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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 空间及空间环境2

1.2.1 高层中性大气3

1.2.2 电离层等离子体4

1.2.3 地球磁场5

1.2.4 地球辐射带6

1.2.5 空间碎片与微流星体7

1.2.6 空间环境研究现状与趋势8

1.3 分布式交互仿真9

1.3.1 分布式交互仿真发展历程10

1.3.2 分布式交互仿真发展趋势11

1.4 航天可视化仿真12

1.4.1 科学计算可视化12

1.4.2 可视化仿真技术13

1.4.3 航天可视化仿真技术13

1.5 空间环境可视化仿真16

第2章 空间环境探测19

2.1 引言19

2.2 空间环境探测20

2.3 高层中性大气探测20

2.4 电离层等离子体探测22

2.5 地磁场探测23

2.6 地球辐射带探测24

2.7 空间碎片和微流星体探测25

2.7.1 空间碎片的分类26

2.7.2 空间碎片的地基观测26

2.7.3 空间碎片的天基观测27

第3章 空间环境仿真相关理论基础29

3.1 引言29

3.2 数字地球与数字空间29

3.2.1 数字地球29

3.2.2 数字空间31

3.3 空间环境信息系统33

3.3.1 相关研究回顾33

3.3.2 多维动态空间环境模型36

3.3.3 空间环境信息系统的概念38

3.3.4 空间环境信息系统的研究对象39

3.3.5 基于GIS的空间环境信息系统分析41

3.4 空间环境信息的时空语义43

3.4.1 空间坐标系43

3.4.2 时间基准系统46

3.5 空间环境数据库48

3.5.1 静态空间自然环境数据库48

3.5.2 日地天体活动指数数据库49

3.5.3 空间目标数据库51

3.5.4 空间自然环境及其效应模型数据库52

第4章 空间自然环境模型与数值计算53

4.1 太阳位置的解析法描述53

4.1.1 太阳在惯性空间的坐标计算模型53

4.1.2 太阳黄经计算模型54

4.2 恒星位置与绝对星等的计算55

4.3 空间自然环境分布模式56

4.4 高层中性大气数值计算57

4.4.1 MSIS2000模式57

4.4.2 MET模式58

4.4.3 HWM93模式59

4.4.4 CIRA86模式59

4.5 电离层等离子体数值计算60

4.5.1 IRI2007模式60

4.5.2 Chiu模式60

4.6 地球基本磁场数值计算60

4.6.1 IGRF模式60

4.6.2 IGRF2010计算模式60

4.7 地球辐射带数值计算62

4.7.1 AE8和AP8模式62

4.7.2 地球辐射带计算模型62

4.7.3 由经纬度计算磁坐标63

4.8 基于UML和COM设计空间自然环境计算模型64

4.8.1 利用面向对象技术重新设计与封装计算模式65

4.8.2 利用COM组件技术设计工具包接口和属性66

4.8.3 计算模式选择中的智能化处理67

4.8.4 利用外部数据文件和组件接口实现动态数据更新与扩展68

第5章 空间碎片环境模型与数值计算69

5.1 引言69

5.2 空间碎片模型70

5.3 NASA89/91模型72

5.4 ORDEM系列模型73

5.4.1 ORDEM96模型73

5.4.2 ORDEM2000模型74

5.4.3 ORDEM2008模型81

5.5 MASTER模型83

5.6 SDPA模型85

5.7 长期演化模型86

5.7.1 EVOLVE模型86

5.7.2 CHAIN/CHAINEE模型87

5.8 空间碎片模型数值计算接口设计87

5.8.1 现有模型接口参数比较87

5.8.2 通用型参数方案88

5.9 空间碎片影响仿真模型89

5.9.1 大空间碎片模型输入／输出89

5.9.2 中空间碎片模型输入／输出90

5.9.3 空间碎片模型输入／输出91

第6章 航天器轨道数值计算92

6.1 航天器轨道92

6.1.1 地球低轨道93

6.1.2 地球中轨道94

6.1.3 地球高轨道94

6.1.4 地球同步轨道95

6.2 航天器位置描述模型95

6.2.1 轨道瞬时状态描述法95

6.2.2 轨道长期状态描述法97

6.2.3 航天器描述模型间的相互转换98

6.3 航天器轨道计算模型102

6.3.1 解析法轨道计算模型102

6.3.2 标称Kepler轨道计算模型102

6.3.3 考虑J2/J4项的轨道计算模型103

6.3.4 NORAD两行轨道要素轨道计算模型108

6.3.5 数值法轨道计算模型114

第7章 空间环境效应与数值仿真117

7.1 引言117

7.2 空间环境效应118

7.2.1 空间环境对航天器的影响118

7.2.2 不同轨道航天器受空间环境的影响120

7.2.3 典型的空间环境效应121

7.3 航天器轨道的气动力数值仿真124

7.3.1 中高层大气与太阳活动有关的变化125

7.3.2 航天器轨道大气阻力摄动模型126

7.3.3 仿真实验与分析128

7.4 航天器空间辐射累积效应仿真131

7.4.1 航天器轨道积分通量或注量131

7.4.2 仿真实验与分析131

7.5 电离层等离子体对航天器信号传输衰减的分析133

7.6 航天器空间安全分析134

7.6.1 空间目标接近分析134

7.6.2 空间目标碰撞分析136

第8章 空间环境数据场的几何建模140

8.1 引言140

8.2 空间环境数据场几何建模理论140

8.3 空间环境数据场的几何建模方法142

8.3.1 基于散乱数据的几何建模142

8.3.2 基于CRG数据的几何建模147

8.3.3 散乱数据模型到CRG数据模型的变换150

第9章 空间环境三维可视化引擎153

9.1 引言153

9.2 常用的可视化引擎153

9.3 总体设计155

9.3.1 三维引擎的复杂性分析155

9.3.2 总体框架设计155

9.3.3 功能模块分析156

9.4 三维图形处理技术157

9.4.1 基于可编程图形硬件的绘制流程157

9.4.2 坐标空间158

9.4.3 三维空间几何操作160

9.5 目标可见性判断与剔除162

9.5.1 筛选或背面剔除162

9.5.2 基于物体外包围球视见体裁减163

9.5.3 考虑地球遮挡的物体可见性判断164

9.5.4 基于屏幕空间的物体可见性判断165

9.6 脚本驱动技术166

9.6.1 脚本驱动命令166

9.6.2 脚本描述方法167

9.6.3 脚本执行167

9.7 场景浏览与控制168

第10章 空间环境可视化仿真170

10.1 引言170

10.2 空间环境信息动态可视化170

10.2.1 空间环境数据场可视化方法170

10.2.2 数据场可视化参考模型172

10.2.3 空间环境数据场可视化流程174

10.3 空间环境数据场的数据预处理176

10.4 空间环境数据场的直接体绘制177

10.4.1 体光照模型177

10.4.2 体绘制算法177

10.4.3 仿真实例178

10.5 空间环境数据场的面绘制179

10.5.1 基于空间剖面的面绘制179

l0.5.2 基于空间分层的表面绘制181

10.5.3 仿真实例186

10.6 三维星空可视化仿真187

10.6.1 相关研究回顾与改进方法187

10.6.2 空间八叉树恒星数据组织188

10.6.3 恒星可见性判断189

10.6.4 仿真实例与分析189

10.7 地磁场及磁层的MHD可视化仿真190

10.7.1 磁层与磁层磁场的数学模型190

10.7.2 磁流体动力学建模192

10.7.3 地磁场的可视化表达192

10.7.4 MHD模型的可视化仿真实验195

10.8 地球辐射带可视化仿真195

10.8.1 地球辐射带积分通量的可视化195

10.8.2 结合Billboarding技术的纹理映射196

10.9 特殊效果绘制198

10.9.1 大气效果绘制198

10.9.2 粒子系统模拟201

10.10 空间环境在空间链路上的可视化202

10.10.1 仿真流程202

10.10.2 仿真实例204

第11章 空间目标及其轨道可视化仿真205

11.1 引言205

11.2 地球实体可视化206

11.2.1 地球运行可视化的数学模型206

11.2.2 地球三维建模207

11.3 地球的视运动控制211

11.3.1 空间视点坐标系211

11.3.2 视点坐标与空间坐标的变换211

11.3.3 椭球体的旋转213

11.3.4 椭球体的平移214

11.3.5 椭球体的缩放216

11.4 航天器三维建模与可视化217

11.4.1 面向对象的航天器三维建模217

11.4.2 复杂形状航天器的三维建模230

11.4.3 空间目标纹理数据的生成230

11.5 航天器在轨飞行显示231

11.6 航天器运行控制232

11.7 航天器的视点控制233

11.7.1 基本原理233

11.7.2 视点追踪234

11.7.3 基于球形线性插值的视点自动漫游技术235

第12章 基于HLA的空间环境仿真236

12.1 引言236

12.2 高层体系结构236

12.2.1 高层体系结构的组成237

12.2.2 高层体系结构的基本思想与主要特点238

12.2.3 联邦运行支撑环境239

12.2.4 HLA-RTI的配置文件240

12.2.5 联邦对象模型240

12.3 “空间环境仿真平台”联邦设计242

12.3.1 定义联邦目标242

12.3.2 开发联邦概念模型243

12.3.3 设计联邦246

12.3.4 开发联邦247

12.3.5 开发联邦对象模型248

12.4 仿真联邦成员设计249

12.4.1 联邦成员的仿真Agent249

12.4.2 联邦成员开发的一般流程249

12.4.3 联邦成员运行的程序流程250

12.5 “空间环境仿真”联邦成员设计252

12.5.1 成员设计252

12.5.2 仿真对象模型设计253

12.5.3 利用KD-FedWizard工具开发联邦成员260

12.6 “空间环境可视化”联邦成员设计261

12.6.1 联邦对象模型设计261

12.6.2 联邦成员开发262

12.6.3 联邦成员执行流程262

附录A 空间环境模式接口定义264

附录B 空间环境数据库中的数据表结构设计270

附录C 空间环境仿真成果274

参考文献277