空间环境建模与可视化仿真技术PDF电子书下载

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Agent 249

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