基于Unity 3D的北斗衛(wèi)星定位原理虛擬仿真系統(tǒng)

戴秋龍+吳憲君+項順伯

【摘 要】為了更直觀、清晰地闡述北斗定位三球交匯的原理，采用3DsMax建模和Unity 3D三維引擎開發(fā)了北斗三球交匯定位求解過程的虛擬仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了從三球交匯定位解算求解的全過程動態(tài)交互。該系統(tǒng)在實際教學初步取得良好的效果。

【關鍵詞】北斗導航；三球交匯；定位解算

0 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，在車輛定位、應急救援、防災減災等領域有著非常廣泛的應用[1]。北斗系統(tǒng)與GPS、格洛納斯、伽利略等全球幾大衛(wèi)星導航系統(tǒng)均是采用三球交匯的幾何原理來實現(xiàn)定位[2]。三球交匯幾何定位的解算主要利用三維坐標和距離公式求解完成[3]。傳統(tǒng)的幾何解算推演方法不夠直觀明白，很多聽眾在聽講定位原理時感到較枯燥無味。為了克服這些缺點，本文將3DsMax建模和Unity 3三維仿真技術應用到三球交匯定位解算的推演中，把定位原理和解算過程分步驟、交互式的呈現(xiàn)清楚，方便相關專業(yè)學生的學習和操作使用。

1 定位解算基本原理

1.1 基本原理

由于衛(wèi)星星座中所有的衛(wèi)星空間位置已知，地面用戶接收機終端（以下簡稱用戶終端）通過衛(wèi)星信號接收和解析可以獲得衛(wèi)星空間位置數(shù)據(jù)。用戶終端通過偽距測量還可以得到與所觀測的衛(wèi)星之間的距離[4]。基于空間坐標中亮點之間的距離計算方法，用戶終端通過觀測3顆衛(wèi)星即可得到三個距離方程，利用這三個距離方程即可計算出用戶終端的坐標位置（X，Y，Z）[5]。通常在計算用戶終端坐標時，還要考慮用戶終端與衛(wèi)星的鐘差，這個時候就需要再多觀測一顆衛(wèi)星，即引入第4顆衛(wèi)星，最終形成4個方程式進行求解得到用戶終端的坐標以及高程數(shù)據(jù)[6]。

1.2 解算方法

在以地心為中心的直角坐標系中，假設觀測的四顆衛(wèi)星A、B、C、D坐標數(shù)據(jù)已知，則分別將其表示為A（x1，y1，z1），B（x2，y2，z2），C（x3，y3，z3），D（x4，y4，z4），用戶終端T（x，y，z）的坐標是未知的，x、y、z代表空間三維坐標。用戶終端T到這A、B、C、D衛(wèi)星的距離分別為D1、D2、D3、D4。根據(jù)空間坐標系中兩點間距離計算方法，可得到T與A的距離D1為： （x-x1）2+（y-y1）2+（z-z1）2=D12

同理，可得距離D2、D3和D4，將D1，D2，D3，D4組合成為方程組求解，可以最終得到用戶終端T的真實位置數(shù)據(jù)。

2 虛擬仿真系統(tǒng)的設計

2.1 主要技術

該虛擬仿真系統(tǒng)涉及的主要開發(fā)技術有：建模、Unity 3D開發(fā)引擎、JS腳本編程以及C#.NET開發(fā)技術。3DsMax軟件用于對球體模型建模，交互程序開發(fā)使用JS和C#，三維互動開發(fā)采用Unity 3D，最后通過Unity 3D Web Player發(fā)布成網(wǎng)頁版本。

2.2 開發(fā)流程

（1）三維建模

首先利用3DsMax完成一個球體的建模，由于本仿真系統(tǒng)主要是對定位解算過程的仿真，三維球體僅僅用來呈現(xiàn)地面衛(wèi)星接收機終端的定點顯示，對整個三維球體建模效果的要求并不高。系統(tǒng)直接采用3DsMax球體模型素材，加上簡單的球體貼圖和紋理處理即可。通過上述處理，既能夠保證三維仿真的畫面效果，也大大減少了模型的體量，節(jié)省了模型加載的時間，保證了在Web網(wǎng)頁端的順暢瀏覽和交互操作。

（2）模型導入

將球體模型導入保存到Unity 3D中，建立好相應的視角和初始姿態(tài)，設置好相關交互功能模塊。在Unity 3D中加入適當?shù)墓庹招Ч颓蛎娣瓷湫Ч?/p>

（3）交互設計

在Unity 3D中，按照北斗衛(wèi)星三球交匯定位解算的基本過程，首先，設計相應的交互模塊，包括定位原理、定位解算基本文字內容的顯示和屏蔽，以及信號接收、球體、相交圓、定位呈現(xiàn)等模塊。然后，對每一個交互模塊編寫腳本和程序，實現(xiàn)動態(tài)交互效果。最后，還要為整個交互系統(tǒng)編寫相應的鼠標事件，包括三維模型的漫游，移動、縮放等事件。

3 仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 基本過程

按照三球交匯定位解算的理論推導，結合三維仿真的實現(xiàn)思路，設計出以下仿真過程：

（1）基本理論展示；

（2）球體及球面用戶終端的展示；

（3）衛(wèi)星的位置精確已知，通過電文播發(fā)給用戶，用戶接受來自3顆衛(wèi)星的信號；

（4）以衛(wèi)星為球心，生成3個相交球體；

（5）基于3個相交球體，得到3個相交圓；

（6）基于3個相交圓產生2個相交點；

（7）排除不合理的相交點，得到最終用戶球面位置點；

3.2 效果呈現(xiàn)

該軟件的虛擬交互按照理論進行順序推到，通過菜單界面操作方式，較易上手。系統(tǒng)的仿真界面如圖1所示。

用戶以Web方式打開軟件后，依次點擊系統(tǒng)界面左側的菜單項，依據(jù)三維場景的提示可以依次完成三球交匯定位解算的算法推算過程，三維場景會根據(jù)用戶不同的菜單操作呈現(xiàn)相應的解算過程仿真畫面。在三維仿真界面中，可以通過鼠標按鍵實現(xiàn)界面的縮放、漫游、移動、旋轉等操作，還可以通過鼠標控制背景音樂和定位原理的文字解說。

4 結束語

本系統(tǒng)構建了北斗衛(wèi)星定位三球交匯虛擬仿真場景，并采用Unity 3D技術實現(xiàn)了對定位解算原理的虛擬仿真。該系統(tǒng)以更為直觀的方式展現(xiàn)了三球交匯定位算法求解的全過程，降低了概念理解難度。

【參考文獻】

[1]龍昌生.北斗/GPS雙模導航終端關鍵模塊的設計與實現(xiàn)[D].重慶大學，2011.

[2]王雪.GPS與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)異同分析[J].科技創(chuàng)新導報，2013，（9）：136.

[3]楊利，閔輝，劉琳嵐等.無線傳感器網(wǎng)絡三維定位算法綜述[J].池州學院學報，2014，12（6）：29-32.

[4]武英潔.船用北斗/GPS聯(lián)合導航終端的研究[D]. 大連海事大學，2010.

[5]楊禮平，李夢穎.手持GPS在地質勘查中的應用研究[J].地質學刊，2011，35（2）：201-203.

[6]丁立平.基于VDL-4技術的機場場面車輛管理系統(tǒng)研究[J].指揮信息系統(tǒng)與技術，2010，01（6）：55-60.

[責任編輯：朱麗娜]endprint