2011年11月我国成功发射了“神舟八号”航天飞船并与2011年9月发射的“天宫一号”顺利完成交会对接任务，标志着我国进入了空间科学研究的空间站时代。空间科学是研究地球外部整个宇宙太空环境发生、发展和变化规律的科学。开展空间科学实验，有助于我们进一步了解太空环境，掌握空间环境的变化规律，揭示宇宙奥秘，为人类开发利用太空提供支持。空间科学实验具有实验参数复杂、实验难度高、实验成本高等特点，进行空间科学实验仿真研究可以利用虚拟现实技术直观、易用、成本相对较低的特点，降低空间科学的实验难度、节省人力物力，并可以通过对实验过程仿真及早的暴露实验设计中的问题。本文对空间科学实验仿真的理论和实现方法进行了研究，介绍了天文学中的天球坐标系统，时间系统，太阳、太阳系行星及月球的位置计算方法，并使用OpenGL图形绘制技术、GPU加速技术等对地球大气、太阳、太阳系行星和月球、星空、飞行器进行了精确建模和可视化。以空间科学实验的应用为目的，对星下点轨迹、飞行器对地观测、飞行器受照分析等空间任务的仿真与可视化方法进行了研究。最后将空间科学实验仿真与虚拟现实地理信息系统平台VR-GIS集成。论文的主要工作如下：（1）太空环境仿真的可视化本文对天文学中的天球坐标系统，时间系统，太阳、太阳系行星及月球在天球中位置的计算方法进行了研究，在虚拟现实环境中设计实现了可用于天体位置计算的天球坐标系统和适用于空间科学实验仿真的全局时间系统。提出一种太阳光晕效果的实现方法，实现了太阳的可视化仿真。在星空可视化过程中，设计了虚拟现实环境中不同星等亮度的表示方法，并根据依巴谷星表中的星体数据实现了星空的仿真。（2）地球大气及其云层的可视化本文通过对地球大气的实际参数以及大气密度随海拔高度变化的关系进行分析，研究了可用于GPU加速计算的大气辐射方程，在GPU中实现了空气粒子的精确大气散射运算，通过建立3D查找表对计算过程进行加速；实现了对地球大气层的高效仿真。使用NormalMap技术将真实云层纹理绘制在地球大气层外面，实现地球表面云层的仿真可视化。（3）飞行器空间任务仿真研究与实现以空间科学实验的应用为出发点，对典型的空间任务仿真方法进行了研究与实现。完成了飞行器的精确建模，实现飞行器在轨飞行姿态及轨道可视化，并实现了飞行器变轨仿真。研究了飞行器星下点轨迹的计算方法，提出了一种用于飞行器对地观测仿真的可视化方法，实现了飞行器星下点轨迹和对地观测的仿真。分析了飞行器受照时长和受照率的计算方法，实现了飞行器受照分析仿真，对飞行器及其轨道设计具有辅助参考作用。（4）空间科学实验仿真与VR-GIS的集成与测试应用本文将空间科学实验仿真与虚拟现实地理信息系统平台VR-GIS进行了集成，研发完成了空间科学实验仿真平台，并进行了实例化应用与测试。为空间科学实验仿真平台提供了应用参考，有助于平台的顺利部署实施。