高空氣象探測數(shù)據(jù)處理軟件的國產(chǎn)化設計和實現(xiàn)

摘?要：目前國家和軍隊對于信息技術自主可控的需求非常迫切。開發(fā)一套基于國產(chǎn)化操作系統(tǒng)的氣象探測應用軟件迫在眉睫。本文詳細介紹了基于國產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)處理軟件功能設計和實現(xiàn)。該軟件通過測試運行軟件工作穩(wěn)定，操作方便，圖形界面簡潔明了，功能完善，性能基本達到與Window系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)處理軟件水平相當。

關鍵詞：數(shù)據(jù)處理;國產(chǎn)化;QT;麒麟操作系統(tǒng)

一、 引言

我國氣象探測系統(tǒng)中使用的各種軟硬件設備、核心電子元器件和高端通用芯片長期依靠進口，但目前國際形勢變幻莫測，西方的一些發(fā)達國家經(jīng)常采取禁運、限購等方式遏制相關產(chǎn)品在我國氣象領域的應用;同時，國外的基礎平臺還存在代碼不開源，植入后門等不可控風險。軟件國產(chǎn)化已成為國家信息化安全的重要組成部分。

目前，我國的高空氣象探測系統(tǒng)主要基于Windows 操作系統(tǒng)研制開發(fā)，國產(chǎn)高性能處理器能夠支持的桌面操作系統(tǒng)主要是麒麟系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)已在航空、航天等領域得到了一定應用，但在氣象探測領域尚未升入展開。結合我國自主可控需求，本文設計開發(fā)了一套基于中標麒麟操作系統(tǒng)的全自主氣象數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，利用QT開發(fā)工具進行了軟件設計和實現(xiàn)，采用二進制文件的方法對探測數(shù)據(jù)進行管理。根據(jù)麒麟操作系統(tǒng)下的運行要求，對系統(tǒng)軟件進行了重新優(yōu)化設計，使得國產(chǎn)化數(shù)據(jù)處理軟件整體技術性能與Windows系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)處理軟件一致。

二、 軟件系統(tǒng)設計

（一）開發(fā)環(huán)境

在中標麒麟操作系統(tǒng)下可選擇的開發(fā)工具有GCC、Eclipse和QT等。其中QT具有很好的跨平臺和豐富的C++應用程序庫，并且擁有自主可控的國產(chǎn)化版本。氣象探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件的國產(chǎn)化設計以QT開發(fā)環(huán)境為平臺，采用自頂向下模塊化設計方法。系統(tǒng)采用QT4.8.6版本，C++語言作為人機交互界面的工具。

（二）軟件結構

根據(jù)數(shù)據(jù)處理軟件的設計需求，軟件共包含如下三大模塊：文件、探空數(shù)據(jù)顯示、探空數(shù)據(jù)處理。其中文件操作模塊包含了數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)存儲子模塊;數(shù)據(jù)顯示模塊包含了探空曲線、位置曲線、探空數(shù)據(jù)、風數(shù)據(jù)和飛行軌跡等子模塊;探空數(shù)據(jù)處理模塊包含了探空飛點剔除和探空數(shù)據(jù)修正子模塊。如圖1所示：

用戶可通過人機交互界面，選擇需要處理的探測數(shù)據(jù)文件，軟件對用戶選定的文件進行解析，如果不是格式正確的探測數(shù)據(jù)文件，則反饋給用戶出相應的錯誤提示，如果數(shù)據(jù)格式正確，則顯示相應的探空數(shù)據(jù)/曲線界面。用戶可在探空曲線顯示界面剔除數(shù)據(jù)飛點，對探空數(shù)據(jù)進行修正。修正后的探空數(shù)據(jù)會保存在探測數(shù)據(jù)文件中，原始探測數(shù)據(jù)不受影響。數(shù)據(jù)處理軟件工作流程圖如圖2所示。

三、 主要功能模塊設計和實現(xiàn)

（一）數(shù)據(jù)顯示模塊功能設計

數(shù)據(jù)顯示功能負責人機界面交互，將探測數(shù)據(jù)產(chǎn)品以直觀的方式顯示給操作人員。能夠生成溫、壓、濕隨時間變化圖、溫、壓、濕、高度、經(jīng)緯度、風隨時間變化報表等，繪圖方式將依據(jù)通用氣象標準執(zhí)行。

氣象產(chǎn)品的可視化涉及坐標系統(tǒng)、圖形顯示、圖標等內容，依據(jù)數(shù)據(jù)類型不同，顯示功能可以分為探空曲線圖形顯示、位置曲線圖形顯示、探空數(shù)據(jù)報表、風曲線顯示、飛行軌跡顯示等。

以繪制探空數(shù)據(jù)曲線圖為例。首先根據(jù)探空時間繪制縱坐標，根據(jù)探空數(shù)據(jù)（包括溫、壓、濕）繪制橫坐標，并標注橫縱坐標值?？v坐標最小值為0分鐘，對應放球時間，最大值為最新的探空時間。橫坐標氣溫范圍為-90℃至60℃，氣壓范圍為50hPa到1150hPa，濕度范圍為10%到100%。溫、壓、濕曲線分別使用紅、藍、綠顏色進行顯示。每收到一個探空數(shù)據(jù)，則對曲線進行一次重繪。另外可以通過鼠標右鍵對探空曲線實現(xiàn)全程/分段顯示、放大縮小、拖放、移動、時間設置、自動修改、自動滾屏等功能。Qt提供的繪圖框架主要由3個類組成：Qpainter、QPaintDevice和QPaintEngine。QPainter用來執(zhí)行與繪圖相關的具體操作，既可以繪制點、線、矩形、多邊形等等基本圖形，也可以繪制比較復雜的圖形。在繪圖時，可以通過畫筆（QPen）改變QPainter的屬性（顏色、線寬等）。在繪制文字時，字體由QFont類定義，通過setFont（）函數(shù)修改字體屬。系統(tǒng)中通過使用Qt繪圖scale（）函數(shù)實現(xiàn)了放大，縮小功能。

數(shù)據(jù)顯示功能將根據(jù)內存中的探空數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)分別繪制探空曲線圖形、位置曲線圖、探空數(shù)據(jù)報表、風曲線顯示圖、飛行軌跡顯示圖等，并按照用戶選擇的顯示類型、要求顯示在界面上，如圖3所示。

（二）探空數(shù)據(jù)處理功能設計

探空數(shù)據(jù)處理主要功能包括探空飛點剔除和探空數(shù)據(jù)修正，探空數(shù)據(jù)修正包括時間修正、溫度修正、氣壓修正、濕度修正以及高度修正。

1. 探空飛點剔除

剔除飛點流程圖如圖4所示

圖4?探空飛點剔除子功能活動圖

首先循環(huán)所有數(shù)據(jù)，將每個數(shù)據(jù)與前后數(shù)據(jù)對比，如果超過閾值，則判斷探空數(shù)據(jù)為飛點數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)刪除，使用周圍數(shù)據(jù)的中值代替該數(shù)據(jù)，循環(huán)至數(shù)據(jù)結束。

2. 探空數(shù)據(jù)修正

在真實探測過程中，高空探測數(shù)據(jù)受各種因素影響，不能有效保證探空數(shù)據(jù)的質量，因此通過對各種影響因素的影響程度分析，對探空數(shù)據(jù)進行相應修正，從而能夠提高探測精度，保證探空數(shù)據(jù)質量。在本系統(tǒng)設計中數(shù)據(jù)修正主要包括時間修正、高度修正、氣壓修正、溫度修正和濕度修正。

時間修正：如果數(shù)據(jù)記錄時間與探空儀離開地面不一致（提前后者延后點擊放球鍵），則應對探空數(shù)據(jù)時間進行修正，將記錄數(shù)據(jù)中的相對時間進行相應的推遲或者提前。

高度修正：在進行北斗/GPS定位中大氣折射會對電磁波產(chǎn)生折射，通常北斗/GPS模塊針對該折射進行了近地面的修正，但是當探空儀到達高空的時候，再進行與地面一致的修正使得探空儀的定位高度產(chǎn)生誤差，因此需要將探空儀的定位高度進行折射補償。

氣壓修正：在近地面，大氣氣壓較大，氣壓傳感器測得數(shù)值能真實的反映氣壓變化，到了高空，氣壓急劇降低，而氣壓傳感器的探測精度保持不變，因此在高空使用壓高公式對氣壓進行計算比實際探測結果更為準確，在低空到高空的變化過程使用權重法進行逐步迭代，以獲取更為準確的探測結果。

溫度修正：對溫度的修正主要為短波輻射（太陽輻射）修正和出云過程修正。受太陽照射的時候應對溫度數(shù)據(jù)進行短波輻射修正，在探空儀出云時，因為水分蒸發(fā)會帶走大量熱量，因此也需要在此時對溫度進行補償。

濕度修正：濕度傳感器的靈敏度與大氣密度具有較大的關聯(lián)，在高空大氣密度較低的情況下，濕度傳感器與在艦面相比其靈敏度具有較大的降低，因此需要對濕度進行逆向修正，對濕度變化幅度進行跟大氣密度相關的補償。

時間修正，將探空數(shù)據(jù)時間與探空儀實際離開時間進行比較，超過閾值則認為時間不一致，更改探空數(shù)據(jù)中的時間數(shù)據(jù)，使其與探空儀實際離開時間一致。

探空數(shù)據(jù)修正算法通過動態(tài)庫封裝，程序調用接口函數(shù)實現(xiàn)，增強了系統(tǒng)的可移植性和可維護性，提高了軟件質量。

四、 結語

本文基于麒麟操作系統(tǒng)和QT平臺設計了適用于自主可控的探空數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)產(chǎn)品處理和顯示功能，可以滿足用戶軟件國產(chǎn)化的使用要求。

值得指出的是，本系統(tǒng)對探空數(shù)據(jù)衍生的氣象產(chǎn)品還需要進一步改善，以更有效地提高數(shù)據(jù)利用率。此外，該系統(tǒng)所繪制的飛行軌跡主要是在二維空間上，后期應增加三維空間的立體顯示功能。

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作者簡介：姜孿娟，南京大橋機器有限公司。