空间环境虚拟试验平台构建

本书全面、详细地介绍了空间环境虚拟试验验证平台构建的关键技术。内容包括综合自然环境数据库构建、航空空间虚拟大气环境构建、临近空间虚拟大气环境构建、空间辐射虚拟环境构建、虚拟场景显示软件开发以及以联合试验平台为核心的虚拟试验验证平台构建等。本书根据作者多年的研发经验，给出了实际研发的过程和工程实例，重点解决应用设计中的关键技术问题，并解析了虚拟试验验证平台设计中遇到的难点和解决方法。

本书结主要介绍虚拟试验的基础知识、空间环境虚拟试验平台构建的关键技术。全书共分7章，包括虚拟试验的概念、航空空间虚拟大气环境资源构建方法、临近空间虚拟大气环境环境构建方法、空间辐射环境资源构建方法，综合环境数据表示与交换规范、虚拟场景显示软件开发与虚拟试验系统支撑软件平台构建等关键技术。

许永辉，2000年获得哈尔滨工业大学自动化测试与控制专业学士学位，2002年获得哈尔滨工业大学仪器科学与技术学科硕士学位，2008年获得北京理工大学信号与信息处理专业博士学位。现为哈尔滨工业大学自动化测试与控制系讲师，主要研究方向为自动测试、仿真与实验技术。发表论文十余篇，出版教材一本。

第1章 绪论 1 1.1 虚拟试验技术概述 1 1.2 虚拟试验的基础和支撑框架 2 1.2.1 试验与训练使能框架TENA 2 1.2.2 联合试验支撑框架H-JTP 3 1.3 虚拟试验空间环境资源 4 1.3.1 大气环境建模与仿真 5 1.3.2 临近空间的大气环境建模 6 1.3.3 辐射空间环境建模 7 1.3.4 环境数据的表示与交互 8 1.4 虚拟试验场景显示 9 1.4.1 二维场景显示软件 9 1.4.2 三维场景显示软件 10 1.5 虚拟试验验证平台 11 1.6 本书主要内容 13 第2章 综合自然环境数据库构建 14 2.1 综合环境数据表示与交互规范 14 2.1.1 数据表示模型DRM 16 2.1.2 空间参考模型SRM 16 2.1.3 空间参考模型SRM 17 2.1.4 SEDRIS传输格式STF 18 2.1.5 编程接口API 18 2.1.6 SEDRIS的运作方式 18 2.2 基于SEDRIS的大气数据表示 19 2.2.1 基于DRM形成大气环境数据表示标准 19 2.2.2 基于SRM提供大气环境数据空间坐标系信息 21 2.2.3 基于EDCS规范大气环境对象属性 21 2.3 基于SEDRIS的综合自然环境的交互 22 2.4 本章小结 24 第3章 航空空间虚拟大气环境构建 25 3.1 虚拟大气环境构建的整体思路 25 3.2 大气数值模式 26 3.3 MM5模式理论介绍 27 3.4 MM5模式及相关辅助软件安装及编译运行过程 29 3.4.1 PC安装基本条件 29 3.4.2 辅助软件 29 3.4.3 多核运算软件 29 3.4.4 可视化软件 29 3.4.5 MM5模式运行 30 3.4.6 MM5模式的自动化运行 32 3.5 虚拟大气环境资源生成软件 32 3.5.1 大气环境数据高度计算流程 33 3.5.2 需求分析 34 3.5.3 静态模型 35 3.5.4 动态模型 35 3.6 虚拟大气环境资源生成软件测试 36 3.6.1 MM5模式运行结果 37 3.6.2 软件测试结果 39 3.7 本章小结 42 第4章 临近空间虚拟大气环境构建 43 4.1 临近空间虚拟大气环境资源构建方法研究 43 4.1.1 临近空间虚拟大气环境资源构建方案 43 4.1.2 SABER探测数据分析 43 4.1.3 临近空间大气环境数据预处理 46 4.1.4 临近空间风场建模及数据插值算法 48 4.2 NRLMSISE-00大气模型研究 50 4.3 临近空间虚拟大气环境资源构建总体方案 51 4.3.1 虚拟大气环境资源构建总体需求 51 4.3.2 临近空间虚拟大气环境资源构建软件 53 4.4 临近空间虚拟大气环境资源构建软件测试 55 4.5 本章小结 57 第5章 空间辐射虚拟环境构建 58 5.1 空间辐射环境构建方法研究 58 5.1.1 空间粒子辐射环境分析 58 5.1.3 空间辐射建模分析与实现 65 5.1.4 空间辐射环境模型可信度评价 78 5.2 空间辐射虚拟环境生成软件设计与实现 81 5.2.1 设计方案 81 5.2.2 需求分析 81 5.2.3 静态模型设计 83 5.2.4 动态模型设计 86 5.2.5 界面设计 88 5.3 空间辐射虚拟环境生成软件测试 88 5.3.1 空间辐射环境生成软件功能测试 88 5.3.2 空间辐射环境生成软件性能测试 91 5.4 本章小结 93 第6章 虚拟自然环境集成 94 6.1 概述 94 6.2 虚拟自然环境想定空间构建方法研究 95 6.3 背景环境数据生成方法研究 97 6.3.1 工程模型生成方法研究 100 6.3.2 数值模型生成方法研究 101 6.4 典型环境数据生成方法研究 101 6.4.1 大气扰动环境数据生成方法研究 101 6.4.2 电磁扰动环境数据生成方法研究 104 6.5 虚拟自然环境数据生成软件设计与开发 105 6.5.1 需求分析 105 6.5.2 静态模型 106 6.5.3 动态模型 107 6.5.4 单元测试 109 6.6 本章小结 116 第7章 二维场景显示软件开发 117 7.1 需求分析 117 7.1.1 功能需求 117 7.1.2 用例分析 117 7.2 二维场景显示软件开发关键技术 119 7.2.1 与中间件数据交互技术 119 7.2.1 标注及设备信息绘制技术 120 7.3 软件设计 122 7.3.1 显示方案节点结构及数据结构设计 122 7.3.2 静态模型设计 123 7.3.3 动态模型设计 125 7.3.4 主要界面设计 130 7.4 功能测试 131 7.4.1 二维场景显示软件功能测试 131 7.4.2 在雷达制导导弹虚拟试验系统验证 132 7.4.3 在激光制导导弹虚拟试验系统系统验证 135 7.5 本章小结 137 第8章  三维场景显示软件开发 138 8.1 需求分析 138 8.1.1 功能需求 138 8.1.2 用例分析 138 8.2 三维场景显示软件开发关键技术 140 8.2.1 用例分析地形文件构建技术 141 8.2.2 模型及观察者视角控制驱动技术 143 8.2.3 天气及特效渲染技术 145 8.3  软件设计 147 8.3.1  显示方案节点结构及数据结构设计 147 8.3.2  静态模型设计 149 8.3.3 动态模型设计 151 8.3.4  主要界面设计 155 8.4  软件测试与验证 156 8.4.1  三维场景显示软件功能测试 157 8.4.2  在雷达制导导弹虚拟试验系统验证 158 8.4.3  在激光制导导弹虚拟试验系统验证 161 8.5  本章小结 165 第9章 虚拟试验验证平台构建 166 9.1 虚拟试验系统支撑软件 166 9.1.1 术语定义 166 9.1.2 软件主界面 166 9.1.3 新建试验成员工程 167 9.1.4 打开试验成员工程 173 9.1.5 编辑试验成员工程 175 9.1.6 运行试验成员工程 182 9.1.7 切换界面风格 182 9.1.8 控制工具栏显示 183 9.2 虚拟试验验证平台方案构建 183 9.2.1 虚拟试验验证平台组成 183 9.2.2 虚拟试验验证平台方案 184 9.2.3 场景显示组件运行效果 187 9.5 本章小结 188 参考文献 189

"虚拟试验技术是由系统工程、建模仿真技术、可视化与虚拟现实技术、信息处理技术、现代数学和计算机技术等多种学科交叉应用的新兴技术。虚拟试验技术可以在虚拟的条件下完成对被试品测试和试验，能够大大缩短设备的研制、测试周期，节约测试经费，因而得到被广泛应用，已成为系统分析、优化设计、性能评测的强有力的工具。 作者所在的课题组承担国家重大项目中涉及虚拟试验环境资源构建、联合试验平台开发、虚拟试验场景显示等方面的课题，对于虚拟试验验证平台的构建具有较丰富的开发经验。作者希望针对虚拟试验验证平台构建的关键技术，结合课题组已经公开发表的论文和科研过程中积累的技术资料编写以实践应用为目标的专著，可以在技术人员开发虚拟试验验证平台时给予有益的借鉴作用。 本书分为7章。第1章概述了虚拟试验技术、虚拟试验的基础和支撑框架、虚拟环境资源构建以及虚拟场景显示技术；第2章介绍了综合自然环境数据库构建，重点分析了综合环境数据表示与交换规范（Synthetic Environment Data Representation and Interchange Specification，SEDRIS）；第3章介绍了航空空间虚拟大气环境构建方法，利用MM5（Mesoscale Model version 5）中尺度大气数值模式生成包括温度场、湿度场、风场和压力场等在内的复合航空空间大气环境；第4章介绍了临近空间大气环境构建方法，利用TIMED卫星上SABER探测器的原始大气环境数据进行临近空间大气环境资源的构建；第5章介绍了空间辐射环境构建方法，利用ACE卫星原始地球辐射环境数据进行空间辐射环境资源的构建；第6章介绍了虚拟自然环境集成技术，根据需求快速生成复杂、想定的自然环境数据；第7章和第8章介绍了虚拟场景显示软件开发，针对虚拟试验验证平台开发二维场景显示软件和三维场景显示软件；第9章介绍了虚拟试验验证支撑软件以及虚拟试验验证平台的构建实例，读者学习这些内容后，可以对虚拟试验验证平台构建的关键技术有基本的了解，初步具备开发虚拟试验验证平台的能力。 本书由许永辉、陈寅生、孙超、林连雷和杨京礼编著。课题组的赵玺、杨俊超和罗宁参与了资料的收集和整理工作，成行、孙丽、丁蔚、董昊、付文青和闫芳参与了早期的研发工作，积累很多素材，对此表示感谢。本书的出版得到了姜守达教授的大力支持，在此向姜老师表示感谢。由于时间仓促和作者学识水平有限，书中难免存在疏漏或不妥之处，恳请广大读者批评指正。 作 者"