基于Matlab Web Server 的空間環(huán)境虛擬監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)①

李世友, 謝 蓉

(湖南信息學(xué)院 電子信息學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410151)

虛擬實(shí)驗(yàn)室[1]指的是應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)大的信息組織能力來(lái)將計(jì)算機(jī)軟件模擬器、數(shù)據(jù)資源、儀器設(shè)備等通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接組織起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室.虛擬實(shí)驗(yàn)室在教育領(lǐng)域是應(yīng)用信息技術(shù)的一種創(chuàng)新.虛擬實(shí)驗(yàn)室基于網(wǎng)絡(luò)的開放性, 它允許人們?cè)L問(wèn)和使用自己沒(méi)有的設(shè)備資源, 使得處于不同地理位置的研究人員或?qū)W習(xí)人員可以同時(shí)對(duì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作.實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目, 所取得的研究或?qū)W習(xí)能夠與真實(shí)環(huán)境中所取得的效果相當(dāng), 甚至更優(yōu).虛擬實(shí)驗(yàn)室突破科研設(shè)備不足、數(shù)據(jù)資料缺乏、軟件分析手段落后等等缺陷, 極大地促進(jìn)基礎(chǔ)教學(xué)、科學(xué)研究的發(fā)展, 是目前國(guó)內(nèi)外研究建設(shè)的熱點(diǎn).虛擬實(shí)驗(yàn)室廣泛用于遠(yuǎn)程教育和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域[2-7], 例如在遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4]、遠(yuǎn)程生物教學(xué)[5]、遠(yuǎn)程軟件測(cè)試[6,7]等領(lǐng)域得廣泛應(yīng)用, 成為這些領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).相對(duì)于硬件系統(tǒng)而言, 虛擬實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng)不僅有實(shí)時(shí)性、直觀性的特點(diǎn), 而且大大節(jié)約了成本, 提高了科研和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率.

將Matlab 強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力和Web 技術(shù)結(jié)合起來(lái), 設(shè)計(jì)基于Matlab 和Web 的虛擬實(shí)驗(yàn)室也得到人們的重視, 開發(fā)了各自行業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)室或者仿真平臺(tái)[8-16], 例如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理[8]、遠(yuǎn)程計(jì)算仿真[9]、在線測(cè)量和計(jì)算[10]、在線圖像處理[11,12]、通信教學(xué)[13]等方面的虛擬教學(xué)和虛擬仿真.以及在電力機(jī)電[13-15]、材料科學(xué)[16,17]、汽車虛擬仿真[18]等行業(yè)領(lǐng)域的遠(yuǎn)程或在線虛擬實(shí)驗(yàn)室.

在空間科學(xué)的研究領(lǐng)域, 本文作者及課題組成員此前也做了一些工作, 建立了空間虛擬實(shí)驗(yàn)室[19-22], 并構(gòu)建了基于Web 的空間虛擬模擬系統(tǒng)[20]和虛擬數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[21,22].本文將在此前空間虛擬實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)之上構(gòu)建一個(gè)基于Matlab Web Server 的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).

空間環(huán)境是指影響人類活動(dòng)的、距地面幾十公里高度以上直至太陽(yáng)的廣闊空間內(nèi)的環(huán)境, 包括各種成分的帶電粒子、中性粒子、各個(gè)波段的電磁輻射、電磁場(chǎng)、微流星體和空間碎片等[23].空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常為建立在近地空間和行星際空間、能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和分析從太陽(yáng)到地球的能量傳輸和轉(zhuǎn)換過(guò)程以及近地空間環(huán)境的響應(yīng)情況的整個(gè)空間儀器系統(tǒng).分布在地球軌道和行星軌道的各種衛(wèi)星上的高分辨率設(shè)備能夠連續(xù)地、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)日地空間不同層次上的物理參數(shù)的變化, 通過(guò)對(duì)日地空間的各種物理模型對(duì)可能爆發(fā)的空間天氣活動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè).

空間環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)源主要基于天基觀測(cè)系統(tǒng),即通過(guò)安裝在在軌航天器上的探測(cè)儀器對(duì)空間環(huán)境狀態(tài)及其擾動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng), 包括光學(xué)、高能粒子和等離子體相關(guān)的探測(cè)儀器.空間監(jiān)測(cè)環(huán)境有別于以研究為目的的空間探測(cè)項(xiàng)目, 監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)期性、數(shù)據(jù)的一致性和連續(xù)性是它們的主要特點(diǎn)[24].

本文借助Matlab GUI 界面實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 并通過(guò)Web 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布, 形成一套基于Matlab 和Web 的虛擬監(jiān)測(cè)空間環(huán)境監(jiān)測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).利用該試驗(yàn)系統(tǒng), 用戶可以很方便地在查看或監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星參數(shù)以顯示數(shù)據(jù), 并根據(jù)需要進(jìn)行相關(guān)物理參數(shù)的計(jì)算或者預(yù)測(cè)等.空間環(huán)境參數(shù)或者計(jì)算的物理量也會(huì)直接在界面上顯示出來(lái), 不僅方便快捷, 而且大大提高了監(jiān)測(cè)和分析效率.

1 Matlab Web Server 系統(tǒng)構(gòu)架與工作原理

Matlab 是美國(guó)MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件, 用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境, 主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境.Matlab 是將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中, 為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案, 并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的編輯模式.Matlab 在許多科學(xué)領(lǐng)域中成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析、算法研究和應(yīng)用開發(fā)的基本工具和首選平臺(tái).

基于網(wǎng)絡(luò)和Matlab 的虛擬實(shí)驗(yàn)室的架構(gòu), 基本采用B/S 模式.使用者在客戶端只需使用標(biāo)準(zhǔn)的Internet瀏覽器就可以展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程.Matlab Web Server 主要由兩部分組成, 即Matlab Web 服務(wù)器和Web 代理服務(wù)器.Matlab Web 服務(wù)器是一個(gè)可執(zhí)行的應(yīng)用程序matlabserver.exe; Web 代理服務(wù)器即可執(zhí)行程序matweb.exe,它是MatlabWeb 服務(wù)器的TCP/IP 客戶端,其作用是將所有對(duì)Matlab 的請(qǐng)求重定向到matlabserver.exe 進(jìn)行處理.此外, 系統(tǒng)要提供WWW 服務(wù), 就必須要有一個(gè)HTTP 服務(wù)器, 整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如圖1所示.此外, 在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)還必須對(duì)Matlab Web 的服務(wù)代理與服務(wù)程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲? 這分別通過(guò)文件matweb.conf 與 matlabserver.conf 來(lái)實(shí)現(xiàn).

2 基于Matlab GUI 的空間環(huán)境虛擬監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 空間環(huán)境虛擬監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

地球空間是一個(gè)非常廣闊的區(qū)域, 與航空航天活動(dòng)直接相關(guān)的主要有中低軌道和地球同步軌道以及高軌道等.空間環(huán)境涉及種類繁多的各類空間探測(cè)載荷和儀器設(shè)備, 物理參數(shù)也非常多.作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng), 本系統(tǒng)主要基于低軌道上的DMSP 衛(wèi)星[25]和地球同步軌道上的GOES 衛(wèi)星以及在日地空間中監(jiān)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)的ACE 衛(wèi)星的探測(cè); 此外地磁場(chǎng)的數(shù)據(jù)也用于輔助分析地球空間環(huán)境對(duì)地面系統(tǒng)的影響.以DMSP 衛(wèi)星為例簡(jiǎn)要說(shuō)明數(shù)據(jù).DMSP 衛(wèi)星上的SSIES 載荷[26]專門用于觀測(cè)空間環(huán)境, 可以得到等離子體的整體漂移速度、等離子體的密度、等離子體的組分(H+, He+,O+)的數(shù)密度百分比、離子和電子的溫度等.這些觀測(cè)數(shù)據(jù)可以對(duì)粒子沉降到電離層和在電離層頂部的沿衛(wèi)星軌道的等離子體參數(shù)提供非常有用的信息.

圖1 Matlab Web Server 系統(tǒng)架構(gòu)與工作原理

2.2 空間環(huán)境虛擬監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的GUI 界面開發(fā)

本節(jié)利用Matlab GUI 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間環(huán)境監(jiān)測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).該系統(tǒng)界面如圖2 所示.系統(tǒng)分為兩大區(qū)域, 其中左邊為操作選擇主界面, 右邊空白處為數(shù)據(jù)顯示區(qū)域.左邊選擇界面分為4 個(gè)模塊, 依次為太陽(yáng)風(fēng)條件(Solar Condition)、地磁條件(Geomagnetic Condition)、暴時(shí)地磁指數(shù)(Dst 指數(shù))預(yù)測(cè)(Dst Prediction)和低高度軌道(DMSP)分析模塊.

圖2 空間環(huán)境監(jiān)測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)GUI 界面

通過(guò)此界面, 用戶可以很方便地在查看或監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星參數(shù)以顯示數(shù)據(jù), 并根據(jù)需要進(jìn)行相關(guān)物理參數(shù)的計(jì)算或者預(yù)測(cè)等.空間環(huán)境參數(shù)或者計(jì)算的物理量也會(huì)直接在界面上顯示出來(lái), 不僅方便快捷, 而且大大提高了監(jiān)測(cè)和分析效率.

一個(gè)模塊通常包括用戶輸入、條件選擇、命令按鈕等部分, 最后的圖形輸出結(jié)果顯示于界面右側(cè), 而一些過(guò)程性結(jié)果則輸出到輸出文本框中.下面以第二個(gè)模塊(地磁條件模塊)為例簡(jiǎn)要介紹該界面的開發(fā)過(guò)程.

首先在Matlab GUI 界面開發(fā)工具(GUIDE)中按照需要添加各種控件.這里主要使用了4 類控件, 分別為text, editor, checkbox、listbox.打開控件的各個(gè)屬性進(jìn)行設(shè)置, 包括控件的背景色、前景色、Tag 值、String 值、Value 值等.其次, 編寫各個(gè)控件相應(yīng)的程序代碼, 以實(shí)現(xiàn)各控件的相應(yīng)功能.代碼的編寫一般包括數(shù)據(jù)讀寫、數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示等.本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示在右側(cè)界面上, 同時(shí)保存相應(yīng)的fig 和pdf 文件以備后續(xù)使用.

2.3 Matlab GUI 發(fā)布為exe 程序

Matlab GUI 需要運(yùn)行在Matlab 環(huán)境之下, 這對(duì)于沒(méi)有安裝Matlab 的用戶來(lái)說(shuō)并不方便.

對(duì)本文基于Web 訪問(wèn)的在線虛擬實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng)而言, 為避免對(duì)設(shè)備和環(huán)境的依賴, 需將Matlab GUI 程序發(fā)布為在任意系統(tǒng)環(huán)境下均可執(zhí)行的.exe 文件.首先配置Matlab 編譯器, 將Matlab GUI 下開發(fā)的項(xiàng)目文件通過(guò)mcc 命令編譯為exe 文件.對(duì)本例來(lái)說(shuō),具體命令如下: Mbuild-setup, 按提示選擇Matlab 自帶編譯器LCC; mcc-m LQguiVS.m.編譯的結(jié)果是生成一系列文件, 其中LQguiVS.ctf 和LQguiVS.exe 這兩個(gè)文件為脫離Matlab 環(huán)境運(yùn)行必需的文件.

2.4 發(fā)布為Web 應(yīng)用界面

1) 安裝運(yùn)行環(huán)境

這里假設(shè)需要調(diào)用本程序的Web 服務(wù)器上沒(méi)有安裝Matlab 的運(yùn)行環(huán)境, 因此首先在服務(wù)器上安裝Matlab 的運(yùn)行環(huán)境.由于Matlab 不同版本兼容度不高,例如R13 和R15 版本在Web Server 上不兼容.在本實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中, 將R2007b oolboxcompilerdeploywin32 中的MCRinstaller.exe 安裝到該計(jì)算機(jī)上, 將生成可執(zhí)行程序脫離Matlab 運(yùn)行所需的函數(shù)庫(kù).

其次是要將MCRinstaller.exe 安裝目錄 untimewin32 這個(gè)路徑添加到該計(jì)算機(jī)的環(huán)境變量中, 通常是自動(dòng)加載; 若沒(méi)有, 也可手動(dòng)安裝.需注意, 安裝過(guò)程中會(huì)彈出安裝Microsoft.NET Framework 提示, 可忽略.

最后就是將編譯生成的相關(guān)文件拷貝到同一目錄下.例如在本系統(tǒng)中, 將生成的LQguiVS.ctf, LQguiVS.exe 拷貝到該計(jì)算機(jī)同一路徑.運(yùn)行LQguiVS.exe 將生成gui_mcr 文件夾, 包含程序運(yùn)行所需的庫(kù).至此完成,雙擊即可運(yùn)行LQguiVS.exe 程序.

2) 準(zhǔn)備相關(guān)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)可以從多種途徑獲得.一是使用自己的衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 二是從具備數(shù)據(jù)發(fā)布資格的合作者獲取,三是從網(wǎng)上下載相關(guān)衛(wèi)星發(fā)布者公開的數(shù)據(jù).基于實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 本系統(tǒng)主要是通過(guò)第三種途徑獲取相關(guān)數(shù)據(jù),包括行星際磁場(chǎng)數(shù)據(jù)IMF、磁暴環(huán)電流指數(shù)Dst、亞暴地磁指數(shù)AE、DMSP 衛(wèi)星的SSIES 數(shù)據(jù)等.所有數(shù)據(jù)均按類別存儲(chǔ)于LQguiVS.exe 所在目錄之下.數(shù)據(jù)組織在同一個(gè)目錄下面的子目錄中, 其結(jié)構(gòu)如圖3 所示.

圖3 空間環(huán)境監(jiān)測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)

3) 建立網(wǎng)站并發(fā)布Web 界面

在服務(wù)器端建立獨(dú)立的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)站, 或者在原有網(wǎng)站中加入該分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的相關(guān)網(wǎng)頁(yè).在網(wǎng)頁(yè)中使用Runtime.getRuntime.exec 調(diào)用由Matlab GUI 生成的可執(zhí)行程序LQguiVS.exe, 具體實(shí)現(xiàn)方法從略.用戶即可在客戶端瀏覽器中輸入網(wǎng)址即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng)的訪問(wèn).

3 基于Web 的虛擬監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

本節(jié)介紹該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的具體應(yīng)用.系統(tǒng)的每個(gè)功能都由Web 頁(yè)面實(shí)現(xiàn).用戶只需在客戶端輸入相應(yīng)的控制參數(shù), 就可以通過(guò)Web 頁(yè)面的提交來(lái)調(diào)用服務(wù)器端的Matlab 進(jìn)程, 進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和仿真.最后, 用戶可以從返回的頁(yè)面上查看運(yùn)行的結(jié)果.為了便于用戶的使用, 在每個(gè)頁(yè)面上都給出相應(yīng)的操作提示.這樣,無(wú)需額外的幫助文件, 可使用戶很容易地使用該系統(tǒng).

3.1 實(shí)驗(yàn)1.磁暴事件統(tǒng)計(jì)分析

本實(shí)驗(yàn)主要用Dst 指數(shù)進(jìn)行磁暴事件的統(tǒng)計(jì)分析.根據(jù)Dst 指數(shù)判定2000 年到2005 年期間的磁暴事件,并做初步統(tǒng)計(jì)分析.具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

第1 步.打開系統(tǒng)軟件界面后, 在左欄第二個(gè)面板“Date”輸入日期, 只勾選“Dst (Month)”選項(xiàng), 點(diǎn)擊“Plot”按鈕, 在右側(cè)顯示出當(dāng)月的Dst 指數(shù), 見圖4(a).

第2 步.如果在Dst 出現(xiàn)有超過(guò)-100 nT 的現(xiàn)象,代表有中等以上的磁暴發(fā)生.這時(shí)候, 在“Date”中輸入某一磁暴時(shí)間內(nèi)Dst 指數(shù)負(fù)值最大的日期, 勾選“Dst5D”選項(xiàng), 點(diǎn)擊“Plot”按鈕, 可以查看Dst 指數(shù)的變化細(xì)節(jié), 記錄其特性, 比如: 是否有急始, Dst 指數(shù)最強(qiáng)值, 增長(zhǎng)相和恢復(fù)相的持續(xù)時(shí)間等.見圖4(b).

圖4 磁暴條件分析模塊及Dst 數(shù)據(jù)代表的分析結(jié)果示例圖

第3 步.重復(fù)第1 和第2 步, 列表記錄從2000 年到2005 年期間的所有中等以上磁暴事件的基本特征.

第4 步.統(tǒng)計(jì)分析以下內(nèi)容: 1) 2000～2005 年期間中等、大、特大磁暴的數(shù)量和占比; 2)急始型和非急始型磁暴的占比; 3)增長(zhǎng)相和恢復(fù)相的時(shí)長(zhǎng).

3.2 實(shí)驗(yàn)2.磁暴與非磁暴期間太陽(yáng)風(fēng)和行星際磁場(chǎng)的研究

本實(shí)驗(yàn)主要結(jié)合Dst 指數(shù)和太陽(yáng)風(fēng)及行星際數(shù)據(jù)研究磁暴期間(增長(zhǎng)相和恢復(fù)相初期)和非磁暴期間(磁暴前一天)太陽(yáng)風(fēng)和行星際磁場(chǎng)的變化.根據(jù)實(shí)驗(yàn)1 得到的磁暴列表, 選擇一個(gè)中等磁暴和一個(gè)特大磁暴, 分別研究磁暴期間(增長(zhǎng)相和恢復(fù)相初期)和非磁暴期間太陽(yáng)風(fēng)和行星際磁場(chǎng)的變化.具體步驟如下.

第1 步.在第一個(gè)模塊的“Date”中輸入磁暴前一天的日期, 然后勾選“IMF”和“Dynamic Pressure”選項(xiàng), 以及其他希望查看的物理量的選項(xiàng), 點(diǎn)擊“Plot”查看行星際磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓情況.結(jié)果見圖5 所示.

第2 步.如果出現(xiàn)變化很劇烈的情況, 則記錄變化劇烈的時(shí)間, 然后在“Time”中輸入變化比較平緩的記錄最大時(shí)間段, 點(diǎn)擊“Condition Value”按鈕求均值.均值顯示在結(jié)果方框內(nèi), 見圖6 顯示并記錄之.

圖5 太陽(yáng)風(fēng)及行星際磁場(chǎng)分析模塊及OMNI 數(shù)據(jù)代表的分析結(jié)果示例圖

圖6 磁暴時(shí)間期間太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓的結(jié)果的顯示

第3 步.輸入該磁暴期間的不同的時(shí)間, 重復(fù)第一和第二步, 記錄相應(yīng)的結(jié)果.

第4 步.分別分析中等磁暴和特大磁暴期間的行星際磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓的變化過(guò)程, 并比較兩種磁暴期間對(duì)應(yīng)的行星際磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓的變化程度.

3.3 實(shí)驗(yàn)3.磁暴與非磁暴期間中低軌道上的粒子變化和離子上行

根據(jù)實(shí)驗(yàn)1 所得磁暴列表, 選擇中等磁暴和特大磁暴各一個(gè), 分別研究磁暴期間(增長(zhǎng)相和恢復(fù)相初期)和非磁暴期間(磁暴前一天)中低軌道上DMSP 衛(wèi)星觀測(cè)的粒子變化和離子上行率情況.具體步驟如下:

第1 步.在第4 個(gè)模塊的“Date”中輸入磁暴前一天的日期, 然后回車(這一步很重要).回車之后看到原本為“SC”的列表框列出了該日期內(nèi)有觀測(cè)的DMSP 衛(wèi)星的列表.這里演示當(dāng)日期輸入為“20031030”的時(shí)候,顯示出的衛(wèi)星列表為: F13, F14, F15, F16.選擇F13, 則在“data”列表框中將該衛(wèi)星對(duì)應(yīng)于“Date”輸入日期內(nèi)的所有數(shù)據(jù)列表顯示出來(lái), 見圖7.

第2 步.選擇某一個(gè)數(shù)據(jù)文件, 然后按“Get Data”按鈕, 則讀取數(shù)據(jù).倘若沒(méi)有數(shù)據(jù), 或者讀不成功, 則在后面的顯示框中顯示“No Data”; 反之更新數(shù)據(jù), 顯示“Updated!”以及一個(gè)隨機(jī)數(shù).如果數(shù)據(jù)得到了更新, 則點(diǎn)擊“Overview”按鈕, 可以查看DSMP 衛(wèi)星觀測(cè)到的粒子的速度、密度、溫度等數(shù)據(jù), 見圖8 所示.該圖給出DMSP F13 衛(wèi)星在2003 年10 月30 日的觀測(cè)例子.從上到下依次為粒子的速度Vx, Vy, Vz, 離子(H+ 和總離子)密度, 電子和離子的溫度.

圖7 LEO 分析模塊

圖8 LEO 分析模塊示例: DMSP F13 衛(wèi)星在2003 年10 月30 日的觀測(cè)

第3 步.根據(jù)Overview 的數(shù)據(jù)顯示, 我們可以大致看到哪個(gè)時(shí)間段有粒子上行.如果有, 則在“Time”輸入框中輸入時(shí)間段, 格式為“HHMM-HHMM”, 然后點(diǎn)擊“Upflow ion”按鈕, 計(jì)算上行離子.結(jié)果顯示在右邊,并且, 其上行離子的最大速率和平均速率以及最大上行速率時(shí)候的磁當(dāng)?shù)貢r(shí)(MLT)顯示在“結(jié)果”方框, 見圖9.記錄相關(guān)結(jié)果, 例如, Upflow_max=759.56;Upflow_mean=130.1977; MLTmax=17.97.

圖9 LEO 分析模塊示例: 離子上行結(jié)果顯示

第4 步.根據(jù)Dst 指數(shù)指示的磁暴時(shí)間, 改變輸入日期和時(shí)間, 重復(fù)上述3 步, 得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

4 總結(jié)與討論

本文借助Matlab GUI 界面實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間環(huán)境虛擬監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 并通過(guò)Web 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布, 形成一套基于Matlab 和Web 的空間環(huán)境虛擬監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).系統(tǒng)主要分析磁暴、太陽(yáng)風(fēng)和行星際磁場(chǎng)、極區(qū)離子上行等空間環(huán)境參數(shù).利用該試驗(yàn)系統(tǒng), 用戶可以很方便地在查看或監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星參數(shù)以顯示數(shù)據(jù), 并根據(jù)需要進(jìn)行相關(guān)物理參數(shù)的計(jì)算或者預(yù)測(cè)等.空間環(huán)境參數(shù)或者計(jì)算的物理量也會(huì)直接在界面上顯示出來(lái), 不僅方便快捷, 而且大大提高了監(jiān)測(cè)和分析效率.本文最后通過(guò)3 個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用演示來(lái)說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用.

本文設(shè)計(jì)的空間環(huán)境虛擬監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有很好的實(shí)用性和可擴(kuò)展性.著眼于空間應(yīng)用的實(shí)際需求, 我們將空間環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化搜集并在本虛擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上構(gòu)建更完備的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng).此外, 受到線程、計(jì)算量等的限制, 目前虛擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的程序的運(yùn)行速度還只能滿足較低的實(shí)驗(yàn)要求.今后將探討在服務(wù)器性能和網(wǎng)絡(luò)帶寬受到限制的情況之下如何提高虛擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用化的技術(shù)解決方案, 使系統(tǒng)功能更加完善、更具有實(shí)用價(jià)值.