基于HLA的空间环境要素建模与仿真技术研究

论文摘要

在上世纪的最后二十年，世界各国已经成功地利用信息技术、遥感探测技术、可视化技术、系统仿真技术来研究地面环境，帮助人类认识、分析和利用环境，从而为人类的活动提供辅助决策。随着人类活动范围的扩大与航天活动的增强，空间环境的研究也越来越被人们所重视。正像研究地面环境一样，空间环境是人类科学发展的下一个焦点，开展空间环境及其效应的研究，从中掌握和发现其活动规律，可以为人类利用和进入空间奠定坚实的基础。 本文通过对空间环境要素建模、可视化仿真、分布式交互仿真、数字地球等相关技术的深入研究，创造性地将系统仿真、空间信息系统的理论与方法应用于空间环境科学研究，提出了空间环境信息系统的概念，在此基础上建立了空间环境要素建模与仿真的技术框架，重点研究并实现了空间环境要素及其效应的三维建模与可视化仿真。同时基于仿真重用、模块开发的思想，利用高层体系结构HLA（High Level Architecture）技术详细设计了“空间环境仿真平台”联邦，重点开发了“空间环境要素仿真”联邦成员。该联邦的设计与建立为空间科学的研究提供了统一的环境背景和技术开发的仿真平台。本文的创新性工作具体包括以下几个方面： 1．按照联邦开发和执行过程模型FEDEP（Federation Development and ExecutionProcess Model），通过对“空间环境仿真平台”的功能分析，设计了“空间环境仿真平台”联邦，具体设计并实现了基于HLA的“空间环境要素仿真”联邦成员。通过对联邦成员开发流程和运行流程的深入研究，利用面向对象技术分析了“空间环境要素仿真”联邦成员的构成，设计了对象关系结构图，建立了该成员的仿真对象模型SOM（Simulation Object Model）表，利用KD-Fedwizard工具生成了“空间环境要素仿真”联邦成员。 2．提出了“空间环境信息系统”SpenIS（Space environment Information System）这一崭新概念，建立了SpenIS系统的基本理论，设计了该系统的技术框图和实现途径，讨论了系统中多维动态空间环境模型、空间环境的时空语义模型和空间环境信息的传输模型，探讨了地理信息系统GIS（Geographical Information System）与SpenIS结合的基础和方式，提出了几种适合于SpenIS开发的方法，并初步建立了空间环境数据库。引入“数字空间”的概念，利用SpenIS将研究对象和范围由地面目标和近地环境扩展至整个日地空间目标和空间环境，将“数字地球”、“数字空间”、GIS等概念和方法引入到空间环境研究中。 3．设计并实现了空间环境要素数据场的几何建模Spen-GBM(Space Environment

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 空间、空间环境及空间环境要素
• 1.2.1 中高层大气
• 1.2.2 电离层
• 1.2.3 地磁场
• 1.2.4 地球辐射带
• 1.3 分布式的可视化仿真技术
• 1.3.1 分布式交互仿真技术
• 1.3.2 可视化仿真技术
• 1.4 论文研究背景及意义
• 1.4.1 研究背景
• 1.4.2 研究意义
• 1.5 国内外研究现状及发展动态
• 1.5.1 对空间环境的研究
• 1.5.2 对分布式仿真及空间环境仿真技术的研究
• 1.6 本文主要研究内容及结构组织
• 第二章 基于HLA的空间环境要素仿真
• 2.1 高层体系结构HLA
• 2.1.1 HLA的组成
• 2.1.2 HLA的基本思想与主要特点
• 2.1.3 联邦运行支撑环境（RTI）
• 2.1.4 HLA—RTI的配置文件
• 2.1.5 联邦对象模型FOM
• 2.2 “空间环境仿真平台”联邦设计
• 2.2.1 定义联邦目标
• 2.2.2 开发联邦概念模型FCM
• 2.2.3 设计联邦
• 2.2.4 开发联邦
• 2.2.5 开发联邦对象模型FOM
• 2.3 “空间环境要素仿真”联邦成员设计
• 2.3.1 联邦成员的仿真AGENT
• 2.3.2 联邦成员开发的一般流程
• 2.3.3 联邦成员运行的程序流程
• 2.3.4 “空间环境要素仿真”联邦成员的开发
• 2.4 本章小结
• 第三章 空间环境信息系统
• 3.1 数字地球与数字空间
• 3.1.1 数字地球（DIGITAL EARTH）
• 3.1.2 数字空间（DIGITAL SPACE）
• 3.2 空间环境信息系统的原型设计
• 3.2.1 相关研究回顾
• 3.2.2 多维动态空间环境模型
• 3.2.3 空间环境信息系统的概念
• 3.2.4 空间环境信息系统的研究对象
• 3.2.5 空间环境信息系统的时空语义
• 3.3 空间环境信息系统与GIS的结合
• 3.3.1 SPENIS与GIS结合的基础
• 3.3.2 SPENIS与GIS结合的方式
• 3.4 空间环境数据库
• 3.4.1 静态空间环境要素数据库
• 3.4.2 日地天体活动指数数据库
• 3.4.3 空间飞行器数据库
• 3.4.4 空间环境要素及其效应模型数据库
• 3.5 航天器空间安全分析
• 3.5.1 航天器的三维缓冲区分析
• 3.5.2 空间目标的碰撞检测分析
• 3.6 空间环境要素在空间链路上的可视化
• 3.6.1 直接观测链路的通视分析
• 3.6.2 数据内插计算
• 3.6.3 实验结果
• 3.7 本章小结
• 第四章 空间环境要素数据场的几何建模
• 4.1 空间环境要素分布模式
• 4.2 中高层大气模式计算与建模
• 4.2.1 MSIS2000模式
• 4.2.2 MET模式
• 4.2.3 HWM93模式
• 4.2.4 CIRA86模式
• 4.3 电离层等离子体模式计算与建模
• 4.3.1 IRI2001模式
• 4.3.2 CHIU1975模式
• 4.3.3 中高层大气与电离层的几何建模
• 4.4 地球基本磁场模式计算与建模
• 4.4.1 IGRF2005模式
• 4.4.2 IGRF2005的几何模型
• 4.6 地球辐射带模式计算与建模
• 4.5.1 AE8&AP8模式
• 4.5.2 地球辐射带的几何模型
• 4.6 基于UML和COM设计空间环境仿真数值计算模型
• 4.6.1 研究现状
• 4.6.2 利用面向对象技术重新设计与封装计算模式
• 4.6.3 利用COM组件技术设计工具包接口和属性
• 4.6.4 计算模式选择中的智能化处理
• 4.6.5 利用外部数据文件和组件接口实现动态数据更新与扩展
• 4.7 空间环境要素数据场的几何建模理论
• 4.8 空间环境要素数据场的几何建模方法
• 4.8.1 基于散乱数据的几何建模
• 4.8.2 基于CRG数据的几何建模
• 4.8.3 散乱数据模型到CRG数据模型的变换算法
• 4.9 本章小结
• 第五章 动态空间环境要素数据场的可视化仿真
• 5.1 空间环境信息动态可视化的理论与方法
• 5.1.1 空间环境信息的动态可视化表达
• 5.1.2 空间环境要素数据场的可视化方法
• 5.2 复杂数据场的可视化流程
• 5.2.1 数据场可视化的参考模型
• 5.2.2 空间环境要素数据场的可视化流程
• 5.3 空间环境要素数据场的数据预处理
• 5.4 三维数据场的直接体绘制
• 5.4.1 体光照模型
• 5.4.2 体绘制算法
• 5.4.3 实验结果
• 5.5 三维数据场的面绘制
• 5.5.1 基于空间剖面的面绘制
• 5.5.2 基于空间分层的表面绘制
• 5.5.3 实验结果
• 5.6 地磁场及磁层的MHD可视化仿真
• 5.6.1 磁层与磁层磁场的数学模型
• 5.6.2 磁流体动力学（MHD）
• 5.6.3 MHD模型的可视化仿真实验
• 5.7 结合BILLBOARDING技术的纹理映射
• 5.8 特殊效果绘制
• 5.8.1 大气效果绘制
• 5.8.2 粒子系统模拟
• 5.9 场景的可视化浏览与控制
• 5.10 本章小结
• 第六章 空间环境要素效应仿真
• 6.1 空间环境对航天器的效应研究
• 6.2 空间环境对航天器的效应仿真
• 6.2.1 航天器轨道的大气阻力摄动数值仿真
• 6.2.2 近地航天器轨道寿命估算
• 6.2.3 航天器空间辐射累积效应仿真
• 6.2.4 电离层等离子体对航天器信号传输衰减的分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 “空间环境要素仿真”系统
• 7.1 系统设计
• 7.1.1 系统功能设计
• 7.1.2 系统与仿真联邦的关系
• 7.2 系统功能
• 7.3 部分实验结果
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 附录A 缩写词（ACRONYM）
• 附录B 相关网址
• 附录C 空间环境要素模式接口定义
• 附录D 空间环境数据库中的数据表结构设计
• 作者简历 攻读博士学位期间完成的主要工作
• 致谢