虛擬試驗中臨近空間大氣環境仿真技術研究

(1.哈爾濱工業大學 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，內蒙古 呼和浩特 010010； 3.上海斐訊數據通信技術有限公司，上海 201616)

虛擬試驗可以有效減小人力物力損耗，且可以生產任意試驗環境，實現對被試品全方位的考察，因而得到越來越廣泛的應用。環境資源是虛擬試驗的重要組成部分，其中大氣環境作為各種飛行器的運行環境，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，臨近空間大氣環境的開發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、衛星軌道維持高度以下的空間區域。作為空天承上啟下的分界區域，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，因此具有獨特優勢和戰略價值。基于以上分析，針對虛擬試驗中臨近空間大氣環境建模技術進行研究，對于補充虛擬試驗環境資源，實現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以下的大氣環境建模技術已經趨于成熟，如利用數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境，從而給用戶提供正確且豐富的大氣環境數據。近年來國內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狀與應用需求，本文提出以美國發射的熱成層—電離層—散逸層—能量學與動力學衛星(TIMED)的SABER探測數據為原始數據，采用參考大氣模式和SEDRIS規范實現臨近空間虛擬大氣環境建模與仿真。用戶可利用臨近空間虛擬大氣環境構建軟件實現自定義設置，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境數據，并根據SEDRIS標準將數據轉換為通用格式，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據建成；而數值模式則根據大氣環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一的數值化方案，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境建模方法。

近年來，隨著各種傳統和新興的雷達、衛星的出現，許多中高層大氣環境的探測數據隨之產生，為開展臨近空間大氣環境的研究提供了良好的支持。其中，美國于2001發射的TIMED衛星，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)區域某海拔高度上大氣層和光散發的熱量，技術持續更新，且至今仍在運行。關于SABER探測資料的準確性，已經有相關比對研究。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，發現基本一致。文獻[12]使用SABER探測數據來研究中層大氣11年太陽活動周期的溫度效應。除此之外，SABER探測數據與氣象局、Na雷達、UARS衛星等的探測結果一致，且具有相對較小的誤差。所以，選取TIMED衛星上SABER探測數據進行臨近空間虛擬大氣環境建模。

綜合環境數據表示與交互規范(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范[13-14]。依據SEDRIS規范將網格化的數據轉換成通用的數據格式，使臨近空間虛擬大氣環境數據的信息透明化，以此實現環境數據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境構建方案為：以TIMED衛星的 SABER探測數據為原始數據，利用數學統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境數據。圖1給出臨近空間虛擬大氣環境構建思路：首先收集SABER探測數據，進行數據讀取與處理，然后通過用戶自定義設置，將數據網格化，最后進行SEDRIS數據格式轉換，從而得到臨近空間虛擬大氣環境標準數據。

圖1 臨近空虛擬大氣環境構建思路

2 臨近空間虛擬大氣環境構建軟件

針對臨近空間虛擬大氣環境構建的相關要求，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境構建軟件

界面依照構建思路，體現了該軟件的四大功能區：數據讀取與處理、文件信息顯示與用戶設置、數據網格化和數據轉換。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境數據，并依據SEDRIS規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數據的讀取、一系列數據處理操作到生成標準臨近空間大氣環境數據，最后將其提供給用戶。

2.1 數據收集、讀取與預處理

原始數據可從SABER資源網站進行下載。時間、區域、變量可根據需要自行選擇，也可直接下載北半球或全球數據文件集統一處理備用。

下載所得的SABER探測數據文件為NC格式，即網絡通用數據格式。應用netCDF Explorer可查看文件內容，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值，內部結構較為復雜，難以直接讀取該文件。考慮到Matlab擁有自帶函數易于實現此功能，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據部分實現，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境構建軟件運作原理圖

圖4 NC文件內部信息

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文件中所存的數據信息，包括所獲取數據的時間信息、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，以免出現由于原始數據下載不當而無可用數據進行建模的情況。同時，用戶可根據文件顯示信息設置其范圍內的時間、經度、緯度、高度，并結合需求設置合理的分辨率。

2.3 數據網格化

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

(1) 數據預篩選。通過數據預篩選可剔除所需范圍之外的數據，將符合用戶設置范圍內的數據從TXT文件中篩選出來。

(2) 根據要求，應建立空間大小為100 km×100 km×80 km的三維均勻網格，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此功能。

(3) 根據用戶所設置的時空范圍建立符合要求的三維均勻網格。

(4) 由于探測數據較為分散，不滿足用戶所設置的分辨率要求，需要對預篩選后的數據進行插值計算。鑒于TIMED衛星的SABER探測數據分布特點為三維空間內無特定規律的離散點，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據場的插值方法——六面體9節點形函數插值算法。此算法不受插值模型單元形態限制，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，較好地實現了三維空間離散點數據場的插值。以下對六面體9節點形函數插值算法進行簡要介紹。

① 根據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個象限內的節點，根據表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 構造六面體九節點等參單元形函數。求出六面體形心B的局部坐標(ξ,η,ζ)，構造六面體8節點形函數。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；αi為六面體第i個節點的值。由此得到了第9個節點上的數據值。

根據等參單元形函數的覆蓋原理，對每個節點選擇不同的覆蓋函數，使之覆蓋本節點以外的其他節點。第1～8個節點的形函數為

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

(4)

第9個節點的形函數為

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；βi為六面體9節點插值單元的第i個節點的值。

(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°，先根據式(7)計算地轉風：

(7)

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

再根據式(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，實現多格式數據庫之間高效率和高規范性的數據轉換及共享，從而大幅降低軟件的開發維護費用，同時保證了環境數據的重用性和易用性。SEDRIS各部分由ISO/IEC 18023至ISO/IEC 18026進行規范[19-26]并有機結合，促進整體系統仿真的進行。圖6揭示了SEDRIS 5個部分的運作原理以及與數據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標準對數據進行規范化表示，利用DRM、SRM和EDCS 3個規范實現此目的。

2.4.1 基于DRM形成大氣環境數據表示標準

在SEDRIS中，大氣環境數據的空間化通過網格抽象表示。具體應用時，DRM規范中的屬性網格類(Property Grid)用于表示呈緯度、經度、高度三維空間網格狀分布的數據，另外與網格數據相關的網格大小、位置以及坐標軸等信息，也可一并在該規范中得到統一表示。基于以上分析，采用DRM中的屬性網格類來方便清晰地表示網格型大氣環境數據，使其描述形象生動且便于理解。圖7為描述大氣環境數據空間性的數據表示模型。

圖7 大氣環境數據空間性的數據表示模型

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

2.4.2 基于SRM提供大氣環境數據空間坐標系信息

SRM規范通過坐標系統一體化、空間位置精準描述、算法坐標轉換等方法，以各種操作來實現環境數據空間坐標系的信息。

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

表2 大氣環境SRF參數編碼

2.4.3 基于EDCS規范大氣環境對象屬性

臨近空間大氣環境要素包括溫度、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類對網格數據本身進行表示，其屬性EDCS編碼如表3所示。

2.4.4 基于STF和API交互大氣環境數據

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

利用DRM、SRM和EDCS完成近空間大氣環境數據的表示后，可以調用SEDRIS的API函數來將近空間中的大氣參數和大氣組分的數據值填入已建立的網格中，以特定的STF格式儲存臨近空間大氣環境數據資源。

3 結果驗證

所使用的原始數據來自美國TIMED衛星搭載的SABER探測器，其數據是實測數據，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規范化之后的數據，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、網格屬性以及各環境要素的屬性、網格數據等。

選用北京上空2016-01-27的SABER探測數據，利用臨近空間虛擬大氣環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境數據，通過查看文件內部結構，驗證其是否與配置信息相符。圖8為利用SEDRIS FOCUS查看的STF格式大氣環境數據結構表示。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格式大氣環境數據結構表示

由圖8可見，STF文件的頂層根節點是Transmittal Root，其下有絕對時間(Absolute Time)、文件信息根節點(Identification)、數據質量根節點(Data Quality)、文件概覽(Transmittal Summary)和環境根節點(Environment Root)5個部分。其中絕對時間顯示文件創建時間，文件信息根節點包含安全限制、關鍵詞、引用和其它信息，環境根節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的Property Grid類實例對象。每個實例對象包含經緯高坐標軸實例對象、6個大氣環境要素和大氣組分的實例對象。

經過上述驗證，表明生成的 STF 格式的臨近空間大氣環境數據符合SEDRIS 標準。

4 結束語

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