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虚拟现实与卫星仿真技术
2010年8月10日    评论:    分享:

    来源:第三维度

    作者:郑建华

 

    摘要 该文通过对虚拟现实技术理论和应用状况的分析,结合 星技术的特殊性,提出如何将虚拟现实技术与卫星仿真技术相结合,在虚拟环境下对卫星的设计、制造、发射.直至在预定轨道上的运行等全过程进行可视化仿真的方法。

 

    1 虚拟现实技术及其应用

 

    虚拟现实(简称VR)又称灵境技术,是目前计算机科学和信息科学技术中最热门的研究领域。它是一门对未来信息社会产生重要影响,并将最终改变人类的生恬和工作方式的技术。虚拟环境(v emimnmen~.简称VE)代表着未来计算机与人们的交互界面,这是一种完全沉浸式的交互界面,用户就好像真的处在计算机生成的世界里,无论是看到的、听到的、还是感受到的,都像是在真实世界里一样,并且用户还可以用完全自然的方式向计算机发出命令

 

    1965年,美国ARPA信息处理技术办公室(wro)主任I一咖5utherland在“终极的显示”的论文中描述了如何把计算机显示屏幕作为“一个通过它观看虚拟世界的窗口 ,标志着虚拟现实理论的诞生。虚拟现实应用系统的研究从此拉开帷幕.但虚拟现实系统真正投八使用仍是2o世纪90年代之后;

 

    在航空航天领域,虚拟现实技术发挥过极大的作用,并取得了骄人的成就。以波音777客机为例,波音公司在设计该型号飞机时,采用了当时最为先进的虚拟现实技术,整个飞机的设计完全是在虚拟环境中完成的,并在虚拟环境中实现了飞机的设计、制造、装配一气呵成,实际的运行中证明了真实情况与虚拟环境中的情况完全一致。1993年,美国约翰逊航天中心启用了一套虚拟现实系统来训练航天员熟悉太空环境,使得修复喑勃望远镜的工作一次成功。目前,在美国宇航局的各大航天中心都有有关VR的研究项目.欧空局也有vR方面的研究项目。此外,虚拟现实技术在军事、医疗、机械制造、机器人 及建筑、教育和娱乐等领域也得到了广泛的应用[21

 

    2 卫星及卫星仿真技术

 

    卫星是一种特殊的产品,它具有 下一般产品所不具备的许多特点:

 

    · 卫星的发射需要经受一十严峻的考验.且必须长期运行在条件极其恶劣的太空环境中- 卫星在其预定的轨道上运行期间,人们无法对其进行必要的维护(除非利用航天飞机对在轨卫星进行维修)

 

    · 卫星作为一类特殊产品,具有产品数量少,价格高,要求产品具有很高的成功率l4 J

 

    因此.人们常常把卫星称之为四高产品。即高技术、高投入、高效益和高风险产品。为了确保万无一失地完成卫星的研制任务,通常从卫星的设计开始,人们就通过各种试验方法来模仿卫星的工作条件及动力学方面的受力情况,以提高卫星成功的把握性。这种方法就是通常所说的仿真。所谓仿真,简单地说,就是在模型上进行实验,它是将被研究的对象及其特征抽象成模型,通过对模型的实验操作及实验结果的分析,探讨和推断对象车身所具有的性质及其运动变化规律。

 

    卫星仿真技术通常是以卫星运行情况为研究对象的、面向复杂系统的仿真。其仿真实验过程包括对卫星及其测控系统的系统建模、模型实现和模型实验三项基本活动构成,相互关系如图1所示。

图l 航天仿直的三项基本活动
图l 航天仿直的三项基本活动 

    卫星仿真是大规模复杂系统的工程仿真,其处理方法往往涉及到图2所示的多种仿真技术的集成:作为系统仿真技术与卫星技术相结告的产物的卫星仿真, 人类研制第一颗人造卫星开始,至今已走过了半个多世纪的历程。从图2可以看出,系统仿真经历了一个不断发展不断完善的过程。其中,实物、物理仿真是卫星仿真中最早采用的方法 就是在科学技术发展的今天,实物、物理仿真仍然是卫星研制过程中广泛采用的一种重要方法。实物、物理仿真的显著优点是可 从宏观上全局地把握卫星的性能及运动情况。但其成本高、工艺要求复杂,特别是实物仿真的不可重复性、高风险性,制约了实物、物理仿真的适用范围。

图2 系统仿真的发展历程
图2 系统仿真的发展历程 

    模拟计算机仿真是根据仿真对象的数学模型将一系列运算器(如电阻器件、电容器和电位器,等等)相互连接而形成仿真电路。通过凋节输A端的信号来观察输出端的晌应结果,进而分析和把握仿真对象的性能。模拟机仿真对于分析和研究卫星上设备的性能,有着其它仿真方法难以替代的作用:进入印年代之后,随数字计算机的迅速发展和广泛普及,系坑仿真的主要工具逐步由模拟机让位于数字机。

 

    传统的冯·诺依曼型数字机对信息的处理采用的是串行方式,它难以满足卫星中各类大规模复杂系统仿真对时间限制的要求,从80年代初开始,数字机与模拟机联合组成的模拟数字混合机在卫星仿真等高技术领域开始得以应用。

 

    随着计算机图形技术的迅速发展,系统仿真方法论和计算机仿真软件设计技术在交互性、生动性、直观性等方面取得了比较大的进展,先后出现了动画仿真、可视交互仿真、多媒体仿真和虚拟环境仿真、虚拟现实仿真等一系列新的仿真思想、仿真理论和仿真技术。卫星仿真技术在可视化、逼真性和过程交互能力方面也取得了明显的进展。卫星仿真作为系统仿真与卫星技术相结合的产物,其发展离不开系统仿真学科与卫星技术发展的大环境 近年来,各种受关注和推崇的新的仿真思想和技术手段在卫星仿真领域都得到成功的应用,出现了分布虚拟环境(DVE)下的卫星轨道建摸与行星群的仿真、计算机图形导航工程(CGIT")系统、虚拟的交互环境工作站()等等。

 

    3 卫星虚拟现实系统

 

    基于虚拟现实技术的卫星仿真系统是二十世纪九十年代后发展起来的新型仿真技术,是仿真技术发展的方向之一 它与仿真技术有着千丝万缕的联系,但和仿真系统叉有较大的区别,它不仅能够得到仿真的结果,更强调在环境中运行的动态过程=一个完整的卫星虚拟现实系统应该包括对卫星的设计、制造、发射、定轨和卫星的在轨运行等环节的虚拟环境设计。一个完整的交互式卫星虚拟现宴系统由下述三部分构成:

 

 

    1)卫星虚拟环境产生器这是一个能够产生三维世界的轼、硬件环境,其主要功能是建立卫星虚拟环境的模型,接收相关的运动信息(如头部、眼、手等),分路/分时生成左、右跟视图.并融合成三维立体图像,同时进行三维声音台成并发出触觉、力觉等反馈信号。

 

    2)输入输出设备其目的是使参与者能够与虚拟环境通过视觉、听觉和触觉等方式实现信息的交互,主要包括头盔显示器、操纵杆和数据手套等,它们是用户与虚拟环境建立联系的关键。

 

    3)数据接口其作用是将卫星虚拟环境产生器、输^输出设备厦参与者等有机地联结在一起,这不仅包括硬件协配问题,也包括软、硬件联调及人机界面等技术内容:整个系统的信息控制流程图如图3所示。

图3 卫星虚拟现实系统信息控制流程
图3 卫星虚拟现实系统信息控制流程

     31 卫星虚拟环境的构造

 

    一个完整的卫星虚拟环境应能包括卫星从研制到运行的全过程的模拟,印从卫星的研制、制造、发射到卫星在轨运行等环节。

 

    卫星的研制和制造在卫星的研制和制造阶段,可以采用虚拟制造技术。它是将虚拟现实技术和传统的机械制造技术相结合。充分利用计算机技术和现代信息技术的最新成果,将有关卫星的全部可能状态进行集成,获得仿真效果。

 

    技术可以将几何仿真与物理仿真相结合,在操作员戴上数据手套时,通过各种侍感装置可对力的变化宴时监测。把要求卫星完成的任务加以分解,将它转换成相应的数学摸型及相关的参数,提供给计算机系统。且可以在虚拟现实环境中首先对卫星进行设计、加工、组装。发现不台适、不理想的地方可以及时对其模型和相应的参数进行不断地修改、完善,反复上述过程,直至找到满足任务要求的摄佳实现。在设-t的过程中,还可以对一些部件进行太空环境下的“试验” 查看它在太空工作环境下能否经受得住“运行”的考验。

 

    vR技术与有限元技术、计算机流体动态技术结合可用于辨别物体应力区域、完成测定物体周围的气流场、涟流场和表面温度特征等工作。对于卫星这类复杂的工程,vR技术可利用计算机网络环境实现设i十和制造各阶段交叉进行。

 

    由不同终端处理不同过程,最后通过服务器进行数据管理与通讯。在虚拟现实环境中,计算机能生成全部工件原形,可对虚拟原形进行预装配.在预装配同时还能进行碰撞检测、阶段性的性能测试等,若对测试结果不满意.还可对【件设阡图宴时修改。这样可大大减少设计娈更、错误和返工等浪费。用“虚拟原形”代替“真实模型”进行预装配,可提高设计可靠性,节约大量原材料:在进行实际加工过程中.虚拟制造系统可将虚拟环境叠加于真实环境之上,如把虚拟的模板显示在正在加工的工件上.工人根据此模板控制待加工尺寸,能简化加工过程,提高加工精度 保证研制出的lJ里稳定可靠。

 

    卫星的发射与运行 当我们在虚拟环境中完成了lJ星的研制任务以后.一个与真实卫星性能完全相同的“虚拟卫星”已告成功。但该卫星能否顺利地被发射、定轨以及在预定的轨道上正常地运行,还有待进一步加以验证。根据卫星发射场地的地理环境、气象资料、卫星的重量、卫星的运行高度 及发射该卫星所用火箭的重量和运载能力等来构造卫星发射阶段的虚拟环境。由于火箭发射时的加速度很大,这时卫星的机械强度就要受到严峻的挑战;在这过程中还可以考验我们设计的卫星会不会出现机械 }的共振,以及制造卫星的材料在发射过程中对受力和温度变化的反应。这一切都可以利用虚拟环境中的可视化技术把“卫星 的变化过程中相关参数用图形和数据显示出来。仿佛我们就坐在卫星上,随着火箭的发射,与卫星一起开始邀游太空。卫星发射升空达到预定的高度和预定的速度以后,将要对卫星进行定轨控制,依据卫星预定轨遭的数学模型构造相应的虚拟环境:配合其控制策略,展现卫星在定轨阶段的运行轨迹和控制精度,以对控制策略和控制算法进行验证和再次优化=当卫星进^了预定的轨道以后,将开始在某一确定高度的空问轨道运行。太空中的环境状况是极其恶劣的,许多因数也是难以完全考虑到,如太阳、地球、月亮等星体对卫星的影响是可以预先知道的,卫星在太空工作时的姿态及工作时可能引起的扰动等也是可以估计的,而宇宙射线等的变化则带有很大的随机性。用实物和半实物仿真是不可能的,这时用虚拟现实技术仿真就显示出其独特的优越性;把太空的各种因数用相应的数学模型来进行描述.其中还可以加^一些随机模型。在这样一个虚拟环境中运行卫星,验证所采用的控制策略是否满足执行空间任务的要求,还可 通过不断修改控制策略来找出最佳实现的控制方法。在可视化的虚拟环境中可以很直观的看到卫星在轨道上的运行轨迹和卫星姿态的稳定性。

 

    32 卫星虚拟环境中的输入输出设备

 

    卫星虚拟现实系统和一般的虚拟现实系统一样,其基本特征都是强调用户与计算机交互时的沉浸感 交互性及由此带给』、们的想象。为了和卫星虚拟环境中的对象进行很自然地交互.让参与者沉浸在计算机构造的虚拟环境之中,就必须让人有在真实环境中一样的感受。眼前的画面应该是立体的,环境中的对象有层次感和远近感,且所有环境对象都是彩色的 人手的动作在虚拟环境中的反应能够得到体现.并且你的手具有力觉、触觉感,环境中的各种场面都与环境声音相配合。 上这一切的实现.都必须通过虚拟环境中的交互设备,它们是:立体头盔显示器(head raotulted di ay,简称舯).数据手套(~ l,glo$,e)以及力觉反馈手套等

 

    33 卫星虚拟现实系统中的数据接口

 

    对于卫星虚拟现实系统这样一十复杂系统.有大量的数据需要进行交互、处理,其中包括人与虚拟环境的交互数据,如人把其操作指令通过手的动作加以描述,通过数据手套可把手指弯曲的程度转换成电信号.最终把往电信号转换成数字编码通过电缆与计算机系统相接。』、的身体和头的位置及转动的方向对虚拟环境中场景的变化也很大,通常利用位置跟踪系统榆测出其位置和方向信息(如空间坐标xYz;角度n3,丫等),同样将该数据通过电缆输^计算机系统。在构造卫星虚拟环境的数据接口时,除了要考虑』、与虚拟环境的数据接口外,还应考虑星载计算机系统与其它计算机系统的数据接口。如卫星拍摄到地球上某一地区的图象后,如何将饿图象信息转换成数据而需与星载计算机系统连接的数据接口,星载计算机处理过的数据与地面计算机系统的数据接口:此外,还有地面向卫星发送的数据、多个卫星之间的数据接口等。将上述多种数据联结起来既有硬件的连接又有软件的配台,虚拟环境中多信息通道的接口和多种信息、数据的融合是当夸虚拟现实研究中的一个关键问题。

 

    4 国内外卫星虚拟现实研究现状

 

    虚拟现实技术是近二十年来逐步发展起来的一门新兴学科,它的每一点进步都与其他多门学科的发展有着直接的联系。国外在这方面的研究比较早,硬件发展也比较快;在卫星虚拟现实研究方面已取得了不少理论和应用成果;如Koboyoshi等人为日奉空间规划部开发了一种能在用户定义的大多数模型框架下完成实时观察的可视交互环境:卫星轨道信息的交互式图形显示技术。在人造卫星轨道数据的可视化方面,在轨卫星可视化计算机图形系是其主要应用之一:在轨卫星的姿态显示与姿态控制在人造卫星的发射、侧控和应用卫星的研究中是十分重要的。印度删卫星中心控制系统研究所开发了一组十分简洁的卫星姿态显示模型及仿真软件。该仿真模型的输人信息为偏航误差、滚动误差和俯仰误差.仿真输出为动态显示在计算机砰幕上两个不同视窗中的三维计算机动画在轨卫星姿态变换图形 该仿真软件采用多视角绘图和双倍缓冲技术不但确保了卫星姿态显示的视连续性、较强的动态感,还有效克服了由于隐表面消去处理而导致表面细节信息的损失.增加仿真图形显示的真实感。我国是从九f年代开始跟踪国外虚拟现实技术,目前国内不少学者在虚拟现实理论方面,特别是计算机视觉方面的研究比较多.取得了一些可喜的成果。目内也有几所高校正在进行虚拟现实系统的软件和硬件的研究.也取得了一些进展,但有关卫里虚拟现实系统方面的研究尚未见到报道

 

    5 结束语

 

    虚拟现实作为系统仿真技术中最有发展前途的一仃学科,受到了国内外学者的普遍重视。开发卫星虚拟现实系统,可以让设计者沉浸于卫星虚拟系统之中,根据设计者的体验不断地对卫星设计方案进行修改,以便得到最优的产品。在设计卫星的过程中,还可以及时地验证设计的科学性和可行性.确保少走弯路.缩短研制周期。对卫星这类型号繁多,而每种型号数量少的产品.利用虚拟现实技术来进行研制是最台适不过的了。当某种型号卫星的虚拟现实环境建成以后,通过修改部分模型和参数就可被另一型号的卫星设计所使用。这是卫星和航天事业快速发展的必经之路。

 

    作者简介:

 

    郑建华.1996年哈尔滨工业大学毕业,工学博士现在中国科学院空同科学与应用研究中心丁作,副研究员 主要研究方向:神经网络理论研究与应用.鲁棒控制理论研究与应用,空间飞行器动力学、控制与仿真

 

    参考文献

 

    [I] 吴乐南数据压缩的原理与应用电子工业出版社.1995

 

    [2] 何振亚神经智能湖南科学技术出版杜.1997

 

    [3] l~'erbos P J B dIIgIIthrou~ timewh h does and HowIodo it.№ IEEE1990410)15501560

 

    [4[ ltaykin S NeuralqetworksA c0q Ye Foundat~n yorkN,~millian Colege PtablL4ai~ 0m甲宙哼,1994

 

    [5] 焦李成神经网络的应用与实现.西安电子科技^1996

 

    [6] 王伟.人工神经网络原理北京航空航天大学出版社1995

 

标签:卫星航天航空军事
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