CN105467462A - 低低跟踪重力测量卫星地面演示验证系统 - Google Patents

Abstract

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地面演示验证系统，包括卫星仿真系统，用于生成卫星原始仿真数据；地面处理系统，用于接收和处理仿真系统数据，并得到相关重力场产品。本发明的卫星仿真系统将低低跟踪重力测量卫星星上载荷引入仿真回路，借助物理效应模型，进行实时半物理仿真，误差特性更接近实际；并且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。其仿真数据可广泛应用于低低跟踪重力测量卫星系统指标论证及总体系统性能评估，为我国重力测量卫星星地一体化指标论证提供支撑，是保证低低跟踪重力测量卫星系统具有可靠性的基石。

Description

低低跟踪重力测量卫星地面演示验证系统

技术领域

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地面演示验证系统。

背景技术

地球重力场是反映地球物质分布与运动的基本物理场，高精度的地球重力场及其时变信息对于地球动力学和地球内部机理的研究具有重要意义。测定和研究精细地球重力场的主要目标就在于为研究地球内部结构和动力学过程提供基础信息。

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分辨率的地球重力场。自从第一颗人造地球卫星Sputnik-1于1957年10月4日发射成功，基于卫星技术研究地球重力场已取得了很大的发展。

国际上在基于重力卫星测量技术探测地球重力场方面已经取得了实质性进步。国际大地测量学界众多科研工作者经过40多年孜孜不倦的探索终将SST和SGG计划推向实际操作阶段，并先后于2000年7月15日、2009年3月17日，成功实践了高-低卫星跟踪卫星重力测量模式(CHAMP、GOCE)，2002年3月7日，成功实践了低-低跟踪卫星重力测量模式(GRACE)，它们分别是德国、欧空局、美国等开发的专用重力测量小卫星计划。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。

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，经过十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，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获得了丰富的研究成果，积累了丰富的经验。

尽管如此，国内在系统级技术验证及系统研制方面仍存在巨大差距。目前，国内尚未开展对包括原始0级数据的产生及其处理研究；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特性的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。

鉴于我国在K波段测距系统、GPS接收机、空间加速度计等关键载荷研制方面距离世界先进水平还有较大差距，而且这些技术不可能通过引进获得，必须依靠自主解决，同时此技术的实现直接决定我国能否成功实现卫星重力测量计划。随着科学技术的日新月异，特别是计算机、微电子学和各种运动模拟器的迅速发展，使卫星系统仿真日趋完善。因此，将仿真技术应用于SST-HL/LL模式的重力卫星研制和运行的全过程将具有重要意义。

发明内容

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地面演示验证系统，在接近真实环境的条件下，以整星方式实现低轨重力测量卫星对地观测全过程模拟。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：包括：

卫星仿真系统，用于生成卫星原始仿真数据；

地面处理系统，用于接收和处理仿真系统数据，并得到相关重力场产品；

所述仿真系统包括两台卫星模拟器和用于输入初始数据并控制各卫星模拟器工作状态的仿真管理控制器；所述各卫星仿真器均搭载若干载荷模拟器，以及用于采集各模拟器数据的数据采集器，所述数据采集器收集、整理数据后，通过数传控制器将数据下传至地面处理系统；

所述仿真系统和地面处理系统之间通过交换机进行数据通信。

进一步的，所述地面处理系统包括：

数据接收子系统，用于接收仿真系统内数据采集器所采集数据，生成0级数据；

数据预处理子系统，用于对数据接收子系统所生成0级数据进行预处理，生成1A、1B、1C级数据，并将处理后的数据输入至数据处理子系统；

数据处理子系统包括精密定轨模块、定标模块和重力场反演模块，通过精密定轨模块对数据预处理子系统产生的1B级数据进行精密定轨；通过定标模块对1C级数据进行标定；通过重力场反演模块对1C级数据进行重力场反演，生成重力场模型；

三级产品生产子系统，用于对数据子系统生成的重力场模型数据进行处理，得到重力场数据三级产品。

进一步的，所述地面处理系统还包括：

仿真与显示子系统，用于提取数据预处理子系统、三级产品生产子系统的相关数据，实现卫星在轨状态演示、卫星仿真数据演示、重力场产品可视化演示；

数据管理子系统，用于存储和管理数据接收子系统息、数据预处理子系统、数据处理子系统和三级产品生产子系统的数据信息，并对任务状态进行监控；

任务管理子系统，用于对数据预处理子系统、数据处理子系统和三级产品生产子系统进行管理和调度，并对任务状态进行监控。

进一步的，所述地面处理系统还包括产品分发子系统，用于半物理仿真系统产品数据的分发服务，为卫星仿真数据的演示以及重力场产品的演示提供数据支持，为用户提供数据查询、数据下载、数据订购、订单管理等功能。

进一步的，所述1C级数据是数据预处理子系统对1B级数据进行数据采样、坐标转换、格式转换、数据内插、时间转换等操作后生成的数据。

进一步的，所述仿真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，所述数据生成演示系统分别与两台数据采集器相连接。

进一步的，所述载荷模拟器包括ACC模拟器、KBR模拟器、GNSS模拟器和SCA模拟器，磁力矩器、推力器、磁强计、陀螺仪和AOCS仿真器。

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，利用地面处理系统对原始仿真数据进行各级处理，得到相关重力场产品。本发明的卫星仿真系统将低低跟踪重力测量卫星星上载荷引入仿真回路，借助物理效应模型，进行实时半物理仿真，误差特性更接近实际；并且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。其仿真数据可广泛应用于低低跟踪重力测量卫星系统指标论证及总体系统性能评估，为我国重力测量卫星星地一体化指标论证提供支撑，是保证低低跟踪重力测量卫星系统具有可靠性的基石。

进一步的，通过设置数据生成与演示子系统，能够对卫星模拟器的运动状态及运动轨迹等进行可视化演示，方便观察。

进一步的，通过设置仿真与演示子系统，能够实现卫星状态演示、卫星仿真数据演示、重力场产品可视化演示。

附图说明

图1为本发明一体化生产数据流向图；

图2为本发明分系统构成及其业务流向图；

图3为本发明系统详细数据流图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见图1-3，本发明提供的低低跟踪重力测量卫星地面演示验证系统包括：

卫星仿真系统，用于生成卫星原始仿真数据；地面处理系统，用于接收和处理仿真系统数据，并得到相关重力场产品；所述卫星仿真系统和地面处理系统之间通过交换机进行数据通信。

所述卫星仿真系统包括两台卫星模拟器和用于输入初始数据并控制各卫星模拟器工作状态的仿真管理控制器；所述各卫星仿真器均搭载若干载荷模拟器，以及用于采集各模拟器数据的数据采集器，所述卫星模拟器内各载荷模拟器的数据由数据采集器收集、整理后，通过数传控制器将数据下传到地面处理系统。所述载荷模拟器包括ACC模拟器(加速度计模拟器)、KBR模拟器(星间测距模拟器)、GNSS模拟器和SCA模拟器(星敏感器模拟器)，磁力矩器、推力器、磁强计、陀螺仪和AOCS仿真器(环境动力学仿真器)。

所述卫星仿真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，所述数据生成演示系统分别与两台数据采集器相连接。

所述地面处理系统包括：

数据接收子系统，用于接收卫星仿真系统内数传控制器所下传的原始数据，并生成0级数据；

数据预处理子系统，用于对数据接收子系统所生成的0级数据进行预处理，生成1A、1B、1C级数据，并将处理后的数据输入至数据处理子系统；

数据处理子系统包括精密定轨模块、定标模块和重力场反演模块，通过精密定轨模块对数据预处理子系统产生的1B级数据进行精密定轨处理；通过定标模块对1C级数据进行标定处理；通过重力场反演模块对1C级数据进行重力场反演，生成重力场模型；

三级产品生产子系统，用于对数据处理子系统生成的重力场模型数据进行计算，得到重力场数据产品。

仿真与显示子系统，用于提取数据预处理子系统、三级产品生产子系统的相关数据，实现卫星状态演示、卫星仿真数据演示、重力场产品可视化演示；

业务数据管理子系统，用于存储和管理数据接收子系统、数据预处理子系统、数据处理子系统和三级产品生产子系统的数据信息，并对任务状态进行监控；

任务管理子系统，用于对数据预处理子系统、数据处理子系统、三级产品生产子系统进行管理和调度，并对任务状态进行监控。

产品分发子系统，用于半物理仿真系统产品数据的分发服务，为卫星仿真数据的演示以及重力场产品的演示提供数据支持，为用户提供数据查询、数据下载、数据订购、订单管理等服务。

本发明的系统由两大部分组成：卫星仿真系统和地面处理系统。卫星仿真系统主要由两台卫星仿真器构成，其中每台卫星仿真器又搭载了多个载荷模拟器，主要包括ACC模拟器、KBR模拟器、GNSS模拟器和SCA模拟器，其主要功能是模拟两颗低轨重力卫星在轨运行，仿真产生卫星原始观测数据。地面处理系统则主要由数据接收子系统、数据管理子系统、任务管理子系统、数据预处理子系统、数据处理子系统、三级产品生产子系统和演示子系统共七个子系统组成。其中数据接收子系统用于实现原始观测数据的接收；数据管理子系统和任务管理子系统属于系统平台，主要用于数据管理和业务模块的任务调度；数据预处理子系统、数据处理子系统和三级产品生产子系统属于业务系统，主要用于完成数据预处理、处理等业务功能，并产生数据产品；而演示系统则主要用于数据产品的动态监测及图形化展示。

卫星仿真分系统构成：

1)仿真管理控制器为输入终端，负责对A星和B星模拟器输入卫星初始轨道参数、力模型参数、仿真时段参数、载荷噪声参数和卫星噪声等参数，并对A星和B星模拟器进行控制；

2)A星和B星模拟器接收到控制器的参数数据产生轨道和姿态等数据，并传至各载荷模拟器；载荷模拟器包括GNSS模拟器、ACC模拟器、KBR模拟器和SCA模拟器，分别产生GNSS数据、ACC数据、KBR数据和SCA数据；

3)数据采集器负责采集各载荷模拟器所产生的数据，并由数传控制器下传至地面数据处理系统。

4)数据生成演示系统，用于模拟、演示和监控两台卫星模拟器的运动状态，所述数据生成演示系统分别与两台数据采集器相连接。

卫星运行状态演示包括：

(1)建立地球可视模型；

(2)建立重力卫星描述模型；

(3)获取重力卫星空间位置及姿态；

(4)在地球可视化模型上叠加重力卫星模型；

(5)星下点轨迹显示；

(6)可视化模型放大与缩小；

(7)模型的二维与三维显示转换。

地面数据处理系统构成：

1)数据接收子系统主要是对从卫星仿真系统接收到的原始数据进行解格式处理，完成从原始数据到0级产品数据的处理，并将数据归档至数据管理子系统。

2)任务管理子系统主要是为规范、统一重力卫星数据产品生产流程。该子系统主要满足重力卫星数据产品生产规范化运作、任务状态监控、数据安全和权限控制等要求。可对预处理子系统、处理子系统和三级产品生产子系统进行管理和调度。

3)数据预处理子系统主要对卫星仿真数据进行降采样、滤波、相位差分、误差矫正、插值、相对时差、格式转换、数据补全和粗差剔除等操作后，依次生成1A、1B、1C级数据，为数据处理子系统提供输入数据。

数据预处理具体操作包括：(1)将0级数据经初步单位改正、钟差改正、质量标记、格式转换得到1A级数据；(2)将1A级数据经钟差改正、粗差剔除、数据内插、降采样等预处理得到1B级数据；(3)将模拟卫星或GRACE的1B级数据经偏差修正、采样、数据内插、坐标系统转换及时间系统转换等得到1C级数据。

4)数据处理子系统主要是对数据预处理子系统处理后的数据进行精密定轨、定标和重力场反演等处理；具体为：利用1B级数据进行精密定轨处理，得到精密轨道；利用1C级数据进行定标、重力场反演处理，得到重力场模型等2级数据产品。

5)三级产品生产子系统主要对重力场反演模块生成的地球重力场模型数据进行处理，利用重力场模型计算得到重力异常、垂线偏差、大地水准面高等3级数据产品。

6)数据管理子系统实现辅助生产数据、生产过程数据、重力产品数据和基础地理信息数据的统一化管理，可为数据接收子系统、产品分发子系统、任务管理子系统提供归档、查询、订购等功能。

7)产品分发子系统实现对重力卫星产品数据的分发服务，为仿真显示系统卫星仿真数据的演示以及重力场产品的演示提供数据支持，为用户提供数据查询、数据下载、数据订购、订单管理等服务。

8)仿真与显示子系统通过提取数据管理子系统所推送的相关数据，实现卫星状态演示、卫星仿真数据演示、重力场产品可视化演示。

三级产品可视化演示包括：(二维和三维)

(1)地球形状的可视化；

(2)重力异常数据叠加显示；

(3)垂线偏差数据叠加显示；

(4)大地水准面高数据叠加显示。

工作流程：

a.卫星数据仿真分系统的工作流程如下：

(1)卫星数据仿真分系统通过控制器对A星和B星模拟器进行控制；

(2)模拟器产生轨道和姿态等数据，并输入至各载荷模拟器，主要包括：GNSS模拟器、ACC模拟器、KBR模拟器、SCA模拟器；

(3)载荷模拟器根据卫星运行轨道环境与卫星状态等参数对数据进行相应处理并传至数传控制器；

(4)数传控制器对各载荷模拟器的输出数据进行时标对齐、组帧和打包等操作后存储。同时，可通过数据生成演示系统对卫星运行状态进行演示。

b.地面数据处理分系统工作流程如下：

(1)卫星数据仿真分系统通过数据下传功能将数据采集器采集到的仿真数据下传至数据接收子系统，数据接收子系统对数据进行接收和解格式等处理后产生0级数据；

(2)数据预处理子系统对0级数据分别进行格式转换、数据补全和粗差剔除等预处理后生成1A级数据；

(3)数据预处理子系统对1A级数据进行降采样、滤波、相位差分、误差矫正、插值、相对时差等操作后生成1B级数据，可用于定轨与演示；1C级数据是数据预处理子系统对1B级数据进行数据采样、坐标转换、格式转换、数据内插、时间转换等操作后生成的数据；

(4)数据处理子系统利用数据预处理子系统产生的1B级数据进行精密定轨，利用1C级数据进行定标和重力场反演；

(5)三级产品生产子系统通过对重力场反演所产生的重力场模型数据进行计算，分别产生大地水准面高、垂线偏差和重力异常等重力场产品数据。

(6)仿真与显示子系统利用相关数据，实现卫星状态演示、卫星仿真数据演示、重力场产品可视化演示。

Claims (7)

1.一种低低跟踪重力测量卫星地面演示验证系统，其特征在于，包括：

卫星仿真系统，用于生成卫星原始仿真数据；

地面处理系统，用于接收和处理仿真系统数据，并得到相关重力场产品；

所述仿真系统包括两台卫星模拟器和用于输入初始数据并控制各卫星模拟器工作状态的仿真管理控制器；所述各卫星仿真器均搭载若干载荷模拟器，以及用于采集各模拟器数据的数据采集器，所述数据采集器收集、整理数据后，通过数传控制器将数据下传至地面处理系统；

所述仿真系统和地面处理系统之间通过交换机进行数据通信。

2.根据权利要求1所述的一种低低跟踪重力测量卫星地面演示验证系统，其特征在于，所述地面处理系统包括：

数据接收子系统，用于接收仿真系统内数据采集器所采集数据，生成0级数据；

数据预处理子系统，用于对数据接收子系统所生成0级数据进行预处理，生成1A、1B、1C级数据，并将处理后的数据输入至数据处理子系统；

数据处理子系统包括精密定轨模块、定标模块和重力场反演模块，通过精密定轨模块对数据预处理子系统产生的1B级数据进行精密定轨；通过定标模块对1C级数据进行标定；通过重力场反演模块对1C级数据进行重力场反演，生成重力场模型；

三级产品生产子系统，用于对数据处理子系统生成的重力场模型数据进行处理，得到重力场数据三级产品。

3.根据权利要求2所述的一种低低跟踪重力测量卫星地面演示验证系统，其特征在于，所述地面处理系统还包括：

仿真与显示子系统，用于提取数据预处理子系统、三级产品生产子系统的相关数据，实现卫星在轨状态演示、卫星仿真数据演示、重力场产品可视化演示；

数据管理子系统，用于存储和管理数据接收子系统、数据预处理子系统、数据处理子系统和三级产品生产子系统的数据信息，并对任务状态进行监控；

任务管理子系统，用于对数据预处理子系统、数据处理子系统和三级产品生产子系统进行管理和调度，并对任务状态进行监控。

4.根据权利要求3所述的一种低低跟踪重力测量卫星地面演示验证系统，其特征在于，所述地面处理系统还包括产品分发子系统，用于半物理仿真系统产品数据的分发服务，为卫星仿真数据的演示以及重力场产品的演示提供数据支持，为用户提供数据查询、数据下载、数据订购、订单管理等功能。

5.根据权利要求2所述的一种低低跟踪重力测量卫星地面演示验证系统，其特征在于，所述1C级数据是数据预处理子系统对1B级数据进行数据采样、坐标转换、格式转换、数据内插、时间转换等操作后生成的数据。

6.根据权利要求1所述的一种低低跟踪重力测量卫星地面演示验证系统，其特征在于，所述仿真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，所述数据生成演示系统分别与两台数据采集器相连接。

7.根据权利要求1所述的一种低低跟踪重力测量卫星地面演示验证系统，其特征在于，所述载荷模拟器包括ACC模拟器、KBR模拟器、GNSS模拟器和SCA模拟器，磁力矩器、推力器、磁强计、陀螺仪和AOCS仿真器。