大气环境仿真中数据模型及数据库的设计与实现

489图1大气环境特征间的关系大气环境仿真中数据模型及数据库的设计与实现刘卫华王行仁（北京航空航天大学先进仿真航空科技重点实验室100083）摘要大气环境对飞行器有着至关重要的影响，不仅影响着飞行器本身的飞行和作战性能，而且也影响着飞行器操纵人员的决策。所以，大气环境仿真是高逼真度飞行仿真器设计的一个的重要组成部分。本文基于数据场的概念建立了大气环境数据模型，然后根据这个大气环境数据模型设计了一个具有四叉树结构的大气环境数据库，很好的解决了多分辨率的问题。昀后将大气环境数据库映射到SEDRIS表示。关键词：大气环境仿真数据模型数据库1引言大气环境对飞行器有着至关重要的影响，不仅影响着飞行器本身的飞行和作战性能，而且也影响着飞行器操纵人员的决策。所以，飞行仿真器必须能够提供各种不同的大气环境条件设置，并仿真大气环境对飞行器造成的影响。本文以下的部分首先建立了一个大气环境数据模型，然后根据这个大气环境数据模型设计了一个具有四叉树结构的大气环境数据库，很好的解决了多分辨率的问题。昀后将大气环境数据库映射到SEDRIS表示。2大气环境数据模型建立大气环境数据模型是大气环境仿真第一步。大气环境数据模型由特征（Feature）和分别属于不同特征的各种属性（Attribute）构成。大气环境数据模型中包含了飞行仿真器所需的各种大气环境属性，并规定这些属性表示方法和取值范围。根据大气环境数据模型可以进一步构建大气环境数据库。大气环境适合用场模型描述，关注各种物理量的值，如温度、湿度、气压等，这些物理量直接映射到属性（Attribute）。在真实世界中，它们在时间和空间上都是动态变化的。大气环境中的物理量非常多，要根据飞行仿真器的实际需要确定典型的大气环境属性。大气环境属性的时空动态本质在SNE数据场中得到反映，并分别属于不同的特征类型，这些特征的表现形式可以是3D、2D网格或者其他形式的网格。2.1大气环境的典型特征大气环境各特征间的关系如图1所示。490大气特征可以分为体大气特征和地表大气特征两种，体大气特征所包含的属性通常在三个维上变化，只能获得两维数据的体大气特征使用二维特征类型表示。地表大气特征的属性是只在地面附近区域专有（如雾），或者在地表上需要精确值（如标准大气模型地表初始值）的属性。本文设计的大气环境数据模型综合考虑了由数值大气模型生成和点观测（如气象站）两种获取大气环境数据的情况，并将体大气和地表大气的表示结合在一起。每个网格点（或观测点）上包含一个ATMOSPHERE_PROPERTY_SET特征，这个特征是一个聚合类特征，包含与此网格点相关的所有属性集，由WIND，CLOUD_LAYER，AIR_PARAM，AIR_VISIBILITY，ELECTROMAGNETIC_DUCT和HAZE等几个特征构成。本文中大气环境属性，枚举值以及大气特征类型都使用EDCS3.1定义[3]WIND特征包含位于特定高度的风层属性，每个网格点上可以有一个地表风层和多个高空风层。每个风层中包含风速、风向、紊流强度、阵风强度等多个属性。CLOUD_LAYER特征包含云顶高、云底高、云的类型和覆盖率、降水类型和强度等属性，由于大气环境中的降水决定于云层，所以降水强度和类型等属性也被包含在CLOUD_LAYER特征中。每个网格点上可以有一个或多个云层。AIR_PARAM特征用于表示除风以外的在整个三维空间连续变化的大气属性，例如温度、气压、密度、相对湿度等，每个网格点上根据高度的不同具有多个AIR_PARAM。ELECTROMAGNETIC_DUCT包括一些影响传感器性能的大气属性。HAZE特征包含与能见度相关的大气环境属性。LOCAL_ATMOSPHERIC_SUSPENSION用于对类似烟雾的人为或自然形成的悬浮物建模，它的位置不在特定的网格点上，而是根据实际发生的位置确定。2.2大气环境的典型属性大气环境所包含的属性非常多，对于飞行仿真器应用来说，存在很多冗余的属性，并且很多属性之间存在耦合，一些属性可以从其它属性派生出来，大气环境数据模型所确定的属性集是整个大气环境属性集的一个子集，从这个子集可以派生出飞行仿真器模型所需的一些其它辅助属性。在确定数据模型的属性集时要考虑在运行时派生这些辅助属性的代价，如果计算代价太高，则将这些属性直接包含在数据模型中。例如，大气密度属性，尽管它可以从其它属性派生出来，但由于计算复杂则被直接包含在大气环境数据模型中。大气环境得物理模型非常复杂，但军事模型对大气环境属性的需求相对比较确定，表1中列举了一些昀典型的大气环境属性。表1典型的大气环境属性环境属性编码（EAC）描述AIR_TEMPERATURE大气温度ATM_PRESSURE大气压力AIR_DENSITY大气密度RELATIVE_HUMIDITY与昀大绝对湿度的比值TURBULENCE_INTENSITY紊流强度WIND_GUST_SPEED昀大阵风速度491WIND_SPEED_U风的U分量，测地坐标系，东西方向，东为正WIND_SPEED_V风的V分量，测地坐标系，南北方向，北为正WIND_SPEED_W风的W分量，垂直方向，与气压坐标相关PRECIPITATION_INTENSITY降水强度PRECIPITATION_TYPE降水类型CLOUD_BASE_ALTITUDE云底高CLOUD_TOP_ALTITUDE云顶高VISIBILITY_DISTANCE能见度3大气环境数据库3.1大气环境的数据源建立了大气环境数据模型，就要根据这个数据模型确定的大气环境属性构建大气环境数据库。在飞行仿真器应用中，主要强调典型大气数据的应用，这些大气环境数据的来源有两种，一是由大气数值模型生成，另一种是大气历史观测数据。这两种数据具有不同的结构，大气环境数据库应该能够存储这两种不同的大气环境数据。MM5是一个典型的中尺度气象预报模式，由美国国家大气研究中心（NCAR，NationalCenterforAtmosphericResearch）开发，依据大气动力学和大气辐射的基本原理，可以以任意尺度模拟全球任意地域的大气环境。设定边界条件后，可由MM5模型得到随时间变化的水平风场、垂直风场、湿度、温度、气压、密度、降水量等基本参数，甚至可以模拟风暴等强对流天气[1]。在仿真运行过程中，大气环境数据要及时地提供给参与仿真的实体，而大气数值模型一般比较复杂，计算量很大，在硬件条件有限的情况下难以在要求的时间内完成相应的计算，所以一般在仿真运行前的数据准备阶段根据仿真需要设置初始条件，对大气数据模型进行离线解算，生成大气环境数据库，然后在运行时从数据库中提取所需的大气环境数据。大气环境数据库必须有良好的结构，以便能够在运行时高效的查询。另一种是大气观测数据，主要来源于分布在世界各地的气象观测站常规观测的各种地面和探空气象数据，以及通过飞机﹑雷达和气象卫星等各种非常规观测工具和手段得到各种气象信息。由于地理环境等方面的制约因素，观测站的地理分布是非常不均匀的，所以原始的大气观测数据并不是在网格上均匀分布的，必须经过客观分析、资料同化，消除缺陷并转换成均匀分布在网格点上的资料才能使用。这些气象资料能更真实地反映大气在某一时刻的状态，并能够作为数值预报模式所需的初始场资料，经过累积，形成某一时段的历史实况数据，也可用于构建仿真所需的大气环境数据库。3.2基于四叉树的大气环境数据库由于不同的仿真情况对大气环境数据的分辨率具有不同的需求，然而受计算资源的限制又不可能全部以昀高分辨率表示大气数据，所以大气环境数据库应该能够存储多分辨率的数据。本文基于四叉树结构设计并实现了一种大气环境数据库，很好的解决了多分辨率数据的存储问题，并能够支492持对飞行仿真器中所需的各种大气环境数据的高效查询。3.2.1大气信息记录不同大气环境属性具有不同的昀佳表示方式，例如降水、雾、云等属性适合以2D网格表示，而气温、气压、湿度、空气密度等适合用3D网格表示。本文用“大气信息记录”表示这些环境数据，同一经纬度的大气环境数据构成一个“大气信息记录”，记为AR。大气信息记录AR定义为：(,,,,)ARCWAPEDH=。其中，C表示CLOUD_LAYER特征的属性数据，W表示WIND特征的属性数据，AP表示AIR_PARAM特征的属性数据，ED表示ELECTROMAGNETIC_DUCT特征的属性数据，H表示HAZE特征的属性数据。AR的每个元素可以表示成一个集合。在同一经纬度上可以有多个云层，设云层数为m，C可以表示为一个集合：12{,,,}mCCCC=L，iC包括第i个云层的所有属性数据，{1,2,,}im∈L。设风场在垂直方向上的层数为n，则12{,,,}n=L，iW包含第i个WIND特征实例的所有属性数据，{1,2,,}in∈L。设AP在高度上的采样数为k，12{,,,}kAPAPAPAP=L，iAP包含第i个AIR_PARAM特征实例的属性数据，{}1,2,,ik∈L。ED和H只有一组属性数据，所以1{}RDRD=，1{}HH=。3.2.2大气数据库的四叉树结构本文设计的大气环境数据库采用空间四叉树结构组织数据。采用四叉树结构可以支持空间多分辨率，避免对只需较低分辨率的区域过采样，从而提高了存储空间的利用效率。由于空间区域是规则划分的，所以给定一个空间点时，能够高效地进行数据检索和插值。在边长为U和V的矩形战场区域中，只有局部区域需要较高的分辨率，而大部分区域可以采用较低的分辨率。首先确定一个满足多数仿真应用需求的昀低分辨率，称为大气基本分辨率。然后，对整个战场区域D进行区域四叉树划分，每次划分将矩形分成四个大小相等的矩形，经过r次划分得到满足大气基本分辨率需求的昀大网格单元2{(,):0,1,,21}rDiri=−L，其中i表示第r次划分得到的网格单元的编号。(,)Dir边长分别为/2rU和/2rV，且(,)iDDir=U。这样战场区域就构成了一个r层四叉树结构，其叶节点为网格单元(,)Dir。按网格单元(,)Dir的中心点坐标生成大气信息记录(,)ARir，将大气信息记录存储在四叉树结构的第r层叶节点上，这样就形成了战场区域D的大气环境基本场。设网格单元(,)Djr，2{0,1,,21}rj∈−L需要更高的分辨率，则为满足分辨率要求进一步对(,)Djr进行h次四叉树划分，形成一个子树，其叶(0,0)D(0,1)D(1,1)D(2,1)D(3,1)D图2战场区域的四叉树划分493节点为2{(,):0,1,,21}hDkrhk+=−L，且(,)(,)kDjrDkrh=+U。按节点(,)Dkrh+的中心点坐标生成大气信息记录(,)ARkrh+存储在该节点上，形成区域(,)Djr的内嵌高分辨率大气数据场（图2）。空间四叉树划分只涉及到二维平面区域的多分辨率问题。对于垂直方向多分辨率需求，通过在高度上非等距采样实现。由于相同经纬度上的所有大气环境数据存储在一个大气信息记录中，所以垂直方向上的多分辨率不影响大气数据的存储和检索。在时间维上，以大气基本场为准，每个时间采样点上的大气数据构成一棵区域四叉树。在空间上需要高分辨的区域往往在时间上也需要高分辨率，设大气基本场时间步长为1t∆，高分辨率区域(,)Djr的时间步长为2t∆，令[]12/Ntt=∆∆，即在1t∆内，(,)Djr区域内的高分辨率大气数据变化N次，则在节点(,)Djr的子树的叶节点(,)Dkrh+上需要存储N个大气信息记录。0tL02tt+∆02(1)tNt+−∆4结论本文设计实现的大气环境数据模型和数据库不仅可以应用于飞行仿真器，也可以应用于对大气环境具有高逼真度要求的分布交互仿真中。下一步要做的工作是将大气环境数据库映射到SEDRIS，以促进大气环境数据库的共享、交换和重用。参考文献[1]庞国锋.基于HLA的虚拟自然环境服务器的研究与实现.系统仿真学报，2003，15(1):41-47.[2]Birkel,P.A.,etal.BreachingtheM&SMETOCOperationalBarrier:TheWorl