全球卫星导航系统的可视化

北京航空航天大学计算机学院+ 陈华 李苑伟 田海龙 翁敬农【摘 要】随着全球卫星导航系统的快速发展，人们对导航系统的认识也逐渐深入。为了满足人们对卫星导航系统的认识、教学、研究的需求，本文以三维数字地球为核心引擎，基于轨道动力学模型实现对轨道的模拟以及基于广播星历解析实现对卫星运行轨迹的二三维可视化等关键技术，研究并实现了卫星导航系统可视化。本软件能够对卫星轨道、轨道面、轨道高度、卫星模型、卫星运行轨迹等进行可视化。【关键词】卫星导航系统；数字地球；模拟仿真；可视化 1、引言GNSS是全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System ）的简称。全球卫星导航系统是国际空间信息基础设施的重要组成部分，也是大国之间必争的战略高地。北斗卫星导航系统是我国目前正在实施的、自主研发并且独立运行的全球卫星导航系统，成为继美国的GPS系统、欧洲的GALILEO系统、俄罗斯的GLONASS系统之后的世界上第四个全球卫星导航系统[1]。这极大地促进了普通民众、导航相关学者、乃至国际导航科研人员对北斗全球卫星导航系统的认识与研究。数字地球为三维空间数据场的可视化提供了一个良好的基础平台，本平台就是与数字地球相结合实现的。我们根据轨道的动力学模型模拟出了导航系统的卫星运行轨道，以及实现了轨道面、轨道高度的可视化；通过加载星座的COLLADA模型实现了卫星星座设计与分布的模拟仿真；通过对卫星星历的解析，得到卫星的位置数据，实现了卫星运行的二维星下点轨迹、三维实时位置的可视化显示。另外，本软件集成了北斗、GPS、GLONASS、GALILEO四大系统的卫星和轨道参数，具体形象的展示了四大导航系统空间段的组成。图1 卫星导航系统可视化平台的体系结构图036

2、总体框架及功能设计 2.1、总体架构卫星导航系统可视化仿真平台软件是基于数字地球三维可视化引擎进行构建的，采用构件化开发方式，并定义接口标准，保证系统的可扩展性。平台自下而上分为4部分（如图1所示）：数据层是实现卫星导航系统可视化仿真的基础，为上层框架提供数据支撑和数据管理接口。数据层的主要数据为导航系统的轨道六根数、卫星星座三维模型数据、卫星星座空间分布、卫星的星历数据等。数据层的主要功能包括数据的接入，数据的管理。数据的接入：本平台支持本地数据源和网络数据源，本地数据源支持文件和数据库两种形式，网络数据源支持通过Web Service来获取远程的数据。数据接入时需要按照一定的格式进行规范化处理，然后形成资源描述（配置）文件，以便进行可视化。数据存储管理：不同类型数据的存储策略不同，主要存储方式分为MySQL数据库、文件（XML文件、星历文件、dae模型文件等）两种方式；核心层是实现卫星导航系统可视化仿真的核心，数字地球核心引擎主要展现了三维地球场景及提供了可视化接口，可加载影像数据、数字高程数据、矢量数据以及三维模型数据。支持用户交互式浏览，即提供放缩、旋转、平移等基本操作。功能层是实现卫星导航系统可视化仿真的关键，根据数据层提供的数据，数字地球核心引擎提供的可视化接口，以及利用轨道动力学模型，卫星星历解析卫星位置实现轨道可视化、卫星运行可视化功能组件，为实现卫星导航系统可视化仿真平台提供支持。图2 卫星导航可视化仿真平台功能结构图应用层根据功能层提供的功能组件实现了卫星导航系统可视化仿真平台，对北斗、GPS、GLONASS、GALILEO四大导航系统进行了可视化仿真，另外也对太空数据进行了可视化，比如飞行器的高度可视化、太阳系场景可视化等。037

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Features本期视点图3 北斗卫星导航系统星座结构图6 全球导航卫星定位系统星座结构2.2、主要功能为了构建一款集认识、教学、研究功能于一体的卫星导航可视化仿真平台，平台的功能设计主要分为北斗、GPS、GLONASS、GALILEO四大导航系统的模拟、以及系统间的对比、卫星轨道的可视化（如图2所示）。本文重点给出北斗、GPS、GLONASS、GALILEO四大导图4 北斗卫星导航系统可视化参数设置航系统的可视化，包括每个导航系统空间段的轨道参数、卫星星座分布数据、周期数据等。3、功能和特色3.1北斗卫星导航系统北斗空间星座部分包括5颗地球静止轨道（GEO）卫星和30颗非地球静止轨道（Non-GEO）卫星。GEO卫星分别定位图5 北斗卫星导航系统卫星的发射记录于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°。Non-GEO卫星由27颗中圆地球轨道（MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成。其中，MEO卫星轨道高度21500千米，轨道倾角55°，均匀分布在3个轨道面；IGSO卫星轨道高度36000千米，均匀分布在3个倾斜同步轨道面，轨道倾角55°，3颗IGSO卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118°，相位差120°。系统根据卫星运行轨道参数实现对轨道的可视化，并能够对每个轨道的可视化进行控制（轨道高度的可视化控制、轨道面的可视化控038

制、轨道名称的可视化控制、运行在轨道上的卫星的可视化控制）以及能够对轨道和轨道面进行颜色配置以及卫星模型进行选择。系统对北斗卫星导航系统的发射记录以及现在的工作状态采用时间轴的车方式进行可视化展示。3.2 全球导航卫星定位系统GPS基本星座由24颗卫星构成，分布在6个轨道面上，每个轨道上有4颗卫星工作，其中一颗备份卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55°，相邻轨道面的升交点赤经相差60°，在相邻轨道上，卫星的升交点角距相差30°，轨道平面距地面的高度约为20200km，卫星运行周期11h58min。3.3 格洛纳斯卫星导航系统格洛纳斯系统的卫星星座由24 颗卫星组成，工作卫星有21颗，分布在3个轨道平面上，同时有三颗备份星。这3个轨道平面两两相隔120°，同平面内的卫星之间相隔45°。每个轨道面8 颗卫星，轨道高度19100km，运行周期11 小时15 分，轨道倾角64.8°。3.4 伽利略卫星导航系统伽利略系统的卫星星座由均匀分布在3个中等高度轨道上的30颗卫星构成，轨道高度23616km，运行周期为14小时4分钟。每个轨道面上有10颗卫星，9颗正常工作，1颗运行备用，轨道面倾角56°。图7 格洛纳斯卫星导航系统星座结构全球定位系统、格洛纳斯卫星导航系统、伽利略卫星导航系统的可视化参数设置方式与发射历史记录的表达方式与北斗卫星系统相同，本文从略。功能的主要特色是简单直观，操作方便，便于理解。图8 伽利略卫星导航系统星座结构039

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Features本期视点图9 四大导航系统的比较图10 四大系统中轨道的比较3.6 系统轨道对比系统轨道对比功能给出4大系统各个属性的对比，包括：轨道坐标系、时间基准、最初时间等。表达形式是使用图表，分别为4大对比和单独属性表。操作以点击图表为基础，点击系统图标显示单独属性表，而点击属性显示4大系统图表。3.7 软件功能的移植3.7.1 安卓移动端百科地球平台基于java语言进行开发，现已经实现了安卓系统手机端的移植，卫星导航系统可视以及图11 四大系统中轨道参数的比较导航系统的发射历史、文档、视频等信息的展示。3.5 导航系统对比导航系统对比主要介绍四大导航系统之间的一些差异，系统将四大系统的所有卫星轨道放在一起进行对比,能够直观的体现出系统间的差异，加深用户对导航系统的理解。3.7.2 Web端卫星导航系统可视化系统在Web端的开发采用Applet技术，使得在WEB端具有同样好的交互性与可视化效果，同时就有分布性强、维护方便、开发简单且共享性强的特点。040

图12 北斗导航系统--安卓手机端界面4、总结本文通过三维数字地球引擎对卫星导航系统空间段进行了可视化，，增加了人们对于卫星导航系统的感性认识。另外还通过数字地球可视化平台对太阳系场景、人造飞行器高度场景等空间的一些场景进行了展示。我们目前所实现的主要侧重于空间部分数据的可视化，下一步我们还将加强对地面段的模拟仿真，以及对平台的优化，增加对卫星数据、轨道数据等的分析和预测功能。参考文献[1].戴冲．卫星导航系统空间段仿真关键技术研究[D]．硕士学位论文，2011．[2].刘基余．GPS卫星导航定位原理与方法．北京：科学出版社，2006．[3].李俊毅，郝金明，李军正．卫星导航系统数据仿真中的卫星可见性问题[J]．导航定位学报，2013，1(4):51-54[4].高佳佳，张文毅．对地观测卫星数传预报仿真技术研究[J]．计算机应用与软件，2014, 31(4):82-84[5].刘锴．GNSS卫星导航系统仿真[D]．硕士学位论文，2014．[6].方晓松．卫星轨道建模与仿真技术研究[D]．硕士学位论文，2010．041

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作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

陈华， 李苑伟， 田海龙， 翁敬农北京航空航天大学计算机学院卫星与网络

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引用本文格式：陈华.李苑伟.田海龙.翁敬农 全球卫星导航系统的可视化[期刊论文]-卫星与网络 2015(1)