osgEarth示例分析——osgearth_eci

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前言

osgearth_eci示例，展示了J2000的天体坐标系和ECEF地固系的转换，绘制坐标系，以及读取卫星参数绘制卫星的功能。绘制卫星轨迹，添加差值效果和未添加差值的效果。

关于卫星两行根数的数据文件下载路径：CelesTrak: Historical NORAD Two-Line Element Sets

关于卫星两行根数的解释：CelesTrak: NORAD Two-Line Element Set Format

执行命令

// J2000ECI坐标系下绘制， --tessellate 开启差值功能。最好不要开启 osgearth_ecid.exe earth_image\world.earth --tle F:\osgData\Data\space\gps1-01.txt --tessellate // 还可以通过 --maxpoints 1000 控制添加跟踪卫星的数量 osgearth_ecid.exe earth_image\world.earth --tle F:\osgData\Data\space\gps1-01.txt --maxpoints 1000 --tessellate // ECEF地固系下 绘制，--tle 加载的文件，一定要写全路径，否则无法找到文件，即使放入系统环境变量也没用。 osgearth_ecid.exe earth_image\world.earth --tle F:\osgData\Data\space\gps1-01.txt --ecef --tessellate

效果

默认J2000ECI坐标系下绘制，此时设置时间为最终时间。共读取了4076条数据。

 在ECEF地固坐标系下绘制，此时设置时间为最终时间。共读取了4076条数据。如果代码中app.trackDrawable->load(app.true);参数设置为true，就会出现这种效果。

 在ECEF地固坐标系下绘制，此时设置时间为最终时间。共读取了4076条数据。限制绘制100条的情况。如果代码中app.trackDrawable->load(app.true);参数设置为true，就会出现这种效果。

 代码分析

1、J2000ECI坐标系：本例中，以地球为中心，Z轴指向北天极，X轴指向2000年1月1日中午12点的春分点，Y轴与Z、X成右手直角坐标系。所以定义J2000ECI坐标系时，需要定义时间。这个坐标系，是不会随着地球自转的。

2、ECEF地固坐标系：以地球质心为中心，Z轴指向北天极，X轴指向格林尼治天文台零度子午面与协议地球极赤道的交点，Y轴与Z、X成右手直角坐标系。这个坐标系是会随着地球自转而自转的。所以两个坐标系转换，需要乘以地球自转的旋转角矩阵，来实现转换。

3、卫星两行根数：跟据两行根数的各个内容，就可以计算出，卫星什么时候在什么坐标下，且速度、加速度等参数，都会有。

/ * Experiment with using a J2000/ECI reference frame as the root of the scene, * with the MapNode under an ECI-to-ECEF transform. * 尝试使用J2000/ECI参考帧作为场景的根，并在ECI到ECEF变换下使用MapNode。 */ #include <osgEarth/MapNode> #include <osgEarth/DateTime> #include <osgEarth/NodeUtils> #include <osgEarth/PointDrawable> #include <osgEarth/CullingUtils> #include <osgEarth/LineDrawable> #include <osgEarth/Lighting> #include <osgEarthUtil/EarthManipulator> #include <osgEarthUtil/ExampleResources> #include <osgEarthUtil/Sky> #include <osgEarthSymbology/Color> #include <osgEarthAnnotation/LabelNode> #include <osgViewer/Viewer> #include <iostream> #define LC "[eci] " using namespace osgEarth; using namespace osgEarth::Util; using namespace osgEarth::Symbology; using namespace osgEarth::Annotation; namespace ui = osgEarth::Util::Controls; int usage(const char* name, const char* msg) { OE_NOTICE << "\nUsage: " << name << " [file.earth]\n" << " --tle <filename> : Load a NORAD TLE file\n" // 加载tle文件 << " --maxpoints <num> : Limit the track size to <num> points\n" // 限制要绘制卫星的个数 << " --ecef : View the track in ECEF space instead of ECI\n" // 在ECEF空间而不是ECI中查看轨迹。 << " --tessellate : Add interpolated points to the track data\n" // 向轨迹数据添加插值点 << "\nDownload NORAD TLE files from https://www.celestrak.com/NORAD/archives\n\n" // 下载 NORAD TLE 文件地址 << msg << std::endl; return 0; } // Reference time for the J2000 ECI coordinate frame // J2000 ECI坐标系的参考时间。起始时间为2000年1月1日中午12点整 static DateTime J2000Epoch(2000, 1, 1, 12.00); // Transform that takes us from a J2000 ECI reference frame // to an ECEF reference frame (i.e. MapNode) // 定义 从J2000ECI坐标系转到ECEF坐标系（地固系）的 转换矩阵 class J2000ToECEFTransform : public osg::MatrixTransform { public: void setDateTime(const DateTime& dt) { osg::Matrix matrix = createMatrix(dt); setMatrix(matrix);// 设置给父类 } // 根据传入UTC时间，定义当前矩阵 static osg::Matrix createMatrix(const DateTime& dt) { // Earth's rotation rate: International Astronomical Union (IAU) GRS 67 // 地球自转率，即角速度 const double IAU_EARTH_ANGULAR_VELOCITY = .1467e-11; // (rad/sec) // 都转化为儒略日时间，double类型 double secondsElapsed = (double)(dt.asTimeStamp() - J2000Epoch.asTimeStamp()); const double rotation = IAU_EARTH_ANGULAR_VELOCITY * secondsElapsed;// 时间*角速度，得到旋转角度 osg::Matrix matrix; matrix.makeRotate(rotation, 0, 0, 1); return matrix; } }; // Code to read TLE track data files from https://celestrak.com/NORAD // 从TLE文件读取跟踪数据的代码 struct ECILocation { DateTime timestamp; // point time 运行在某个点的时间 Angle incl; // inclination 倾角 Angle raan; // right ascencion of ascending node 上升节点的右上升 Distance alt; // altitude 高度 osg::Vec3d eci; // ECI coordinate ECI坐标系下的点位置 osg::Vec3d ecef; // ECEF coordinate ECEF坐标系下的点位置 void computeECIAndECEF()// 分别计算两个坐标系 { // 根据从文件中获取的 raan incl alt ,计算eci eci = osg::Quat(raan.as(Units::RADIANS), osg::Vec3d(0, 0, 1)) * osg::Quat(incl.as(Units::RADIANS), osg::Vec3d(1, 0, 0)) * osg::Vec3d(alt.as(Units::METERS), 0, 0); // 根据时间获取转换矩阵 osg::Matrix eci2ecef = J2000ToECEFTransform::createMatrix(timestamp); ecef = eci * eci2ecef;// 计算出ecef下坐标点 } }; // ECI跟踪 struct ECITrack : public std::vector<ECILocation> { // interpolate points for a smoother track // 差值，使得点连线更圆滑.此算法有问题！！！绘制效果特别差！！！ void tessellate() { // 声明一个对象 ECITrack newTrack; for(unsigned k=0; k<size()-1; ++k) { // 每两个点之间，添加10个点？？ for(float t=0; t<1.0f; t+=0.1) { const ECILocation& p0 = at(k); const ECILocation& p1 = at(k+1); newTrack.push_back(ECILocation()); ECILocation& loc = newTrack.back(); loc.timestamp = DateTime(p0.timestamp.asTimeStamp() + (p1.timestamp.asTimeStamp()-p0.timestamp.asTimeStamp())*t); loc.raan.set(p0.raan.as(Units::RADIANS) + (p1.raan.as(Units::RADIANS)-p0.raan.as(Units::RADIANS))*t, Units::RADIANS); loc.incl.set(p0.incl.as(Units::RADIANS) + (p1.incl.as(Units::RADIANS)-p0.incl.as(Units::RADIANS))*t, Units::RADIANS); loc.alt = p0.alt; loc.computeECIAndECEF(); } } swap(newTrack);// c1.swap(c2); 交换两个变量的值 } }; // 读取TLE文件 class TLEReader { public: // https://celestrak.com/NORAD/documentation/tle-fmt.php bool read(const std::string& filename, ECITrack& track) const { std::cout << "filename = " << filename << std::endl; std::ifstream fin(filename.c_str()); int i = 0;// 记录读取多少两行根数 while(!fin.eof()) { std::string line1, line2; // 每次从fin中读取两条数据 std::getline(fin, line1); std::getline(fin, line2); if (line1.empty() || line2.empty()) { std::cout << "line1 or line2 is empty" << std::endl; break; } ++i;// 完成一次读取，则自增一次 // 新增一个 ECILocation，即一个卫星的参数，并放到列表中 track.push_back(ECILocation()); ECILocation& loc = track.back();// 从列表中取出刚放入的卫星数据 // 将卫星数据，计算后，填充 loc的各个参数：timestamp incl raan alt eci ecef // read timestamp int year2digit = osgEarth::as<int>(line1.substr(18, 2), 99); int year = year2digit > 50? 1900+year2digit : 2000+year2digit; double dayOfYear = osgEarth::as<double>(line1.substr(20, 12), 0); loc.timestamp = DateTime(year, dayOfYear); // read ra/decl loc.incl.set(osgEarth::as<double>(line2.substr(8,8),0), Units::DEGREES); loc.raan.set(osgEarth::as<double>(line2.substr(17,8),0), Units::DEGREES); loc.alt.set(6371 + 715, Units::KILOMETERS); loc.computeECIAndECEF(); } std::cout << "共解析数据条数：" << i << std::endl; OE_INFO << "Read " << track.size() << " track points" << std::endl; return true; } }; // If the "global" coordinate system is ECI, you can put this transform // under the MapNode (in ECEF space) to "revert" to that global ECI frame. // Useful if you want to put ECI-space data under the MapNode. // 如果“全局”坐标系是ECI，则可以将ECI坐标系变换放在MapNode（在ECEF空间中）下， // 然后再“还原”到该全局ECI坐标系。 // 如果要将ECI空间数据放在MapNode下，则非常有用。 class ECIReferenceFrame : public osg::Group { public: ECIReferenceFrame() { // 关闭光照 Lighting::set(getOrCreateStateSet(), osg::StateAttribute::OFF); } // 遍历 void traverse(osg::NodeVisitor& nv) { osgUtil::CullVisitor* cv = Culling::asCullVisitor(nv); if (cv) { const osg::Camera* cam = cv->getRenderStage()->getCamera(); // 添加模型视口矩阵 cv->pushModelViewMatrix(new osg::RefMatrix(cam->getViewMatrix()), osg::Transform::ABSOLUTE_RF); osg::Group::traverse(nv); cv->popModelViewMatrix();// 再移除该矩阵 } else osg::Group::traverse(nv); } }; // Loads up an ECITrack for display as a series of points. // 加载ECITrack以显示为一系列线/点。对LineDrawble类不太熟悉 class ECITrackDrawable : public LineDrawable //public PointDrawable { public: ECITrackDrawable() : LineDrawable(GL_LINE_STRIP) { Lighting::set(getOrCreateStateSet(), 0); //setPointSmooth(true); //setPointSize(4.0f); } // 通过 滑块 设置时间 void setDateTime(const DateTime& dt) { // getVertexAttribArray(); 属于爷爷类的方法 // 获取到当前顶点的时间 osg::FloatArray* times = dynamic_cast<osg::FloatArray*>(getVertexAttribArray(6)); unsigned i; for (i = 0; i < getNumVerts(); ++i) { if (dt.asTimeStamp() < getVertexAttrib(times, i))// getVertexAttrib() 父类方法 break; } setCount(i); } // 加载 track 列表的所有数据 void load(const ECITrack& track, bool drawECEF) { osg::FloatArray* times = new osg::FloatArray(); times->setBinding(osg::Array::BIND_PER_VERTEX); setVertexAttribArray(6, times);// 调用爷爷类的方法 osg::Vec4f HSLA;// 颜色变量 Color color; // 循环处理每一个卫星 for(unsigned i=0; i<track.size(); ++i) { const ECILocation& loc = track[i]; pushVertex(drawECEF? loc.ecef : loc.eci);// 根据坐标系类型，决定用哪个点进行绘制 pushVertexAttrib(times, (float)loc.timestamp.asTimeStamp());// 添加属性 // simple color ramp 随机生成颜色 HSLA.set((float)i/(float)(track.size()-1), 1.0f, 1.0f, 1.0f); color.fromHSL(HSLA); setColor(i, color); } finish();// 更新 } }; // 创建J2000ECI坐标系的坐标轴 osg::Node* createECIAxes() { // 坐标轴长度 const float R = 10e6; LineDrawable* d = new LineDrawable(GL_LINES); d->allocate(6); // X轴 d->setVertex(0, osg::Vec3(0,0,0)); d->setColor(0, osg::Vec4(1,0,0,1)); d->setVertex(1, osg::Vec3(R,0,0)); d->setColor(1, osg::Vec4(1,0,0,1)); // Y轴 d->setVertex(2, osg::Vec3(0,0,0)); d->setColor(2, osg::Vec4(0,1,0,1)); d->setVertex(3, osg::Vec3(0,R,0)); d->setColor(3, osg::Vec4(0,1,0,1)); // Z轴 d->setVertex(4, osg::Vec3(0,0,0)); d->setColor(4, osg::Vec4(0,0,1,1)); d->setVertex(5, osg::Vec3(0,0,R)); d->setColor(5, osg::Vec4(0,0,1,1)); // 坐标轴宽度 d->setLineWidth(10); return d; } // Application-wide data and control structure // 应用程序范围的数据和控制结构 struct App { DateTime start, end; // 时间 HSliderControl* time; // 时间滑块 LabelControl* timeLabel;// 时间标签 SkyNode* sky; // 深空节点 J2000ToECEFTransform* ecef; // 坐标系转换矩阵 osg::Group* eci; ECITrackDrawable* trackDrawable;// ECI跟踪绘制 ECITrack track; // J2000坐标系下卫星数据列表 App() { trackDrawable = 0L; start = J2000Epoch;// 设置为J2000坐标系的开始时间 end = start + 24.0; // 初始设置时，必须保证start和end保持间距，且start < end } // 通过滑块设置时间 void setTime() { // 获取最新时间 DateTime newTime(time->getValue()); if (sky) sky->setDateTime(newTime); // 如果是地固系，则需要根据时间旋转坐标系 if (ecef) ecef->setDateTime(newTime); if (trackDrawable) trackDrawable->setDateTime(newTime); // 设置时间的显示 timeLabel->setText(newTime.asRFC1123()); } }; // 将app.setTime 设置到这个宏定义中，之前其他例子有涉及到此宏定义的用法 OE_UI_HANDLER(setTime); int main(int argc, char argv) { osg::ArgumentParser arguments(&argc,argv); if ( arguments.read("--help") ) return usage(argv[0], ""); // 声明app变量 App app; // Read in an optiona TLE track data file // 读取TLE文件获取数据 std::string tlefile; if (arguments.read("--tle", tlefile)) { // 读取并解析卫星数据，到app.track列表中 TLEReader().read(tlefile, app.track); if (!app.track.empty()) { int maxPoints; if (arguments.read("--maxpoints", maxPoints) && app.track.size() > maxPoints) app.track.resize(maxPoints);// 是否需要调整vector空间大小 if (arguments.read("--tessellate")) {// 是否开启差值功能。最好不要开启，算法有点问题 app.track.tessellate(); std::cout << "开启差值功能 tessellate" << std::endl; } app.start = app.track.front().timestamp;// 设置开始时间 app.end = app.track.back().timestamp; // 设置结束时间 } } osgViewer::Viewer viewer(arguments); viewer.setCameraManipulator( new EarthManipulator(arguments) ); bool drawECEF = arguments.read("--ecef"); ui::VBox* container = new ui::VBox(); container->setChildSpacing(3); // 根据是否为ECI坐标系，更改标题 if (drawECEF) { container->addControl(new ui::LabelControl("ECEF COORDINATE SYSTEM EXAMPLE", Color::Red)); } else { container->addControl(new ui::LabelControl("ECI COORDINATE SYSTEM EXAMPLE", Color::Yellow)); } // UI control to modify the time of day. ui::HBox* h = container->addControl(new ui::HBox()); h->addControl(new ui::LabelControl("Time:")); app.time = h->addControl(new HSliderControl( app.start.asTimeStamp(), app.end.asTimeStamp(), app.end.asTimeStamp(), new setTime(app))); app.time->setWidth(500);// 500宽度太大了，修改小一些，也没有起作用，注释带此行，也没啥变化。 app.timeLabel = container->addControl(new LabelControl()); // Load an earth file osg::Node* earth = MapNodeHelper().load(arguments, &viewer, container); if (earth) { // New scene graph root osg::Group* root = new osg::Group(); // First create a Sky which we will place in the (default) ECI frame. SkyOptions skyOptions; if (drawECEF) { // 不太确定这里的 skyOptions.coordinateSystem() 设置为 COORDSYS_ECEF,是否正确，但运行效果没问题。 skyOptions.coordinateSystem() = SkyOptions::COORDSYS_ECEF;// 地固坐标系 std::cout << "ecef 坐标系" << std::endl; } else { skyOptions.coordinateSystem() = SkyOptions::COORDSYS_ECI;// 深空坐标系 std::cout << "eci 坐标系" << std::endl; } app.sky = SkyNode::create(MapNode::get(earth));// 创建深空节点 app.sky->attach(&viewer); app.sky->getSunLight()->setAmbient(osg::Vec4(0.5,0.5,0.5,1.0));// 环境光 root->addChild(app.sky); // A special transform takes us from the ECI into an ECEF frame // based on the current date and time. // The earth (MapNode) lives here since it is ECEF. app.ecef = new J2000ToECEFTransform();// 坐标系转换 app.sky->addChild(app.ecef); app.ecef->addChild(earth);// 将地球节点加入到坐标转换矩阵中 // This group holds data in the ECI frame. app.eci = new ECIReferenceFrame(); app.eci->addChild(createECIAxes());// 添加坐标轴 MapNode::get(earth)->addChild(app.eci); // Track data if (!app.track.empty()) { app.trackDrawable = new ECITrackDrawable(); if (drawECEF)// 地固系，绘制连线 { app.trackDrawable->load(app.track, false);// 如果设置为true，则会出现很多杂乱的线 MapNode::get(earth)->addChild(app.trackDrawable); std::cout << "ecef 坐标系" << std::endl; } else // J2000坐标系，不绘制连线 { app.trackDrawable->load(app.track, false);// 如果设置为true，则会出现很多杂乱的线 app.eci->addChild(app.trackDrawable); std::cout << "eci 坐标系" << std::endl; } } viewer.realize(); app.time->setWidth(viewer.getCamera()->getViewport()->width()-40); app.setTime(); viewer.setSceneData(root); viewer.run(); } else { return usage(argv[0], "Bad earth file"); } return 0; }