Развитие ГИС в последние десятилетия заключалось в
совершенствовании программной и аппаратной их части, что позволило снизить
себестоимость и увеличить производительность. Увеличение вычислительных
мощностей персональных компьютеров сделало доступными настольные
геоинформационные продукты для новой категории пользователей, которые ранее
никогда не имели дело с геодезией, картографией и пространственными данными.
Появление глобальной сети Интернет и клиент-серверной архитектуры сделало
возможным работу с геоданными из любой точки земного шара. А развитие
компьютерной графики, в свою очередь, позволило отображать картографическую
основу не только в двухмерном, но и в трёхмерном виде, что повысило наглядность
данных и упростило процесс принятия управленческих решений. Тем не менее, нужно
отметить тот факт, что называть современные 3D ГИС трёхмерными не совсем
корректно, поскольку отображаемый в них объект, будь то модель города,
космического аппарата (КА), или всей Земли, и их главная характеристика –
объём, проецируются на плоскость (в том числе экрана), без использования
методов и средств стереоскопии, таких как анаглиф-очки. Поэтому в большинство
случаев правильнее будет называть подобное отображение данных псевдотрёхмерным.
Основываясь на работе [5], можно предположить, что в
ближайшем десятилетии наступит шестой технологический уклад, ядром которого, в
частности, станут глобальные информационные сети, мультимедиа, виртуальная
реальность. Такие технологии и достижения, как трёхмерное, анимационное и
мультимедийное воспроизведение пространства, геоинформационные трёхмерные
динамические сцены [4], геоинформационное моделирование и развитие оперативных
средств сбора данных о местности станут технологической основой для дальнейшего
развития геоинформатики и наук о Земле.
За последние полтора десятка лет геоинформационные системы
смогли шагнуть за пределы компьютера пользователя. Теперь ГИС могут быть
развёрнуты в локальной или глобальной сети, а для работы с ними требуется лишь
web-браузер актуальной версии. С их помощью можно решать все те же задачи
навигации и построения оптимального маршрута, пространственного анализа и
редактирования данных об объекте интереса, и целый ряд других тематических
задач. В настоящей работе речь пойдёт об экспериментах по созданию ГИС околоземного
космического пространства (ОКП). Под ГИС ОКП следует понимать геоинформационную
систему, предметной областью которой является Земля, рассматриваемая как единое
целое, и пространство от верхней границы атмосферы до орбиты Луны. В ближайшее
окружение входят космические объекты естественного и искусственного
происхождения, включая космический мусор (КМ), которые могут находиться в
околоземном пространстве в течение длительного времени, либо появляться в нём с
некоторой периодичностью. Отсюда следует, что функциональным назначением
геоинформационной системы околоземного космического пространства является
обработка и визуализация динамических пространственных данных космических
объектов (КО), а также их атрибутивных данных, которые менее подвержены изменениям
с течением времени.
Проведённый анализ возможностей интерфейса программирования
приложений Google Earth API и графической библиотеки Cesium [2, 6] показал, что
библиотека Cesium имеет большую производительность и стабильность по сравнению
с Google Earth API. Cesium – это JavaScript библиотека с открытым исходным
кодом под лицензией Apache 2.0 для создания виртуальных глобусов и карт в web-браузере
без использования плагинов, использующая технологию WebGL для аппаратного
ускорения работы с графикой и возможностей визуализации динамических данных. Наличие
документации разработчика, широкое применение в научных и коммерческих
продуктах, а также ориентация на создание web-приложений – всё это
способствовало выбору в пользу данной библиотеки как основы разрабатываемой
системы. Для работы с библиотекой и раскрытия всех её возможностей, включая
добавление модулей и пользовательских материалов, необходимо применить навыки
программирования. Однако её можно рассматривать и как приложение для
визуализации, поскольку она имеет базовый набор данных для пользователей.
К стандартным функциональным возможностям библиотеки Cesium относятся:
1. Три режима просмотра: 3D, 2D и 2.5D (имитация трёхмерной сцены за счёт
ориентации камеры не в надир к плоскости).
2. Создание потоковых динамических сцен с заданными временными рамками с
помощью языка CZML.
3. Визуализация рельефа Земли с высоким разрешением и добавление
пользовательских данных о физических особенностях местности.
4. Растровая подложка из множества источников, таких как: WMS, TMS, WMTS, OpenStreetMap,
Bing Maps, ArcGIS MapServer, Google Earth Enterprise, обычные растровые изображения
и пользовательские тайловые схемы.
5. Альфа-смешивание слоёв, динамическое изменение яркости, контраста,
гаммы, тона и насыщенности.
6. Визуализация данных файлов в форматах GeoJSON и TopoJSON,
текстурированных и анимированных трёхмерных моделей в форматах COLLADA и glTF,
отрисовка и настройка стилей отображения широкого спектра геометрических фигур:
полилинии, плакаты, ярлыки.
7. Отрисовка и добавление объектов к рельефу, работа со следующими графическими
примитивами (включая операцию выдавливания): полигоны, полигоны с отверстиями,
прямоугольники, окружности и эллипсы, боксы, сферы, эллипсоиды и цилиндры,
коридоры и стены.
8. Отрисовка атмосферы, тумана, Солнца, солнечного света, Луны, звёзд и
воды.
9. Вращение, приближение и отдаление, полёт, режим свободной камеры и
определение столкновения виртуальной камеры с рельефом.
10. Точное управление камерой при отдалении от наблюдаемого объекта на
большие дистанции (исключение z-конфликта) и при больших значениях координат
сцены (предотвращение дрожания).
11. Работа с системами координат и отсчёта, такими как: Всемирная
геодезическая система координат (WGS84), Международная небесная система отсчёта
(ICRF) и навигационная система координат (east-north-up или ENU).
12. Использование равнопромежуточной проекции и проекции Меркатора (в режиме
2D).
13. Высокоточные расчёты и математическая обработка для разных систем
координат и отсчёта: переход от географических (широта, долгота, высота) к
прямоугольным координатам; быстрая обработка прямоугольных, сферических,
картографических координат, матриц и кватернионов; работа с юлианской датой,
секундами координации, а также стандартами времени, такими как: Всемирное
координированное время и Международное атомное время.
14. Дополнительные модули для расширения функциональности, такие как:
отображение горизонталей; привычные элементы навигации; дополнительные
графические примитивы для описания целевой аппаратуры космических аппаратов;
интеграция библиотеки с web-браузерами, поддерживающими технологию виртуальной
реальности; инструменты для добавления и редактирования графических примитивов
и др.
К текущим недостаткам можно отнести отсутствие слоя для
трёхмерных моделей зданий и низкую актуальность обучающих материалов из-за
регулярных обновлений, несмотря на то, что на первый взгляд их объём и кажется
исчерпывающим. И хотя написание программного кода на языках JavaScript и CZML
требуют наличия самой библиотеки, что выглядит сложнее, чем использование
готового виртуального глобуса, например Google Earth, это позволяет создавать
гибкую систему непосредственно под заданные требования. В настоящее время
библиотека Cesium применяется в различных научных сферах, таких как
визуализация геофизических полей [1], исследования археологических памятников
Западной Европы эпохи бронзового и железного веков [14] и др.
Рис. 1. Архитектура Cesium.
На
текущий момент, архитектуру библиотеки Cesium можно представить в виде 5 слоёв
(рис. 1). Ядро – это самый нижний слой, содержащий в себе низкоуровневый
математический аппарат для обработки матриц, векторов и кватернионов, функции
преобразования из одной системы координат в другую, картографические проекции,
сплайны для интерполяции положения и ориентации объекта, а также алгоритмы
триангуляции, последовательного деления поверхностей, оптимизации кэша вершин,
вычисления контурных точек эллипсов и др. В уровень рендеринга, представляющего
собой абстракцию над библиотекой WebGL, входят встроенные функции языка
высокого уровня GLSL для
программирования шейдеров, кубические текстуры, буферы и массивы вершин, а
также кадровые буферы. На уровне сцены происходит организация и отправка
команд от вышестоящих уровней нижестоящему уровню рендеринга для
непосредственного выполнения. Сцена служит для представления на экране всех
имеющихся в библиотеке графических объектов и их состояний, включая:
- сам виртуальный глобус и карту;
- растровые подложки, передаваемые в потоковом режиме из нескольких
источников;
- примитивы: полигоны, полилинии, окружности и др.;
- камеры, которые контролируют просмотр сцены и связаны с
устройствами ввода;
- анимацию, которая отвечает за изменение свойств объектов в
заданном временном интервале.
Уровень данных инкапсулирует типы данных, входящих
в уровень сцены, а также содержит в себе загрузчики сценариев CZML и прочих
данных, хранящихся в форматах KML и GeoJSON. В свою очередь уровень элементов
интерфейса содержит главное средство просмотра библиотеки Cesium и все элементы
интерфейса (виджеты) для работы с web-ГИС.
Охарактеризуем язык сценариев библиотеки Cesium,
поскольку именно с его помощью можно описать движение космических аппаратов в
рамках эксперимента по созданию ГИС околоземного космического пространства [3,
7]. Cesium Language или CZML – это встроенный программный язык библиотеки
Cesium, основанный на JSON, и предназначенный для описания динамических
пространственных сцен с заданными временными рамками, и, в первую очередь, их отображения
в web-браузере, поддерживающем технологии, связанные с Cesium. С его помощью
можно описывать графические примитивы, такие как: линии, точки, а также
полноценные 3D-модели и определять их изменение с течением времени.
Во многом, взаимосвязь между библиотекой Cesium и
языком CZML схожа с функциональной зависимостью интерфейса программирования
приложений Google Earth и языком разметки KML [6]. Оба этих языка предназначены
для описания содержимого сцены в одноимённом формате данных, структура файла которого
может быть создана как автоматически, так и вручную. И оба этих формата
являются достаточно независимыми от клиента, т.к. их содержимое может быть
визуализировано и в не родных клиентах, совместимых с ними. CZML позволяет
описывать свойства объекта, меняющие своё значение с течением времени. Также
существует возможность интерполировать свойства объекта, имеющие временную
зависимость. К примеру, если местоположение объекта задано в два момента
времени, то с помощью алгоритма интерполяции, встроенного в CZML, можно
достаточно точно рассчитать и отобразить изменение местоположения объекта между
двумя временными отсчётами. В Cesium доступна интерполяция с помощью многочлена
Лагранжа, Эрмита, а также линейная интерполяция. При этом пользователь задаёт
степень интерполяционного полинома и порядок входных данных (для многочлена
Эрмита): 0 – исходные данные, 1– производная первого порядка и т.д.
Формат CZML представляет собой разновидность формата JSON, а
это означает, что корректный CZML-документ является также корректным документом
в формате JSON. В частности, документ CZML содержит один массив JSON, каждый
элемент которого является CZML-пакетом. Пакет CZML описывает графические
свойства отдельного объекта сцены, например, воздушного судна или космического
аппарата.
Безусловно, «Упрошенная Общая Модель Возмущений» №4
(Simplified General Perturbations Model №4 или SGP4) является одной из наиболее
известных аналитических моделей для прогнозирования движения КО [15].
Первоначально она была разработана для нужд Командования воздушно-космической
обороны Северной Америки (NORAD) – организации, также отвечающей за непрерывный
мониторинг космических объектов в околоземном пространстве. Кроме того, к
обязанностям организации относится регулярное определение элементов орбиты всех
каталогизированных объектов (как спутников, так и космического мусора),
которые, с некоторыми ограничениями, доступны гражданским пользователям. В
частности, радиооператоры и радиолюбители активно используют данные,
предоставляемые командованием, для выполнения текущих прогнозов видимости
интересующих их спутников. Орбитальные элементы NORAD публикуются в формате
двухстрочного набора элементов, также известного как TLE (Two-Line Element
set). Структура набора представлена на рис. 2. В него входят как классические
элементы орбиты Кеплера, так и специфичные для модели SGP4. Вместо истинной аномалии
в наборе TLE используется средняя аномалия, т.к. её значение для момента
времени в будущем проще получить. Кеплеровы элементы, присутствующие в
двухстрочном наборе, вычисляются путём усреднения в рамках аналитической модели
прогнозирования (в данном случае SGP4), не являются орбитальными параметрами
оскулирующей орбиты и не могут быть использованы для прогноза движения
космических объектов в рамках другой модели [10].
Рис. 2. Структура
двухстрочного набора элементов (TLE)
При использовании двухстрочного набора TLE нужно иметь в
виду, что содержащиеся в нём параметры представляют собой усреднённые
орбитальные элементы. В отличие от оскулирующих элементов орбиты, которые
отражают фактическое положение и скорость космического объекта в заданный
момент времени, усреднённые элементы не зависят от характерных периодических
возмущений. Таким образом, они описывают более однородное и сглаженное движение
КО. С другой стороны, средние элементы орбиты не желательно применять для
описания кеплеровой орбиты, а следует использовать только в рамках
аналитической модели орбиты, которая была использована для их создания [13].
Модель SGP4 была создана в 1970 году и основана на
аналитической орбитальной модели Лэйна и Крэнфорда [11]. Эта модель сочетает в
себе моделирование гравитационных возмущений, описанных в работе Брауэра [9] с
аналитической моделью для описания лобового сопротивления космического объекта.
В итоговой версии модели, описанной в работе [12], был
упрощён расчёт некоторых параметров, хотя сама модель и сохранила свою исходную
форму. Вековые и периодические возмущения учитываются посредством коэффициентов
гравитационного поля J2, J3 и J4 – зональных гармоник.
Отметим, что чётные зональные гармоники оказывают вековые возмущения на
аргумент перицентра, долготу восходящего узла и среднюю аномалию. В свою
очередь, нечётные коэффициенты гравитационного поля не влияют лишь на большую
полуось. Строго говоря, моделирование периодических возмущений применяется
только к почти круговым орбитам. В дополнение к модели SGP4 командование NORAD
использует расширенную форму модели SGP4, которая называется SDP4 и применяется
для высокоорбитальных спутников. Дело в том, что Командование
воздушно-космической обороны Северной Америки распределяет все космические
объекты по двум категориям: околоземные объекты (с периодом обращения менее 225
минут) и объекты дальнего космоса (с периодом обращения большим или равным 225
минутам), для прогнозирования движения которых и применяется данная модель. SDP4 учитывает дополнительные возмущения, вызванные
притяжением Солнца и Луны, а также резонансные эффекты, которые значимы для
орбит с периодами между 12 ч (GPS/ГЛОНАСС) и 24 ч (геостационарные спутники).
Изменение точности аналитической модели SGP4 и двухстрочного набора орбитальных
параметров для низкоорбитального спутника (высота 400 км), представлена на рис.
3.
Рис. 3. Деградация
точности предсказания местоположения спутника CHAMP с помощью двухстрочного
набора элементов за 20 мая 2001 года
В непосредственной близости от начальной эпохи (в пределах
суток), представленной в двухстрочном наборе, орбита космического объекта
рассчитывается с точностью до 1-2 км. Это значение ошибки отражает величину
ряда короткопериодических возмущений, которые не учитываются в модели SGP4.
Отсюда вытекают естественные ограничения для орбитальных расчётов, производимых
с помощью этой модели. Также можно заметить квадратичное увеличение ошибки с
течением времени. Это особенно влияет на направление полёта и может быть
связано с неправильным расчётом коэффициента торможения. Следовательно,
основной недостаток модели – это не столько временные пределы, сколько плохая
оценка плотности атмосферы. В приведённом на рис. 3 примере, при прогнозе по
имеющемуся набору TLE дисперсия достигает 20 км, что соответствует разнице во
времени полёта около 3 сек. Для более высоких орбит спутников (от 800 до 1300
км) ошибки, как правило, значительно меньше. В этом случае, двухстрочные наборы
орбитальных параметров можно эффективно использовать для предсказания положения
космических объектов на несколько недель вперёд. Тем не менее, наборы TLE
являются единственными доступными орбитальными параметрами для прогнозирования
движения космических объектов, могут быть использованы лишь в рамках модели
SGP4, относительно точны, и оптимальны для быстрого расчёта эфемерид спутников
и наведения приёмных антенн для получения данных дистанционного зондирования
Земли (ДЗЗ).
Прогнозы, выполненные после компиляции открытого исходного
кода модели SGP4, доступного в сети Интернет, на различных языках
программирования, не соответствовали заявленной точности. Поэтому по
распоряжению руководства организации, в которой выполнялась данная работа, в
среде Delphi 7 на одноимённом языке автором была создана программа
TLEPropagator, с помощью которой можно прогнозировать положение КО используя
двухстрочные наборы орбитальных параметров. В качестве основы программного
решения была взята библиотека PlanEph (https://sourceforge.net/projects/planeph/), содержащая в себе совмещённую модель SGP4/SDP4 на основе работы [15].
В качестве входных данных выступают:
- орбитальные параметры в формате TLE (хранятся в текстовом
документе в формате .txt или .tle);
- расчётное время (берётся из начальной эпохи набора по умолчанию,
но может быть заменено пользователем);
- система координат (WGS72, WGS72 с поправками и WGS84);
- количество вычисляемых положений космического объекта;
- интервал (в секундах) между рассчитываемыми положениями.
Полученные результаты сохраняются в текстовый документ
формата .txt для последующего использования. TLEPropagator позволяет извлекать
содержимое TLE и рассчитывать вектор состояния (положения и скорости)
космического объекта, находящегося в околоземном пространстве, на заданный
момент времени, либо на временной интервал с заданным шагом (рис. 4). В
ближайшее время программа будет модернизирована для автоматического создания
файла динамической сцены CZML, содержащего вектор состояния исследуемого КО.
Рис. 4. Прогноз
положения МКС, выполненный с помощью программы TLEPropagator
Были взяты три двухстрочных набора усреднённых элементов
орбиты: Международной космической станции (МКС), КА ДЗЗ Канопус-В и КА ДЗЗ
Landsat-8. Актуальные и архивные наборы TLE всегда доступны на сайте доктора
Томаса Шона Келсо (http://www.celestrak.com/
).
После вычисления положения КА необходимо создать документ
сценария CZML. Для этого полученные координаты вручную извлекаются из
текстового отчёта, генерируемого TLEPropagator. Затем необходимо создать пакет,
описывающий сам документ и его содержимое:
{
"id":"document",
"name":"simple",
"version":"1.0",
"clock":{
"interval":"2017-02-06T23:15:16Z/2017-02-07T00:55:16Z",
"currentTime":"2017-02-06T23:15:16Z",
"multiplier":1,
"range":"LOOP_STOP",
"step":"SYSTEM_CLOCK_MULTIPLIER"
}
},
Интервал сценария начинается 6 февраля 2017 года в 23 часа
15 минут и 16 секунд (UTC) и заканчивается 7 февраля 2017 года в 00 часов 55
минут и 16 секунд (UTC), таким образом, его продолжительность составляет 100
минут. За это время каждый отобранный космический объект сделает один полный
виток вокруг Земли. Шаг анимации по умолчанию составляет 1 секунду. По
достижении конца сценария, он начинается сначала.
Далее необходимо добавить пакет для Канопус-В, содержащий
его уникальный идентификатор, временные рамки его доступности, описание, иконку
и параметры её отображения:
"id":"Satellite/KanopusV",
"name":"Канопус-В",
"availability":"2017-02-06T23:15:16Z/2017-02-07T00:55:16Z",
"description":"<!--HTML-->
\r\n <p>Канопус-В — российский спутник дистанционного зондирования Земли.
</p>",
"billboard":{
"eyeOffset":{
"cartesian":[
0,0,0
]
},
"horizontalOrigin":"CENTER",
"image":"KanopusV.png",
"scale":0.6,
"pixelOffset":{
"cartesian2":[
0,0
]
},
"scale":0.6,
"show":true,
"verticalOrigin":"CENTER"
},
После этого нужно добавить блок со свойствами для описания
ярлыка, содержащего название КА и параметры отображаемого текста:
"label":{
"fillColor":{
"rgba":[
255,0,0,255
]
},
"font":"13pt Lucida Console",
"horizontalOrigin":"LEFT",
"outlineColor":{
"rgba":[
0,0,0,255
]
},
"outlineWidth":2,
"pixelOffset": {
"cartesian2":[
12,0
]
},
"show":true,
"style":"FILL_AND_OUTLINE",
"text":"Канопус-В",
"verticalOrigin":"CENTER"
},
В конце необходимо добавить блок со свойствами отображаемой
орбиты КА, его координаты в рамках прямоугольной геоцентрической системы и
алгоритм их интерполяции:
"path":{"width":1.5,
"material":{
"solidColor":{ "color":{ "rgba":[ 255,0,0,255 ] }
}
},
"show" : true },
"position":{
"interpolationAlgorithm":"LAGRANGE",
"interpolationDegree":6,
"referenceFrame":"INERTIAL",
"epoch":"2017-02-06T23:15:16Z",
"cartesian":[
0.0,4592291.4531381,-4076220.4801571,-3125526.0923838,
<...>
6000.0,4882707.6484835,-4776664.6181270,-886950.4385688
]
}
В качестве алгоритма интерполяции был выбран
интерполяционный многочлен Лагранжа 6 степени. По аналогии составляются пакеты
и блоки свойств для описания Landsat-8 и МКС.
Затем необходимо создать html-страницу, которая будет
содержать сам виртуальный глобус и карту. Нужно отметить, что для обеспечения
доступности удалённым клиентам, страница должна быть размещена на некотором web-сервере.
Для выполнения эксперимента мы создали локальный web-сервер с помощью набора
дистрибутивов и программной оболочки пакета Denwer (http://www.denwer.ru/ ). Необходимо задать
параметры страницы и подключить библиотеки, необходимые для работы:
<...>
<script
src="../../Build/Cesium/Cesium.js"></script>
<style>
@import url(../../Build/Cesium/Widgets/widgets.css);
html, body, #cesiumContainer {
width: 100%; height: 100%; margin: 0; padding: 0; overflow: hidden;
}
</style>
</head>
После этого следует создать элемент div в качестве
контейнера для глобуса, активировать его с помощью переменной viewer –
идентификатора элемента div, и настроить параметры глобуса при его
инициализации [8]:
<body>
<div
id="cesiumContainer"></div>
<script>
var viewer =
new Cesium.Viewer('cesiumContainer', {
animation : true, // управление анимацией
baseLayerPicker : true, // управление растровой подложкой
fullscreenButton : true, // управление полноэкранным режимом
geocoder : true, // управление геокодированием
homeButton : true, // управление возвратом к исходной точке
sceneModePicker : true, // управление режимом отображения
timeline : true, // отображение временной шкалы
infoBox : true, // отображение информационных окон
});
Затем объявляются переменные сцены и камеры, функция для
отображения виртуального глобуса в рамках Международной небесной системы
координат (ICRF) и сопутствующие переменные, а также включается глобальное
освещение в зависимости от положения Земли относительно Солнца:
var scene =
viewer.scene;
var camera = viewer.scene.camera;
function icrf(scene, time) {
if (scene.mode !== Cesium.SceneMode.SCENE3D) { // может не
потребоваться
return;
}
var icrfToFixed = Cesium.Transforms.computeIcrfToFixedMatrix(time);
if (Cesium.defined(icrfToFixed)) {
var offset = Cesium.Cartesian3.clone(camera.position);
var transform = Cesium.Matrix4.fromRotationTranslation(icrfToFixed);
camera.lookAtTransform(transform, offset);
}
};
scene.preRender.addEventListener(icrf); // вкл. вращение Земли
var icrfSwitch = true ;
// флаг для icrf event listener
scene.globe.enableLighting = true;
После этого необходимо лишь объявить переменную источника
данных, загрузить файл со сценарием, добавить его к виртуальному глобусу и
приблизить камеру к отобразившемуся содержимому:
var czmlSource = new
Cesium.CzmlDataSource();
czmlSource.load('scene.czml');
viewer.dataSources.add(czmlSource);
viewer.zoomTo(czmlSource);
На рис. 5 представлены МКС, Канопус-В и Landsat-8 в рамках
виртуального глобуса экспериментальной web-ГИС ОКП. Для каждого объекта
доступно описание и исходные орбитальные элементы TLE. На рис. 6 представлена
web-карта в равнопромежуточной проекции. Отображённые орбиты искажены у
полюсов.
Рис. 5. Визуализация
движения КА в рамках виртуального глобуса, созданного с помощью библиотеки
Cesium
Рис. 6. Визуализация
движения КА в рамках web-карты (равнопромежуточная проекция)
Рис. 7. Визуализация
движения КА в рамках карты в режиме 2,5D
На рис. 7 представлена web-карта в режиме 2,5D. В отличие от
обычного режима карты, с его помощью можно отобразить высоту орбит над
поверхностью Земли.
Возможно использование и архивных данных, описывающих
перемещение космических объектов в ОКП. Так на рис. 8 представлены результаты
эксперимента по визуализации сценария столкновения КА Космос-2251 и Iridium-33,
произошедшего 10 февраля 2009 г. над полуостровом Таймыр, над точкой 72,5° с.
ш., 97,9° в. д.
Рис. 8. Визуализация
столкновения КА Космос-2251 и Iridium-33
В результате проведённого эксперимента была доказана
возможность применения библиотеки Cesium, аналитической модели SGP4,
двухстрочных наборов элементов (TLE) и языка CZML для описания сценариев в
рамках создаваемой ГИС околоземного космического пространства. Показано, что
метод геоинформационного моделирования можно применять для визуализации и
аналитического мониторинга состояния околоземного космического пространства.
Однако нужно понимать, что прогноз местоположения спутников с помощью
аналитической модели SGP4 имеет адекватную точность лишь в пределах двух суток,
при использовании наиболее актуального набора орбитальных параметров. Кроме
того, данная модель не позволяет учитывать ориентацию объекта в пространстве.
Встроенные графические примитивы и встраиваемые модули Cesium
позволяют дополнять визуализируемую динамическую сцену такими объектами, как
полоса захвата КА ДЗЗ (для этого необходимо описать геометрические свойства
целевой аппаратуры), зоны видимости станций слежения, сближения космических
объектов и др. Также существует потенциальная возможность добавления
дополнительного растрового слоя, содержащего текущую облачность над земной
поверхностью, что может быть крайне полезным при принятии решения о проведении
съёмки исследуемой территории в определённый момент времени. Использование архивных
наборов TLE позволяет определить положение интересующего аппарата или станции в
прошлом, а также части поверхности Земли, наблюдаемой в тот момент времени. Тем
самым, в рамках перспективной ГИС ОКП возможно проведение хронологических
исследований, в том числе для поиска архивных снимков заданной территории.
1.
Воробьев А.В., Воробьева Г.Р. Веб-ориентированная 2D/3D-визуализация
параметров геомагнитного поля и его вариаций // Научная визуализация. 2017. Т.
9. № 2. С. 94–101.
2.
Груздев С.С., Орлов П.Ю. Разработка программного средства с
использованием графического процессора для обеспечения взаимодействия с
четырёхмерной ГИС околоземного космического пространства // Экология,
экономика, информатика. Сборник статей: в 3 т. Т. 3: Геоинформационные
технологии и космический мониторинг. Ростов-на-Дону: Издательство Южного
федерального университета, 2015. С. 128–143.
3.
Груздев С.С., Журкин И.Г., Орлов П.Ю., Панкин А.В. Анализ состояния и
перспектив по созданию электронного каталога объектов околоземного космического
пространства // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из
космоса. 2016. Т. 13. № 6. С. 51–59.
4.
Журкин И.Г., Хлебникова Т.А. Цифровое моделирование измерительных трехмерных
видеосцен. – Новосибирск: СГГА, 2012. – 246 с.
5.
Лисицкий Д.В. Перспективы развития картографии: от системы «Цифровая
Земля» к системе виртуальной геореальности // Вестник СГУГиТ (Сибирского
государственного университета геосистем и технологий). 2013.
№ 2 (22). С. 8–16.
6.
Орлов П.Ю., Панкин А.В. ГИС околоземного космического пространства:
дальнейшие исследования и смена парадигмы // Экология, экономика, информатика.
Сборник статей: в 3 т. Т. 3: Геоинформационные технологии и космический
мониторинг. Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета,
2015. С. 180–189.
7.
Орлов П.Ю., Панкин А.В. Космический мусор — как угроза для освоения
околоземного космического пространства // Славянский форум. 2015. № 4 (10). С.
266–274.
8.
Стародубцев А.В., Слепенков В.О. Фреймворк CesiumJS // Молодежный
научно-технический вестник. 2016. № 12. С. 16–25.
9.
Brouwer, D. Solution of the Problem of Artificial
Satellite Theory without Drag // Astronomical Journal. 1959. Vol. 64.
No. 1274. P. 378–397.
10.
Kelso, T.S. Frequently Asked Questions: Two-Line
Element Set Format // Satellite Times. 1998. Vol. 4. No. 3. P. 52–54.
11.
Lane, M.H., Cranford, K.H. An Improved Analytical Drag
Theory for the Artificial Satellite Problem // AIAA. 1969. Paper No.
69-925.
12.
Lane, M.H., Hoots, F.R. Spacetrack Report No. 2:
General Perturbations Theories Derived from the 1965 Lane Drag Theory. Aerospace
Defense Command, Peterson AFB, CO. 1979.
13.
Ley, W., Wittmann, K., Hallmann, W. Handbook of space
technology. [Chichester, U.K.]: Wiley. 2009. 908 p.
14.
Roo, B.D., Lonneville, B., Bourgeois, J., Maeyer, P.D.
From Virtual Globes to ArcheoGIS: Determining the Technical and Practical
Feasibilities // Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. 2016.
Vol. 82. No. 9. P. 677–685.
15.
Vallado, D.A., Crawford, P., Hujsak, R., Kelso, T.S.
2006. Revisiting Spacetrack Report #3, paper AIAA 2006–6753. In: AIAA/AAS
Astrodynamics Specialist Conference, 21–24 August. Keystone Colorado.
Application of Cesium graphics library for web-based geoinformation systems in the case of GIS of near-Earth space
Authors: P.Yu. Orlov1, I.G. Zhurkin2
Moscow state university of geodesy and cartography (MIIGAiK), Moscow, 105064, Russia
1 ORCID: 0000-0002-5323-4754, knightrider3e0@gmail.com
2 ORCID: 0000-0002-2277-1557, zhurkin@miigaik.ru
Abstract
Due to the launch of a large number of small satellites, including the CubeSat class, there is a considerable increase in the utilization level of near-Earth space by space objects of human origin. At the same time, computer simulation and geoinformation modeling are only occasionally used by some organizations, both in Russia and in Western countries, as an analysis and research technique in this scientific problem. Nevertheless, the prospects of Near-Earth space pollution control efficiency improvement and decision support based on GIS technologies application are obvious. Modern software tools allow you to develop a full-featured GIS that will exceed the capabilities of desktop software solutions created earlier. In this paper, the authors provide an analysis of the Cesium software library and its built-in CZML language to describe time-dynamic spatial scenes. Although, experimental studies on a prototype of the geoinformation system of near-Earth space, designed for modeling, visualization and analytical monitoring of its state have been carried out. The research was carried out within the state assignment of FASO of Russia (No. 5.6680.2017/8.9).
Keywords: near-Earth space, space debris, space object, web GIS, Cesium, CZML, visualization, time-dynamic spatial scenes, two-line element set (TLE), SGP4.
1.
Vorobev A.V., Vorobeva G.R.,
Veb-orientirovannaya 2D/3D-vizualizatsiya parametrov geomagnitnogo polya i ego
variatsii (Web-oriented 2D/3D-visualization of geomagnetic field and its
variation parameters), Scientific Visualization, 2017, Vol. 9, No. 2, pp.
94–101.
2.
Gruzdev S.S., Orlov P.Yu., Razrabotka programmnogo
sredstva s ispol'zovaniem graficheskogo protsessora dlya obespecheniya
vzaimodeistviya s chetyrekhmernoi GIS okolozemnogo kosmicheskogo prostranstva
(The development of software tool using GPU and providing interaction with
four-dimensional GIS of Near-Earth space environment), Proc. Conf. Ekologiya,
ekonomika, informatika (Ecology, Economics, Informatics), Book of Articles, in
3 vol., Vol. 3, Geoinformatsionnye tekhnologii i kosmicheskii monitoring
(Geoinformational technologies and satellite monitoring), Vol. 3, Izdatel'stvo
Yuzhnogo federal'nogo universiteta, Rostov-on-Don, 2015, pp. 128–143.
3.
Gruzdev S.S., Zhurkin I.G., Orlov P.Yu., Pankin
A.V., Analiz sostoyaniya i perspektiv po sozdaniyu elektronnogo kataloga
ob"ektov okolozemnogo kosmicheskogo prostranstva (Analysis of the current
state and prospects for the development of a digital catalog of objects in
near-Earth space), Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz
kosmosa, 2016, Vol. 13, No. 6, pp. 51–59.
4.
Zhurkin I.G., Khlebnikova T.A., Tsifrovoe
modelirovanie izmeritel'nykh trekhmernykh videostsen (Digital modeling of
measuring three-dimensional video scenes), Novosibirsk: SGGA, 2012, 246 p.
5.
Lisitsky D.V., Perspektivy razvitiya
kartografii: ot sistemy «Tsifrovaya Zemlya» k sisteme virtual'noi georeal'nosti
(Prospects for cartography development: from Digital Land to virtual
georeality), Vestnik of the Siberian State University of Geosystems and
Technologies (SSUGT), 2013, No. 2 (22), pp. 8–16.
6.
Orlov P.Yu., Pankin A.V., GIS okolozemnogo
kosmicheskogo prostranstva: dal'neishie issledovaniya i smena paradigmy (GIS of
Near-Earth space environment: further research and paradigm shift), Proc. Conf.
Ekologiya, ekonomika, informatika (Ecology, Economics, Informatics), Book of
Articles, in 3 vol., Vol. 3, Geoinformatsionnye tekhnologii i kosmicheskii
monitoring (Geoinformational technologies and satellite monitoring), Vol. 3,
Izdatel'stvo Yuzhnogo federal'nogo universiteta, Rostov-on-Don, 2015, pp.
180–189.
7.
Orlov P.Yu., Pankin A.V., Kosmicheskii musor —
kak ugroza dlya osvoeniya okolozemnogo kosmicheskogo prostranstva (Space debris
— a threat to near-Earth space exploration), Slavic forum, 2015, No. 4 (10),
pp. 266–274.
8.
Starodubtsev A.V., Slepenkov V.O., Freimvork
CesiumJS (CesiumJS framework), Molodezhnyi nauchno-tekhnicheskii vestnik, 2016,
No. 12, pp. 16–25.
9.
Brouwer, D., Solution of the Problem of
Artificial Satellite Theory without Drag, Astronomical Journal, 1959, Vol. 64,
No. 1274, pp. 378–397.
10.
Kelso, T.S., Frequently Asked Questions:
Two-Line Element Set Format, Satellite Times, 1998, Vol. 4, No. 3, pp. 52–54.
11.
Lane, M.H., Cranford, K.H., An Improved
Analytical Drag Theory for the Artificial Satellite Problem, AIAA, 1969, Paper
No. 69-925.
12.
Lane, M.H., Hoots, F.R., Spacetrack Report No.
2: General Perturbations Theories Derived from the 1965 Lane Drag Theory, Aerospace
Defense Command, Peterson AFB, CO, 1979.
13.
Ley, W., Wittmann, K., Hallmann, W., Handbook of
space technology, [Chichester, U.K.]: Wiley, 2009, 908 p.
14.
Roo, B.D., Lonneville, B., Bourgeois, J.,
Maeyer, P.D., From Virtual Globes to ArcheoGIS: Determining the Technical and
Practical Feasibilities, Photogrammetric Engineering & Remote Sensing,
2016, Vol. 82, No. 9, pp. 677–685.
15.
Vallado, D.A., Crawford, P., Hujsak, R., Kelso,
T.S., Revisiting Spacetrack Report #3, paper AIAA 2006–6753, In: AIAA/AAS
Astrodynamics Specialist Conference, 21–24 August. Keystone Colorado, 2006.
