楊曉云,劉代志,何恒,侯維君,李義紅

(火箭軍工程大學(xué),陜西 西安 710025)

?空天防御體系與武器

基于IGS數(shù)據(jù)的電離層VR模型構(gòu)建研究*

楊曉云,劉代志,何恒,侯維君,李義紅

(火箭軍工程大學(xué),陜西 西安 710025)

全球電離層模型的構(gòu)建是描述地球近地空間環(huán)境的重要環(huán)節(jié)。IGS提供了全球電離層圖GIMs，其時(shí)間和空間的分辨率較低。研究了BERN程序代碼的GIMs插值方法和格網(wǎng)插值算法，對(duì)比了最鄰近插值、三次樣條插值和雙線性插值不同插值算法間的差異。程序?qū)崿F(xiàn)了全天任意時(shí)刻全球電離層模型的三維動(dòng)態(tài)演示功能。為全球電離層分布變化研究提供了動(dòng)態(tài)交互的三維電離層模型,為全球電離層模型的構(gòu)建和電離層形態(tài)學(xué)研究提供了一種更為逼真、可交互的電離層三維演示平臺(tái)。

IGS;GIM;VTEC;VRML;電離層模型;虛擬現(xiàn)實(shí)

0 引言

隨著戰(zhàn)場(chǎng)空間的拓展，“陸、海、空、天、電”五維空間已成為戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真中重要的環(huán)境仿真要素[1]?？臻g環(huán)境是航天器異常和故障的重要誘因。電離層是地球空間環(huán)境的重要組成部分，它對(duì)衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有著重要的影響。

電離層復(fù)雜多變，它與太陽輻射、地球磁場(chǎng)的變化緊密相關(guān)，對(duì)其變化規(guī)律的研究尤為重要。在構(gòu)建包含電離層信息的虛擬空間環(huán)境時(shí)，大量的電離層數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致虛擬仿真系統(tǒng)運(yùn)行速度降低。如何提高虛擬仿真系統(tǒng)的運(yùn)行速度以及快速構(gòu)建逼真的全球電離層虛擬模型是當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵問題。國(guó)際GPS服務(wù)IGS(international GNSS service)提供了全球電離層格網(wǎng)地圖，這些數(shù)據(jù)可在IGS的綜合分析中心下載。IGS根據(jù)全球7個(gè)IGS分析中心給出的電離層VTEC(vertical total electron content)計(jì)算結(jié)果取加權(quán)平均值，求得最終的GIMs(global ionosphere maps )地圖，最后將地圖數(shù)據(jù)傳送給全球資料中心和中央局的信息中心，免費(fèi)的、公開的供用戶使用[2]。本研究采用IGS提供的GIMs地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間和空間插值計(jì)算并結(jié)合VRML(virtual reality modeling language)技術(shù)構(gòu)建了全球電離層三維模型。

1 IGS電離層產(chǎn)品介紹

IGS提供的電離層產(chǎn)品格式為IONEX 1.0格式。其下載地址為：ftp:∥cddis.gsfc.nasa.gov /gps/products/ionex/yyyy/ddd。其中yyyy為觀測(cè)數(shù)據(jù)的年份，ddd為為觀測(cè)數(shù)據(jù)的日期，以每年1月1日為起始的天累計(jì)數(shù)。在IGS的FTP下載文件為壓縮包，文件名為 igsgDDD0YYi.z。 解壓縮后文件名為igsgDDD0.YYi，其中DDD為觀測(cè)數(shù)據(jù)的日期，以每年1月1日為起始的天累計(jì)數(shù)；YY為觀測(cè)年份的后2位數(shù)。如igsg2060.15i表示2015年從1月1日起算的第206天電離層全球地圖數(shù)據(jù)[3]。

全球電離層地圖全天從0點(diǎn)開始，每隔2小時(shí)提供一幅地圖，共有13幅地圖。如下所示：

1.0 IONOSPHERE MAP MIX IONEX VERSION/

這段數(shù)據(jù)為文件頭，1.0說明文件為1.0 IONOSPHERE MAPS MIX 格式，

2012 6 19 0 0 0 EPOCH OF FIRST

MAP

2012 6 20 0 0 0 EPOCH OF FIRST

MAP

7200 INTERVAL

13 # OF MAPS IN

FILE

COSZ MAPPING

這段數(shù)據(jù)表示觀測(cè)開始和結(jié)束時(shí)刻。數(shù)據(jù)間隔為7 200 s，全文件含有13幅圖，TEC投影為VTEC值的投影函數(shù)為COSZ。

圖1這段數(shù)據(jù)表示:全球有426個(gè)觀測(cè)站、32顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)被使用；地球半徑為6 371.0 km；地圖為二維地圖；電離層高度為海拔450 km；緯度范圍為87.5°～-87.5°，經(jīng)度范圍-180°～180°，格網(wǎng)間距緯度為5°，經(jīng)度為-2.5°。

圖1 IGS數(shù)據(jù)文件片段1Fig.1 IGS data file part 1

圖2這段數(shù)據(jù)為電離層VTEC地圖數(shù)據(jù)從2012-06-19T7：00：00開始的第1幅地圖。該段數(shù)據(jù)緯度為87.5°，經(jīng)度-180°～180°，海拔高度450 km處的格網(wǎng)電離層VTEC值[4-5]。

圖2 IGS數(shù)據(jù)文件片段2Fig.2 IGS data file part 2

2 電離層VTEC地圖插值方法研究

為了獲得任意時(shí)間的全球電離層VTEC地圖，需要對(duì)IGS提供的每隔2 h一幅的電離層VTEC地圖進(jìn)行時(shí)間域的插值，以期獲得全天任意時(shí)刻t對(duì)應(yīng)的GIM地圖。

本文采用了BERN程序源代碼中的插值方法，它提供了4種內(nèi)插算法,其算法公式分別為[2，6-7]

E(β,λ,t)=Ei(β,λ)，

(1)

(2)

(3)

(4)

根據(jù)上面的4個(gè)公式，可以得到一天中任意時(shí)刻的全球電離層地圖。圖3為IGS電離層地圖數(shù)據(jù)經(jīng)過最近鄰插值得到的當(dāng)日0時(shí)的GIM圖。本文采用了式(3)進(jìn)行了GIM圖插值計(jì)算，然后再采用最鄰近插值進(jìn)行格網(wǎng)插值，計(jì)算結(jié)果見圖3。圖3為當(dāng)日1時(shí)的GIM圖。圖3～6中，tec軸為格網(wǎng)電離層VTEC值，單位TECU；lat軸為格網(wǎng)緯度，單位(°)；lon軸為格網(wǎng)經(jīng)度，單位(°)。

圖3 當(dāng)日1時(shí)的GIM圖Fig.3 GIM Map at 1:00 am

本文還考察了采用式(3)與式(2)2種插值算法的差值，即由式(3)計(jì)算當(dāng)日1時(shí)GIM圖和式(2)計(jì)算當(dāng)日1時(shí)GIM圖差值見圖4。從圖4中可以看出考慮了地球自轉(zhuǎn)和時(shí)間延遲的地圖插值結(jié)果與僅考慮時(shí)間延遲的插值結(jié)果最大偏差在±7TECU。由于GIM地圖格網(wǎng)較大，要得到全球任意位置的VTEC數(shù)據(jù)，還需對(duì)插值得到的GIM地圖進(jìn)行格網(wǎng)插值。本文采用了基于最鄰近插值、線性插值、樣條插值3種方法對(duì)格網(wǎng)地圖進(jìn)行插值，見圖5鄰近插值減去雙線性插值結(jié)果。本文采用Matlab軟件生成了格網(wǎng)為1°×1°的插值結(jié)果圖。

圖4 2種插值算法差值Fig.4 Deviation of two methods

設(shè)插值格網(wǎng)為數(shù)組[x,y]，VTEC插值為數(shù)組Z1，腳本文件插值函數(shù)語句為

[x,y]=meshgrid(lons,lats)；%lons為數(shù)組(-180:5:180) ,lats為數(shù)組(87.5:-2.5:-87.5);z為GIM地圖中讀取的VTEC數(shù)組

TecMap=[x,y,z];%加密格網(wǎng)

[X,Y]=meshgrid(-180:1:180,87.5:-1:-87.5);

%格網(wǎng)插值：最鄰近插值(可選用樣條插值、線性插值、三次樣條插值)

Z1=interp2(x,y,z,X,Y,‘nearest’);%最鄰近插值

Z1=interp2(x,y,z,X,Y,‘spline’);%樣條插值

Z1=interp2(x,y,z,X,Y);%線性插值

Z1=interp2(x,y,z,X,Y,‘cubic’);%三次樣條插值

不同插值算法輸出的結(jié)果差異分布不均勻。總體看來，對(duì)比表明鄰近插值減去雙線性插值結(jié)果最大偏差小于±8.5TECU，見圖5；三次樣條減去雙線性插值結(jié)果最大偏差小于±8TECU，見圖6；各種插值算法偏差較大的區(qū)域分布在TEC變化劇烈的區(qū)域。

圖5 鄰近插值與雙線性插值偏差Fig.5 Deviation between neighbor interpolation and bilinear interpolation

圖6 三次樣條插值與雙線性插值偏差Fig.6 Deviation between cubic spline interpolation and bilinear interpolation

3 全球電離層三維VR模型的構(gòu)建

為了更好展現(xiàn)全球電離層變化情況，并且減少虛擬仿真系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量，將電離層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形并作為紋理加入到虛擬仿真系統(tǒng)是一種有效的方法[8-9]。本文首先將插值好的全球電離層地圖生成等VTEC值線圖。對(duì)應(yīng)的Matlab腳本為

contour(X,Y,Z1);

然后，再采用VRML語言構(gòu)建了地球3D建模。其主要方法是生成一個(gè)球體模型，然后添加地球紋理。

其思路是先制作一個(gè)球體，然后選擇一幅地球大陸圖片earth.JPG，作為紋理貼在球體上[10-12]。VRML代碼如下：

#VRML V2.0 utf8

DEF Sphere01 Transform {

translation 0 0 0

children [

Shape {

appearance Appearance {

material Material {

diffuseColor 0.5882 0.5882 0.5882

ambientIntensity 1.0

specularColor 0 0 0

shininess 3

}

texture ImageTexture {

url "earth.JPG"

}

}

在此基礎(chǔ)上，再制作一個(gè)大小與上一個(gè)地球一樣大小的透明球并使其與地球模型重合然后將插值模型得到的電離層等直線圖作為紋理添加在透明球模型上。在添加等直線圖時(shí)注意要使得2幅圖位置相對(duì)應(yīng)，本文采用的地圖文件左邊界為經(jīng)度0°，所制作的VTEC等直線圖左邊界也為經(jīng)度0°。否則貼圖沒有對(duì)應(yīng)到一起會(huì)使得VTEC圖與真實(shí)對(duì)應(yīng)的地球位置錯(cuò)位偏移。

為了達(dá)到更好的仿真效果，使得瀏覽者能夠既看到地球大陸輪廓又能看到VTEC等直線圖，將已制作的等高線地圖透明度設(shè)置為0.5，以便它貼在三維地球模型上時(shí)能夠透出地球自然地貌，Shape節(jié)點(diǎn)只是增加transparency節(jié)點(diǎn)，設(shè)置為0.5；紋理的url設(shè)置為已制作的等直線圖contour.JPG[13-15]。對(duì)應(yīng)代碼為

DEF Sphere02 Transform {

translation 0 0 0

children [

Shape {

appearance Appearance {

material Material {

diffuseColor 0.5882 0.5882 0.5882

ambientIntensity 1.0

specularColor 0 0 0

shininess 3

transparency 0.5

}

texture ImageTexture {

url "contour.JPG"

}

}

運(yùn)行效果見圖7。

圖7 全球電離層VR模型Fig.7 Global ionosphere VR model

4 結(jié)束語

本文首先研究了IGS電離層VTEC地圖插值方法，在時(shí)間域和空間域?qū)IM地圖進(jìn)行插值。通過研究表明文章中的方法適合于構(gòu)建全球電離層插值地圖。通過對(duì)比不同插值算法，發(fā)現(xiàn)不同插值方法差異較大的地區(qū)主要分布在電離層VTEC值較大的區(qū)域，通常最大差異值達(dá)到±8TECU左右。本文將插值結(jié)果生成等直線圖，將其應(yīng)用在三維VR地球模型中，得到了具有交互、動(dòng)態(tài)演示功能的全球電離層模型。使用該方法可以制作全球任意時(shí)刻全球電離層VR模型，為全球電離層形態(tài)學(xué)、電離層與地球磁場(chǎng)研究以及電離層與太陽活動(dòng)研究提供了交互式的三維仿真演示平臺(tái)。

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IonosphereVRModelConstructionBasedonIGSData

YANG Xiao-yun， LIU Dai-zhi， HE Heng， HOU Wei-jun，LI Yi-hong

(Rocket Force University of Engineering，Shaanxi Xi′an 710025，China)

The construction of global ionosphere model is an important element of the near-earth space environment. IGS presents GIMs, but it has a low-resolution in time and space. The interpolating algorithms of BERN program and interpolation algorithms are used and the difference between nearest, spline and cubic interpolation algorithms are presented. The program outputs a 3D ionosphere VR model. The platform has a function to show a dynamic and mutual 3D ionosphere model at anytime and anywhere. Moreover, the 3D ionosphere demo platform is realistic and exact for the construction and morphologic research of the ionosphere.

international GNSS service (IGS); global ionosphere maps (GIM); vertical total electron content (VTEC); virtual reality modeling language (VRML); ionosphere model; virtual reality

2016-09-08；

2017-02-20

楊曉云(1980-)，女,陜西三原人。講師,博士生,主要研究方向?yàn)殡婋x層閃爍。

通信地址：710025 陜西省西安市灞橋區(qū)洪慶街道同心路2號(hào)2906分隊(duì)E-mail：yangxiaoyun303@126.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.05.002

TP391.4

A

1009-086X(2017)-05-0007-05