低低跟踪重力测量卫星半物理仿真系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于卫星重力测量技术领域，具体涉及一种低低跟踪重力测量卫星半物理 仿真系统。
【背景技术】
[0002] 21世纪是人类利用卫星跟踪卫星(SST)和卫星重力梯度(SGG)技术提升对地球、月 球、火星和太阳系其他行星认知能力的新纪元。地球重力测量卫星CHAMP和GRACE、G0CE的成 功升空以及GRACE Follow-On和月球重力探测卫星GRAIL的即将发射昭示着人类将迎来一 个前所未有的卫星重力探测时代。地（月）球重力场及其时变反映地（月）球表层及内部物质 的空间分布、运动和变化，同时决定着大地水准面的起伏和变化。因此，确定地（月）球重力 场的精细结构及其时变不仅是大地测量学、海洋学、地震学、空间科学、天文学、行星科学、 深空探测、国防建设等的需求，同时也将为全人类寻求资源、保护环境和预测灾害提供重要 的信息资源。
[0003] 卫星重力测量技术的实现是继美国GPS星座成功构建之后在大地测量领域的又一 项创新和突破，是被国际大地测量学界公认的当前地球重力场探测研究中最高效、最经济 和最有发展潜力的方法之一，它既不同于传统的车载、船载和机载测量，也不同于卫星测高 和轨道摄动分析，而是通过卫星跟踪卫星高低/低低技术（SST-HL/LL)和重力梯度技术 (SGG)，利用卫星搭载的地球重力场探测器或传感器，研究卫星轨道的受摄运动及其参数变 化，进而研究地球重力场的结构和变化，恢复高精度和高空间解析度的地球重力场。
[0004] 目前国际上在重力卫星测量技术探测地球重力场方面已经取得的实质性进步。经 过40多年孜孜不倦的探索和努力，已经成功实践了高-低卫星跟踪卫星重力测量模式 (CHAMP、G0CE)以及低-低跟踪卫星重力测量模式(GRACE)，其中CHAMP是卫星重力测量计划 成功实施的先行者，GRACE的优越性体现于可探测地球重力场的中高精度长波信号及时变 信号，而G0CE擅长于感测中短波静态地球重力场。联合上述三期卫星重力测量计划虽然可 以精确测量地球的静态重力场及其时变重力场，从而获得地球总体形状随时间变化、地球 各圈层物质的迀移、全球海洋质量的分布和变化、极地冰川的增大和缩小以及地下蓄水总 量信息的特性。目前，美国、欧空局等已在制定实施下一代更高精度的重力测量计划。
[0005] 目前我国众多学者在基于卫星重力测量恢复地球重力场的理论和方法方面开展 了广泛研究，经过多年的数据处理关键技术攻关，已突破了重力卫星的精密定轨、重力场恢 复等关键技术，并成功研制了基于动力法等恢复地球重力场的实用软件，尤其是完成了难 度极大的卫星重力测量数据一体化处理技术"一步法"的攻关，研制了原型软件，并利用 CHAMP、GRACE实际测量数据构建了多个地球重力场模型。可见，国内在重力卫星数据的处理 理论和方法上已经取得了丰硕的研究成果，积累了丰富的经验。
[0006] 尽管如此，国内在系统技术验证及系统研制方面仍存在巨大差距。目前，国内尚未 开展对原始0级数据产生及其处理研究；尚未开展基于卫星数据仿真和数据处理等验证项 目，尤其是针对我国K波段测距仪、加速度计等测量设备原始数据的数据处理技术验证。这 也是本研究项目存在的意义。
[0007] 为了获得精确的重力场模型，必须对全部观测数据和状态数据进行综合处理与评 估。低低跟踪重力测量卫星星地数据既包括κ波段测距仪、全球卫星导航接收机、加速度计、 星敏感器等观测数据，还包括卫星姿态、温度、压力等状态数据，以及地面重力测量、全球卫 星导航系统基准站、激光观测站、地面测控接收站等辅助数据，数据种类多、精度高、关联度 强，处理和评估难度大。因此，进行重力测量卫星半物理仿真具有极其重要的意义。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种低低跟踪重力测量 卫星半物理仿真系统。
[0009] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0010]包括:仿真管理控制器，用于输入初始参数，并控制卫星仿真器状态；
[0011]两台卫星仿真器，所述卫星仿真器包括:姿轨控制器、执行机构、敏感器、载荷模拟 器和数据采集器;所述载荷模拟器用于模拟两颗低轨重力卫星在轨运行，产生卫星原始仿 真观测数据;所述数据采集器，用于采集载荷模拟器产生的原始仿真数据;所述姿轨控制 器，用于收集卫星仿真器内敏感器数据信号，调整卫星仿真器姿态、轨道，并控制执行机构 实现姿态调整；
[0012] 数传控制器，用于将两颗卫星模拟器传来的数据进行组帧和存储，并传输至用于 处理仿真数据的数据处理系统。
[0013] 进一步的，所述仿真系统还包括环境动力学仿真器，用于统一时间参考基准、模拟 卫星真实轨道及姿态、模拟卫星运行轨道环境、定义卫星参数，并将相关数据传至两卫星模 拟器，所述环境动力学仿真器分别与仿真管理控制器相和两卫星模拟器相连接。
[0014] 进一步的，所述仿真系统还包括数据生成演示系统，用于监控两台卫星模拟器的 运动状态，并对两颗卫星运行状态进行可视化演示;所述数据生成演示系统分别与数据采 集器相连接。
[0015] 进一步的，所述载荷模拟器包括GNSS模拟器、加速度计模拟器、KBR模拟器和星敏 感器模拟器。
[0016] 进一步的，所述GNSS模拟器接收初始数据后通过功能模块处理生成GNSS观测数 据；
[0017] 所述功能模块包括:空间环境参数仿真模块、用户轨迹数据仿真模块、空间星座与 轨道模块、天线图仿真模块和时空系统转换模块；
[0018] 所述GNSS观测数据通过观测数据生成模块生成。
[0019] 进一步的，所述加速度计模拟器包括:位移检测模块，用于检测检验质量在极板框 架中的位置;反馈控制模块，用于通过反馈静电力控制检验质量的位置，使其始终保持在极 板框架的中心位置。
[0020] 进一步的，所述数据采集器设置有5个数据模块接口，所述5个数据模块接口分别 采集KBR模拟器、GNSS模拟器、加速度计模拟器、星敏感器模拟器和姿轨控制器的数据。
[0021] 进一步的，所述卫星仿真器提供真实卫星运行速率下的数据仿真及30倍速率下的 数据加速仿真。
[0022] 进一步的，所述卫星仿真器还设置有敏感器，包括:光纤陀螺模拟器、磁强计模拟 器；
[0023]所述执行机构包括:推进器模拟器和磁力矩器模拟器。
[0024]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:设置卫星仿真系统，通过多载 荷空间参数配置，利用半物理卫星模拟器模拟低轨重力测量卫星在轨运行，产生原始仿真 数据，并将原始仿真数据下传至地面处理系统。本发明实现了重力卫星星上数据半物理仿 真环境下的仿真，能够支持多速率数据加速仿真和多载荷空间参数配置，能够大幅提高数 据仿真效率。本发明完成了重力卫星星上载荷之间的接口、框架等核心内容设计，能够实现 重力卫星发射之前对整体系统设计及性能上的缺陷进行检查和修改，并对重力卫星星载载 荷的指标进行论证。
【附图说明】
[0025]图1为本发明系统组成结构图；
[0026]图2为本发明系统接口关系图；
[0027]图3为本发明KBR观测数据模拟器工作流程图；
[0028] 图4为本发明GNSS模拟器功能模块组成图；
[0029] 图5为本发明仿真平台主要节点/模块的硬件架构示意图；
[0030] 图6为本发明卫星姿态及轨道控制器模块主要逻辑流程图；
[0031 ]图7为本发明仿真平台具体构成及其业务流向示意图；
[0032]图8为本发明卫星运行环境及姿轨状态动力学模拟器主要逻辑流程图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
[0034]参见图1，本发明包括仿真管理控制器，用于输入初始参数，并控制卫星仿真器状 态;两台卫星仿真器，所述卫星仿真器包括:姿轨控制器、执行机构、载荷模拟器和数据采集 器，所述载荷模拟器用于模拟两颗低轨重力卫星在轨运行，产生卫星原始仿真观测数据，包 括模拟生成GNSS数据、加速度计数据、KBR数据和星敏感器四种载荷数据;所述数据采集器， 用于采集载荷模拟器产生的原始仿真数据，所述姿轨控制器，用于收集卫星仿真器内敏感 器数据信号，调整卫星仿真器姿态、轨道，并控制执行机构实现姿态调整;所述数传控制器， 用于将A星和B星模拟器传来的数据进行组帧和存储，并传输至用于处理仿真数据的数据处 理系统；还包括环境动力学仿真器，用于统一时间参考基准、模拟卫星真实轨道及姿态、模 拟卫星运行轨道环境、定义卫星参数，并将相关数据传至两卫星模拟器，所述环境动力学仿 真器分别与仿真管理控制器和两卫星模拟器相连接。
[0035]本系统还包括数据生成演示系统，用于模拟和监控两台卫星模拟器的运动状态， 并对两颗卫星运行状态进行可视化演示;所述数据生成演示系统分别与两台数据采集器相 连接。
[0036] 所述载荷模拟器包括GNSS模拟器、加速度计模拟器、KBR模拟器和星敏感器模拟 器。卫星仿真器还设置有敏感器，包括:光纤陀螺模拟器、磁强计模拟器;所述执行机构包 括:推进器模拟器和磁力矩器模拟器。
[0037] 数据采集器设置有5个数据模块接口，所述5个数据模块接口分别采集KBR模拟器、 GNSS模拟器、加速度计模拟器、星敏感器模拟器和姿轨控制器数据。采集数据经组帧后按指 定格式存储在固存(硬盘）中，并在管控系统指令控制下进行数据回放，回放时，下传数据通 过以太网口传送至用户。
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