CN107054702B - 一种半物理仿真测试中地磁场模拟方法 - Google Patents

一种半物理仿真测试中地磁场模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半物理仿真测试中地磁场模拟方法，其基于星载计算机输入地磁场信号特征，在半物理仿真试验中卫星飞行环境下进行。该方法通过控制板卡输出模拟量信号来模拟地磁场连续变化所对应的电压信号，实现模拟磁强计在轨敏感到的连续地球磁场信号。本发明可以简化半物理仿真试验中用磁强计数据进行磁卸载的试验，增强在轨飞行时磁卸载的真实性，同时解决了以往在地面不能进行飞轮或控制力矩陀螺为执行机构的稳态或全姿态闭环验证试验的问题，从而提高了系统的可靠性和测试覆盖性。

Description

一种半物理仿真测试中地磁场模拟方法
技术领域
本发明涉及的是一种信号模拟，通过模拟磁强计输出信号的特征进行地磁场的模拟，并用于以反作用飞轮或控制力矩陀螺为执行机构的稳态控制模式和全姿态捕获模式的磁卸载控制，属于卫星控制系统半物理仿真测试技术领域。
背景技术
磁强计作为卫星控制系统中地磁场强度的测量敏感部件，在轨实现地球磁场强度矢量的测量，用于保证磁力矩器控制力矩的正确产生，以实现反作用飞轮或控制力矩陀螺为执行机构的稳态控制模式和全姿态捕获模式的磁卸载控制。磁强计输出数据为三轴的磁场强度电压信号，一方面电压信号输出至星载控制计算机进行磁卸载，另一方面电压信号输出至遥测采编单元采集传至地面进行遥测监视。
卫星控制系统在地面半物理仿真测试时，需要进行磁卸载试验。但由于磁强计敏感的是当地位置地磁场强度分解到磁强计三个轴的分量，且输出数据基本不变，不能满足卫星在轨飞行时磁强计敏感到的地磁场强度。
目前缺乏一种地磁场模拟方法，能够满足卫星控制系统地面半物理仿真试验的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够模拟地磁场的方法，模拟磁强计在轨输出信号的特征，真实的在地面进行相关的磁卸载试验。利用该方法，我们能真实模拟磁强计在轨飞行时输出的数据，充分考核以飞轮或控制力矩陀螺为执行机构的稳态控制模式和全姿态捕获模式下磁卸载试验，充分验证磁卸载设计方案，提高系统的可靠性和测试覆盖性。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种半物理仿真测试中地磁场模拟方法，其中包括如下步骤：
步骤一：建立卫星动力学模型，进行卫星轨道和姿态运动学计算，实时获得卫星轨道数据和姿态数据；
步骤二：利用卫星轨道数据和姿态数据，计算出地理经纬度，再计算得到卫星轨道坐标系下的磁场强度和卫星本体坐标系下的磁场强度；
步骤三：根据磁强计与卫星本体坐标系的安装关系，获得理论上磁强计敏感到的地磁场数据；
步骤四：根据磁强计输出信号特性与地磁场强度间的关系，获得模拟输出信号类型及数据，包括输出至星载计算机和遥测采编单元的信号；
步骤五：建立地磁场数字模型，驱动控制硬件DA板卡输出相应的特征信号至星载计算机和遥测采编单元。
本发明所述半物理仿真测试中地磁场模拟方法，能够通过控制板卡输出模拟量信号来模拟磁强计敏感到的地磁场强度所对应的电压信号，满足半物理仿真试验中磁卸载和遥测监视的需求，解决了以往在地面不能进行飞轮或控制力矩陀螺为执行机构的稳态或全姿态闭环验证试验的问题，从而提高了系统的可靠性和测试覆盖率，模拟简单，通用性强，安全性好。本发明可以简单、高效实现地磁场的模拟，输出相应特征的信号进行磁卸载和地面遥测，提高卫星控制系统半物理仿真试验的测试覆盖率。
附图说明
以下将结合附图和实例对本发明作进一步的说明：
图1是本发明中地磁场模拟框图；
图2是本发明中地磁场强度曲线的示例；
图3是本发明中DA板卡输出到星载计算机的地磁场强度对应的电压信号曲线(-5V～+5V)的示例；
图4是本发明中DA板卡输出到遥测采编单元的地磁场强度对应的电压信号曲线(0～+5V)的示例。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种半物理仿真测试中地磁场模拟方法，包括如下步骤：
步骤一：建立卫星动力学模型，进行卫星轨道和姿态运动学计算，实时获得卫星轨道数据和姿态数据；
步骤二：利用卫星轨道数据和姿态数据，计算出地理经纬度，再计算得到卫星轨道坐标系下的磁场强度和卫星本体坐标系下的磁场强度；
步骤三：根据磁强计与卫星本体坐标系的安装关系，获得理论上磁强计敏感到的地磁场数据；
步骤四：根据磁强计输出信号特性与地磁场强度间的关系，获得模拟输出信号类型及数据，包括输出至星载计算机和遥测采编单元的信号；
步骤五：建立地磁场数字模型，驱动控制硬件DA板卡输出相应的特征信号至星载计算机和遥测采编单元。
下面结合附图举例，对本发明做更详细地描述：
1、地理经纬度的计算
地理经纬度的计算输入信号为升交点赤经Ω、半长轴a、轨道倾角i、纬度幅角u等参数，由轨道要素得到赤经α、赤纬δ。
δ＝arcsin(sinu sini) (2)
卫星的地心经度和地理经度L等于卫星赤经与格林威治的恒星时角之差，即
L＝α-[G0+ωe(t-t0)]
G0为t0时刻格林威治的恒星时角，需要由地面注入；ωe为地球自转角速度，ωe＝7.2921158×10-5rad/s。
卫星的地心纬度δ″等于卫星的赤纬δ，它们与地理纬度δ′的关系为
式中：f为地球的扁率，f＝1/298.257。
2、再计算得到卫星轨道坐标系下的磁场强度和卫星本体坐标系下的磁场强度。
计算地磁场分量在当地地磁坐标系上的分量方法如下：
式中：
Re—地球平均半径
R—卫星离地心的距离
和—谐波系数
λ—地心东经，由格林威治子午线向东到当地子午线测量为正
δ′—地理纬度，向北测量为正
θ—地心余纬(90-δ′)
—n次m阶的拟规格化勒让德函数(m<n)。
根据轨道倾角i、纬度幅角u计算航向角的正余弦值：
得到转换矩阵：
根据转换矩阵，得到地磁场强度在轨道系中的表示Bxo、Byo、Bzo：
3、再根据卫星姿态数据和磁强计与卫星本体坐标系间的安装关系，计算磁强计敏感到的磁场强度
根据转换矩阵，得到地磁场强度在磁强计坐标系下的表示B(MM)x、B(MM)y、B(MM)z：
式中：
B(MM)j为磁强计理论上敏感到的地磁场强度(j＝x,y,z)；
Aao为轨道坐标系到卫星本体坐标系的转换矩阵；
AMMa为卫星本体坐标系到磁强计坐标系的转换矩阵。
得到卫星轨道坐标系下的磁场强度和卫星本体坐标系下的磁场强度。如图2示出地磁场强度曲线的示例。
4、地磁场模型控制DA输出模拟信号
根据磁强计敏感到的地磁场强度及与电压信号的对应关系，模型控制DA输出模拟-5V～5V的电压信号(如图3)至星载计算机，及输出0～+5V的电压信号(如图4)至遥测采编单元，从而实现地磁场的模拟，并接入系统进行磁卸载和地磁场的遥测监视。
利用图1搭建实施地磁场模拟方法的系统，获得图2所示的理论上磁强计敏感的磁场强度，DA板卡输出如图3所示的一路电压信号至星载计算机，DA板卡还输出如图4所示的另一路电压信号至遥测采编单元，结果表明该地磁场模拟方法正确可靠，输出的电压信号与磁强计在轨输出数据一致，利用该方法可以满足系统半物理仿真试验的需求，同时能监视相关地磁场遥测数据，解决了地面测试时磁强计输出数据不变的问题，提高了系统的测试覆盖率。
综上所述，本发明提供了一种基于星载计算机输入地磁场信号特征的，在半物理仿真试验中卫星飞行环境下的地磁场模拟方法。该方法通过控制板卡输出模拟量信号来模拟地磁场连续变化所对应的电压信号，实现模拟磁强计在轨敏感到的连续地球磁场信号。
本发明可以简化半物理仿真试验中用磁强计数据进行磁卸载的试验，增强在轨飞行时磁卸载的真实性，同时解决了以往在地面不能进行飞轮或控制力矩陀螺为执行机构的稳态或全姿态闭环验证试验的问题，从而提高了系统的可靠性和测试覆盖性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种半物理仿真测试中地磁场模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：建立卫星动力学模型，进行卫星轨道和姿态运动学计算，实时获得卫星轨道数据和姿态数据；
步骤二：利用卫星轨道数据和姿态数据，计算出地理经纬度，再计算得到卫星轨道坐标系下的地磁场强度和卫星本体坐标系下的地磁场强度；
步骤三：根据磁强计与卫星本体坐标系的安装关系，获得理论上磁强计敏感到的地磁场强度；
步骤四：根据磁强计输出信号特性与各个地磁场强度间的关系，获得模拟输出信号类型及数据，包括输出至星载计算机和遥测采编单元的信号；
步骤五：建立地磁场数字模型，控制DA板卡输出相应的特征信号至星载计算机和遥测采编单元。
2.如权利要求1所述半物理仿真测试中地磁场模拟方法，其特征在于，
地理经纬度的计算，包含对赤经α、赤纬δ的计算：
δ＝arcsin(sinu sini)
其中，Ω为升交点赤经、i为轨道倾角、u为纬度幅角；
对卫星的地理经度L进行计算：
L＝α-[G0+ωe(t-t0)]
其中，G0为t0时刻格林威治的恒星时角；ωe为地球自转角速度；
对地理纬度δ′进行计算：
其中，f为地球的扁率；卫星的地心纬度δ″等于卫星的赤纬δ。
3.如权利要求2所述半物理仿真测试中地磁场模拟方法，其特征在于，
对卫星在地磁坐标系下的地磁场强度的计算，包含对地磁场分量在当地地磁坐标系上分量的计算：
式中：Re为地球平均半径、R为卫星离地心的距离、和为谐波系数、λ为地心东经、δ′为地理纬度、θ为地心余纬、为n次m阶的拟规格化勒让德函数m<n；
对航向角σ的正余弦值进行计算：
得到转换矩阵：
根据转换矩阵，得到地磁场强度在卫星轨道坐标系中的表示Bxo、Byo、Bzo：
4.如权利要求3所述半物理仿真测试中地磁场模拟方法，其特征在于，
根据转换矩阵，得到地磁场强度在磁强计坐标系下的表示B(MM)x、B(MM)y、B(MM)z：
式中：
B(MM)j为磁强计理论上敏感到的地磁场强度j＝x,y,z；
Aao为轨道坐标系到卫星本体坐标系的转换矩阵；
AMMa为卫星本体坐标系到磁强计坐标系的转换矩阵。
5.如权利要求4所述半物理仿真测试中地磁场模拟方法，其特征在于，
根据磁强计敏感到的地磁场强度及其与电压信号的对应关系，控制DA板卡输出与地磁场强度相应的-5V～5V的一路电压信号至星载计算机，及输出与地磁场强度相应的0～+5V的另一路电压信号至遥测采编单元，实现对地磁场的模拟，来进行磁卸载和地磁场的遥测监视。
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