[发明专利]一种基于量子游走的临近空间大气状态模拟方法及装置

权利要求书

1.一种基于量子游走的临近空间大气状态模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于临近空间大气随纬度的变化特征，将研究区域按纬度分割为多个条带；

(2)基于步骤(1)所述条带构造的一维拓扑网络，用量子游走模拟条带间气体分子的相互作用和转移过程，得到临近空间大气的所有可能的演化模式；

(3)以观测的大气密度数据作为边界条件，基于逐步回归筛选出各条带实际存在的演化模式；

(4)构建临近空间大气多演化模式和大气密度参数值之间的映射机制，实现临近空间大气状态的模拟与调优。

2.根据权利要求1所述的基于量子游走的临近空间大气状态模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)实现过程如下：

基于空间分区的思路，以一定的经度、纬度和时间分辨率来离散化临近空间大气状态，组织形成临近空间大气状态时空立方体；其中，各时空立方体单元间的大气状态参量以该单元中的卫星观测数据的平均值来表示。

3.根据权利要求1所述的基于量子游走的临近空间大气状态模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)实现过程如下：

量子游走的动力学特性由哈密顿矩阵H控制，且该哈密顿矩阵H由游走网络的拓扑结构决定，通常以邻接矩阵来表示，将其抽象为一维拓扑网络，其哈密顿矩阵为：

在量子游走中，对于一个给定的量子游走参数k_m(m＝1,2,…,M)，时间演化算符表示为：

用λ(0)表示游走者在初始时刻的状态，通过时间演化算符，则游走者在t时刻的状态可表示为：

λ(t,k_m)＝U(t,k_m)λ(0) (3)

其中，λ(t,k_m)是波函数，表示游走者在时刻t处于任一节点的概率辐；游走者的状态表示为：

因此，构建量子游走参数集并在此参数集下进行量子游走，便可生成一系列波函数；且这些波函数表示不同强度的临近空间大气演化模式，以此反应临近空间大气的复杂结构特征。

4.根据权利要求1所述的基于量子游走的临近空间大气状态模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)实现过程如下：

以逐步回归子集筛选法作为临近空间大气演化模式的筛选方法，在实际观测的临近空间大气状态参量时间序列Dens(t)的约束下，所有可能的大气演化模式(λ(t,k₁),λ(t,k₂),...,λ(t,k_M))进行逐步回归子集筛选，可将其表示为：

基于赤池信息量准则(AIC)，使用式(5)中的逐步回归子集筛选方法对所有可能的大气演化模式(λ(t,k₁),λ(t,k₂),...,λ(t,k_M))进行筛选，得到模态筛选结果，记为且其中N为筛选所得的大气演化模式个数，n为筛选所得的大气演化模式在所有可能的大气演化模式中的序号。

5.根据权利要求1所述的基于量子游走的临近空间大气状态模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)实现过程如下：

基于步骤(3)筛选的实际存在的演化模式建立临近空间大气参量时间序列与大气演化模式间的映射转化关系，并将其表示为：

其中，N为筛选所得的组分数；Dens(t)为实际临近空间大气参量时间序列；α(m)和ε(t)为映射参数；为筛选所得组分的参数，是临近空间大气动态演化过程的重要表征参数。

6.一种基于量子游走的临近空间大气状态模拟装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-5任一项所述的基于量子游走的临近空间大气状态模拟方法。