虚拟试验中临近空间大气环境仿真技术研究

(1.哈尔滨工业大学 自动化测试与控制研究所，黑龙江 哈尔滨 150001； 2.中国航天科工集团第六研究院六○一所，内蒙古 呼和浩特 010010； 3.上海斐讯数据通信技术有限公司，上海 201616)

虚拟试验可以有效减小人力物力损耗，且可以生产任意试验环境，实现对被试品全方位的考察，因而得到越来越广泛的应用。环境资源是虚拟试验的重要组成部分，其中大气环境作为各种飞行器的运行环境，对飞行器的准确入轨、命中精度甚至飞行安全有重要影响。随着人类对宇宙的探索愈加深入以及各国军事实力的竞争愈加激烈，临近空间大气环境的开发利用逐渐成为研究热点。距离地面20～100 km的空间范围称作临近空间，即国际民航飞机飞行高度以上、卫星轨道维持高度以下的空间区域。作为空天承上启下的分界区域，临近空间存在着复杂的日地和气象耦合关系，对飞行器的材料、结构、性能均有重要影响，因此具有独特优势和战略价值。基于以上分析，针对虚拟试验中临近空间大气环境建模技术进行研究，对于补充虚拟试验环境资源，实现高逼真度和强可信度的虚拟试验以及深入研究飞行器设计具有重要意义。

目前，20 km以下的大气环境建模技术已经趋于成熟，如利用数值模式构建包含温度、压强、密度、风场等多种要素的复合大气环境，从而给用户提供正确且丰富的大气环境数据。近年来国内外对临近空间的研究逐渐增多，虽有成果但并不成熟。

针对临近空间的研究现状与应用需求，本文提出以美国发射的热成层—电离层—散逸层—能量学与动力学卫星(TIMED)的SABER探测数据为原始数据，采用参考大气模式和SEDRIS规范实现临近空间虚拟大气环境建模与仿真。用户可利用临近空间虚拟大气环境构建软件实现自定义设置，生成包含温度、密度、压强、风以及臭氧等大气组分的临近空间虚拟大气环境数据，并根据SEDRIS标准将数据转换为通用格式，使其具有较高的可信度和较强的可重用性。

1 构建方案

目前，标准大气模式、参考大气模式和数值模式是国际上应用广泛的3种大气模式。标准大气模式又称理想大气模式，是将大气环境进行理想化，适用于早期较为简单的大气建模；参考大气模式基于大量的探测数据建成；而数值模式则根据大气环境相关理论建立准确的方程组来求解。由于临近空间大气环境非常复杂，对于下层航空空间和上层航天空间大气较为敏感，实际研究过程中需要考虑很多影响因子，而目前还没有较为准确或统一的数值化方案，完善过程也需要逐步进行。因此，标准大气模式并不适用，而参考大气模式则能够随探测资料准确度的提高而更加准确。基于以上分析，本文选用参考大气模式作为临近空间大气环境建模方法。

近年来，随着各种传统和新兴的雷达、卫星的出现，许多中高层大气环境的探测数据随之产生，为开展临近空间大气环境的研究提供了良好的支持。其中，美国于2001发射的TIMED卫星，其上搭载了宽带辐射计SABER，专门用于探测MLIT(散逸层和低热成层/电离层大气)区域某海拔高度上大气层和光散发的热量，技术持续更新，且至今仍在运行。关于SABER探测资料的准确性，已经有相关比对研究。例如文献[11]将SABER观测资料和SD-WACCM模拟结果的中间层和低热层CO2体积混合比全球分布情况进行比对，发现基本一致。文献[12]使用SABER探测数据来研究中层大气11年太阳活动周期的温度效应。除此之外，SABER探测数据与气象局、Na雷达、UARS卫星等的探测结果一致，且具有相对较小的误差。所以，选取TIMED卫星上SABER探测数据进行临近空间虚拟大气环境建模。

综合环境数据表示与交互规范(Synthetic Environment Data Representation and Interchange Specification，SEDRIS)是国际上应用极其广泛的一套表示与交互规范[13-14]。依据SEDRIS规范将网格化的数据转换成通用的数据格式，使临近空间虚拟大气环境数据的信息透明化，以此实现环境数据完整清晰的表示以及无歧义、无损耗的交换。

基于以上分析，确定临近空间虚拟大气环境构建方案为：以TIMED卫星的 SABER探测数据为原始数据，利用数学统计方法建立临近空间大气参考模式，通过SEDRIS格式转换，生成符合要求的临近空间虚拟大气环境数据。图1给出临近空间虚拟大气环境构建思路：首先收集SABER探测数据，进行数据读取与处理，然后通过用户自定义设置，将数据网格化，最后进行SEDRIS数据格式转换，从而得到临近空间虚拟大气环境标准数据。

图1 临近空虚拟大气环境构建思路

2 临近空间虚拟大气环境构建软件

针对临近空间虚拟大气环境构建的相关要求，设计了构建软件，图2为该软件的界面。

图2 临近空间虚拟大气环境构建软件

界面依照构建思路，体现了该软件的四大功能区：数据读取与处理、文件信息显示与用户设置、数据网格化和数据转换。该软件支持用户自定义设置，得到特定时空范围的临近空间大气环境数据，并依据SEDRIS规范对其进行表示与存储。

图3为软件运作原理，直观表明软件运行的整体流程：从SABER数据的读取、一系列数据处理操作到生成标准临近空间大气环境数据，最后将其提供给用户。

2.1 数据收集、读取与预处理

原始数据可从SABER资源网站进行下载。时间、区域、变量可根据需要自行选择，也可直接下载北半球或全球数据文件集统一处理备用。

下载所得的SABER探测数据文件为NC格式，即网络通用数据格式。应用netCDF Explorer可查看文件内容，图4为某NC文件中的信息。

由图4可见，NC文件包含了属性、维度、变量说明等文件头信息以及各变量的数值，内部结构较为复杂，难以直接读取该文件。考虑到Matlab拥有自带函数易于实现此功能，因此设计Matlab与C++混合编程，将此功能在构建软件的读取大气数据部分实现，也可直接选取预处理所得的TXT文件。

图3 临近空间虚拟大气环境构建软件运作原理图

图4 NC文件内部信息

2.2 文件信息显示与用户设置

软件的显示文件信息部分可显示预处理所得的TXT文件中所存的数据信息，包括所获取数据的时间信息、位置信息以及所包含的变量。此功能可将文件信息直观地展示给用户，使用户的设置更有针对性，以免出现由于原始数据下载不当而无可用数据进行建模的情况。同时，用户可根据文件显示信息设置其范围内的时间、经度、纬度、高度，并结合需求设置合理的分辨率。

2.3 数据网格化

由于TXT文件中的数据较为分散，要得到符合要求的三维均匀网格，需要进行数据预筛选、大地坐标与直角坐标转换、三维网格构建、插值计算、风场计算、格点数据填充等一系列复杂的处理过程。

(1) 数据预筛选。通过数据预筛选可剔除所需范围之外的数据，将符合用户设置范围内的数据从TXT文件中筛选出来。

(2) 根据要求，应建立空间大小为100 km×100 km×80 km的三维均匀网格，因此首先需要将大地坐标转换为直角坐标。结合大地测量学相关知识，选用高斯投影坐标转换法可较好地实现此功能。

(3) 根据用户所设置的时空范围建立符合要求的三维均匀网格。

(4) 由于探测数据较为分散，不满足用户所设置的分辨率要求，需要对预筛选后的数据进行插值计算。鉴于TIMED卫星的SABER探测数据分布特点为三维空间内无特定规律的离散点，本文采用文献文献[17]中张雨霆等人提出的三维空间离散点数据场的插值方法——六面体9节点形函数插值算法。此算法不受插值模型单元形态限制，绕每一待插值点都能搜索到唯一的六面体插值单元，且精度较高，较好地实现了三维空间离散点数据场的插值。以下对六面体9节点形函数插值算法进行简要介绍。

① 根据三维离散点搜索生成六面体。将被插值点的坐标设为A(x0,y0,z0)，重新建立坐标系x′y′z′，其原点为A：

(1)

搜索距A点最近的8个象限内的节点，根据表1建立局部坐标系，生成图5所示的六面体。该六面体以点A为原点，其值可由周围8个顶点值通过一系列算法计算得出。

表1 节点坐标对应表

图5 绕A点搜索所得六面体

② 构造六面体九节点等参单元形函数。求出六面体形心B的局部坐标(ξ,η,ζ)，构造六面体8节点形函数。由式(2)得到点B的值：

(2)

Ni=(1+ξξi)(1+ηηi)(1+ζζi)/8

(3)

式中，α为B点的值；Ni为形函数；αi为六面体第i个节点的值。由此得到了第9个节点上的数据值。

根据等参单元形函数的覆盖原理，对每个节点选择不同的覆盖函数，使之覆盖本节点以外的其他节点。第1～8个节点的形函数为

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

(4)

第9个节点的形函数为

N9=(1-ξ2)(1-η2)(1-ζ2)

(5)

对待插值点A进行有限元逆变换，求出其在六面体中的局部坐标(ξ,η,ζ)，代入式(4)、式(5)求出Ni，通过式(6)求出待插值点P的值：

(6)

式中，β为B点的值；Ni为形函数；βi为六面体9节点插值单元的第i个节点的值。

(5) 风场计算。临近空间大气的风场是由压强和密度两个参量计算而来的。由于不同纬度风场的特点不同，采用的计算方法也有所差别。

① 在纬度范围为15°～80°，先根据式(7)计算地转风：

(7)

式中，f=2Ωsinφ，为地转参数，Ω为地转角速度，φ为纬度；P为气压；ρ为大气密度。

再根据式(8)计算梯度风：

(8)

② 赤道上空需特殊求解。

(9)

式中，a为地球半径。

③ 15°S～15°N之间的风场可以通过线性插值的方法得到。

2.4 格式转换

SEDRIS的出现源于建模与仿真领域的需求。它通过一种标准的转换机制，实现多格式数据库之间高效率和高规范性的数据转换及共享，从而大幅降低软件的开发维护费用，同时保证了环境数据的重用性和易用性。SEDRIS各部分由ISO/IEC 18023至ISO/IEC 18026进行规范[19-26]并有机结合，促进整体系统仿真的进行。图6揭示了SEDRIS 5个部分的运作原理以及与数据提供者和使用者的关系。

图6 SEDRIS运作原理示意图

本文基于SEDRIS标准对数据进行规范化表示，利用DRM、SRM和EDCS 3个规范实现此目的。

2.4.1 基于DRM形成大气环境数据表示标准

在SEDRIS中，大气环境数据的空间化通过网格抽象表示。具体应用时，DRM规范中的属性网格类(Property Grid)用于表示呈纬度、经度、高度三维空间网格状分布的数据，另外与网格数据相关的网格大小、位置以及坐标轴等信息，也可一并在该规范中得到统一表示。基于以上分析，采用DRM中的属性网格类来方便清晰地表示网格型大气环境数据，使其描述形象生动且便于理解。图7为描述大气环境数据空间性的数据表示模型。

图7 大气环境数据空间性的数据表示模型

该模型的Property Grid Hook Point类提供网格位置信息，其下层的3D Location类标识Property Grid对象空间的起始点，Classification Data类制定环境对象类型，Data Table类定义多维单元数组，并利用Axis类定义空间位置信息。Property Description类和Property Value类分别为赋值数据属性和描述属性取值约束。

2.4.2 基于SRM提供大气环境数据空间坐标系信息

SRM规范通过坐标系统一体化、空间位置精准描述、算法坐标转换等方法，以各种操作来实现环境数据空间坐标系的信息。

空间信息的网格化主要由空间参考系(Spatial Reference Frame，SRF)的参数设置决定。属性网格类中网格的表示需指定一个SRF。针对大气环境数据的特征，采用地球坐标系模板，模板中的各项参数设置如表2所示。

表2 大气环境SRF参数编码

2.4.3 基于EDCS规范大气环境对象属性

临近空间大气环境要素包括温度、压强、密度、风以及大气组分臭氧。由表可知，需要实例化6个Table Property Description对象，并通过属性类下层的Property Value类、Property Description类和Property Characteristic类对网格数据本身进行表示，其属性EDCS编码如表3所示。

2.4.4 基于STF和API交互大气环境数据

SEDRIS 定义了STF，即一种高效独立的中间物理数据存储和传输格式，同时为数据模型的访问和操作提供了一个功能集成的API。两者的结合使环境数据的相互作用成为可能。

利用DRM、SRM和EDCS完成近空间大气环境数据的表示后，可以调用SEDRIS的API函数来将近空间中的大气参数和大气组分的数据值填入已建立的网格中，以特定的STF格式储存临近空间大气环境数据资源。

3 结果验证

所使用的原始数据来自美国TIMED卫星搭载的SABER探测器，其数据是实测数据，符合临近空间大气特性，其真实性无需再进行验证。而基于SEDRIS规范化之后的数据，可以通过SEDRIS文件查看软件——SEDRIS FOCUS查看，包括STF文件的结构层次、网格属性以及各环境要素的属性、网格数据等。

选用北京上空2016-01-27的SABER探测数据，利用临近空间虚拟大气环境构建软件完成了大气建模及SEDRIS格式转化。

使用SEDRIS FOCUS访问软件输出的临近空间大气环境数据，通过查看文件内部结构，验证其是否与配置信息相符。图8为利用SEDRIS FOCUS查看的STF格式大气环境数据结构表示。由于臭氧的EDCS属性编码需要扩展,测试中未包括臭氧。

图8 SEDRIS FOCUS对STF格式大气环境数据结构表示

由图8可见，STF文件的顶层根节点是Transmittal Root，其下有绝对时间(Absolute Time)、文件信息根节点(Identification)、数据质量根节点(Data Quality)、文件概览(Transmittal Summary)和环境根节点(Environment Root)5个部分。其中绝对时间显示文件创建时间，文件信息根节点包含安全限制、关键词、引用和其它信息，环境根节点是文件的核心部分，给出Time Constraints Data实例对象的属性及与之关联的Property Grid类实例对象。每个实例对象包含经纬高坐标轴实例对象、6个大气环境要素和大气组分的实例对象。

经过上述验证，表明生成的 STF 格式的临近空间大气环境数据符合SEDRIS 标准。

4 结束语

本文提出一种以美国TIMED卫星的SABER探测数据为原始数据，基于参考大气模式和SEDRIS规范的临近空间虚拟大气环境构建方法，通过所开发的临近空间虚拟大气环境构建软件，生成了临近空间大气环境数据，具有较高的可信度和较强的可重用性等优点，能够丰富虚拟试验平台中的大气环境资源，提高虚拟试验逼真度和可信性。