2024年5月4日发(作者：)

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基于Unity 3D的北斗卫星定位原理虚拟仿

真系统

作者：戴秋龙 吴宪君 项顺伯

来源：《科技视界》2017年第09期

【摘 要】为了更直观、清晰地阐述北斗定位三球交汇的原理，采用3DsMax建模和Unity

3D三维引擎开发了北斗三球交汇定位求解过程的虚拟仿真系统，实现了从三球交汇定位解算

求解的全过程动态交互。该系统在实际教学初步取得良好的效果。

【关键词】北斗导航；三球交汇；定位解算

0 引言

北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，在车辆定位、应急救援、防灾减灾等

领域有着非常广泛的应用[1]。北斗系统与GPS、格洛纳斯、伽利略等全球几大卫星导航系统

均是采用三球交汇的几何原理来实现定位[2]。三球交汇几何定位的解算主要利用三维坐标和

距离公式求解完成[3]。传统的几何解算推演方法不够直观明白，很多听众在听讲定位原理时

感到较枯燥无味。为了克服这些缺点，本文将3DsMax建模和Unity 3三维仿真技术应用到三

球交汇定位解算的推演中，把定位原理和解算过程分步骤、交互式的呈现清楚，方便相关专业

学生的学习和操作使用。

1 定位解算基本原理

1.1 基本原理

由于卫星星座中所有的卫星空间位置已知，地面用户接收机终端（以下简称用户终端）通

过卫星信号接收和解析可以获得卫星空间位置数据。用户终端通过伪距测量还可以得到与所观

测的卫星之间的距离[4]。基于空间坐标中亮点之间的距离计算方法，用户终端通过观测3颗卫

星即可得到三个距离方程，利用这三个距离方程即可计算出用户终端的坐标位置（X，Y，Z）

[5]。通常在计算用户终端坐标时，还要考虑用户终端与卫星的钟差，这个时候就需要再多观

测一颗卫星，即引入第4颗卫星，最终形成4个方程式进行求解得到用户终端的坐标以及高程

数据[6]。

1.2 解算方法

在以地心为中心的直角坐标系中，假设观测的四颗卫星A、B、C、D坐标数据已知，则

分别将其表示为A（x1，y1，z1），B（x2，y2，z2），C（x3，y3，z3），D（x4，y4，

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z4），用户终端T（x，y，z）的坐标是未知的，x、y、z代表空间三维坐标。用户终端T到这

A、B、C、D卫星的距离分别为D1、D2、D3、D4。根据空间坐标系中两点间距离计算方法，

可得到T与A的距离D1为： （x-x1）2+（y-y1）2+（z-z1）2=D12

同理，可得距离D2、D3和D4，将D1，D2，D3，D4组合成为方程组求解，可以最终得

到用户终端T的真实位置数据。

2 虚拟仿真系统的设计

2.1 主要技术

该虚拟仿真系统涉及的主要开发技术有：建模、Unity 3D开发引擎、JS脚本编程以及

C#.NET开发技术。3DsMax软件用于对球体模型建模，交互程序开发使用JS和C#，三维互动

开发采用Unity 3D，最后通过Unity 3D Web Player发布成网页版本。

2.2 开发流程

（1）三维建模

首先利用3DsMax完成一个球体的建模，由于本仿真系统主要是对定位解算过程的仿真，

三维球体仅仅用来呈现地面卫星接收机终端的定点显示，对整个三维球体建模效果的要求并不

高。系统直接采用3DsMax球体模型素材，加上简单的球体贴图和纹理处理即可。通过上述处

理，既能够保证三维仿真的画面效果，也大大减少了模型的体量，节省了模型加载的时间，保

证了在Web网页端的顺畅浏览和交互操作。

（2）模型导入

将球体模型导入保存到Unity 3D中，建立好相应的视角和初始姿态，设置好相关交互功

能模块。在Unity 3D中加入适当的光照效果和球面反射效果。

（3）交互设计

在Unity 3D中，按照北斗卫星三球交汇定位解算的基本过程，首先，设计相应的交互模

块，包括定位原理、定位解算基本文字内容的显示和屏蔽，以及信号接收、球体、相交圆、定

位呈现等模块。然后，对每一个交互模块编写脚本和程序，实现动态交互效果。最后，还要为

整个交互系统编写相应的鼠标事件，包括三维模型的漫游，移动、缩放等事件。

3 仿真系统的实现

3.1 基本过程

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按照三球交汇定位解算的理论推导，结合三维仿真的实现思路，设计出以下仿真过程：

（1）基本理论展示；

（2）球体及球面用户终端的展示；

（3）卫星的位置精确已知，通过电文播发给用户，用户接受来自3颗卫星的信号；

（4）以卫星为球心，生成3个相交球体；

（5）基于3个相交球体，得到3个相交圆；

（6）基于3个相交圆产生2个相交点；

（7）排除不合理的相交点，得到最终用户球面位置点；

3.2 效果呈现

该软件的虚拟交互按照理论进行顺序推到，通过菜单界面操作方式，较易上手。系统的仿

真界面如图1所示。

用户以Web方式打开软件后，依次点击系统界面左侧的菜单项，依据三维场景的提示可

以依次完成三球交汇定位解算的算法推算过程，三维场景会根据用户不同的菜单操作呈现相应

的解算过程仿真画面。在三维仿真界面中，可以通过鼠标按键实现界面的缩放、漫游、移动、

旋转等操作，还可以通过鼠标控制背景音乐和定位原理的文字解说。

4 结束语

本系统构建了北斗卫星定位三球交汇虚拟仿真场景，并采用Unity 3D技术实现了对定位

解算原理的虚拟仿真。该系统以更为直观的方式展现了三球交汇定位算法求解的全过程，降低

了概念理解难度。

【参考文献】

[1]龙昌生.北斗/GPS双模导航终端关键模块的设计与实现[D].重庆大学，2011.

[2]王雪.GPS与北斗卫星导航系统异同分析[J].科技创新导报，2013，（9）：136.

[3]杨利，闵辉，刘琳岚等.无线传感器网络三维定位算法综述[J].池州学院学报，2014，12

（6）：29-32.

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[4]武英洁.船用北斗/GPS联合导航终端的研究[D]. 大连海事大学，2010.

[5]杨礼平，李梦颖.手持GPS在地质勘查中的应用研究[J].地质学刊，2011，35（2）：

201-203.

[6]丁立平.基于VDL-4技术的机场场面车辆管理系统研究[J].指挥信息系统与技术，2010，

01（6）：55-60.

[责任编辑：朱丽娜]