火星探测是21世纪深空探测的热点,也是当前我国深空探测的主要目标。利用三维仿真技术对火星探测任务进行可视化演示,能对火星探测任务规划和整体过程进行直观有效的展示,具有一定的理论意义和使用价值。论文结合国家863计划项目的研制任务,综合应用计算机图形学的相关算法、轨道动力学的相关知识及空间技术的有关原理,重点对火星探测任务三维可视化仿真关键技术进行了深入研究,主要工作体现如下:1.建立了适合于三维可视化演示的火星探测三维演示仿真数学模型,包括:分析火星探测任务所涉及的时空坐标系统,研究了火星探测器轨道运动建模时空坐标系的转换模型,并对该模型进行了仿真验证;研究火星探测过程中地面站、探测器及空间实体等目标之间的几何位置关系,实现了星下点轨迹、地面站俯仰角、通信链路等测控仿真分析的计算方法;提出了一种基于两级粒子系统的着陆器尾焰尾迹模拟方法,实验验证该方法能有效的提高尾焰尾迹绘制的实时性和逼真性;建立了气囊着陆过程的数学和力学简化建模,使用该模型实现了缓冲气囊着陆的动态过程仿真。2.解决了火星探测虚拟空间环境数据多尺度三维建模与一体化绘制问题。用视相关球面LOD建模方法实现了行星表面宏观尺度的三维建模;使用一种基于层次细节树实体模型的地形建模方法,实现了航天发射场和火星着陆区局部地形的三维建模;综合两种建模方法实现了多尺度空间数据一体化建模;使用GBML建模语言完成了火星探测器的时空数据建模,较好的解决了火星探测器几何与行为参数的表示问题;根据火星的大气参数,使用一个基于简化散射方程的行星大气绘制的通用方法,实现了火星大气实时渲染。3.设计并实现了深空环境三维引擎——DSE-3D。介绍了GPU渲染流水线的工作流程,并利用OpenGL着色语言实现了顶点着色器和片元着色器,从而为DSE-3D建立了一个硬件加速绘制环境;将四元数旋转技术应用到场景漫游中,克服了欧拉角方法的局限性,取得更好的漫游效果;根据面向对象的思想设计了功能强大的脚本类,定义了脚本描述语法,解决了脚本驱动控制过程中的技术问题。4.构建火星探测三维可视化输出平台,实现了火星探测任务的三维可视化仿真演示。介绍火星探测三维可视化输出平台的软硬件组成,分析该平台的工作原理及功能特点,并利用该平台验证相关可视化算法,并给出了部分实验及应用成果的实例。