虛擬試驗中臨近空間大氣環(huán)境仿真技術研究

(1.哈爾濱工業(yè)大學 自動化測試與控制研究所，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國航天科工集團第六研究院六○一所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 3.上海斐訊數(shù)據(jù)通信技術有限公司，上海 201616)

虛擬試驗可以有效減小人力物力損耗，且可以生產(chǎn)任意試驗環(huán)境，實現(xiàn)對被試品全方位的考察，因而得到越來越廣泛的應用。環(huán)境資源是虛擬試驗的重要組成部分，其中大氣環(huán)境作為各種飛行器的運行環(huán)境，對飛行器的準確入軌、命中精度甚至飛行安全有重要影響。隨著人類對宇宙的探索愈加深入以及各國軍事實力的競爭愈加激烈，臨近空間大氣環(huán)境的開發(fā)利用逐漸成為研究熱點。距離地面20～100 km的空間范圍稱作臨近空間，即國際民航飛機飛行高度以上、衛(wèi)星軌道維持高度以下的空間區(qū)域。作為空天承上啟下的分界區(qū)域，臨近空間存在著復雜的日地和氣象耦合關系，對飛行器的材料、結構、性能均有重要影響，因此具有獨特優(yōu)勢和戰(zhàn)略價值。基于以上分析，針對虛擬試驗中臨近空間大氣環(huán)境建模技術進行研究，對于補充虛擬試驗環(huán)境資源，實現(xiàn)高逼真度和強可信度的虛擬試驗以及深入研究飛行器設計具有重要意義。

目前，20 km以下的大氣環(huán)境建模技術已經(jīng)趨于成熟，如利用數(shù)值模式構建包含溫度、壓強、密度、風場等多種要素的復合大氣環(huán)境，從而給用戶提供正確且豐富的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)。近年來國內(nèi)外對臨近空間的研究逐漸增多，雖有成果但并不成熟。

針對臨近空間的研究現(xiàn)狀與應用需求，本文提出以美國發(fā)射的熱成層—電離層—散逸層—能量學與動力學衛(wèi)星(TIMED)的SABER探測數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，采用參考大氣模式和SEDRIS規(guī)范實現(xiàn)臨近空間虛擬大氣環(huán)境建模與仿真。用戶可利用臨近空間虛擬大氣環(huán)境構建軟件實現(xiàn)自定義設置，生成包含溫度、密度、壓強、風以及臭氧等大氣組分的臨近空間虛擬大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)SEDRIS標準將數(shù)據(jù)轉換為通用格式，使其具有較高的可信度和較強的可重用性。

1 構建方案

目前，標準大氣模式、參考大氣模式和數(shù)值模式是國際上應用廣泛的3種大氣模式。標準大氣模式又稱理想大氣模式，是將大氣環(huán)境進行理想化，適用于早期較為簡單的大氣建模；參考大氣模式基于大量的探測數(shù)據(jù)建成；而數(shù)值模式則根據(jù)大氣環(huán)境相關理論建立準確的方程組來求解。由于臨近空間大氣環(huán)境非常復雜，對于下層航空空間和上層航天空間大氣較為敏感，實際研究過程中需要考慮很多影響因子，而目前還沒有較為準確或統(tǒng)一的數(shù)值化方案，完善過程也需要逐步進行。因此，標準大氣模式并不適用，而參考大氣模式則能夠隨探測資料準確度的提高而更加準確。基于以上分析，本文選用參考大氣模式作為臨近空間大氣環(huán)境建模方法。

近年來，隨著各種傳統(tǒng)和新興的雷達、衛(wèi)星的出現(xiàn)，許多中高層大氣環(huán)境的探測數(shù)據(jù)隨之產(chǎn)生，為開展臨近空間大氣環(huán)境的研究提供了良好的支持。其中，美國于2001發(fā)射的TIMED衛(wèi)星，其上搭載了寬帶輻射計SABER，專門用于探測MLIT(散逸層和低熱成層/電離層大氣)區(qū)域某海拔高度上大氣層和光散發(fā)的熱量，技術持續(xù)更新，且至今仍在運行。關于SABER探測資料的準確性，已經(jīng)有相關比對研究。例如文獻[11]將SABER觀測資料和SD-WACCM模擬結果的中間層和低熱層CO2體積混合比全球分布情況進行比對，發(fā)現(xiàn)基本一致。文獻[12]使用SABER探測數(shù)據(jù)來研究中層大氣11年太陽活動周期的溫度效應。除此之外，SABER探測數(shù)據(jù)與氣象局、Na雷達、UARS衛(wèi)星等的探測結果一致，且具有相對較小的誤差。所以，選取TIMED衛(wèi)星上SABER探測數(shù)據(jù)進行臨近空間虛擬大氣環(huán)境建模。

綜合環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交互規(guī)范(Synthetic Environment Data Representation and Interchange Specification，SEDRIS)是國際上應用極其廣泛的一套表示與交互規(guī)范[13-14]。依據(jù)SEDRIS規(guī)范將網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)轉換成通用的數(shù)據(jù)格式，使臨近空間虛擬大氣環(huán)境數(shù)據(jù)的信息透明化，以此實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)完整清晰的表示以及無歧義、無損耗的交換。

基于以上分析，確定臨近空間虛擬大氣環(huán)境構建方案為：以TIMED衛(wèi)星的 SABER探測數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，利用數(shù)學統(tǒng)計方法建立臨近空間大氣參考模式，通過SEDRIS格式轉換，生成符合要求的臨近空間虛擬大氣環(huán)境數(shù)據(jù)。圖1給出臨近空間虛擬大氣環(huán)境構建思路：首先收集SABER探測數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)讀取與處理，然后通過用戶自定義設置，將數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，最后進行SEDRIS數(shù)據(jù)格式轉換，從而得到臨近空間虛擬大氣環(huán)境標準數(shù)據(jù)。

圖1 臨近空虛擬大氣環(huán)境構建思路

2 臨近空間虛擬大氣環(huán)境構建軟件

針對臨近空間虛擬大氣環(huán)境構建的相關要求，設計了構建軟件，圖2為該軟件的界面。

圖2 臨近空間虛擬大氣環(huán)境構建軟件

界面依照構建思路，體現(xiàn)了該軟件的四大功能區(qū)：數(shù)據(jù)讀取與處理、文件信息顯示與用戶設置、數(shù)據(jù)網(wǎng)格化和數(shù)據(jù)轉換。該軟件支持用戶自定義設置，得到特定時空范圍的臨近空間大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，并依據(jù)SEDRIS規(guī)范對其進行表示與存儲。

圖3為軟件運作原理，直觀表明軟件運行的整體流程：從SABER數(shù)據(jù)的讀取、一系列數(shù)據(jù)處理操作到生成標準臨近空間大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，最后將其提供給用戶。

2.1 數(shù)據(jù)收集、讀取與預處理

原始數(shù)據(jù)可從SABER資源網(wǎng)站進行下載。時間、區(qū)域、變量可根據(jù)需要自行選擇，也可直接下載北半球或全球數(shù)據(jù)文件集統(tǒng)一處理備用。

下載所得的SABER探測數(shù)據(jù)文件為NC格式，即網(wǎng)絡通用數(shù)據(jù)格式。應用netCDF Explorer可查看文件內(nèi)容，圖4為某NC文件中的信息。

由圖4可見，NC文件包含了屬性、維度、變量說明等文件頭信息以及各變量的數(shù)值，內(nèi)部結構較為復雜，難以直接讀取該文件。考慮到Matlab擁有自帶函數(shù)易于實現(xiàn)此功能，因此設計Matlab與C++混合編程，將此功能在構建軟件的讀取大氣數(shù)據(jù)部分實現(xiàn)，也可直接選取預處理所得的TXT文件。

圖3 臨近空間虛擬大氣環(huán)境構建軟件運作原理圖

圖4 NC文件內(nèi)部信息

2.2 文件信息顯示與用戶設置

軟件的顯示文件信息部分可顯示預處理所得的TXT文件中所存的數(shù)據(jù)信息，包括所獲取數(shù)據(jù)的時間信息、位置信息以及所包含的變量。此功能可將文件信息直觀地展示給用戶，使用戶的設置更有針對性，以免出現(xiàn)由于原始數(shù)據(jù)下載不當而無可用數(shù)據(jù)進行建模的情況。同時，用戶可根據(jù)文件顯示信息設置其范圍內(nèi)的時間、經(jīng)度、緯度、高度，并結合需求設置合理的分辨率。

2.3 數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

由于TXT文件中的數(shù)據(jù)較為分散，要得到符合要求的三維均勻網(wǎng)格，需要進行數(shù)據(jù)預篩選、大地坐標與直角坐標轉換、三維網(wǎng)格構建、插值計算、風場計算、格點數(shù)據(jù)填充等一系列復雜的處理過程。

(1) 數(shù)據(jù)預篩選。通過數(shù)據(jù)預篩選可剔除所需范圍之外的數(shù)據(jù)，將符合用戶設置范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)從TXT文件中篩選出來。

(2) 根據(jù)要求，應建立空間大小為100 km×100 km×80 km的三維均勻網(wǎng)格，因此首先需要將大地坐標轉換為直角坐標。結合大地測量學相關知識，選用高斯投影坐標轉換法可較好地實現(xiàn)此功能。

(3) 根據(jù)用戶所設置的時空范圍建立符合要求的三維均勻網(wǎng)格。

(4) 由于探測數(shù)據(jù)較為分散，不滿足用戶所設置的分辨率要求，需要對預篩選后的數(shù)據(jù)進行插值計算。鑒于TIMED衛(wèi)星的SABER探測數(shù)據(jù)分布特點為三維空間內(nèi)無特定規(guī)律的離散點，本文采用文獻文獻[17]中張雨霆等人提出的三維空間離散點數(shù)據(jù)場的插值方法——六面體9節(jié)點形函數(shù)插值算法。此算法不受插值模型單元形態(tài)限制，繞每一待插值點都能搜索到唯一的六面體插值單元，且精度較高，較好地實現(xiàn)了三維空間離散點數(shù)據(jù)場的插值。以下對六面體9節(jié)點形函數(shù)插值算法進行簡要介紹。

① 根據(jù)三維離散點搜索生成六面體。將被插值點的坐標設為A(x0,y0,z0)，重新建立坐標系x′y′z′，其原點為A：

(1)

搜索距A點最近的8個象限內(nèi)的節(jié)點，根據(jù)表1建立局部坐標系，生成圖5所示的六面體。該六面體以點A為原點，其值可由周圍8個頂點值通過一系列算法計算得出。

表1 節(jié)點坐標對應表

圖5 繞A點搜索所得六面體

② 構造六面體九節(jié)點等參單元形函數(shù)。求出六面體形心B的局部坐標(ξ,η,ζ)，構造六面體8節(jié)點形函數(shù)。由式(2)得到點B的值：

(2)

Ni=(1+ξξi)(1+ηηi)(1+ζζi)/8

(3)

式中，α為B點的值；Ni為形函數(shù)；αi為六面體第i個節(jié)點的值。由此得到了第9個節(jié)點上的數(shù)據(jù)值。

根據(jù)等參單元形函數(shù)的覆蓋原理，對每個節(jié)點選擇不同的覆蓋函數(shù)，使之覆蓋本節(jié)點以外的其他節(jié)點。第1～8個節(jié)點的形函數(shù)為

Ni=[(1+ξξi)(1+ηηi)(1+ζζi)-(1-ξ2)(1-η2)(1-ζ2)]/8

(4)

第9個節(jié)點的形函數(shù)為

N9=(1-ξ2)(1-η2)(1-ζ2)

(5)

對待插值點A進行有限元逆變換，求出其在六面體中的局部坐標(ξ,η,ζ)，代入式(4)、式(5)求出Ni，通過式(6)求出待插值點P的值：

(6)

式中，β為B點的值；Ni為形函數(shù)；βi為六面體9節(jié)點插值單元的第i個節(jié)點的值。

(5) 風場計算。臨近空間大氣的風場是由壓強和密度兩個參量計算而來的。由于不同緯度風場的特點不同，采用的計算方法也有所差別。

① 在緯度范圍為15°～80°，先根據(jù)式(7)計算地轉風：

(7)

式中，f=2Ωsinφ，為地轉參數(shù)，Ω為地轉角速度，φ為緯度；P為氣壓；ρ為大氣密度。

再根據(jù)式(8)計算梯度風：

(8)

② 赤道上空需特殊求解。

(9)

式中，a為地球半徑。

③ 15°S～15°N之間的風場可以通過線性插值的方法得到。

2.4 格式轉換

SEDRIS的出現(xiàn)源于建模與仿真領域的需求。它通過一種標準的轉換機制，實現(xiàn)多格式數(shù)據(jù)庫之間高效率和高規(guī)范性的數(shù)據(jù)轉換及共享，從而大幅降低軟件的開發(fā)維護費用，同時保證了環(huán)境數(shù)據(jù)的重用性和易用性。SEDRIS各部分由ISO/IEC 18023至ISO/IEC 18026進行規(guī)范[19-26]并有機結合，促進整體系統(tǒng)仿真的進行。圖6揭示了SEDRIS 5個部分的運作原理以及與數(shù)據(jù)提供者和使用者的關系。

圖6 SEDRIS運作原理示意圖

本文基于SEDRIS標準對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化表示，利用DRM、SRM和EDCS 3個規(guī)范實現(xiàn)此目的。

2.4.1 基于DRM形成大氣環(huán)境數(shù)據(jù)表示標準

在SEDRIS中，大氣環(huán)境數(shù)據(jù)的空間化通過網(wǎng)格抽象表示。具體應用時，DRM規(guī)范中的屬性網(wǎng)格類(Property Grid)用于表示呈緯度、經(jīng)度、高度三維空間網(wǎng)格狀分布的數(shù)據(jù)，另外與網(wǎng)格數(shù)據(jù)相關的網(wǎng)格大小、位置以及坐標軸等信息，也可一并在該規(guī)范中得到統(tǒng)一表示。基于以上分析，采用DRM中的屬性網(wǎng)格類來方便清晰地表示網(wǎng)格型大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，使其描述形象生動且便于理解。圖7為描述大氣環(huán)境數(shù)據(jù)空間性的數(shù)據(jù)表示模型。

圖7 大氣環(huán)境數(shù)據(jù)空間性的數(shù)據(jù)表示模型

該模型的Property Grid Hook Point類提供網(wǎng)格位置信息，其下層的3D Location類標識Property Grid對象空間的起始點，Classification Data類制定環(huán)境對象類型，Data Table類定義多維單元數(shù)組，并利用Axis類定義空間位置信息。Property Description類和Property Value類分別為賦值數(shù)據(jù)屬性和描述屬性取值約束。

2.4.2 基于SRM提供大氣環(huán)境數(shù)據(jù)空間坐標系信息

SRM規(guī)范通過坐標系統(tǒng)一體化、空間位置精準描述、算法坐標轉換等方法，以各種操作來實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)空間坐標系的信息。

空間信息的網(wǎng)格化主要由空間參考系(Spatial Reference Frame，SRF)的參數(shù)設置決定。屬性網(wǎng)格類中網(wǎng)格的表示需指定一個SRF。針對大氣環(huán)境數(shù)據(jù)的特征，采用地球坐標系模板，模板中的各項參數(shù)設置如表2所示。

表2 大氣環(huán)境SRF參數(shù)編碼

2.4.3 基于EDCS規(guī)范大氣環(huán)境對象屬性

臨近空間大氣環(huán)境要素包括溫度、壓強、密度、風以及大氣組分臭氧。由表可知，需要實例化6個Table Property Description對象，并通過屬性類下層的Property Value類、Property Description類和Property Characteristic類對網(wǎng)格數(shù)據(jù)本身進行表示，其屬性EDCS編碼如表3所示。

2.4.4 基于STF和API交互大氣環(huán)境數(shù)據(jù)

SEDRIS 定義了STF，即一種高效獨立的中間物理數(shù)據(jù)存儲和傳輸格式，同時為數(shù)據(jù)模型的訪問和操作提供了一個功能集成的API。兩者的結合使環(huán)境數(shù)據(jù)的相互作用成為可能。

利用DRM、SRM和EDCS完成近空間大氣環(huán)境數(shù)據(jù)的表示后，可以調(diào)用SEDRIS的API函數(shù)來將近空間中的大氣參數(shù)和大氣組分的數(shù)據(jù)值填入已建立的網(wǎng)格中，以特定的STF格式儲存臨近空間大氣環(huán)境數(shù)據(jù)資源。

3 結果驗證

所使用的原始數(shù)據(jù)來自美國TIMED衛(wèi)星搭載的SABER探測器，其數(shù)據(jù)是實測數(shù)據(jù)，符合臨近空間大氣特性，其真實性無需再進行驗證。而基于SEDRIS規(guī)范化之后的數(shù)據(jù)，可以通過SEDRIS文件查看軟件——SEDRIS FOCUS查看，包括STF文件的結構層次、網(wǎng)格屬性以及各環(huán)境要素的屬性、網(wǎng)格數(shù)據(jù)等。

選用北京上空2016-01-27的SABER探測數(shù)據(jù)，利用臨近空間虛擬大氣環(huán)境構建軟件完成了大氣建模及SEDRIS格式轉化。

使用SEDRIS FOCUS訪問軟件輸出的臨近空間大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，通過查看文件內(nèi)部結構，驗證其是否與配置信息相符。圖8為利用SEDRIS FOCUS查看的STF格式大氣環(huán)境數(shù)據(jù)結構表示。由于臭氧的EDCS屬性編碼需要擴展,測試中未包括臭氧。

圖8 SEDRIS FOCUS對STF格式大氣環(huán)境數(shù)據(jù)結構表示

由圖8可見，STF文件的頂層根節(jié)點是Transmittal Root，其下有絕對時間(Absolute Time)、文件信息根節(jié)點(Identification)、數(shù)據(jù)質(zhì)量根節(jié)點(Data Quality)、文件概覽(Transmittal Summary)和環(huán)境根節(jié)點(Environment Root)5個部分。其中絕對時間顯示文件創(chuàng)建時間，文件信息根節(jié)點包含安全限制、關鍵詞、引用和其它信息，環(huán)境根節(jié)點是文件的核心部分，給出Time Constraints Data實例對象的屬性及與之關聯(lián)的Property Grid類實例對象。每個實例對象包含經(jīng)緯高坐標軸實例對象、6個大氣環(huán)境要素和大氣組分的實例對象。

經(jīng)過上述驗證，表明生成的 STF 格式的臨近空間大氣環(huán)境數(shù)據(jù)符合SEDRIS 標準。

4 結束語

本文提出一種以美國TIMED衛(wèi)星的SABER探測數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，基于參考大氣模式和SEDRIS規(guī)范的臨近空間虛擬大氣環(huán)境構建方法，通過所開發(fā)的臨近空間虛擬大氣環(huán)境構建軟件，生成了臨近空間大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，具有較高的可信度和較強的可重用性等優(yōu)點，能夠豐富虛擬試驗平臺中的大氣環(huán)境資源，提高虛擬試驗逼真度和可信性。