数据替换上次预测的轨道采样点数据。

2.轨道点插值

轨道点插值：根据当前时间，插值计算当前时刻空间目标的准确位置，包括获取当前时间和插值计算目标位置坐标两个步骤。

2.1.获取当前时间

调用***API接口获取当前时间并转换成秒数。过程如下：

步骤1调用***API来获得当前***时间，在Windows***下，调用::GetLocalTime()***函数即可获得当前时间秒数。

2.2.插值计算目标位置

根据本段轨道采样点坐标以及当前时间，采用线性插值算法，计算当前时刻空间目标的准确位置。过程如下：

步骤1计算当前时刻T_now和本段轨道采样点的起始时间T_start的时间差Δt1：

Δt1＝T_now-T_start

步骤2根据时间差Δt1和轨道点采样时间步长T_step，计算可得出距离当前时刻最近的两个轨道采样点的索引位置p₁和p₂：

p₂＝p₁+1

步骤3根据索引位置，可取到两点的空间坐标v₁和v₂，显然空间目标在当前时刻T_now下对应的轨道位置应在v₁和v₂之间。

步骤4计算当前时刻T_now距离v₁点所在时刻的时间差占v₁、v₂之间的时间差的比例d：

步骤5通过线性插值计算可得出当前时刻T_now下空间目标的准确位置：

v_now＝v₁+(v₂-v₁)*d

3.空间裁剪与渲染绘制

空间裁剪与渲染绘制：采用空间裁剪算法，裁剪当前视角下被地球遮挡的空间目标，然后对可见目标进行渲染绘制，包括空间目标裁剪和渲染绘制两个步骤。

3.1.空间目标裁剪

通过空间几何计算，排除被地球遮挡的空间目标。过程如下：

步骤1建立过视点v_eye和空间目标点v_object之间的空间直线方程，其中x,y,z为方程未知量，v_eye.x,v_eye.y,v_eye.z为当前视点v_eye在空间坐标系中X轴，Y轴和Z轴的分量，v_object.x,v_object.y,v_object.z为空间目标v_object在空间坐标系中X轴，Y轴和Z轴的分量：

步骤2通过空间几何计算地球球心到该直线上距离最短的点v_linepoint的坐标：

步骤3计算地球球心v_earth到v_linepoint的距离d_distance：

步骤4若该距离大于地球半径，即d_distance>R_earth，则判断该空间目标在当前视点下可见，未被地球遮挡。

步骤5若该距离小于地球半径，即d_distance<R_earth，继续判断点v_linepoint是否在线段v_eyev_object上，若点v_linepoint在此线段上，则判断该空间目标不可见，否则判断其可见。

3.2.渲染绘制

通过调用图形绘制接口，编程实现对未被遮挡的空间目标进行渲染绘制，达到可视化的效果。

实施例

本实施例中，输入空间目标轨道根数后，通过本发明所述的海量空间目标高效可视化方法，可以得到空间目标的可视化输出结果。具体实施过程如下：

步骤一中，判断是否需要计算下一段轨道采样点，计算当前时间T_now与本段轨道采样点结束时间T_end之间的时间差Δt，若时间差Δt小于两倍的轨道点采样时间步长T_step，即Δt<2T_step，则说明空间目标已快要走完本阶段轨道采样点，需要预测下一段轨道采样点，如图2a所示；然后以当前时间T_now为时间起始点，计算预测下一段轨道采样点的时间和坐标，并更新轨道采样点的起始时间T_start＝T_now，结束时间T_end为本次预测的轨道采样点最后一个点所处的时刻，如图2b所示。

步骤二中，插值计算目标位置首先计算当前时刻T_now和本段轨道采样点的起始时间T_start的时间差Δt1，根据时间差Δt1和轨道点采样时间步长T_step，计算可得出距离当前时刻最近的两个轨道采样点的空间坐标v₁和v₂，通过线性插值计算可得出当前时刻T_now下空间目标的准确位置v_now，如图3所示。

步骤三中，采用空间裁剪算法，裁剪当前视角下被地球遮挡的空间目标，如图4所示。首先建立过视点v_eye和空间目标点v_object(图中示出了v₁、v₂和v₃)之间的空间直线方程，计算地球球心到该直线上距离最短的点的坐标，图中分别为v_linepoint1、v_linepoint2和v_linepoint3，计算地球球心v_earth到v_linepoint的距离，图中为d₁、d₂和d₃，若该距离大于地球半径，如d₁>R_earth，则判断该空间目标在当前视点下可见，未被地球遮挡；若该距离小于地球半径，如d₂和d₃均小于R_earth，继续判断点v_linepoint是否在线段v_eyev_object上，若点v_linepoint在此线段上，则判断该空间目标不可见，如图中的v₂；否则判断其可见，如图中的v₃。最后，进行图形化组装，调用图形绘制接口，编程实现空间目标的可视化输出，最终可达到存在上万批空间目标时，内存占用约100M并且渲染帧率25帧以上的效果。

本发明提供了一种海量空间目标处理方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种海量空间目标处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，轨道点分段计算：根据空间目标轨道根数的六维数据，动态实时计算空间目标轨道采样点，获得轨道采样点坐标；

步骤2，轨道点插值计算：获取当前时间，插值计算当前时间空间目标的位置；

步骤3，空间裁剪与渲染绘制：采用空间裁剪算法，裁剪当前视角下被地球遮挡的空间目标，对可见空间目标进行渲染绘制；

步骤1包括：

步骤1-1，判断是否需要计算下一段轨道采样点，如果是，执行步骤1-2；

步骤1-2，动态计算轨道采样点；

步骤1-1包括以下步骤：

步骤1-1-1，调用计算机***API接口获取当前时间，计算当前时间T_now与本段轨道采样点结束时间T_end之间的时间差Δt：

Δt＝T_end-T_now，

轨道采样点起始时间T_start和结束时间T_end均初始化为零；

步骤1-1-2，判定时间差Δt与轨道采样点的时间步长T_step的倍数关系，时间步长取卫星轨道周期的1/400，若时间差Δt大于两倍的轨道点采样时间步长T_step，则判定目前不需要计算下一段轨道采样点；否则，判定需要计算下一段轨道采样点，执行步骤1-2；

步骤1-2包括如下步骤：

步骤1-2-1，获取空间目标的轨道根数的六维数据，包括长半轴，偏心率，轨道倾角，升交点经度，近地点角距和升交角距；

步骤1-2-2，采用SDP-4/SGP-4算法，以当前时间T_now为起始时间，计算预测下一段轨道采样点的时间和坐标，并将轨道采样点的起始时间T_start更新为T_now，结束时间T_end为本次计算预测的轨道采样点最后一个点所处的时刻；

步骤1-2-3，将本次计算预测的轨道采样点数据替换上次计算预测的轨道采样点数据；

步骤2包括以下步骤：

步骤2-1，调用计算机***API接口获取当前时间并转换成秒数；

步骤2-2，计算当前时刻T_now和本段轨道采样点的起始时间T_start的时间差：

Δt1＝T_now-T_start

根据时间差Δt1和轨道采样点的时间步长T_step，计算得出距离当前时刻最近的两个轨道采样点的索引位置p₁和p₂：

p₂＝p₁+1，

步骤2-3，根据索引位置p₁和p₂，分别得到距离当前时刻最近的两个轨道采样点的空间坐标v₁和v₂，空间目标在当前时刻T_now下对应的轨道位置在v₁和v₂之间；

步骤2-4，计算当前时刻T_now距离坐标v₁所在时刻的时间差占v₁、v₂之间的时间差的比例d：

步骤2-5，通过线性插值计算得出当前时刻T_now下空间目标的位置v_object：

v_object＝v₁+(v₂-v₁)*d；

步骤3包括以下步骤：

步骤3-1，根据当前视点v_eye位置坐标，以及空间目标v_object位置坐标，建立过这两点的空间直线方程：

其中x，y，z为方程未知量，v_eye.x，v_eye.y，v_eye.z分别为当前视点v_eye在空间坐标系中X轴的分量，Y轴的分量和Z轴的分量，v_object.x，v_object.y，v_object.z分别为空间目标v_object在空间坐标系中X轴的分量，Y轴的分量和Z轴的分量；

步骤3-2，计算地球球心到步骤3-1的空间直线上距离最短的点v_linepoint的三维坐标v_linepoint.x、v_linepoint.y、v_linepoint.z以及对应的最短距离d_distance：

其中，v_earth表示地球球心；

步骤3-3，若最短距离d_distance大于地球半径R_earth，即d_distance＞R_earth，则判断该空间目标在当前视点下可见，未被地球遮挡；若d_distance＜R_earth，继续判断点v_linepoint是否在线段v_eyev_object上，若点v_linepoint在此线段上，则判定该空间目标不可见，否则判定其可见；

步骤3-4，对可见空间目标进行渲染绘制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3-4包括：

通过调用DirectX9.0图形绘制接口，编程实现对未被遮挡的可见空间目标进行渲染绘制，达到可视化的效果。