摘?要：目前國(guó)家和軍隊(duì)對(duì)于信息技術(shù)自主可控的需求非常迫切。開(kāi)發(fā)一套基于國(guó)產(chǎn)化操作系統(tǒng)的氣象探測(cè)應(yīng)用軟件迫在眉睫。本文詳細(xì)介紹了基于國(guó)產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)處理軟件功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該軟件通過(guò)測(cè)試運(yùn)行軟件工作穩(wěn)定，操作方便，圖形界面簡(jiǎn)潔明了，功能完善，性能基本達(dá)到與Window系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)處理軟件水平相當(dāng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)處理;國(guó)產(chǎn)化;QT;麒麟操作系統(tǒng)

一、 引言

我國(guó)氣象探測(cè)系統(tǒng)中使用的各種軟硬件設(shè)備、核心電子元器件和高端通用芯片長(zhǎng)期依靠進(jìn)口，但目前國(guó)際形勢(shì)變幻莫測(cè)，西方的一些發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)常采取禁運(yùn)、限購(gòu)等方式遏制相關(guān)產(chǎn)品在我國(guó)氣象領(lǐng)域的應(yīng)用;同時(shí)，國(guó)外的基礎(chǔ)平臺(tái)還存在代碼不開(kāi)源，植入后門等不可控風(fēng)險(xiǎn)。軟件國(guó)產(chǎn)化已成為國(guó)家信息化安全的重要組成部分。

目前，我國(guó)的高空氣象探測(cè)系統(tǒng)主要基于Windows 操作系統(tǒng)研制開(kāi)發(fā)，國(guó)產(chǎn)高性能處理器能夠支持的桌面操作系統(tǒng)主要是麒麟系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)已在航空、航天等領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用，但在氣象探測(cè)領(lǐng)域尚未升入展開(kāi)。結(jié)合我國(guó)自主可控需求，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)的全自主氣象數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，利用QT開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，采用二進(jìn)制文件的方法對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。根據(jù)麒麟操作系統(tǒng)下的運(yùn)行要求，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得國(guó)產(chǎn)化數(shù)據(jù)處理軟件整體技術(shù)性能與Windows系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)處理軟件一致。

二、 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）開(kāi)發(fā)環(huán)境

在中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)下可選擇的開(kāi)發(fā)工具有GCC、Eclipse和QT等。其中QT具有很好的跨平臺(tái)和豐富的C++應(yīng)用程序庫(kù)，并且擁有自主可控的國(guó)產(chǎn)化版本。氣象探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)以QT開(kāi)發(fā)環(huán)境為平臺(tái)，采用自頂向下模塊化設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)采用QT4.8.6版本，C++語(yǔ)言作為人機(jī)交互界面的工具。

（二）軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計(jì)需求，軟件共包含如下三大模塊：文件、探空數(shù)據(jù)顯示、探空數(shù)據(jù)處理。其中文件操作模塊包含了數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子模塊;數(shù)據(jù)顯示模塊包含了探空曲線、位置曲線、探空數(shù)據(jù)、風(fēng)數(shù)據(jù)和飛行軌跡等子模塊;探空數(shù)據(jù)處理模塊包含了探空飛點(diǎn)剔除和探空數(shù)據(jù)修正子模塊。如圖1所示：

用戶可通過(guò)人機(jī)交互界面，選擇需要處理的探測(cè)數(shù)據(jù)文件，軟件對(duì)用戶選定的文件進(jìn)行解析，如果不是格式正確的探測(cè)數(shù)據(jù)文件，則反饋給用戶出相應(yīng)的錯(cuò)誤提示，如果數(shù)據(jù)格式正確，則顯示相應(yīng)的探空數(shù)據(jù)/曲線界面。用戶可在探空曲線顯示界面剔除數(shù)據(jù)飛點(diǎn)，對(duì)探空數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。修正后的探空數(shù)據(jù)會(huì)保存在探測(cè)數(shù)據(jù)文件中，原始探測(cè)數(shù)據(jù)不受影響。數(shù)據(jù)處理軟件工作流程圖如圖2所示。

三、 主要功能模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

（一）數(shù)據(jù)顯示模塊功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)顯示功能負(fù)責(zé)人機(jī)界面交互，將探測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品以直觀的方式顯示給操作人員。能夠生成溫、壓、濕隨時(shí)間變化圖、溫、壓、濕、高度、經(jīng)緯度、風(fēng)隨時(shí)間變化報(bào)表等，繪圖方式將依據(jù)通用氣象標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

氣象產(chǎn)品的可視化涉及坐標(biāo)系統(tǒng)、圖形顯示、圖標(biāo)等內(nèi)容，依據(jù)數(shù)據(jù)類型不同，顯示功能可以分為探空曲線圖形顯示、位置曲線圖形顯示、探空數(shù)據(jù)報(bào)表、風(fēng)曲線顯示、飛行軌跡顯示等。

以繪制探空數(shù)據(jù)曲線圖為例。首先根據(jù)探空時(shí)間繪制縱坐標(biāo)，根據(jù)探空數(shù)據(jù)（包括溫、壓、濕）繪制橫坐標(biāo)，并標(biāo)注橫縱坐標(biāo)值?？v坐標(biāo)最小值為0分鐘，對(duì)應(yīng)放球時(shí)間，最大值為最新的探空時(shí)間。橫坐標(biāo)氣溫范圍為-90℃至60℃，氣壓范圍為50hPa到1150hPa，濕度范圍為10%到100%。溫、壓、濕曲線分別使用紅、藍(lán)、綠顏色進(jìn)行顯示。每收到一個(gè)探空數(shù)據(jù)，則對(duì)曲線進(jìn)行一次重繪。另外可以通過(guò)鼠標(biāo)右鍵對(duì)探空曲線實(shí)現(xiàn)全程/分段顯示、放大縮小、拖放、移動(dòng)、時(shí)間設(shè)置、自動(dòng)修改、自動(dòng)滾屏等功能。Qt提供的繪圖框架主要由3個(gè)類組成：Qpainter、QPaintDevice和QPaintEngine。QPainter用來(lái)執(zhí)行與繪圖相關(guān)的具體操作，既可以繪制點(diǎn)、線、矩形、多邊形等等基本圖形，也可以繪制比較復(fù)雜的圖形。在繪圖時(shí)，可以通過(guò)畫筆（QPen）改變QPainter的屬性（顏色、線寬等）。在繪制文字時(shí)，字體由QFont類定義，通過(guò)setFont（）函數(shù)修改字體屬。系統(tǒng)中通過(guò)使用Qt繪圖scale（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)了放大，縮小功能。

數(shù)據(jù)顯示功能將根據(jù)內(nèi)存中的探空數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)分別繪制探空曲線圖形、位置曲線圖、探空數(shù)據(jù)報(bào)表、風(fēng)曲線顯示圖、飛行軌跡顯示圖等，并按照用戶選擇的顯示類型、要求顯示在界面上，如圖3所示。

（二）探空數(shù)據(jù)處理功能設(shè)計(jì)

探空數(shù)據(jù)處理主要功能包括探空飛點(diǎn)剔除和探空數(shù)據(jù)修正，探空數(shù)據(jù)修正包括時(shí)間修正、溫度修正、氣壓修正、濕度修正以及高度修正。

1. 探空飛點(diǎn)剔除

剔除飛點(diǎn)流程圖如圖4所示

圖4?探空飛點(diǎn)剔除子功能活動(dòng)圖

首先循環(huán)所有數(shù)據(jù)，將每個(gè)數(shù)據(jù)與前后數(shù)據(jù)對(duì)比，如果超過(guò)閾值，則判斷探空數(shù)據(jù)為飛點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)刪除，使用周圍數(shù)據(jù)的中值代替該數(shù)據(jù)，循環(huán)至數(shù)據(jù)結(jié)束。

2. 探空數(shù)據(jù)修正

在真實(shí)探測(cè)過(guò)程中，高空探測(cè)數(shù)據(jù)受各種因素影響，不能有效保證探空數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此通過(guò)對(duì)各種影響因素的影響程度分析，對(duì)探空數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)修正，從而能夠提高探測(cè)精度，保證探空數(shù)據(jù)質(zhì)量。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)修正主要包括時(shí)間修正、高度修正、氣壓修正、溫度修正和濕度修正。

時(shí)間修正：如果數(shù)據(jù)記錄時(shí)間與探空儀離開(kāi)地面不一致（提前后者延后點(diǎn)擊放球鍵），則應(yīng)對(duì)探空數(shù)據(jù)時(shí)間進(jìn)行修正，將記錄數(shù)據(jù)中的相對(duì)時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的推遲或者提前。

高度修正：在進(jìn)行北斗/GPS定位中大氣折射會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生折射，通常北斗/GPS模塊針對(duì)該折射進(jìn)行了近地面的修正，但是當(dāng)探空儀到達(dá)高空的時(shí)候，再進(jìn)行與地面一致的修正使得探空儀的定位高度產(chǎn)生誤差，因此需要將探空儀的定位高度進(jìn)行折射補(bǔ)償。

氣壓修正：在近地面，大氣氣壓較大，氣壓傳感器測(cè)得數(shù)值能真實(shí)的反映氣壓變化，到了高空，氣壓急劇降低，而氣壓傳感器的探測(cè)精度保持不變，因此在高空使用壓高公式對(duì)氣壓進(jìn)行計(jì)算比實(shí)際探測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確，在低空到高空的變化過(guò)程使用權(quán)重法進(jìn)行逐步迭代，以獲取更為準(zhǔn)確的探測(cè)結(jié)果。

溫度修正：對(duì)溫度的修正主要為短波輻射（太陽(yáng)輻射）修正和出云過(guò)程修正。受太陽(yáng)照射的時(shí)候應(yīng)對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行短波輻射修正，在探空儀出云時(shí)，因?yàn)樗终舭l(fā)會(huì)帶走大量熱量，因此也需要在此時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。

濕度修正：濕度傳感器的靈敏度與大氣密度具有較大的關(guān)聯(lián)，在高空大氣密度較低的情況下，濕度傳感器與在艦面相比其靈敏度具有較大的降低，因此需要對(duì)濕度進(jìn)行逆向修正，對(duì)濕度變化幅度進(jìn)行跟大氣密度相關(guān)的補(bǔ)償。

時(shí)間修正，將探空數(shù)據(jù)時(shí)間與探空儀實(shí)際離開(kāi)時(shí)間進(jìn)行比較，超過(guò)閾值則認(rèn)為時(shí)間不一致，更改探空數(shù)據(jù)中的時(shí)間數(shù)據(jù)，使其與探空儀實(shí)際離開(kāi)時(shí)間一致。

探空數(shù)據(jù)修正算法通過(guò)動(dòng)態(tài)庫(kù)封裝，程序調(diào)用接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可移植性和可維護(hù)性，提高了軟件質(zhì)量。

四、 結(jié)語(yǔ)

本文基于麒麟操作系統(tǒng)和QT平臺(tái)設(shè)計(jì)了適用于自主可控的探空數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)產(chǎn)品處理和顯示功能，可以滿足用戶軟件國(guó)產(chǎn)化的使用要求。

值得指出的是，本系統(tǒng)對(duì)探空數(shù)據(jù)衍生的氣象產(chǎn)品還需要進(jìn)一步改善，以更有效地提高數(shù)據(jù)利用率。此外，該系統(tǒng)所繪制的飛行軌跡主要是在二維空間上，后期應(yīng)增加三維空間的立體顯示功能。

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作者簡(jiǎn)介：姜孿娟，南京大橋機(jī)器有限公司。