空間科學實驗仿真關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn).pdf

1、2011年11月我國成功發(fā)射了“神舟八號”航天飛船并與2011年9月發(fā)射的“天宮一號”順利完成交會對接任務(wù),標志著我國進入了空間科學研究的空間站時代?？臻g科學是研究地球外部整個宇宙太空環(huán)境發(fā)生、發(fā)展和變化規(guī)律的科學。開展空間科學實驗,有助于我們進一步了解太空環(huán)境,掌握空間環(huán)境的變化規(guī)律,揭示宇宙奧秘,為人類開發(fā)利用太空提供支持。空間科學實驗具有實驗參數(shù)復雜、實驗難度高、實驗成本高等特點,進行空間科學實驗仿真研究可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)直觀、

2、易用、成本相對較低的特點,降低空間科學的實驗難度、節(jié)省人力物力,并可以通過對實驗過程仿真及早的暴露實驗設(shè)計中的問題。
　　本文對空間科學實驗仿真的理論和實現(xiàn)方法進行了研究,介紹了天文學中的天球坐標系統(tǒng),時間系統(tǒng),太陽、太陽系行星及月球的位置計算方法,并使用OpenGL圖形繪制技術(shù)、GPU加速技術(shù)等對地球大氣、太陽、太陽系行星和月球、星空、飛行器進行了精確建模和可視化。以空間科學實驗的應用為目的,對星下點軌跡、飛行器對地觀測、飛行器

3、受照分析等空間任務(wù)的仿真與可視化方法進行了研究。最后將空間科學實驗仿真與虛擬現(xiàn)實地理信息系統(tǒng)平臺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
　　本文對天文學中的天球坐標系統(tǒng),時間系統(tǒng),太陽、太陽系行星及月球在天球中位置的計算方法進行了研究,在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中設(shè)計實現(xiàn)了可用于天體位置計算的天球坐標系統(tǒng)和適用于空間科學實驗仿真的全局時間系統(tǒng)。提出一種太陽光暈效果的實現(xiàn)方法,實現(xiàn)了太陽的可視化仿真。在星空

4、可視化過程中,設(shè)計了虛擬現(xiàn)實環(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
　　本文通過對地球大氣的實際參數(shù)以及大氣密度隨海拔高度變化的關(guān)系進行分析,研究了可用于GPU加速計算的大氣輻射方程,在GPU中實現(xiàn)了空氣粒子的精確大氣散射運算,通過建立3D查找表對計算過程進行加速;實現(xiàn)了對地球大氣層的高效仿真。使用NormalMap技術(shù)將真實云層紋理繪制在地球大氣層外

5、面,實現(xiàn)地球表面云層的仿真可視化。
　　(3)飛行器空間任務(wù)仿真研究與實現(xiàn)
　　以空間科學實驗的應用為出發(fā)點,對典型的空間任務(wù)仿真方法進行了研究與實現(xiàn)。完成了飛行器的精確建模,實現(xiàn)飛行器在軌飛行姿態(tài)及軌道可視化,并實現(xiàn)了飛行器變軌仿真。研究了飛行器星下點軌跡的計算方法,提出了一種用于飛行器對地觀測仿真的可視化方法,實現(xiàn)了飛行器星下點軌跡和對地觀測的仿真。分析了飛行器受照時長和受照率的計算方法,實現(xiàn)了飛行器受照分析仿真,對飛行