临近空间大气虚拟环境资源的构建方法与流程

本发明涉及一种大气虚拟环境资源的构建方法。
背景技术：
：虚拟自然环境资源作为支撑虚拟试验的重要组成部分，其完善性和可信性直接影响虚拟试验的逼真度。大气环境作为综合自然环境的重要组成部分，构建临近空间大气虚拟环境资源对于完善虚拟试验系统具有重要意义。临近空间是指距地面20～100公里的空域，包括平流层，中间层和低热层。作为综合自然环境数据的重要组成部分和综合自然环境数据库开发的基础，大气环境资源的生成和完善十分重要。目前，临近空间的开发利用还处于初期阶段，飞行器在此空间内飞行的影响因素和影响程度还不明确，如果直接用实体飞行器在大气空间进行试验，将会产生许多未知的后果，甚至带来不可估量的损失。“十二五”以来，国内20km以下的大气虚拟环境资源日渐完善，而对于临近空间的大气虚拟环境资源构建方法仅仅处于起步阶段。技术实现要素：本发明为了填补国内虚拟试验系统中临近空间的大气虚拟环境资源空缺的问题。临近空间大气虚拟环境资源的构建方法，包括以下步骤：步骤1、获取临近空间大气环境资源的历史数据，包括经度、纬度、高度数据以及其对应的温度数据；步骤2、对经度、纬度、高度和温度数据中的异常数据进行处理；步骤3、将每个事件获取的高度数据进行归一化：针对每个事件对应的高度，先对每个事件中的高度数据进行四舍五入取整；然后以κ千米为间隔进行分层，将相同的高度值视为同一层的高度层，如果一个高度层内存在多个温度数据，取多个温度数据的均值作为最终该事件中该高度层的温度值；步骤4、坐标转换：将经纬度坐标转换为直角坐标；步骤5、获取每个事件的空间范围：取坐标转换后每个事件中经纬度的起点最小值和终点最大值，画出单个事件的区域范围和每个高度层所有事件表示的区域范围，便于之后的分析和数据处理；步骤6、构建每个高度层的二维数组：以经度和纬度作为维度，并将其归一化为κ′千米间隔，构建每个高度层的温度二维数组；各个事件表示的区域范围有重叠部分，在构建二维数组时，重叠部分的温度值通过求两个事件温度均值作为该区域的温度值，没有重叠则存入原温度值；步骤7、二维平滑处理：对每个二维数组进行2D平滑处理；步骤8、构建本年本月温度的三维数组：高度从20km开始，100km结束，针对以κ千米为递增间隔的高度层，逐层将平滑处理后的温度二维数组写入，最终得到以经度、纬度和高度为维度的三维数组；步骤9、按照步骤1至步骤8将若干年内同时期的温度数据进行构建并取平均值，建立可靠的三维数组的立方网格，作为虚拟试验中该月份的临近空间温度数据资源；步骤10、根据步骤1至步骤9对密度、压强进行相同的处理，得到密度和压强的三维数组的立方体网格；步骤11、将已构建好的包括温度、密度、压强在内的数据写入文本文件T；步骤12D、然后从写入数据的文本文件T中读取大气环境数据，根据SEDRIS(SyntheticEnvironmentDataRepresentationandInterchangeSpecification，综合环境数据表示与交换规范)的DRM(DataRepresentationModel，数据表示模型)、SRM(SpatialReferenceModel，空间参考模型)和EDCS(EnvironmentDataCodingSpecification，环境数据编码规范)三个规范对数据进行表示，并将大气环境数据保存为SEDRIS标准格式。优选地，临近空间大气虚拟环境资源的构建方法，还包括大气水平风场的构建过程，具体过程如下：步骤12A、根据纬度范围，确定相应的大气水平风场计算公式：(一)在纬度范围为15°～80°范围内，根据式(1)计算地转风：ug=-1fρ∂P∂yVg=1fρ∂P∂x---(1)]]>其中，P为气压，ρ为大气密度；称为地转参数，Ω为地转角速度，为地理纬度；x为向东的距离，y为向北的距离；ug、vg分别为15°～80°范围内水平纬向、经向地转风；再根据公式(2)计算梯度风：ugr=-M+(M2+2Mug)12vgr=2Mvgugr+2M---(2)]]>其中，a为地球半径；ugr、vgr分别为水平纬向、经向梯度风；(二)在纬度范围为15°S～15°N范围内，根据公式(3)计算梯度风：ue=-a2Ω(1ρ2∂ρ∂y∂P∂y-∂2P∂y2)ve=a2Ω(-1ρ2∂ρ∂y∂P∂x+1ρ∂∂y(∂P∂x))---(3)]]>其中，ue、ve分别为15°S～15°N内水平纬向、经向梯度风；步骤12B、构建大气水平风场的三维数组的均匀立方体网格：将之前构建的该区域范围的密度和压强三维数组代入风场计算公式，得到对应位置的地转风和梯度风三维数组的均匀立方体网格，由此生成该区域临近空间大气水平风场资源；步骤12C、将已构建好的风场数据写入所述的文本文件T。优选地，步骤2所述的对经度、纬度、高度和温度数据中的异常数据进行处理的具体过程如下：针对每个事件中经度、纬度、高度和温度数据，获取数据的原始平均分辨率，然后剔除异常数据，并将异常数据的前一个数据作为基础，在此基础上添加利用分辨率进行递推得到。优选地，步骤4所述坐标转换的具体过程如下：最终建立的坐标系的网格是以距离为单位的，因此根据Matlab2014a中的坐标投影系统，将每个事件中获取的经纬度数据转换为直角坐标下的距离数据，并就近取整。优选地，所述的κ与所述的κ′相等。优选地，κ＝κ′＝1。优选地，步骤1中获取临近空间大气环境资源的历史数据的具体过程为：选择SABER特定空间范围和时间范围对应的临近空间大气环境数据NC文件；读取NC文件，获取临近空间大气环境资源的历史数据。有益效果：(1)本发明采用的经验大气模式能够使大气环境资源构建结果随探测资料准确度的提高而更加准确，不需考虑临近空间大气的复杂性及许多过程的参数化方案的选择等。(2)基于卫星探测数据进行临近空间大气环境资源的构建，数据源真实可靠，构建的结果具有较高的可信度。(3)此种临近空间大气环境资源构建方法具有普遍适用性，对于全球任意大小的任何区域，资源构建过程基本不变，可以满足绝大多数情况下对虚拟试验中临近空间大气环境的要求。附图说明图1为某事件的区域范围示意图；图2为某个高度层10个事件的区域范围示意图；图3为某个事件处理过后的温度分布图；图4为对图3所表示的事件进行平滑处理后的温度分布示意图；图5为实施方式一的流程示意图；图6为实施方式二的流程示意图。具体实施方式具体实施方式一：结合图5说明本实施方式；临近空间大气虚拟环境资源的构建方法，包括以下步骤：步骤1、获取临近空间大气环境资源的历史数据，包括经度、纬度、高度数据以及其对应的温度数据；步骤2、对经度、纬度、高度和温度数据中的异常数据进行处理；从而获得无异常数据的二维矩阵，便于之后的归一化、求平均等数据处理操作；步骤3、将每个事件获取的高度数据进行归一化：针对每个事件对应的高度，先对每个事件中的高度数据进行四舍五入取整；然后以κ千米为间隔进行分层，将相同的高度值视为同一层的高度层，如果一个高度层内存在多个温度数据，取多个温度数据的均值作为最终该事件中该高度层的温度值；例：针对某个事件中的高度数据(km)99.98444366、99.61489105、99.24510956、98.87528229、98.50534821、98.13528442、97.76511383、97.39484406、97.0244751、96.65398407，该事件每个高度对应的温度值为225.5196838、225.0498047、224.7708435、224.5986786、224.3938904、224.054245、223.5292511、222.8206482、221.9805908、221.1124725，以1km为间隔进行分层，高度数据取整后得到100、100、99、99、99、98、98、97、97、97，可见在100km这个高度层对应225.5196838、225.0498047两个温度值，需要求两者均值225.28474425作为该事件100km高度层的温度，其他高度层处理方法类似。步骤4、坐标转换：将经纬度坐标转换为直角坐标；步骤5、获取每个事件的空间范围：取坐标转换后每个事件中经纬度的起点最小值和终点最大值，画出单个事件的区域范围和每个高度层所有事件表示的区域范围，便于之后的分析和数据处理；以某1km的高度层为例，获取高度层温度的空间范围，如图1和图2所示。由图可知，各个事件表示的区域范围之间是有重叠部分的。步骤6、构建每个高度层的二维数组：以经度和纬度作为维度，并将其归一化为κ′千米间隔，构建每个高度层的温度二维数组；各个事件表示的区域范围有重叠部分，所以在构建二维数组时，重叠部分的温度值通过求两个事件温度均值作为该区域的温度值，没有重叠则存入原温度值；如图3所示，为某个事件处理过后的温度分布图；步骤7、二维平滑处理：对每个二维数组进行2D平滑处理，使重叠部分与其他部分的过渡更为均匀；如图4所示，如图4为对图3所表示的事件进行平滑处理后的温度分布；步骤8、构建本年本月温度的三维数组：由于下载的NC文件以月为时间范围，所以构建的三维数组时间分辨率为月平均，根据具体要求，可截取一定的空间范围；高度从20km开始，100km结束，针对以κ千米为递增间隔的高度层，逐层将平滑处理后的温度二维数组写入，最终得到以经度、纬度和高度为维度的三维数组；步骤9、按照步骤1至步骤8将若干年内(例如前4年)同时期的温度数据进行构建并取平均值，建立更为可靠的三维数组的立方网格，作为虚拟试验中具有普遍适用性的该月份的临近空间温度数据资源；步骤10、根据步骤1至步骤9对密度、压强进行相同的处理，得到密度和压强的三维数组的立方体网格；步骤11、将已构建好的包括温度、密度、压强在内的数据写入文本文件T；步骤12D、然后从写入数据的文本文件T中读取大气环境数据，根据SEDRIS(SyntheticEnvironmentDataRepresentationandInterchangeSpecification，综合环境数据表示与交换规范)的DRM(DataRepresentationModel，数据表示模型)、SRM(SpatialReferenceModel，空间参考模型)和EDCS(EnvironmentDataCodingSpecification，环境数据编码规范)三个规范对数据进行表示，并将大气环境数据保存为SEDRIS标准格式。具体实施方式二：结合图6说明本实施方式；临近空间大气虚拟环境资源的构建方法，包括以下步骤：步骤1、获取临近空间大气环境资源的历史数据，包括经度、纬度、高度数据以及其对应的温度数据；步骤2、对经度、纬度、高度和温度数据中的异常数据进行处理；从而获得无异常数据的二维矩阵，便于之后的归一化、求平均等数据处理操作；步骤3、将每个事件获取的高度数据进行归一化：针对每个事件对应的高度，先对每个事件中的高度数据进行四舍五入取整；然后以κ千米为间隔进行分层，将相同的高度值视为同一层的高度层，如果一个高度层内存在多个温度数据，取多个温度数据的均值作为最终该事件中该高度层的温度值；例：针对某个事件中的高度数据(km)99.98444366、99.61489105、99.24510956、98.87528229、98.50534821、98.13528442、97.76511383、97.39484406、97.0244751、96.65398407，该事件每个高度对应的温度值为225.5196838、225.0498047、224.7708435、224.5986786、224.3938904、224.054245、223.5292511、222.8206482、221.9805908、221.1124725，以1km为间隔进行分层，高度数据取整后得到100、100、99、99、99、98、98、97、97、97，可见在100km这个高度层对应225.5196838、225.0498047两个温度值，需要求两者均值225.28474425作为该事件100km高度层的温度，其他高度层处理方法类似。步骤4、坐标转换：将经纬度坐标转换为直角坐标；步骤5、获取每个事件的空间范围：取坐标转换后每个事件中经纬度的起点最小值和终点最大值，画出单个事件的区域范围和每个高度层所有事件表示的区域范围，便于之后的分析和数据处理；以某1km的高度层为例，获取高度层温度的空间范围，如图1和图2所示。由图可知，各个事件表示的区域范围之间是有重叠部分的。步骤6、构建每个高度层的二维数组：以经度和纬度作为维度，并将其归一化为κ′千米间隔，构建每个高度层的温度二维数组；各个事件表示的区域范围有重叠部分，所以在构建二维数组时，重叠部分的温度值通过求两个事件温度均值作为该区域的温度值，没有重叠则存入原温度值；如图3所示，为某个事件处理过后的温度分布图；步骤7、二维平滑处理：对每个二维数组进行2D平滑处理，使重叠部分与其他部分的过渡更为均匀；如图4所示，如图4为对图3所表示的事件进行平滑处理后的温度分布；步骤8、构建本年本月温度的三维数组：由于下载的NC文件以月为时间范围，所以构建的三维数组时间分辨率为月平均，根据具体要求，可截取一定的空间范围；高度从20km开始，100km结束，针对以κ千米为递增间隔的高度层，逐层将平滑处理后的温度二维数组写入，最终得到以经度、纬度和高度为维度的三维数组；步骤9、按照步骤1至步骤8将若干年内(例如前4年)同时期的温度数据进行构建并取平均值，建立更为可靠的三维数组的立方网格，作为虚拟试验中具有普遍适用性的该月份的临近空间温度数据资源；步骤10、根据步骤1至步骤9对密度、压强进行相同的处理，得到密度和压强的三维数组的立方体网格；步骤11、将已构建好的包括温度、密度、压强在内的数据写入文本文件T；步骤12A、确定大气水平风场的计算公式：大气水平风场指的是水平梯度风场，包括纬向风和经向风；由于不同的纬度风场的特点也不同，所以其计算方法在纬度范围15°～80°范围内和赤道上空需要根据不同的公式计算梯度风；而15°S～15°N之间的风场可以通过线性插值的方法得到；根据纬度范围，确定相应的风场计算公式：(一)在纬度范围为15°～80°范围内，根据式(1)计算地转风：ug=-1fρ∂P∂yvg=1fρ∂P∂x---(1)]]>其中，P为气压，ρ为大气密度；称为地转参数，Ω为地转角速度，为地理纬度；x为向东的距离，y为向北的距离；ug、vg分别为15°～80°范围内水平纬向、经向地转风；再根据公式(2)计算梯度风：ugr=-M+(M2+2Mug)12vgr=2Mvgugr+2M---(2)]]>其中，a为地球半径；ugr、vgr分别为水平纬向、经向梯度风；(二)赤道上空需要特殊求解，在纬度范围为15°S～15°N范围内，根据公式(3)计算梯度风：ue=-a2Ω(1ρ2∂ρ∂y∂P∂y-∂2P∂y2)ve=a2Ω(-1ρ2∂ρ∂y∂P∂x+1ρ∂∂y(∂P∂x))---(3)]]>其中，ue、ve分别为15°S～15°N内水平纬向、经向梯度风；步骤12B、构建大气水平风场的三维数组的均匀立方体网格：大气水平风场主要利用大气密度和压强、地球轨道半径和转角速度等计算得到，因此将之前构建的该区域范围的密度和压强三维数组代入风场计算公式，得到对应位置的地转风和梯度风三维数组的均匀立方体网格，由此生成该区域临近空间大气水平风场资源；步骤12C、将已构建好的风场数据写入所述的文本文件T；步骤12D、然后从写入数据的文本文件T中读取大气环境数据，根据SEDRIS的DRM、SRM和EDCS三个规范对数据进行表示，并将大气环境数据保存为SEDRIS标准格式。至此，临近空间大气环境数据资源的构建完成，构建了包括温度、密度、压强和风场在内的数据库。每个大气元素的数据以三维均匀网格形式保存，为了便于之后的数据转换，将其写入txt文件。具体实施方式三：本实施方式步骤2所述的对经度、纬度、高度和温度数据中的异常数据进行处理的具体过程如下：针对每个事件中经度、纬度、高度和温度数据，获取数据的原始平均分辨率，然后剔除异常数据，并将异常数据的前一个数据作为基础，在此基础上添加利用分辨率进行递推得到。以温度数据的异常值处理为例：异常极大值一般分布在每个事件中温度数据的最后两个数据中，以温度数据的后10个温度数据为例，事先根据温度数据获得原始平均分辨率，温度数据的后10个温度数据：225.5196838、225.0498047、224.7708435、224.5986786、224.3938904、224.054245、223.5292511、222.8206482、221.9805908、221.1124725、220.2646179、219.3830872、218.3756866、217.1251678、215.4690247、213.3180847、210.8113708、208.0403748、9.96921E+36、9.96921E+36，可见最后两个数据为异常数据。首先根据温度数据获得原始平均分辨率，将异常值前的所有温度数据取相邻温度差值，然后对这些差值求平均值，并将平均值作为该事件的温度原始分辨率。数据中的最后两个数据为异常数据，以倒数第三个数据为基础，在倒数第三个数据的基础上添加原始分辨率递推得到最后两个数据。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式步骤4所述坐标转换的具体过程如下：因为最终建立的坐标系的网格是以距离为单位的，因此根据Matlab2014a中的坐标投影系统，将每个事件中获取的经纬度数据转换为直角坐标下的距离数据，并就近取整。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。具体实施方式五：本实施方式所述的κ与所述的κ′相等。当κ＝κ′时经度、纬度和高度构成的方格为正方体方格。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。具体实施方式六：本实施方式所述的κ＝κ′＝1。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。具体实施方式七：本实施方式所述步骤1中获取临近空间大气环境资源的历史数据的具体过程为：选择SABER特定空间范围和时间范围对应的临近空间大气环境数据NC文件；读取NC文件，获取临近空间大气环境资源的历史数据。以获取某个地区四年的数据为例，2012～2015四年的48个月的48个NC文件，每个文件中包含NC文件的信息、存储的经度、纬度、高度、温度等数据，利用NetCDF4Excel插件和matlab读取NC文件，获得临近空间大气环境资源的历史数据。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。当前第1页1 2 3