空间电磁环境计算与仿真系统的开发

值线段构成网格等值线。
单元线性内插法的实现如下：
构成一个网格单元的四个数据点分别为 （ ｉ，ｊ） 、（ Ｉ，
ｊ＋１） 、（ ｉ＋１，ｊ） 、（ ｉ＋１，ｊ＋１） 。
如 果 在 数 据 点 （ ｉ，ｊ） 和 （ ｉ＋１，ｊ） 之 间 存 在 某 个 定 值
（ 即其中一条等值线的数值） Ｗ 的话， 则必然有：
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｖｉｒ ｔｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｅｌｅｃｔｒ ｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｅｎｖｉｒ ｏｎｍｅｎｔ，ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｃｉｅｎｃｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ｔｅｒ ｒ ａｉｎ ｇｅｎｅｒ ａｔｉｏｎ Nhomakorabea创
引言
新 近年来， 伴随着我国经济实力的逐步增强， 国防、 航空航天等事业得到飞速发展， 火箭、卫星、导弹和飞 机等飞行器大量投入使用。保障飞行器的安全飞行， 直 接 关 系 到 人 民 的 生 命 、财 产 安 全 和 国 防 安 全 。 在 影 响飞行器飞行安全的众多因素中， 空间电磁环境的干 扰和威胁不容忽视。 民用设施、自然环境和气象 因素等都可 能发射出 不同强度和频率的电磁信号， 构成近地空间复杂的电 磁环境。分析影响近地空间电磁环境的主要因素， 研 究不同来源电磁场的计算仿真方法， 运用三维可视化 技 术 ， 直 观 表 现 近 地 空 间 的 地 理 环 境 、设 施 装 备 和 电 磁场分布情况， 最终建立近地空间电磁计算与仿真系 统， 对于保障近地飞行器的安全飞行具有重要意义。
《 Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 －１４９－
仿真技术
中文核心期刊《 微计算机信息》（测控自动化）２００６ 年第 ２２ 卷第 １０－１ 期
布的包络面。当飞行器接近该区域时， 可以根据包络
面的提示躲避， 以保证飞行器的安全飞行； 同时， 提供
二维等值线及彩色云图的显示功能， 方便分析决策。
１ 系统总体结构
近地空间电磁环境计算与仿真系统采用面向对 象分析的程序设计方法。结合工程应用软件的特点， 将 整 个 系 统 分 为 前 处 理 、数 值 计 算 、后 处 理 和 数 据 库 四个模块， 图 １ 为系统整体框架。
作为计算分析软件必不可少的重要部分， 前处理 模块通过简便易用的操作界面， 从用户那里获得计算 分析必需的数据。该模块在 Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０ 开发环境中 开 发 ， 借 助 其 应 用 程 序 向 导 、类 向 导 及 强 大 的 资 源 编
２．２ 前处理模块设计 ２．２．１ 参数输入 采用一系列的数据输入向导对话框实现参数输 入功能。 首先， 利用 Ｘｔｒｅｍｅ Ｔｏｏｌｋｉｔ 界面开发工具包提供的 诸多控件， 构造每一个参数输入对话框， 在每一个对 话框中加入“上一步”和“下一步”按钮， 以向导形式引 导用户按部就班地完成数据输入。 其次， 将相同物理特性的参数放置在同一个参数 输入对话框中， 根据已输入数据对后续关联输入进行 动态调整， 使参数输入工作简单、高效。 最后， 利用 ＭＦＣ 的 ＤＤＶ 机制， 对输入参数进行校 验， 保证输入参数满足规定要求， 以尽量减少人为输 入错误。 ２．２．２ 地形地物模拟 孤立地展示近地空间的电磁场分布情况是缺乏 表现力的， 以近地空间的地形作为背景， 直观地依附 产生电磁场的地物， 计算结果就可以转化为用户身临 其境的感受。 三维真实感地形生成是近地空间环境仿真必须 要做的准备工作之一。 结合随机生成和以 ＤＥＭ 数据为 基础生成两 种方 法生成的三维真实感地形， 一方面， 可以加载 ＤＥＭ 数 据文件及其纹理图片生成真实感地形； 另一方面， 对 随机生成地形的参数予以量化， 以有限个参数为基础 生成随机地形的 ＤＥＭ 数据文件， 以统一的文件格 式 来共享同一真实感地形生成程序。 在读 取 统 一 格 式 的 地 形 输 入 文 件 后 ， 采 用 ＤＥＭ 数据三角剖分方法生成三维地形。即采用数字高程模 型中的数据构建网格面片， 用多个面片组成的曲面逼 近地形表面。根据地形格网序列， 对 ＤＥＭ 细化和三角 剖分处理， 计算每个格网点的法向量， 生成三维地形。 由 于 三 角 形 数 量 很 多 ， 需 要 运 用 地 形 分 块 、层 次 细 节 简化（ ＬＯＤ） 等技术对 ＤＥＭ 地形数据进行预处理， 以节 省计算机资源。 （ １） 地形分块 对大规模地形进行分块， 有利于地形数据的读 取、纹理的处理和并行绘制。其基本思想是 将整个地 形区域划分为一些适当大小的地形块， 在实时交互过 程中， 只处理观察者视线范围内的地形模块。 （ ２） 层次细节简化（ ＬＯＤ） 从视觉的角度看， 距离视点越近， 对细节看得越 清楚， 而距离视点越远， 则细节的可视性就越差。层次 细节简化技术是在不影响画面视觉效果的条件下， 通 过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂
腾云飞：硕士研究生 基金项目：武器装备预研基金（ 编号不公开）
辑器， 为用户提供一个友好的操作平台。
图 １ 系统总体框架 数值计算模块作为系统的核心部分， 利用采集到的
数据进行大规模的运算。该模块采用 Ｆｏｒｔｒａｎ 进行开发。 后处理模块也是计算分析软件所必不可少的重
要 部 分 ， 其 功 能 是 将 计 算 分 析 的 结 果 以 准 确 、生 动 的 形式表现出来。该模块是在 Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０ 开发环境中 调用 ＯｐｅｎＧＬ 三维图形开发标准库实现的。
（ｖａｌｕｅ［ｉ，ｊ］－ Ｗ）（ｖａｌｕｅ［ｉ＋１，ｊ］－ Ｗ）＜０
同理， 如果数据点（ ｉ，ｊ） 和（ ｉ，ｊ＋１） 之间存在定值 Ｗ，
技 也必然有：
（ｖａｌｕｅ［ｉ，ｊ］－ Ｗ）（ｖａｌｕｅ［ｉ，ｊ＋１］－ Ｗ）＜０
术
采用线性插值， 求得等值点的坐标。
创 假设 ｎｅｗＰｏｓＸ［ｉ］表示数据点（ ｉ，ｊ） （ 横纵坐标分别为 ｐｏｓＸ［ｉ］和 ｐｏｓＹ［ｉ］） 和（ ｉ＋１，ｊ） （ 横纵坐标分别为 ｐｏｓＸ［ｉ＋１］
性， 从而提高绘制的效率。它通常对每一原始多面体 模型建立几个不同逼近精度的几何模型， 与原模型相 比每个模型均保留了一定层次细节。从近处观察物体 时， 采用精细模型， 而从远处观察物体时， 则采用较为 粗糙的模型。
为了提高地形实时显示的效率， 从视点的角度对 地形框架进行可见性判断。对于视野不可及的地方， 不予显示； 对于视点附近的地面， 则通过增加面片或 线框来提高精细度。
２．４．１ 二维电磁场等值线及彩色云图显示
（ １） 二维等值线绘制
电场强度、磁场强度的二维 等值线算法 主要以四
边形单元为基础形成。
假设基础数据可以按照长方形元划分， 那么等值
线生成算法的主要步骤如下： 首先， 逐个计算每一个
网格单元与等值线的交点； 其次， 连接单元内等值线
的各交点， 生成单元等值线段； 最后， 由一系列单元等
行 物 等 ， 采 用 实 体 建 模 工 具 ３Ｄ ＭＡＸ 和 Ｍｕｌｔｉｇｅｎ
Ｃｒｅａｔｏｒ 制作， 制作完毕的三维实体模型以．３ｄｓ 格式或．
ｆｌｔ 格式予以保存。当生成场景时， 可以利用鼠标点选，
将地物添加到场景中的某一位置处。加入纹理贴图可
以使添加到场景中的地物模型显得更加完整。
加入地物后的三维场景效果如图 ３ 所示。
图 ３ 加入地物后的三维场景图
２．３ 计算模块设计 计算模块主要包括高压输 电线路电磁 场计算、电 视塔射频场计算以及雷电瞬态电磁场计算等功能。 采用 Ｆｏｒｔｒａｎ 语言编写。计算模块作为外部可执行 程序， 通过 ＡＰＩ 函数 ＳｈｅｌｌＥｘｅｃ（）调用， 完成计算功能。 ２．４ 后处理模块设计 后处理模块要求在相应地物周围， 生成电磁场分
新 和 ｐｏｓＹ［ｉ＋１］） 边上的等值点横坐标， ｎｅｗＰｏｓＹ［ｉ］表示其 纵坐标， 则有：
ｎｅｗＰｏｓＸ［ｉ］＝（（Ｗ－ ｖａｌｕｅ［ｉ，ｊ］）／（ｖａｌｕｅ［ｉ＋１，ｊ］－ ｖａｌｕｅ［ｉ，ｊ］）
＊ＣＸ＋ ｐｏｓＸ［ｉ］
ｎｅｗＰｏｓＹ［ｉ］＝（（Ｗ－ ｖａｌｕｅ［ｉ，ｊ］）／（ｖａｌｕｅ［ｉ＋１，ｊ］－ ｖａｌｕｅ［ｉ，ｊ］）
（华中科技大学）滕 云 飞 杨 新 华 王 乘
Ｔｅｎｇ ，Ｙｕｎ－ｆｅｉ Ｙａｎｇ ，Ｘｉｎｈｕａ Ｗａｎｇ ，Ｃｈｅｎｇ
摘要：本 文 构 建 了 近 地 空 间 电 磁 环 境 计 算 与 仿 真 系 统 的 总 体 框 架 ， 将 系 统 划 分 为 前 处 理 、数 值 计 算 、后 处 理 和 数 据 库 四 个 模
仿真技术
文章编号：１００８－ ０５７０（２００６）１０－ １－ ０１４８－ ０３
中文核心期刊《 微计算机信息》（测控自动化）２００６ 年第 ２２ 卷第 １０－１ 期
近地空间电磁环境计算与仿真系统的开发
Ｄｅ ｖｅ ｌｏ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｃｏ ｍ ｐ ｕ ｔｉｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｓ ｉｍ ｕ ｌａ ｔｉｏ ｎ Ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ ｆｏ ｒ Ｅｌｅ ｃｔｒｏ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔｉｃ Ｅｎ ｖｉｒｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ｉｎ Ｎｅ ａ ｒ－ Ｅａ ｒｔｈ Ｓ ｐ ａ ｃｅ
块，介绍了系统界面及各模块的设计和实现方法，完成了系统的总体开发和集成，可以实现近地空间电磁环境计算和仿真，为
近 地 飞 行 器 安 全 飞 行 提 供 正 确 、直 观 的 信 息 指 导 。
关键词：虚拟仿真；电磁环境；科学计算可视化；地形生成
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｐ ３９１．９
文献标识码：Ｂ
三维真实感地形生成过程如图 ２ 所示。
随机地形参数输入
ＤＥＭ文件生成 ＤＥＭ文件获取
ＤＥＭ文件加载 是
大地形 地形分块
否
ＤＥＭ三解剖分 ＬＯ Ｄ 简 化
地形实时显示
技 术
图 ２ 三维真实感地形生成过程
创
（ ３） 地物生成
新 在三维场景中加入地物， 可以使电磁场计算结果
显得更加真实。系统中的地物， 如电视塔、电线塔、飞