空間環境虛擬試驗平臺構建（簡體書）

本書結主要介紹虛擬試驗的基礎知識、空間環境虛擬試驗平臺構建的關鍵技術。全書共分7章，包括虛擬試驗的概念、航空空間虛擬大氣環境資源構建方法、臨近空間虛擬大氣環境環境構建方法、空間輻射環境資源構建方法，綜合環境數據表示與交換規範、虛擬場景顯示軟件開發與虛擬試驗系統支撐軟件平臺構建等關鍵技術。

許永輝，2000年獲得哈爾濱工業大學自動化測試與控制專業學士學位，2002年獲得哈爾濱工業大學儀器科學與技術學科碩士學位，2008年獲得北京理工大學信號與信息處理專業博士學位。現為哈爾濱工業大學自動化測試與控制系講師，主要研究方向為自動測試、仿真與實驗技術。發表論文十餘篇，出版教材一本。

虛擬試驗技術是由系統工程、建模仿真技術、可視化與虛擬現實技術、信息處理技術、現代數學和計算機技術等多種學科交叉應用的新興技術。虛擬試驗技術可以在虛擬的條件下完成對被試品測試和試驗，能夠大大縮短設備的研製、測試週期，節約測試經費，因而得到被廣泛應用，已成為系統分析、優化設計、性能評測的強有力的工具。
作者所在的課題組承擔國家重大項目中涉及虛擬試驗環境資源構建、聯合試驗平臺開發、虛擬試驗場景顯示等方面的課題，對於虛擬試驗驗證平臺的構建具有較豐富的開發經驗。作者希望針對虛擬試驗驗證平臺構建的關鍵技術，結合課題組已經公開發表的論文和科研過程中積累的技術資料編寫以實踐應用為目標的專著，可以在技術人員開發虛擬試驗驗證平臺時給予有益的借鑒作用。
本書分為7章。第1章概述了虛擬試驗技術、虛擬試驗的基礎和支撐框架、虛擬環境資源構建以及虛擬場景顯示技術；第2章介紹了綜合自然環境數據庫構建，重點分析了綜合環境數據表示與交換規範（Synthetic Environment Data Representation and Interchange Specification，SEDRIS）；第3章介紹了航空空間虛擬大氣環境構建方法，利用MM5（Mesoscale Model version 5）中尺度大氣數值模式生成包括溫度場、濕度場、風場和壓力場等在內的複合航空空間大氣環境；第4章介紹了臨近空間大氣環境構建方法，利用TIMED衛星上SABER探測器的原始大氣環境數據進行臨近空間大氣環境資源的構建；第5章介紹了空間輻射環境構建方法，利用ACE衛星原始地球輻射環境數據進行空間輻射環境資源的構建；第6章介紹了虛擬自然環境集成技術，根據需求快速生成複雜、想定的自然環境數據；第7章和第8章介紹了虛擬場景顯示軟件開發，針對虛擬試驗驗證平臺開發二維場景顯示軟件和三維場景顯示軟件；第9章介紹了虛擬試驗驗證支撐軟件以及虛擬試驗驗證平臺的構建實例，讀者學習這些內容後，可以對虛擬試驗驗證平臺構建的關鍵技術有基本的瞭解，初步具備開發虛擬試驗驗證平臺的能力。
本書由許永輝、陳寅生、孫超、林連雷和楊京禮編著。課題組的趙璽、楊俊超和羅寧參與了資料的收集和整理工作，成行、孫麗、丁蔚、董昊、付文青和閆芳參與了早期的研發工作，積累很多素材，對此表示感謝。本書的出版得到了姜守達教授的大力支持，在此向姜老師表示感謝。由於時間倉促和作者學識水平有限，書中難免存在疏漏或不妥之處，懇請廣大讀者批評指正。

作 者

第1章 緒論 1
1.1 虛擬試驗技術概述 1
1.2 虛擬試驗的基礎和支撐框架 2
1.2.1 試驗與訓練使能框架TENA 2
1.2.2 聯合試驗支撐框架H-JTP 3
1.3 虛擬試驗空間環境資源 4
1.3.1 大氣環境建模與仿真 5
1.3.2 臨近空間的大氣環境建模 6
1.3.3 輻射空間環境建模 7
1.3.4 環境數據的表示與交互 8
1.4 虛擬試驗場景顯示 9
1.4.1 二維場景顯示軟件 9
1.4.2 三維場景顯示軟件 10
1.5 虛擬試驗驗證平臺 11
1.6 本書主要內容 13
第2章 綜合自然環境數據庫構建 14
2.1 綜合環境數據表示與交互規範 14
2.1.1 數據表示模型DRM 16
2.1.2 空間參考模型SRM 16
2.1.3 空間參考模型SRM 17
2.1.4 SEDRIS傳輸格式STF 18
2.1.5 編程接口API 18
2.1.6 SEDRIS的運作方式 18
2.2 基於SEDRIS的大氣數據表示 19
2.2.1 基於DRM形成大氣環境數據表示標準 19
2.2.2 基於SRM提供大氣環境數據空間坐標系信息 21
2.2.3 基於EDCS規範大氣環境對象屬性 21
2.3 基於SEDRIS的綜合自然環境的交互 22
2.4 本章小結 24
第3章 航空空間虛擬大氣環境構建 25
3.1 虛擬大氣環境構建的整體思路 25
3.2 大氣數值模式 26
3.3 MM5模式理論介紹 27
3.4 MM5模式及相關輔助軟件安裝及編譯運行過程 29
3.4.1 PC安裝基本條件 29
3.4.2 輔助軟件 29
3.4.3 多核運算軟件 29
3.4.4 可視化軟件 29
3.4.5 MM5模式運行 30
3.4.6 MM5模式的自動化運行 32
3.5 虛擬大氣環境資源生成軟件 32
3.5.1 大氣環境數據高度計算流程 33
3.5.2 需求分析 34
3.5.3 靜態模型 35
3.5.4 動態模型 35
3.6 虛擬大氣環境資源生成軟件測試 36
3.6.1 MM5模式運行結果 37
3.6.2 軟件測試結果 39
3.7 本章小結 42
第4章 臨近空間虛擬大氣環境構建 43
4.1 臨近空間虛擬大氣環境資源構建方法研究 43
4.1.1 臨近空間虛擬大氣環境資源構建方案 43
4.1.2 SABER探測數據分析 43
4.1.3 臨近空間大氣環境數據預處理 46
4.1.4 臨近空間風場建模及數據插值算法 48
4.2 NRLMSISE-00大氣模型研究 50
4.3 臨近空間虛擬大氣環境資源構建總體方案 51
4.3.1 虛擬大氣環境資源構建總體需求 51
4.3.2 臨近空間虛擬大氣環境資源構建軟件 53
4.4 臨近空間虛擬大氣環境資源構建軟件測試 55
4.5 本章小結 57
第5章 空間輻射虛擬環境構建 58
5.1 空間輻射環境構建方法研究 58
5.1.1 空間粒子輻射環境分析 58
5.1.3 空間輻射建模分析與實現 65
5.1.4 空間輻射環境模型可信度評價 78
5.2 空間輻射虛擬環境生成軟件設計與實現 81
5.2.1 設計方案 81
5.2.2 需求分析 81
5.2.3 靜態模型設計 83
5.2.4 動態模型設計 86
5.2.5 界面設計 88
5.3 空間輻射虛擬環境生成軟件測試 88
5.3.1 空間輻射環境生成軟件功能測試 88
5.3.2 空間輻射環境生成軟件性能測試 91
5.4 本章小結 93
第6章 虛擬自然環境集成 94
6.1 概述 94
6.2 虛擬自然環境想定空間構建方法研究 95
6.3 背景環境數據生成方法研究 97
6.3.1 工程模型生成方法研究 100
6.3.2 數值模型生成方法研究 101
6.4 典型環境數據生成方法研究 101
6.4.1 大氣擾動環境數據生成方法研究 101
6.4.2 電磁擾動環境數據生成方法研究 104
6.5 虛擬自然環境數據生成軟件設計與開發 105
6.5.1 需求分析 105
6.5.2 靜態模型 106
6.5.3 動態模型 107
6.5.4 單元測試 109
6.6 本章小結 116
第7章 二維場景顯示軟件開發 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 二維場景顯示軟件開發關鍵技術 119
7.2.1 與中間件數據交互技術 119
7.2.1 標注及設備信息繪製技術 120
7.3 軟件設計 122
7.3.1 顯示方案節點結構及數據結構設計 122
7.3.2 靜態模型設計 123
7.3.3 動態模型設計 125
7.3.4 主要界面設計 130
7.4 功能測試 131
7.4.1 二維場景顯示軟件功能測試 131
7.4.2 在雷達制導導彈虛擬試驗系統驗證 132
7.4.3 在激光制導導彈虛擬試驗系統系統驗證 135
7.5 本章小結 137
第8章　三維場景顯示軟件開發 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 三維場景顯示軟件開發關鍵技術 140
8.2.1 用例分析地形文件構建技術 141
8.2.2 模型及觀察者視角控制驅動技術 143
8.2.3 天氣及特效渲染技術 145
8.3　軟件設計 147
8.3.1　顯示方案節點結構及數據結構設計 147
8.3.2　靜態模型設計 149
8.3.3 動態模型設計 151
8.3.4　主要界面設計 155
8.4　軟件測試與驗證 156
8.4.1　三維場景顯示軟件功能測試 157
8.4.2　在雷達制導導彈虛擬試驗系統驗證 158
8.4.3　在激光制導導彈虛擬試驗系統驗證 161
8.5　本章小結 165
第9章 虛擬試驗驗證平臺構建 166
9.1 虛擬試驗系統支撐軟件 166
9.1.1 術語定義 166
9.1.2 軟件主界面 166
9.1.3 新建試驗成員工程 167
9.1.4 打開試驗成員工程 173
9.1.5 編輯試驗成員工程 175
9.1.6 運行試驗成員工程 182
9.1.7 切換界面風格 182
9.1.8 控制工具欄顯示 183
9.2 虛擬試驗驗證平臺方案構建 183
9.2.1 虛擬試驗驗證平臺組成 183
9.2.2 虛擬試驗驗證平臺方案 184
9.2.3 場景顯示組件運行效果 187
9.5 本章小結 188
參考文獻 189