虛擬試驗中臨近空間大氣環(huán)境仿真技術(shù)研究

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 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(tuán)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(shù)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(shí)現(xiàn)對被試品全方位的考察，因而得到越來越廣泛的應(yīng)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(yùn)行環(huán)境，對飛行器的準(zhǔn)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(shí)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(diǎn)。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(jī)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(fù)雜的日地和氣象耦合關(guān)系，對飛行器的材料、結(jié)構(gòu)、性能均有重要影響，因此具有獨(dú)特優(yōu)勢和戰(zhàn)略價值?；谝陨戏治?，針對虛擬試驗中臨近空間大氣環(huán)境建模技術(shù)進(jìn)行研究，對于補(bǔ)充虛擬試驗環(huán)境資源，實(shí)現(xiàn)高逼真度和強(qiáng)可信度的虛擬試驗以及深入研究飛行器設(shè)計具有重要意義。

目前，20 km以下的大氣環(huán)境建模技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，如利用數(shù)值模式構(gòu)建包含溫度、壓強(qiáng)、密度、風(fēng)場等多種要素的復(fù)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(yīng)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(xué)與動力學(xué)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(shí)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(gòu)建軟件實(shí)現(xiàn)自定義設(shè)置，生成包含溫度、密度、壓強(qiáng)、風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用格式，使其具有較高的可信度和較強(qiáng)的可重用性。

1 構(gòu)建方案

目前，標(biāo)準(zhǔn)大氣模式、參考大氣模式和數(shù)值模式是國際上應(yīng)用廣泛的3種大氣模式。標(biāo)準(zhǔn)大氣模式又稱理想大氣模式，是將大氣環(huán)境進(jìn)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(guān)理論建立準(zhǔn)確的方程組來求解。由于臨近空間大氣環(huán)境非常復(fù)雜，對于下層航空空間和上層航天空間大氣較為敏感，實(shí)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(zhǔn)確或統(tǒng)一的數(shù)值化方案，完善過程也需要逐步進(jìn)行。因此，標(biāo)準(zhǔn)大氣模式并不適用，而參考大氣模式則能夠隨探測資料準(zhǔn)確度的提高而更加準(zhǔn)確?；谝陨戏治?，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(dá)、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(shù)持續(xù)更新，且至今仍在運(yùn)行。關(guān)于SABER探測資料的準(zhǔn)確性，已經(jīng)有相關(guān)比對研究。例如文獻(xiàn)[11]將SABER觀測資料和SD-WACCM模擬結(jié)果的中間層和低熱層CO2體積混合比全球分布情況進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)基本一致。文獻(xiàn)[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(yīng)。除此之外，SABER探測數(shù)據(jù)與氣象局、Na雷達(dá)、UARS衛(wèi)星等的探測結(jié)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(jìn)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(yīng)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(zhuǎn)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(shí)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(gòu)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(xué)統(tǒng)計方法建立臨近空間大氣參考模式，通過SEDRIS格式轉(zhuǎn)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(gòu)建思路：首先收集SABER探測數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取與處理，然后通過用戶自定義設(shè)置，將數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，最后進(jìn)行SEDRIS數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，從而得到臨近空間虛擬大氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

圖1 臨近空虛擬大氣環(huán)境構(gòu)建思路

2 臨近空間虛擬大氣環(huán)境構(gòu)建軟件

針對臨近空間虛擬大氣環(huán)境構(gòu)建的相關(guān)要求，設(shè)計了構(gòu)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(gòu)建軟件

界面依照構(gòu)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(shè)置、數(shù)據(jù)網(wǎng)格化和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。該軟件支持用戶自定義設(shè)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(jìn)行表示與存儲。

圖3為軟件運(yùn)作原理，直觀表明軟件運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(yù)處理

原始數(shù)據(jù)可從SABER資源網(wǎng)站進(jìn)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(luò)通用數(shù)據(jù)格式。應(yīng)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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以直接讀取該文件?？紤]到Matlab擁有自帶函數(shù)易于實(shí)現(xiàn)此功能，因此設(shè)計Matlab與C++混合編程，將此功能在構(gòu)建軟件的讀取大氣數(shù)據(jù)部分實(shí)現(xiàn)，也可直接選取預(yù)處理所得的TXT文件。

圖3 臨近空間虛擬大氣環(huán)境構(gòu)建軟件運(yùn)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(shè)置

軟件的顯示文件信息部分可顯示預(yù)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(shè)置更有針對性，以免出現(xiàn)由于原始數(shù)據(jù)下載不當(dāng)而無可用數(shù)據(jù)進(jìn)行建模的情況。同時，用戶可根據(jù)文件顯示信息設(shè)置其范圍內(nèi)的時間、經(jīng)度、緯度、高度，并結(jié)合需求設(shè)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(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)篩選、大地坐標(biāo)與直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、三維網(wǎng)格構(gòu)建、插值計算、風(fēng)場計算、格點(diǎn)數(shù)據(jù)填充等一系列復(fù)雜的處理過程。

(1) 數(shù)據(jù)預(yù)篩選。通過數(shù)據(jù)預(yù)篩選可剔除所需范圍之外的數(shù)據(jù)，將符合用戶設(shè)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(yīng)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(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)。結(jié)合大地測量學(xué)相關(guān)知識，選用高斯投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法可較好地實(shí)現(xiàn)此功能。

(3) 根據(jù)用戶所設(shè)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(shè)置的分辨率要求，需要對預(yù)篩選后的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計算。鑒于TIMED衛(wèi)星的SABER探測數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)為三維空間內(nèi)無特定規(guī)律的離散點(diǎn)，本文采用文獻(xiàn)文獻(xiàn)[17]中張雨霆等人提出的三維空間離散點(diǎn)數(shù)據(jù)場的插值方法——六面體9節(jié)點(diǎn)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(diǎn)都能搜索到唯一的六面體插值單元，且精度較高，較好地實(shí)現(xiàn)了三維空間離散點(diǎn)數(shù)據(jù)場的插值。以下對六面體9節(jié)點(diǎn)形函數(shù)插值算法進(jìn)行簡要介紹。

① 根據(jù)三維離散點(diǎn)搜索生成六面體。將被插值點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)為A(x0,y0,z0)，重新建立坐標(biāo)系x′y′z′，其原點(diǎn)為A：

(1)

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

表1 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)對應(yīng)表

圖5 繞A點(diǎn)搜索所得六面體

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

(2)

Ni=(1+ξξi)(1+ηηi)(1+ζζi)/8

(3)

式中，α為B點(diǎn)的值；Ni為形函數(shù)；αi為六面體第i個節(jié)點(diǎn)的值。由此得到了第9個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)選擇不同的覆蓋函數(shù)，使之覆蓋本節(jié)點(diǎn)以外的其他節(jié)點(diǎn)。第1～8個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的形函數(shù)為

N9=(1-ξ2)(1-η2)(1-ζ2)

(5)

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

(6)

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

(5) 風(fēng)場計算。臨近空間大氣的風(fēng)場是由壓強(qiáng)和密度兩個參量計算而來的。由于不同緯度風(fēng)場的特點(diǎn)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(zhuǎn)風(fēng)：

(7)

式中，f=2Ωsinφ，為地轉(zhuǎn)參數(shù)，Ω為地轉(zhuǎn)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(fēng)：

(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(fēng)場可以通過線性插值的方法得到。

2.4 格式轉(zhuǎn)換

SEDRIS的出現(xiàn)源于建模與仿真領(lǐng)域的需求。它通過一種標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換機(jī)制，實(shí)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(zhuǎn)換及共享，從而大幅降低軟件的開發(fā)維護(hù)費(fèi)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(jìn)行規(guī)范[19-26]并有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)整體系統(tǒng)仿真的進(jìn)行。圖6揭示了SEDRIS 5個部分的運(yùn)作原理以及與數(shù)據(jù)提供者和使用者的關(guān)系。

圖6 SEDRIS運(yùn)作原理示意圖

本文基于SEDRIS標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化表示，利用DRM、SRM和EDCS 3個規(guī)范實(shí)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(biāo)準(zhǔn)

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(yīng)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(guān)的網(wǎng)格大小、位置以及坐標(biāo)軸等信息，也可一并在該規(guī)范中得到統(tǒng)一表示?；谝陨戏治?，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(biāo)識Property Grid對象空間的起始點(diǎn)，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(biāo)系信息

SRM規(guī)范通過坐標(biāo)系統(tǒng)一體化、空間位置精準(zhǔn)描述、算法坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等方法，以各種操作來實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)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(shè)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(biāo)系模板，模板中的各項參數(shù)設(shè)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(qiáng)、密度、風(fēng)以及大氣組分臭氧。由表可知，需要實(shí)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(jìn)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(dú)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(jié)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(jié)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(shí)測數(shù)據(jù)，符合臨近空間大氣特性，其真實(shí)性無需再進(jìn)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(jié)構(gòu)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(gòu)建軟件完成了大氣建模及SEDRIS格式轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)表示。由于臭氧的EDCS屬性編碼需要擴(kuò)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(jié)構(gòu)表示

由圖8可見，STF文件的頂層根節(jié)點(diǎn)是Transmittal Root，其下有絕對時間(Absolute Time)、文件信息根節(jié)點(diǎn)(Identification)、數(shù)據(jù)質(zhì)量根節(jié)點(diǎn)(Data Quality)、文件概覽(Transmittal Summary)和環(huán)境根節(jié)點(diǎn)(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(diǎn)包含安全限制、關(guān)鍵詞、引用和其它信息，環(huán)境根節(jié)點(diǎn)是文件的核心部分，給出Time Constraints Data實(shí)例對象的屬性及與之關(guān)聯(lián)的Property Grid類實(shí)例對象。每個實(shí)例對象包含經(jīng)緯高坐標(biāo)軸實(shí)例對象、6個大氣環(huán)境要素和大氣組分的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)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(gòu)建方法，通過所開發(fā)的臨近空間虛擬大氣環(huán)境構(gòu)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(qiáng)的可重用性等優(yōu)點(diǎn)，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。