空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、2011年11月我國(guó)成功發(fā)射了“神舟八號(hào)”航天飛船并與2011年9月發(fā)射的“天宮一號(hào)”順利完成交會(huì)對(duì)接任務(wù),標(biāo)志著我國(guó)進(jìn)入了空間科學(xué)研究的空間站時(shí)代。空間科學(xué)是研究地球外部整個(gè)宇宙太空環(huán)境發(fā)生、發(fā)展和變化規(guī)律的科學(xué)。開(kāi)展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn),有助于我們進(jìn)一步了解太空環(huán)境,掌握空間環(huán)境的變化規(guī)律,揭示宇宙奧秘,為人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用太空提供支持。空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)參數(shù)復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)難度高、實(shí)驗(yàn)成本高等特點(diǎn),進(jìn)行空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真研究可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)直觀、

2、易用、成本相對(duì)較低的特點(diǎn),降低空間科學(xué)的實(shí)驗(yàn)難度、節(jié)省人力物力,并可以通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程仿真及早的暴露實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。
　　本文對(duì)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真的理論和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究,介紹了天文學(xué)中的天球坐標(biāo)系統(tǒng),時(shí)間系統(tǒng),太陽(yáng)、太陽(yáng)系行星及月球的位置計(jì)算方法,并使用OpenGL圖形繪制技術(shù)、GPU加速技術(shù)等對(duì)地球大氣、太陽(yáng)、太陽(yáng)系行星和月球、星空、飛行器進(jìn)行了精確建模和可視化。以空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用為目的,對(duì)星下點(diǎn)軌跡、飛行器對(duì)地觀測(cè)、飛行器

3、受照分析等空間任務(wù)的仿真與可視化方法進(jìn)行了研究。最后將空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)地理信息系統(tǒng)平臺(tái)VR-GIS集成。論文的主要工作如下:
　　(1)太空環(huán)境仿真的可視化
　　本文對(duì)天文學(xué)中的天球坐標(biāo)系統(tǒng),時(shí)間系統(tǒng),太陽(yáng)、太陽(yáng)系行星及月球在天球中位置的計(jì)算方法進(jìn)行了研究,在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可用于天體位置計(jì)算的天球坐標(biāo)系統(tǒng)和適用于空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真的全局時(shí)間系統(tǒng)。提出一種太陽(yáng)光暈效果的實(shí)現(xiàn)方法,實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)的可視化仿真。在星空

4、可視化過(guò)程中,設(shè)計(jì)了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不同星等亮度的表示方法,并根據(jù)依巴谷星表中的星體數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了星空的仿真。
　　(2)地球大氣及其云層的可視化
　　本文通過(guò)對(duì)地球大氣的實(shí)際參數(shù)以及大氣密度隨海拔高度變化的關(guān)系進(jìn)行分析,研究了可用于GPU加速計(jì)算的大氣輻射方程,在GPU中實(shí)現(xiàn)了空氣粒子的精確大氣散射運(yùn)算,通過(guò)建立3D查找表對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行加速;實(shí)現(xiàn)了對(duì)地球大氣層的高效仿真。使用NormalMap技術(shù)將真實(shí)云層紋理繪制在地球大氣層外

5、面,實(shí)現(xiàn)地球表面云層的仿真可視化。
　　(3)飛行器空間任務(wù)仿真研究與實(shí)現(xiàn)
　　以空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),對(duì)典型的空間任務(wù)仿真方法進(jìn)行了研究與實(shí)現(xiàn)。完成了飛行器的精確建模,實(shí)現(xiàn)飛行器在軌飛行姿態(tài)及軌道可視化,并實(shí)現(xiàn)了飛行器變軌仿真。研究了飛行器星下點(diǎn)軌跡的計(jì)算方法,提出了一種用于飛行器對(duì)地觀測(cè)仿真的可視化方法,實(shí)現(xiàn)了飛行器星下點(diǎn)軌跡和對(duì)地觀測(cè)的仿真。分析了飛行器受照時(shí)長(zhǎng)和受照率的計(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)了飛行器受照分析仿真,對(duì)飛行