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第0章 绪论1

0.1《STCW公约》对航海模拟器的相关规定2

0.1.1模拟器的使用2

0.1.2应用模拟器进行培训和适任评估的范围2

0.1.3模拟器的性能标准4

0.1.4模拟器的种类7

0.1.5模拟器的分级7

0.2航海模拟器的发展展望8

0.2.1模拟器的用途和发展趋势8

0.2.2物理真实感8

0.2.3行为真实感9

0.2.4环境真实感10

0.2.5多本船系统12

0.3本书的主要内容12

参考文献14

第1章 系统基本结构15

1.1教练员站21

1.1.1教练员站配置22

1.1.2教练员站功能22

1.2主本船28

1.2.1驾驶台设备（仪表）的配置28

1.2.2视景系统45

1.2.3船舶运动数学模型48

1.3副本船50

参考文献51

第2章 船舶运动数学模型53

2.1船舶六自由度运动数学模型53

2.1.1两种坐标系54

2.1.2船舶四自由度运动方程式54

2.1.3船舶纵摇与升沉耦合运动数学模型55

2.2船体水动力的计算模型56

2.2.1船体上惯性水动力导数的计算模型56

2.2.2小漂角运动时黏性水动力的计算模型57

2.2.3大漂角运动时黏性水动力的计算模型59

2.2.4横摇运动黏性水动力的计算模型60

2.3主操纵力的计算模型62

2.3.1定距桨推力及转矩计算模型62

2.3.2定距桨沉深横向力和力矩计算模型64

2.3.3主机特性计算模型65

2.3.4舵力特性计算模型65

2.3.5舵机特性计算模型67

2.3.6变距桨推力及转矩计算模型67

2.3.7平推桨推力计算模型70

2.3.8喷水推进器计算模型72

2.4附属操纵力的计算模型73

2.4.1锚链力计算模型73

2.4.2缆绳张力计算模型75

2.4.3拖船动力计算模型78

2.4.4艏侧推作用力计算模型78

2.5环境干扰力的计算模型79

2.5.1风的干扰力计算模型79

2.5.2一阶波浪力计算模型80

2.5.3二阶波浪力计算模型84

2.5.4流的动力计算模型84

2.5.5浅水效应计算模型84

2.5.6岸壁效应计算模型86

2.5.7船间效应计算模型87

2.5.8船舶碰码头作用力计算模型90

2.6船舶运动数学模型解算流程92

2.6.1船舶运动数学模型的数值求解算法92

2.6.2航海模拟器中船舶运动数学模型的解算流程93

参考文献95

第3章 视景系统98

3.1视景生成的图形学基础98

3.1.1场景的表示及场景坐标系99

3.1.2坐标变换101

3.1.3视变换103

3.1.4背面剔除114

3.1.5三维视见体裁剪114

3.1.6光栅化119

3.1.7消隐119

3.1.8明暗122

3.1.9纹理映射128

3.1.10动画134

3.2视景系统的性能指标和硬件平台135

3.2.1性能指标135

3.2.2视景系统的硬件平台138

3.3GPU技术139

3.3.1GPU的发展历程139

3.3.2GPU的主要技术141

3.3.3GPU编程语言142

3.3.4GPU展望143

3.4视景建模144

3.4.1建模工具144

3.4.2建模素材的搜集145

3.4.3建模基本步骤145

3.4.4航海模拟器典型物体的建模146

3.4.5高效视景数据库结构147

3.5视景驱动程序153

3.5.1视景驱动程序153

3.5.2OpenGVS视景驱动154

3.5.3OSG视景驱动155

3.6海浪绘制算法158

3.6.1波浪谱理论159

3.6.2海浪绘制算法的研究现状165

3.6.3海平面网格模型的建立168

3.6.4高度图的生成170

3.6.5海面光照及特殊效果180

3.6.6算法流程与结果分析185

3.7船舶航迹流和兴波的实时模拟187

3.7.1基于粒子系统和图像综合的船舶航迹流模拟187

3.7.2基于粒子系统和图像综合的船舶兴波实时模拟191

3.7.3算法效率的考虑及实现194

3.8真实港口的地貌生成195

3.8.1基于等高线数据的三角优化构网195

3.8.2等高线数据LOD模型的自动生成算法202

3.8.3算法的数据结构206

3.9其他自然现象模拟207

3.9.1雪的模拟208

3.9.2雨的模拟211

3.10多投影机无缝拼接显示214

3.10.1多投影机无缝拼接非线性几何校正214

3.10.2多投影机无缝拼接边缘融合221

3.10.3多投影机无缝拼接颜色一致性校正224

3.10.4多投影机无缝拼接算法实现流程及测试结果225

参考文献226

第4章 模拟驾驶舱及驾驶台仪器设备232

4.1模拟驾驶舱与驾驶台布局233

4.2交互设备与上位机通信237

4.2.1设备通信主机与PC机通信设计238

4.2.2设备通信主机与交互设备通信设计240

4.3显示仪表与交互设备243

4.3.1顶部显示仪表243

4.3.2三面舵角指示器246

4.3.3罗经复示器248

4.3.4车钟和舵轮251

4.3.5航海模拟器中其他交互设备253

4.4号灯、号型和甲板灯控制258

4.4.1号灯、号型和甲板灯显示的设计准则258

4.4.2号灯、号型的建模和显示260

4.5电子海图293

4.5.1电子海图中的坐标系及各坐标系间的转换294

4.5.2电子海图的生成与显示302

4.5.3水深数据的管理与计算319

4.5.4基于电子海图船舶动态显示及系统控制功能的实现330

4.6雷达/ARPA模拟的关键技术331

4.6.1雷达模拟器图像显示与雷达扫描方式332

4.6.2岸线及部分固定目标回波的生成算法333

4.6.3不同量程、不同显示模式时的坐标变换340

4.6.4目标船CPA、TCPA、真运动矢量、相对运动矢量计算348

4.6.5量程变换时的雷达图像显示351

4.7船舶自动操舵仪352

4.7.1航迹保持系统原理353

4.7.2航迹保持算法354

4.7.3系统的实现及结果357

4.8GMDSS通信控制台360

4.8.1GMDSS的功能361

4.8.2GMDSS的组成362

4.8.3GMDSS通信仿真所涉及的主要技术363

4.9基于GPS OEM板和GPS复示仪的GPS模拟器368

4.9.1GPS模拟器系统构成369

4.9.2GPS卫星位置求解371

4.9.3选星和GPS船位计算382

4.9.4显示单元391

4.10UAIS模拟单元392

4.10.1UAIS概况392

4.10.2航海模拟器中UAIS仿真模块的设计393

参考文献414

第5章 网络通信技术419

5.1信息流向420

5.1.1教练员站至各本船的信息421

5.1.2本船至教练员站的信息424

5.1.3本船中各微机间的信息交换426

5.2通信方案的选择429

5.3基于Winsock的TCP/IP实现431

5.4多通道视景系统视见参数的动态设置434

5.4.1各通道视线方向的动态设置434

5.4.2各通道视点位置的动态设置435

5.5多通道视景系统各通道的同步435

参考文献436

附录 DNV关于航海模拟器的性能标准438