地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法及装置

1.本发明涉及空间飞行器仿真技术领域，具体而言，涉及一种地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法及装置。


背景技术：

2.由多颗人造地球卫星组成的空间卫星导航星座，可为陆、海、空和低地球轨道的导航接收机提供导航定位服务。导航卫星的星座中存在各种类型特征的轨道，星座中的卫星分布在低地球轨道、中高地球轨道和地球同步轨道上，距离地球的远近差异较大，且轨道倾角各不相同，在地球周围空间运行的范围有很大差异。
3.地球周围由于受到地球磁场的束缚，形成了大量相对稳定存在的高能带电粒子，称为地球辐射带，简称辐射带。在导航卫星上，为了实现导航功能，星上搭载了大量电子电路系统。辐射带会对在地球周围轨道上运行的卫星的星上电子设备造成影响甚至毁坏。空间带电粒子辐照对航天器的损伤效应涉及辐射损伤与深层介质充放电两方面。后者是高能电子穿入航天器内部，在电绝缘体中沉积电荷并最终导致电弧放电过程。辐射损伤效应可以是暂时性的，也可以是永久性的。当带电粒子的能量足够高时，单个粒子穿过便可能使电子器件的状态发生变化，称为单粒子事件，所产生的影响是使随机存储单元翻转，增加ccd器件的噪声，以及诱发各种错误信号等。在严重的情况下，单粒子事件会导致积分电路闭锁或烧毁，成为永久性损伤。
4.因此研究清楚导航卫星星座的空间辐射环境，对导航卫星的长期稳定运行具有重要意义和价值。


技术实现要素：

5.本发明解决的问题是如何对导航卫星所处的空间辐射环境进行量化表征。
6.为解决上述问题，本发明提供一种地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法，包括：初始化参数，其中，所述参数包括任务开始时间、任务结束时间、仿真步长、导航卫星星座的轨道参数以及辐射带模型控制参数；从所述任务开始时间到所述任务结束时间为止，依次累加所述仿真步长得到各个仿真时刻，在各个所述仿真时刻下依次遍历每颗导航卫星，更新所述导航卫星的在轨运动状态数据；根据各个所述仿真时刻下的所述导航卫星的空间位置数据和所述辐射带模型控制参数确定对应的辐射环境量化表征数据。
7.可选地，所述导航卫星星座的轨道参数包括开普勒轨道参数，所述开普勒轨道参数包括半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经、近地点幅角和真近点角。
8.可选地，所述地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法还包括：根据卫星轨道外推模型和上一仿真时刻的空间位置数据确定下一仿真时刻的空间位置数据。
9.可选地，所述卫星轨道外推模型包括hpop轨道计算模型，所述hpop轨道计算模型内嵌地球重力模型，固体潮、海潮模型，大气阻力模型，太阳光压模型以及太阳、月亮引力场模型。
10.可选地，所述辐射带模型控制参数对应的辐射带模型包括ae-8和ap-8模型。
11.可选地，所述辐射带模型控制参数包括太阳极大年、太阳极小年选项，模型计算的粒子能级个数与对应的粒子能级，以及模型计算结果的辐射积分通量或微分通量选项。
12.可选地，所述仿真时刻采用儒略日表示。
13.本发明所述的地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法，以时间为基础，对导航卫星所处的空间辐射环境进行量化表征，有利于导航卫星的长期稳定运行。
14.本发明还提供一种地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真装置，包括：
15.初始化模块，用于初始化参数，其中，所述参数包括任务开始时间、任务结束时间、仿真步长、导航卫星星座的轨道参数以及辐射带模型控制参数；
16.遍历模块，用于从所述任务开始时间到所述任务结束时间为止，依次累加所述仿真步长得到各个仿真时刻，在各个所述仿真时刻下依次遍历每颗导航卫星，更新所述导航卫星的在轨运动状态数据；
17.表征模块，用于根据各个所述仿真时刻下的所述导航卫星的空间位置数据和所述辐射带模型控制参数确定对应的辐射环境量化表征数据。
18.所述地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真装置与上述地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
19.本发明还提供一种地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真系统，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法。所述地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真系统与上述地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
20.本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现如上地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法。所述计算机可读存储介质与上述地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
21.图1为本发明实施例的地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法的示意图；
22.图2为本发明实施例的地球辐射带的示意图；
23.图3为本发明实施例的三维视图的gps星座导航系统示意图；
24.图4为本发明实施例的二维地图的gps星座导航系统示意图；
25.图5为本发明实施例的积分通量瞬时变化曲线示意图。
具体实施方式
26.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
27.如图1所示，本发明实施例提供一种地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法，包括：初始化参数，其中，所述参数包括任务开始时间、任务结束时间、仿真步长、导航卫星星座的轨道参数以及辐射带模型控制参数；从所述任务开始时间到所述任务结束时间为
止，依次累加所述仿真步长得到各个仿真时刻，在各个所述仿真时刻下依次遍历每颗导航卫星，更新所述导航卫星的在轨运动状态数据；根据各个所述仿真时刻下的所述导航卫星的空间位置数据和所述辐射带模型控制参数确定对应的辐射环境量化表征数据。
28.具体地，结合图2所示，辐射带粒子围绕着地球构成中、低纬度环形带，主要由质子和电子构成，并有少量的重离子(如o+等)。地球辐射带大体上分为高度不同的两个环形区域，分别称为内带和外带。内带在赤道上空高度从几百千米延伸至约6000千米，主要由高能质子(达几十mev)与高能电子(1～10mev)组成。外带的高度可达到60000km，主要由高能电子组成。对于低地球轨道，需要特别关注的是内辐射带会在南大西洋上空延伸至较低高度。该处的地磁场强度较低，形成南大西洋异常区。地球同步轨道的位置虽然处在外辐射带中心之外，仍然会遭遇到很强的高能电子流。辐射带在地球周围对人在地球卫星形成了大量的粒子辐射环境。
29.本实施例旨在解决导航卫星星座中的各个卫星所处的空间辐射环境，并能对导航卫星所处的空间辐射环境进行量化表征，得到一手数据。
30.考虑导航卫星星座中在空间运行期间随着时间的推移，卫星在空间中的位置也在实时发生着改变，其所处的辐射带环境也在实时变化，本实施例为了能够表征导航卫星星座中各个卫星的辐射带环境的量化表征数据，设计了以时间为基础的针对导航卫星星座的空间辐射带实时量化表征方法(300至40000km轨道高度)。
31.以时间为基础，用户设定任务开始时间与结束时间，使用协调世界时定义用户设置的任务时间，用户可以通过公历的年月日时分秒来确定仿真的时间范围。并且用户需要设定仿真的时间粒度，即仿真步长，单位秒。本方法会按照用户设定的仿真步长，步进时间，获得各个仿真时刻。考虑到本方法中的仿真计算需要使用连续的时间表示方法，所以引入儒略日表示方法将公历的年月日时分秒转为整数进行计算。转换方法如下。
32.公历年月日时分秒转换儒略日：由公历计算儒略日：
[0033][0034]
式中：int()—取整。
[0035]
为了求解导航星座中的各个卫星随时间变化的运动状态，首先需要对各个卫星的初始轨道特征和位置进行初始化数据，使用开普勒轨道六根数1)半长轴，a，描述轨道大小。2)偏心率，e，描述轨道形状。3)倾角，i，描述轨道面相对赤道面的倾斜角度。4)升交点赤经，ω，描述升交点相对春分点的位置。5)近地点幅角，ω，描述近地点相对升交点位置。6)真近点角，f，描述卫星相对近地点的位置。本实施例中卫星的空间位置外推计算都是从初始仿真任务开始时间的卫星轨道根数开始计算，得到下一仿真时刻的卫星空间位置，以此类推，下一仿真时刻的空间位置由上一仿真时刻的卫星在轨空间位置经过卫星轨道外推模型计算获得。
[0036]
卫星的轨道外推模型选用hpop轨道计算模型：(the high—precision orbit propagator)：高精度轨道预报模型，其基于二体轨道计算模型，并考虑多种轨道摄动因素，如地球引力摄动、大气摄动、太阳光压摄动等等，可以用来处理轨道高度从地球表面到月球
表面甚至更远的任何圆形、椭圆、抛物线和双曲线轨道。该模型内嵌了jgm-3(70*70)地球重力模型、固体潮、海潮模型，大气阻力模型，太阳光压模型，太阳、月亮引力场模型，能精确模拟卫星的轨道状态。
[0037]
在获得仿真时刻对应的卫星的空间位置数据后，通过程序内部接口将仿真时刻对应的时间数据、飞行器在该时刻的空间位置数据，以及用户设定的模型控制参数数据，传入模型进行计算，并最终获得当前飞行器所处的空间辐射环境量化表征数据。本实施例中辐射带模型使用ae-8/ap-8模型。ae-8/ap-8模型是国际上事实通用的标准模型，工程应用时需视卫星在轨服役期间的太阳活动水平分别选用ae-8/ap-8min或ae-8/ap-8max模型。若难以确定卫星在轨任务期内太阳低年和高年比例时，可选用ae-8max/ap-8min模型给出较为保守的能谱计算结果。本实施例中需要设置的辐射带模型控制参数为：太阳极大年(max)、太阳极小年(min)选项，模型计算的粒子能级个数与对应的粒子能级，单位mev，模型计算结果的辐射积分通量或微分通量选项。辐射带模型计算辐射环境量化表征数据为用户设置的各个能级粒子的通量值。
[0038]
本实施例的完整导航卫星星座空间辐射环境量化表征流程如下。
[0039]
初始化任务开始时间、任务结束时间、仿真步长和导航卫星星座仿真开始时间对应的轨道参数，以及辐射带模型ae-8/ap-8模型控制参数。本实施例开始计算，从任务开始时间，根据仿真步长步进时间，得到下一个仿真时刻，在该仿真时刻中依次遍历每颗卫星。更新每颗导航卫星的在轨运动状态数据，并依据当前仿真时刻与卫星最新空间位置数据和辐射带模型控制参数，使用空间辐射环境模型计算卫星当前辐射环境量化表征数据。在遍历计算导航星座中的所有卫星后，根据仿真步长，获取下一仿真时刻，再次完成上述工作，直至仿真时刻到达或超过任务结束时间，停止计算。
[0040]
结合图3和图4所示的飞行轨迹，以gps星座导航系统为例，对导航卫星星座的每一颗卫星在轨运行任务期间每个位置的实时量化空间辐射环境数据进行表征。结合图5所示，星座中运行的空间辐射环境根据卫星所在的不同位置而不同。其中，图5中表示导航卫星星座中不同轨道不同位置的卫星受到的太阳高年辐射带电子3mev能级的积分通量瞬时变化曲线。
[0041]
在本实施例中，以时间为基础，对导航卫星所处的空间辐射环境进行量化表征，有利于导航卫星的长期稳定运行。
[0042]
可选地，所述导航卫星星座的轨道参数包括开普勒轨道参数，所述开普勒轨道参数包括半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经、近地点幅角和真近点角。
[0043]
可选地，所述地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法还包括：根据卫星轨道外推模型和上一仿真时刻的空间位置数据确定下一仿真时刻的空间位置数据。
[0044]
可选地，所述卫星轨道外推模型包括hpop轨道计算模型，所述hpop轨道计算模型内嵌地球重力模型，固体潮、海潮模型，大气阻力模型，太阳光压模型以及太阳、月亮引力场模型。
[0045]
可选地，所述辐射带模型控制参数对应的辐射带模型包括ae-8和ap-8模型。
[0046]
可选地，所述辐射带模型控制参数包括太阳极大年、太阳极小年选项，模型计算的粒子能级个数与对应的粒子能级，以及模型计算结果的辐射积分通量或微分通量选项。
[0047]
可选地，所述仿真时刻采用儒略日表示。
[0048]
本发明另一实施例提供一种地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真装置，包括：
[0049]
初始化模块，用于初始化参数，其中，所述参数包括任务开始时间、任务结束时间、仿真步长、导航卫星星座的轨道参数以及辐射带模型控制参数；
[0050]
遍历模块，用于从所述任务开始时间到所述任务结束时间为止，依次累加所述仿真步长得到各个仿真时刻，在各个所述仿真时刻下依次遍历每颗导航卫星，更新所述导航卫星的在轨运动状态数据；
[0051]
表征模块，用于根据各个所述仿真时刻下的所述导航卫星的空间位置数据和所述辐射带模型控制参数确定对应的辐射环境量化表征数据。
[0052]
本发明另一实施例提供一种地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真系统，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法。
[0053]
本发明另一实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现如上地球辐射带多轨道环境协同量化表征仿真方法。
[0054]
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。