CN115186468A - 一种空间综合环境实时量化表征方法、装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空间综合环境实时量化表征方法、装置及系统，涉及航天航空技术领域。本发明所述的空间综合环境实时量化表征方法，包括：设置仿真参数，其中，所述仿真参数包括仿真开始时刻、仿真结束时刻和仿真步长时间；从所述仿真开始时刻开始到所述仿真结束时刻为止，根据所述仿真步长时间依次累加仿真步长，逐一确定每个仿真时刻的飞行器的空间综合环境；根据所述空间综合环境选取对应的量化表征模型，以确定不同仿真时刻对应的空间综合环境实时量化表征数据。本发明所述的技术方案，可以解决空间综合环境实时量化表征问题，保障飞行安全。

Description

一种空间综合环境实时量化表征方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及航天航空技术领域，具体而言，涉及一种空间综合环境实时量化表征方法、装置及系统。
背景技术
地球地表以上通常为人类活动的主要空间，在地表以上空间向外延伸的过程中依次经过地球大气、地球辐射带、太阳宇宙线和银河宇宙线，且不同的环境之间相互在空间上交叉耦合，空间复杂的恶劣环境容易造成飞行器在轨故障，所以建立一种能够综合仿真空间复杂环境的技术，对飞行器在轨高可靠运行、保障飞行器任务圆满成功起到至关重要的作用。
发明内容
本发明解决的问题是如何实现空间综合环境实时量化表征以保障飞行安全。
为解决上述问题，本发明提供一种空间综合环境实时量化表征方法，包括：设置仿真参数，其中，所述仿真参数包括仿真开始时刻、仿真结束时刻和仿真步长时间；从所述仿真开始时刻开始到所述仿真结束时刻为止，根据所述仿真步长时间依次累加仿真步长，逐一确定每个仿真时刻的飞行器的空间综合环境；根据所述空间综合环境选取对应的量化表征模型，以确定不同仿真时刻对应的空间综合环境实时量化表征数据。
可选地，所述空间综合环境包括高层大气环境、地磁场环境、电离层等离子体环境和带电粒子辐射环境。
可选地，所述高层大气环境对应的量化表征模型包括NRLMSISE-00模型，所述NRLMSISE-00模型的环境输出种类包括氦原子数量密度、氧原子数量密度、氮气分子数量密度、氧气分子数量密度、氩原子数量密度、总质量密度、氢原子数量密度、氮原子数量密度、异常氧数量密度、外大气层温度和目标高度处温度。
可选地，所述地磁场环境对应的量化表征模型包括国际参考地磁场模型 IGRF，所述国际参考地磁场模型IGRF的环境输出种类包括磁偏角、磁倾角、水平强度、北向强度、东向强度、垂直强度和总强度。
可选地，所述电离层等离子体环境对应的量化表征模型包括国际参考电离层模式，所述国际参考电离层模式的环境输出种类包括电离层等离子体的电子密度、电子温度、离子密度、离子温度以及离子占比。
可选地，所述带电粒子辐射环境包括地球辐射带电子辐射环境和地球辐射带质子辐射环境。
可选地，所述地球辐射带电子辐射环境对应的量化表征模型包括AE-8电子模型，所述AE-8电子模型的环境输出种类包括地球辐射带电子积分通量和地球辐射带电子微分通量，所述地球辐射带质子辐射环境对应的量化表征模型包括 AP-8质子模型，所述AP-8质子模型的环境输出种类包括地球辐射带质子积分通量和地球辐射带质子微分通量。
本发明所述的空间综合环境实时量化表征方法，通过确定每个仿真时刻的飞行器的空间综合环境，再根据空间综合环境选取对应的量化表征模型，以确定不同仿真时刻对应的空间综合环境实时量化表征数据，可以解决空间综合环境实时量化表征问题，保障飞行安全。
本发明还提供一种空间综合环境实时量化表征装置，包括：参数模块，用于设置仿真参数，其中，所述仿真参数包括仿真开始时刻、仿真结束时刻和仿真步长时间；环境模块，用于从所述仿真开始时刻开始到所述仿真结束时刻为止，根据所述仿真步长时间依次累加仿真步长，逐一确定每个仿真时刻的飞行器的空间综合环境；量化表征模块，用于根据所述空间综合环境选取对应的量化表征模型，以确定不同仿真时刻对应的空间综合环境实时量化表征数据。本发明所述的空间综合环境实时量化表征装置与上述空间综合环境实时量化表征方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明还提供一种空间综合环境实时量化表征系统，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，实现如上空间综合环境实时量化表征方法。所述空间综合环境实时量化表征系统与上述空间综合环境实时量化表征方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
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，实现如上空间综合环境实时量化表征方法。所述计算机可读存储介质与上述空间综合环境实时量化表征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
图1为本发明实施例的空间综合环境实时量化表征方法的示意图；
图2为本发明实施例的J2000惯性坐标系的示意图；
图3为本发明实施例的地心地固坐标系的示意图；
图4为本发明实施例的WGS-84坐标系的示意图；
图5为本发明实施例的坐标变换矩阵的示意图；
图6为本发明实施例的飞行器在三维空间中的示意图。
具体实施方式
空间环境对航天器的影响是空间环境效应研究的基本着眼点，所涉及的主要科学问题是研究空间环境与航天器相互作用的基本规律及其工程应用。空间环境效应是空间环境与航天器相互作用的宏观和微观表现，涉及各种物理、化学及力学等过程。空间环境效应在时间与空间尺度上具有明显的动态变化特征，直接受空间环境变化及航天器自身特点制约。深入研究空间环境对航天器的影响，对于提高航天器在轨服役寿命与可靠性具有重要意义。
(1)空间中性大气环境的影响
中性大气环境能够对低地球轨道航天器产生多种负面效应。在低于约 800km的低地球轨道上，地球残余大气构成中性大气环境，能够对航天器产生空气动力学阻力。对于大型非对称结构的航天器而言，可由阻力作用的不均匀性而产生扭矩，影响航天器的姿态，需要通过姿控系统加以调整。空气动力学阻力还会导致航天器轨道下降，需要通过轨控发动机定期加以提升。在低地球轨道条件下，原子氧是必须考虑的中性大气成分。它撞击航天器前表面的平均动能可达到约5eV，能够引起许多聚合物材料(如Kapton、C/C复合材料)及Ag等表面剥蚀。在航天器的周围存在着由其自身释放的气体形成的本征气体环境。由于受到高真空及空间辐射等作用，能够导致航天器表面材料出气，成为光学敏感表面的污染源。轨控/姿控发动机羽流在背向流区所产生的中性气体分子也是常见的污染源。在低地球轨道条件下，中性气体环境常是导致航天器表面出现紫外-可见-红外漫散射发光现象的始作俑者。这种复杂的发光现象是材料表面催化与激励过程的回复效应，与轨道高度、姿态、材料特性、表面温度、在轨时间、光照条件及航天器尺寸等多种因素有关。近年来对航天器外部自身大气层的危害性日益重视，一是可能成为气体分子污染源，二是易于触发静电放电或形成辉光。
(2)空间等离子体环境的影响
等离子体环境对航天器的主要影响是引起电流向航天器暴露表面流入，导致电荷累积效应。暴露在空间环境中的高压电源系统产生的电场会对这种电流的流动产生显著影响。所累积的电荷能够在航天器的不同电绝缘表面之间产生电位差，乃至引起破坏性的电弧放电；或者通过形成微电弧产生电磁噪声与烧蚀表面。这种表面烧蚀效应又会促进航天器周围气体与粉尘环境的形成。低地球轨道等离子体环境能够引起高压太阳电池阵(大于100V)产生电弧放电。即便在较低电压的情况下，也需要从设计上尽量避免太阳电池阵产生微弧放电及其引起的电磁干扰。通常，太阳电池阵的工作电压应低于200V(起弧电压的经验阀值)。这会明显增加航天器配电系统的重量。在地球同步轨道条件下，等离子体的能量高，会形成比低地球轨道等离子体严重得多的充电环境，能够在航天器结构与空间等离子体间或不同表面间形成几千伏的电位差。已经发现，所产生的电弧放电能够直接导致航天器失效。在航天器表面累积的电荷还易于将带电的污染物气体分子吸引到敏感表面，引起敏感表面的性能发生变化。例如，可使表面的电导率下降或改变其充电特性。这说明在地球同步轨道条件下，环境等离子体与电离的气体分子可能产生协同效应。在太阳电池阵表面，也可能通过到达的中性气体发生电离提供电子而导致电弧放电的可能性加大，即产生二次电子倍增效应。因此，地球同步轨道航天器在设计上必须采取必要措施，以防止等离子体环境所引起的充放电效应发生。
(3)空间辐射环境的影响
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。常见的空间带电粒子辐射损伤效应是电离吸收剂量的累积所致，称为总电离剂量效应(TID)。这是一种损伤的逐渐累积过程，主要表现为导致热控涂层、电子器件及光学器件等关键材料和器件性能退化。长期以来，空间带电粒子辐射损伤效应及防护研究一直是航天器设计十分关注的课题，也是空间环境与航天器相互作用研究的重要内容。太阳各波段电磁辐射也会对航天器产生不利影响。低频的射频干扰会对电子学系统产生影响。来自太阳、地球及其它天体的红外辐射会影响在轨航天器的热平衡。在传感器附近有可见光从某些表面或粉尘粒子反射时可能产生微弱信号或图像。太阳紫外辐射能够直接引起航天器表面材料性能退化，并可通过诱发光电子影响航天器表面的充放电过程。太阳紫外辐射还可能通过光化学键合促进敏感表面形成污染膜。X射线与γ射线(主要来源于人造污染源)能够穿过表面并在航天器防护层内产生带电粒子，从而对敏感系统产生影响。通常，来自太阳电磁辐射的X射线与γ射线的强度较弱，所产生的影响较小。太阳耀斑时，X射线辐射可能呈数量级增强。
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。
如图1所示，本发明实施例提供一种空间综合环境实时量化表征方法，包括：设置仿真参数，其中，所述仿真参数包括仿真开始时刻、仿真结束时刻和仿真步长时间；从所述仿真开始时刻开始到所述仿真结束时刻为止，根据所述仿真步长时间依次累加仿真步长，逐一确定每个仿真时刻的飞行器的空间综合环境；根据所述空间综合环境选取对应的量化表征模型，以确定不同仿真时刻对应的空间综合环境实时量化表征数据。
具体地，空间综合环境实时量化表征方法具体如下，首先设置仿真开始时间与仿真结束时间，确定仿真的计算时间范围。然后确定仿真的步长时间，依据仿真的步长时间从仿真开始时刻开始计算依次累加仿真步长并逐一计算每个仿真时刻的飞行器空间综合环境获得实时量化表征数据。最后，针对每一时刻，根据初始化的飞行器轨道参数计算下一时刻的轨道位置，根据轨道位置与该位置所对应的仿真时刻，依次计算IGRF13地球磁场模型，结合F107、F107A、AP 值等环境控制参数计算NRLMSISE-00地球大气模型，结合模型控制参数和能级设置计算带电粒子辐射模型AE-8电子模型和AP-8质子模型。最后得到根据仿真时刻依次变化的飞行器在轨运行期间实时变化的空间综合环境的实时量化表征数据。
首先需要分析空间飞行器在轨运行期间所涉及的综合空间环境种类，针对不同的环境种类分析其内部的科学原理，并结合以往探测数据分别建立量化表征仿真计算模型，分析不同空间环境模型的接口构造与数据类型及其特点，建立飞行器的空间综合环境实时量化表征仿真技术架构，能够根据飞行器的实时空间位置仿真计算得到飞行器所处的实时空间环境量化表征数据。最终解决空间综合环境实时量化表征问题。
步骤一：飞行器在轨运行期间处于复杂的空间环境中，首先分析空间综合环境的种类和组成。由于本实施例主要针对空间运行的飞行器，在飞行器在轨运行期间所处的空间综合环境，通过计算机仿真的方法，对综合环境进行飞行器运行过程中的实时量化表征。人造地球飞行器又称人造地球卫星，是指能够绕地球飞行一周以上的人造飞行器。人造地球卫星的空间分布范围也比较广泛，分布的高度范围从海拔几百公里到海拔几万公里不等，飞行器在运行的过程中经历的环境也可能存在剧烈的变化，可能同时处于多种环境的交叉范围内，也可能经历数个环境的影响中，所以能够实现对飞行器在轨运行期间的空间综合环境实时量化表征技术，对探究飞行器在运行过程中的环境变化进而探究航天器受到环境的作用影响以及应对措施具有重要作用，量化表征数据能够在定量的情况下指导飞行器的可靠性设计，对飞行器的在轨高可靠运行具有重要意义。
空间环境根据分布范围距离地球由近到远的依次可大致分为：
(1)地球高层大气环境，大气是低地球轨道条件下重要的环境因素。地球大气按照温度或成分剖面分成几个特征区域。与低地球轨道相关的主要是热层大气，约从85km至1000km。热层大气的特点是温度随高度增加而增加。热层大气的实际结构与太阳活动水平密切相关。在热层大气中，各组分气体分子碰撞不足以达到充分混合，而处于扩散平衡状态。在热层以上，主要气体组分是氢和氦，并具有固定温度，称为外层大气。
热层大气的浓度随高度大体上呈指数降低。这是流体静力学平衡的结果。热层大气的主要组分包括Ar、O2、N2、O、He和H。流体静力学平衡使H和He成为热层顶部大气的主要组分。在通常的低地球轨道和极地轨道条件下，中性气体主要是原子氧与少量O2、N2及H，可能还有小于1％的He、NO、N及Ar。热层大气的温度与太阳周期、纬度和地方时等因素有关，可从100km高度时约100K 增加至1000km时的500-1500K，强地磁活动时还可达到2000K。低地球轨道航天器飞行速度约为7.8km/s，可使中性大气正面撞击航天器的动能达到约5eV以上(从N撞击时的4.6eV至O2撞击时的10.25eV)。这会导致中性大气与航天器材料产生化学反应(如原子氧剥蚀等)。由于中性大气相对于航天器的定向运动速度显著高于热运动速度，使得两者的相互作用呈现各向异性。
许多因素会影响中性大气的基本参数(密度、温度及成分)，包括地方时、纬度、高度、太阳活动及地磁活动等。通常，通过F10.7指数表征太阳极紫外辐射(EUV)的变化，并以黑子数在一定程度上反映太阳对地磁活动的影响。太阳极紫外辐射与地磁拢动是高层大气的主要加热源。中性大气的密度和温度通常随F10.7指数与地磁指数Ap的提高而增加，如在400km高度，中性大气在太阳高年(F10.7≈230)时的平均密度可比太阳低年(F10.7≈70)时提高约1个数量级。相应地，太阳高年时，可由于太阳极紫外辐射加热使外层大气温度从约700K提高至约1200K。中性大气的基本参数与时间的关系呈现昼夜变化与季节性变化，并有半年变化模式。在热层的中间高度(如500km)，大气的最高平均密度在10 月至11月达到最高，而在4月时最低。在相同高度下，日平均温度在接近地方时14:00最高。
(2)地磁场环境，地磁场是与太阳风相互作用形成地磁层的根源。在1000km 以上，地磁层是起控制作用的地球物理环境；在1000km以下，地磁场主要通过控制电离层等离子体而影响中性大气的动力学过程。近地空间磁场有两个来源：一是地球内的电流，可在地球表面产生约99％的磁场；二是地磁层电流系。后者在超过几个地球半径以外，所起的作用相对较大，原因是前者与距地心距离的三次方呈反比。在许多情况下，可将地球磁场视为偏心偶极子，磁轴倾斜11.7°并向东南亚方向(15.6°N，150.9°E)偏离地心约430km。由于地磁轴倾斜11.7°的缘故，使北美东部的地磁纬度增加11.7°，而在地球的另一端降低11.7°。地磁偶极子的倾斜和偏离导致在巴西海岸南大西洋区域(其中心在40°W、30°S 附近)，地球表面在地磁场中的高度比其它地区高。这会导致该区域上空磁场强度减小(负异常)及内辐射带离地面高度下降，成为形成南大西洋异常区的重要原因。在地磁偶极子以极低速度倾斜与偏离的影响下，南大西洋异常区缓慢地向西漂移。
在低地球轨道条件下，地磁内源场起主导作用，即便是在强磁暴时也约为地磁强度的99％。这说明磁暴时，地磁场在低地球轨道高度所产生的拢动较小。与内源场不同，外源场主要来源于电离层电流和磁层电流，并呈现明显的短期变化特征(从几分钟至几天不等)。外源场可为平静变化场Q和拢动变化场D两部分，由地磁地面站测量。前者主要来源于太阳静日变化Sq场(由每月5天磁静日统计得出，源于太阳电磁辐射感生的电离层电流)，约比内源场至少低2 至3个数量级；后者源于行星际空间的突然变化。行星际空间的变化是通过太阳风等离子体及其俘获的太阳磁场进行传递。拢动场D随机出现，无规律。拢动场D包含两个明显不同的来源：地磁暴和地磁脉动分量。磁暴是持续时间较长的强地磁场拢动。相比之下，地磁脉动是地磁场的一种幅度较小的短周期变化，与太阳风压力改变、磁层变化及带电粒子运动等多种因素有关。
(3)电离层等离子体环境，中性大气从地球表面可延伸至约2500km高度，相应的大气质量密度降至约10-17kg/m3。继续增加高度时大气密度连续降低，没有严格的外边界。太阳短波电磁辐射可使中性大气电离，产生等离子体。在 50至1000km高度范围内，部分中性大气发生光致电离的区域称为电离层。在 1000km以下，等离子体的数密度低于中性大气的数密度。在约150km以上等离子体与中性气体很少发生碰撞，彼此间几乎不产生相互作用。这使得电离层等离子体的行为主要通过静电作用控制。在约50km至150km之间，中性大气与电离层以复杂的方式发生相互作用。电离层总体上呈电中性，电子密度与总的正离子密度(各种正离子密度之和)相等。电离层具有电子密度高(大于103-104cm-3) 与能量低(等效温度小于3000K，平均动能小于0.3eV)的特点，常称为冷、稠等离子体。
(4)带电粒子辐射环境，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 km延伸至约6000km，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。通常认为，内辐射带质子和电子来源于银河宇宙线作用于高层大气产生反照中子，并发生衰变所致；外辐射带是地磁场捕获太阳风等离子体并经过随后加速形成的。辐射带粒子的运动状态受地磁场控制。内辐射带主要受地球内源磁场控制，相对比较稳定。太阳活动与大气密度变化时，可能引起内辐射带粒子通量出现一定程度的周期变化。相比之下，外辐射带易于受磁尾大幅度变化的影响，经常出现短暂的剧烈变化。辐射带质子的通量在太阳低年时高于太阳高年，而电子的情况相反，即电子的通量在太阳高年时较高。
步骤二：为实现对不同环境的实时量化表征，选取对应环境的量化表针仿真模型，选取的模型均与卫星的实时运动相关，并能得到相关领域的广泛认可和应用，能够较为准确的反应对应环境的量化表征数据，能够为工程设计人员提供真实可靠的量化仿真数据。
(1)对于高层大气环境。美国标准大气1976模式是一种使用方便，且得到国际上承认与广泛使用的标准大气模式。所谓标准大气是假定在中等太阳活动条件下，大气服从理想气体定律和流体静力学方程，通过建立一种设想的大气温度、压力和密度的垂直分布，表征高度1000km范围内中纬度大气在中等太阳活动条件下的年平均状态。在地球标准大气模式中，给出了标准大气的定义、数据来源、基本假设、计算公式以及主要大气参数随高度变化的数据表。100km 以上的热层大气中，温度开始随高度急剧上升，然后上升变缓，最后达到外层大气温度。美国标准大气1976模式的外层大气温度为1000K。大气的平均密度与压力随高度增加呈指数形式降低。大气组分在约100km以上开始扩散分离， 120km以上完全达到扩散分离状态。中等太阳活动(F10.7＝150)和宁静磁扰动 (AP＝4)条件下，在约200km至650km高度范围内，原子氧的数密度明显高于其他大气组分。
MSIS参考大气模式与标准大气模式不同之处在于，前者考虑了地球大气随纬度、季节以及太阳活动变化的特征，能够较好地表述大气的运动状况。MSIS 参考大气模式是基于多颗卫星上的质谱仪和地基非相干散射雷达探测数据所建立的半经验模式。MSIS是Mass-Spectrometer-Incoherent-Scatter的缩写。该系列模式的前几个版本重点是高层大气。其中MSIS-86版本已经被空间研究委员会(COSPAR)采用为国际参考大气模式(CIRA)，即CIRA-1986模式。后来， MSIS模式又扩展到中层和低层大气，形成了MSISE-90版本，能够给出从地面到外大气层高度上大气温度、密度及主要大气组分的数密度分布。在72.5km以上，MSISE-90与MSIS-86版本基本类似，只是前者基于航天飞机的飞行数据和有关地基非相干散射雷达的探测结果进行了适当修正。MSIS参考大气模式较好地考虑了太阳极紫外辐射和地磁扰动对热层大气的影响。太阳活动对热层大气的成分分布有明显影响。太阳活动低年时，扩散分离速度加快，重组分随高度下降加剧，轻组分很快成为热层大气的主要成分；太阳活动高年时，则情况相反。地磁扰动也会引起热层大气温度和密度变化。在磁暴时，由于出现沉降粒子注入，使大气加热并造成热层大气密度明显提高。
本发明中使用NRLMSISE-00模型参考大气模型是在已有MSIS参考大气模式的基础上，进一步吸纳了多种卫星、火箭及雷达的有关大气温度、密度及组分浓度等观测数据，成为扩展的MSIS模式，即NRLMass Spectrometer-Incoherent-Scatter Radar ExtendedModel。该模式能够很好地表述地球大气成分、温度及总质量密度从地面至外层的空间分布。
本发明中使用NRLMSISE-00模型通过仿真时刻和大地经度、纬度与海拔高度，以及模型控制参数F107、F107A、AP值，能够得到大气大气组分N2、O、O2、 He、Ar、H和N以及异常原子氧(anomalous oxygen)的数密度，并且能够得到大气总质量密度以及大气温度等量化表征数据。
(2)对于地磁场环境。地球磁场在较低高度近似为磁偶极子，而在较高高度受太阳风作用严重变形。地磁场模式是建立辐射带与宇宙线粒子环境模式所不可缺少的条件。地球辐射带粒子的分布常基于理想化的地磁偶极子空间位置描述。对于太阳能量质子与银河宇宙线环境而言，需要考虑地磁场的磁屏蔽效应。地磁场模式也用于地磁层物理研究，如描述带电粒子通过磁层的迹线等。
航天器横切地磁场运动时，会受到诱导的动态电磁场作用，即E＝V·B(式中， E为电场矢量，V为速度矢量及B为磁场矢量)。若形成电流回路，会有电流流过航天器与周围的等离子体，从而导致低地球轨道航天器出现几伏的电位差。地磁场与航天器的在轨磁矩交互作用能够引起磁干扰力矩，使航天器的姿态发生改变或者可用于姿态控制。
本发明中使用国际参考地磁场模型IGRF。国际地磁和高空物理协会(IAGA) 基于地磁台和野外测量、飞船、航天飞机及卫星的实测数据，建立了描述地球主磁场(内源场)的计算模式，称为国际参考地磁场模式(IGRF)。IGRF模式是一个通称，有不同的版本。五年为一个场期，对模式中的高斯系数
Figure RE-GDA0003831927800000111
和
Figure RE-GDA0003831927800000112
进行一次更换。在应用IGRF模式时，应指明所用的版本，如IGRF-95或IGRF-10等。本发明中使用IGRF-13版本能够给出国际参考地磁场模式从1900年至2025年期间各场期的主要参量。地球磁场的偶极磁矩在逐年缓慢降低。地球主磁场的磁位势可用球谐级数或球谐函数表述。磁向量场由磁位势梯度所决定，即
Figure RE-GDA0003831927800000113
地磁位势的表达式如下：
Figure RE-GDA0003831927800000114
式中，V为磁场的位势，r为径向距离(地心距)，θ为地理余纬度(极角)，λ为地理东经，a为参考地球半径(6371.2km)；
Figure RE-GDA0003831927800000115
和
Figure RE-GDA0003831927800000116
为Schmidt系数或称高斯系数，由地球主磁场观测数据确定。
Figure RE-GDA0003831927800000117
为n次m阶的Schmidt归一化的勒让德多项式，即：
Figure RE-GDA0003831927800000118
式中，第二个方括号内的多项式称为勒让德多项式Pnm(cosθ)；εm取值为：
Figure RE-GDA0003831927800000119
在球坐标系(r,θ,λ)内，可由
Figure RE-GDA00038319278000001110
求得地磁场的北向、东向及垂直向下的分量，分别为
Figure RE-GDA00038319278000001111
及
Figure RE-GDA00038319278000001112
由此，代入地磁位势的表达式求得相应的计算公式如下:
Figure RE-GDA00038319278000001113
Figure RE-GDA00038319278000001114
Figure RE-GDA00038319278000001115
利用上述表达式和相应时期的系数，可以确定地面以上几个RE内的地磁场空间分布。分析表明，地磁位势的表达式中n＝1的项占磁位势V值的90％以上，代表位于地心的偶极子磁场。其余n>1的部分为非偶极磁场。非偶极磁场中n＝2 和n＝3两项占主导地位。在实际应用情况下，常选用勒让德级数的少数几项即可满足要求，使计算简化。
本发明中使用IGRF-13模型通过仿真时刻和大地经度、纬度与海拔高度等参数，带入IGRF-13模型获得地磁场总强度、磁场强度垂直分量、磁场强度东向分量、磁场强度北向分量、磁倾角、磁偏角等地磁场参数。
(3)对于电离层等离子体环境。本发明选用国际参考电离层模式，国际参考电离层模式应用最为广泛，简称IRI模式(International Reference Ionosphere)。它是一个有关全球的电离层经验模式，常用版本为IRI-90、IRI-95 及IRI-2007。IRI-95模式适用于±60°纬度以下，能够计算地磁平静条件下电离层等离子体在60km至2000km高度的各特征参数，包括月平均的等离子体密度、成分及温度。输入条件包括：日期，高度，纬度，经度，地方时，以及12 个月平均的太阳黑子数或相应的F10.7。输出结果为电子数密度，O+数密度，H+数密度，He+数密度，O2 +数密度，NO+数密度，N+数密度，离子团数密度，中性气体温度，离子温度及电子温度。该模式计算时有多种选择，能够用于不同的应用场合。运行程序可给出推荐的选择。模式的误差范围在F2层峰高度以下为2 至4倍；在F2层峰高度以上可达1个数量级。IRI-2007模式运行时可选择地理坐标或地磁坐标，输入条件包括纬度、经度、日期、地方时或世界时、高度 (起始至终止高度及步长)。其他输入条件如RZ12(12个月平均的太阳黑子数)、F10.7和ap等可取程序的默认值。在程序中太阳活动指数还可用基于中午电离层观测数据引出的IG12指数，代替月平均的太阳黑子数作为一种新的太阳活动指数。该模式版本计算电离层电子密度时，准确度可达：从65km至95km，50～80％；在白天，从100km至200km，5～15％；在夜间，从100km至200km，15～30％；在纬度小于60°时，从200km至1000km，15～25％；在纬度大于60°时，从200km 至1000km，50～80％。
本发明中使用最新的IRI2016模型通过仿真时刻和大地经度、纬度与海拔高度等参数，带入IRI2016模型计算，通过标准IRI2016模型获得电离层等离子体的电子密度，电子温度、离子密度、离子温度以及各种离子占比。
(4)对于带电粒子辐射环境。通过步骤一中分析地球周围的带电粒子辐射环境主要分为两类，一类是带负电的电子辐射环境，通常称为地球辐射带电子辐射环境，另一类是带正电的质子辐射环境，通常称为地球辐射带质子辐射环境。
国际上通用的地球辐射带电子模式是AE-8(NASA)模式，能够给出辐射带电子通量的静态分布。通过该模式可分别针对太阳活动高年和低年，计算给出不同能量(E)和地磁坐标(L，B)条件下辐射带电子的积分通量和微分通量。所依据的探测数据主要来自上世纪60年代至70年代中期的二十几颗卫星，能够较好地覆盖地球辐射带的空间区域(L＝1.2～11RE)，并有较宽的电子能量范围 (40keV～7MeV)。地球电子辐射带涉及内带(1.2<L<2.5)，过渡区(2.5<L<3.0)及外带(3.0<L<11)三部分，难于通过统一的解析模式加以表述。AE-8模式是在AE-4、 AE-5和AE-6等模式版本的基础上，进一步结合Azur、OV3-3、OV2-19、ATS-5、ATS-6等卫星探测数据所建立的。AE-8(NASA)模式是迄今对地球电子辐射带在空间和能量范围上覆盖程度最广的模式。
国际上通用的辐射带质子模式是NASA的Goddard空间飞行中心J.I.Vette 等人所建立的AP-8模式，以下简称为AP-8(NASA)模式。所依据的探测数据主要来自上世纪60年代和70年代早期的二十几颗卫星。该模式能够较充分地覆盖地球辐射带质子区域，并有较宽的质子能量范围。尽管相当部分数据是通过外推得到的，AP-8(NASA)模式仍是国际上用于工程问题的基本模式。AP-8模式是在AP-1、AP-5、AP-6和AP-7模式的基础上发展的。从前的模式是应用幂函数或指数函数形式表述地球辐射带质子能谱。实际上，简单的函数关系难以完全拟合辐射带质子在0.1MeV至400MeV范围内的能谱。
本发明中使用AE-8辐射带电子模型通过仿真时刻和大地经度、纬度与海拔高度等参数，结合太阳极大年、极小年模型控制参数和电子能级设置序列，将以上参数带入模型计算输出得到辐射带电子的对应能级序列的辐射微分通量和辐射积分通量。
本发明中使用AP-8辐射带质子模型通过仿真时刻和大地经度、纬度与海拔高度等参数，结合太阳极大年、极小年模型控制参数和质子能级设置序列，将以上参数带入模型计算输出得到辐射带质子的对应能级序列的辐射微分通量和辐射积分通量。
步骤三：构建地球周围空间区域数字化空间模型，实现空间综合环境实时量化表征。空间综合环境实时量化表征，主要是对空间在轨运行的飞行器所处的空间复杂环境，根据飞行器运行的实时时间时刻与空间位置的变化，对所处的空间综合环境进行量化表征，通过不同的空间环境模型对不同的环境尽量量化表征。本发明为了解决地球附近飞行航天器的运行状态的问题，通常选用如下三维空间直角笛卡尔坐标系的定义方法，来分析描述飞行器的在轨运行位置、速度、等状态的量化表征。
因为各种空间环境的模型都与时间与空间位置有关，所以本发明中根据空间环境模型输入时间标定的定义和飞行器运行期间在轨运动状态的计算，采取协调世界时UTC时间定义方法，协调世界时基于国际原子时，其一秒的定义为铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间。内容上与格林尼治子午线上平太阳时世界时基本保持一致，考虑到世界时的非均匀行，所以为了确保协调世界时与世界时(UT1)相差不会超过0.9秒，有需要时便会在协调世界时内加上正或负闰秒。本发明中UTC的表示方法为公历的年、月、日、时、分、秒，方便用户设定和使用。在本发明中的内部计算中需要将时间变换为连续的整数，在本发明软件程序内部的计算与判断。本发明中使用儒略日表示法获得连续的整数形式的时间表述。儒略日是以公元前4573年1月 1日12h为起始点的天数。通过将公历年月日转换成儒略日，能够在一个统一规格下获得两个公历时刻之间相差的描述，方便制定仿真步长。同样，儒略日也适用于地球自转角度的计算。
由公历计算儒略日：
Figure RE-GDA0003831927800000141
式中：INT()—取整。
为了得到对应仿真时刻的飞行器在轨运行的空间位置，首先要定义合理坐标系描述飞行器在坐标系中的位置变化。结合图2所示，考虑到人造飞行器在绕地球的惯性空间中运动，本发明中使用J2000地心坐标系，J2000坐标系坐标原点与地球质心重合，X轴指向J2000时刻平春分点，Z轴指向北极，Y轴与X 轴、Z轴构成右手直角坐标系，是一个惯性坐标系。
空间飞行器在轨运行中，本发明是基于空间飞行器运行的空间位置与运动速度求解飞行器所处的实时空间综合环境的，在轨运行的空间飞行器使用开普勒轨道根数进行初始化，方便用户设定使用本发明方法。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。则通过轨道根数计算惯性系中位置r0速度v0的方法如下。
根据二体运动方程和开普勒三定律，我们可以得到空间飞行器轨道六根数的具体求解表达式：
Figure RE-GDA0003831927800000151
Figure RE-GDA0003831927800000152
Figure RE-GDA0003831927800000153
Figure RE-GDA0003831927800000154
Figure RE-GDA0003831927800000155
Figure RE-GDA0003831927800000156
其中，μ＝GM＝3.986005×1014m3/s2为地球引力常数，G是引力常数，M是地球质量。设t0时刻，惯性系中，飞行器的速度矢量和位置矢量分别为：
Figure RE-GDA0003831927800000157
Figure RE-GDA0003831927800000158
则速度大小和位置大小分别为：
Figure RE-GDA0003831927800000161
Figure RE-GDA0003831927800000162
轨道的动量矩为：
Figure RE-GDA0003831927800000163
Figure RE-GDA0003831927800000164
计算得到的卫星随时间变化的三维坐标数据需要变化到地心大地坐标系获得卫星在坐标系中的经度、纬度、和海拔高度数据用来空间环境模型使用计算。
首先建立地心地固坐标系和地心大地坐标系：
一、地心地固坐标系
为了将为支点的经纬高向卫星所在的历元坐标系进行变换，首先要将地心大地坐标系下的目标点坐标向地心地固坐标系进行变换。地心地固坐标系定义如下：
结合图3所示，地心地固坐标系的原点和地球质心重合，Z轴指向地球北极， X轴指向赤道与格林尼治子午面的交点，Y轴和X轴及Z轴构成右手直角坐标系。
二、地心大地坐标系
在使用空间原子氧环境模型时，常使用大地经纬度来表示。本文也根据 WGS-84坐标系及其对应的WGS-84地球椭球模型进行后续的计算，坐标系定义如下。
WGS-84是质心坐标系系统，原点和地球质心重合。如图4所示，其Z轴指向国际时间局1984.0定义的协议地极方向，X轴指向协议子午面和协议地级与赤道的交点，Y轴和X轴、Z轴构成右手直角坐标。
在WGS-84坐标系下的大地坐标(lon,lat,alt)即为目标的在WGS-84坐标系下的经纬高。大地经度lon为目标点的大地子午面和本初子午面的夹角，大地纬度lat为通过目标点的WGS-84椭球法线与赤道平面的夹角，alt为目标点与 WGS-84椭球面的法线距离。
与WGS-84坐标系对应有WGS-84椭球，参数见下表1所示。
其中，a表示长半径，b表示短半径，c表示极半径，单位均为m，f表示扁率，e2表示第一偏心率平方，e’2表示第二偏心率平方，J2表示地球重力场二阶带球谐系数。
表1WGS-84椭球参数
Figure RE-GDA0003831927800000171
首先进行J2000惯性系与地心地固坐标系的变化。
从J2000坐标系到地心地固坐标需要考虑到岁差、章动、地球自转和极移的影响，其中地球自转可以用格林尼治恒星时角来表示，转换关系如图5所示。其中PR、NR、ER、EP分别为岁差矩阵、章动矩阵、地球自转矩阵和极移矩阵。
HG为J2000坐标系到地心地固坐标系的总体变化矩阵：
HG＝(PR)(NR)(ER)(EP)
(1)岁差矩阵
岁差是在日月和其他行星引力力作用下，地球自转轴长期进动，引起春分点沿黄道西移，致使回归年短于恒星年的现象。岁差矩阵如下：
PR＝Rz(-zA)Rz(-θA)Rz(-ζA)
式中：zA,θA,ζA—岁差角，可以通过以下公式求得：
Figure RE-GDA0003831927800000172
(2)章动矩阵
章动是由外力引起的地球自转轴的短期摇摆，变换矩阵如下：
NR＝RX(-εA)Rz(-ψ)RX(-εA+Δε)
式中：εA—历元平黄赤交角；
Δψ—黄经章动；
Δε—黄赤交角章动。
这几项可以通过DE405的星历文件，通过以下公式插值获取：
εA＝84381”.448-46.8150T-0.0059T2+0.001813T3
Figure RE-GDA0003831927800000181
σi＝a1jl+a2jl'+a3jF+a4jD+a5jΩ
式中：l—月亮平近点角；
l’—太阳平近点角；
F—月亮平升交角距；
D—日月平角距；
Ω—月亮黄经。
可以通过以下公式求得：
Figure RE-GDA0003831927800000182
(3)地球自转矩阵
J2000坐标系与地固坐标系的主要差别就是地固坐标系考虑到了地球自转，因此精确的地球自转矩阵尤为重要。矩阵如下：
ER＝Rz(θG)
式中，θG为格林尼治恒星时。
Figure RE-GDA0003831927800000191
(4)极移矩阵
地球自转轴相对于地球的位置随时间变化，会改变观察者的天钉在天球上的位置，被称为极移，极移矩阵如下：
EP＝RY(-xp)RX(-yp)
式中：xp,yp—地极坐标。
然后使用地心大地坐标系与地固直角坐标系变换，将地固坐标系中三维坐标转换为地心大地坐标系的经度、纬度和海拔高度数据供环境计算使用。
设目标在地心大地坐标系坐标系下的坐标为(lon,lat,alt)，则在地心地固坐标系下的坐标为：
Figure RE-GDA0003831927800000192
式中：e2＝(a2-b2)/a2，见WGS-84椭球定义。
N—法线长度，
Figure RE-GDA0003831927800000193
同理，可以通过地心地固坐标系下坐标反解经纬高。
Figure RE-GDA0003831927800000201
以下提供一具体仿真实例。
选取初始化航天器姿轨参数，飞行器初始轨道六根数为，长半轴42166.3km，偏心率0度，倾角0度，升交点赤经0度，近地点幅角0度，近地点角0度。
任务开始时间2017年1月1日12时0分0秒。仿真步长20s。
如图6所示，为飞行器在空间中的实时位置变化，在三维空间中的示意图。
得到了飞行器所处的实时综合环境量化数据，包括：
(1)大气环境NRLMSISE-00模型的数据实时量化表征，具体环境输出种类包括：
氦原子数量密度、氧原子数量密度、氮气分子数量密度、氧气分子数量密度、氩原子数量密度、总质量密度、氢原子数量密度、氮原子数量密度、异常氧(氧-17，氧-18)数量密度、外大气层温度、在ALT处温度；
(2)地球磁场环境IGRF13模型的实时量化表征数据，具体环境输出种类包括：磁偏角、磁倾角、水平强度、北向强度、东向强度、垂直强度、总强度；
(3)地球辐射带环境电子AE8模型、质子AP8模型的实时量化表征数据，具体环境输出种类包括：
地球辐射带电子积分通量，根据用户能级设置输出对应的通量值。
地球辐射带电子微分通量，根据用户能级设置输出对应的通量值。
地球辐射带质子积分通量，根据用户能级设置输出对应的通量值。
地球辐射带质子微分通量，根据用户能级设置输出对应的通量值。
在本实施例中，通过确定每个仿真时刻的飞行器的空间综合环境，再根据空间综合环境选取对应的量化表征模型，以确定不同仿真时刻对应的空间综合环境实时量化表征数据，可以解决空间综合环境实时量化表征问题，保障飞行安全。
可选地，所述空间综合环境包括高层大气环境、地磁场环境、电离层等离子体环境和带电粒子辐射环境。
可选地，所述高层大气环境对应的量化表征模型包括NRLMSISE-00模型，所述NRLMSISE-00模型的环境输出种类包括氦原子数量密度、氧原子数量密度、氮气分子数量密度、氧气分子数量密度、氩原子数量密度、总质量密度、氢原子数量密度、氮原子数量密度、异常氧数量密度、外大气层温度和目标高度处温度。
可选地，所述地磁场环境对应的量化表征模型包括国际参考地磁场模型 IGRF，所述国际参考地磁场模型IGRF的环境输出种类包括磁偏角、磁倾角、水平强度、北向强度、东向强度、垂直强度和总强度。
可选地，所述电离层等离子体环境对应的量化表征模型包括国际参考电离层模式，所述国际参考电离层模式的环境输出种类包括电离层等离子体的电子密度、电子温度、离子密度、离子温度以及离子占比。
可选地，所述带电粒子辐射环境包括地球辐射带电子辐射环境和地球辐射带质子辐射环境。
可选地，所述地球辐射带电子辐射环境对应的量化表征模型包括AE-8电子模型，所述AE-8电子模型的环境输出种类包括地球辐射带电子积分通量和地球辐射带电子微分通量，所述地球辐射带质子辐射环境对应的量化表征模型包括 AP-8质子模型，所述AP-8质子模型的环境输出种类包括地球辐射带质子积分通量和地球辐射带质子微分通量。
本发明另一实施例提供一种空间综合环境实时量化表征装置，包括：参数模块，用于设置仿真参数，其中，所述仿真参数包括仿真开始时刻、仿真结束时刻和仿真步长时间；环境模块，用于从所述仿真开始时刻开始到所述仿真结束时刻为止，根据所述仿真步长时间依次累加仿真步长，逐一确定每个仿真时刻的飞行器的空间综合环境；量化表征模块，用于根据所述空间综合环境选取对应的量化表征模型，以确定不同仿真时刻对应的空间综合环境实时量化表征数据。
本发明另一实施例提供一种空间综合环境实时量化表征系统，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，实现如上空间综合环境实时量化表征方法。
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，实现如上空间综合环境实时量化表征方法。
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。

Claims (10)

1.一种空间综合环境实时量化表征方法，其特征在于，包括：
设置仿真参数，其中，所述仿真参数包括仿真开始时刻、仿真结束时刻和仿真步长时间；
从所述仿真开始时刻开始到所述仿真结束时刻为止，根据所述仿真步长时间依次累加仿真步长，逐一确定每个仿真时刻的飞行器的空间综合环境；
根据所述空间综合环境选取对应的量化表征模型，以确定不同仿真时刻对应的空间综合环境实时量化表征数据。
2.根据权利要求1所述的空间综合环境实时量化表征方法，其特征在于，所述空间综合环境包括高层大气环境、地磁场环境、电离层等离子体环境和带电粒子辐射环境。
3.根据权利要求2所述的空间综合环境实时量化表征方法，其特征在于，所述高层大气环境对应的量化表征模型包括NRLMSISE-00模型，所述NRLMSISE-00模型的环境输出种类包括氦原子数量密度、氧原子数量密度、氮气分子数量密度、氧气分子数量密度、氩原子数量密度、总质量密度、氢原子数量密度、氮原子数量密度、异常氧数量密度、外大气层温度和目标高度处温度。
4.根据权利要求2所述的空间综合环境实时量化表征方法，其特征在于，所述地磁场环境对应的量化表征模型包括国际参考地磁场模型IGRF，所述国际参考地磁场模型IGRF的环境输出种类包括磁偏角、磁倾角、水平强度、北向强度、东向强度、垂直强度和总强度。
5.根据权利要求2所述的空间综合环境实时量化表征方法，其特征在于，所述电离层等离子体环境对应的量化表征模型包括国际参考电离层模式，所述国际参考电离层模式的环境输出种类包括电离层等离子体的电子密度、电子温度、离子密度、离子温度以及离子占比。
6.根据权利要求2所述的空间综合环境实时量化表征方法，其特征在于，所述带电粒子辐射环境包括地球辐射带电子辐射环境和地球辐射带质子辐射环境。
7.根据权利要求6所述的空间综合环境实时量化表征方法，其特征在于，所述地球辐射带电子辐射环境对应的量化表征模型包括AE-8电子模型，所述AE-8电子模型的环境输出种类包括地球辐射带电子积分通量和地球辐射带电子微分通量，所述地球辐射带质子辐射环境对应的量化表征模型包括AP-8质子模型，所述AP-8质子模型的环境输出种类包括地球辐射带质子积分通量和地球辐射带质子微分通量。
8.一种空间综合环境实时量化表征装置，其特征在于，包括：
参数模块，用于设置仿真参数，其中，所述仿真参数包括仿真开始时刻、仿真结束时刻和仿真步长时间；
环境模块，用于从所述仿真开始时刻开始到所述仿真结束时刻为止，根据所述仿真步长时间依次累加仿真步长，逐一确定每个仿真时刻的飞行器的空间综合环境；
量化表征模块，用于根据所述空间综合环境选取对应的量化表征模型，以确定不同仿真时刻对应的空间综合环境实时量化表征数据。
9.一种空间综合环境实时量化表征系统，其特征在于，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，实现如权利要求1至7任一项所述的空间综合环境实时量化表征方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，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，实现如权利要求1至7任一项所述的空间综合环境实时量化表征方法。
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