CN116911080B - 一种基于空间环境要素的仿真模型系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空间环境模拟技术领域，具体地说，涉及一种基于空间环境要素的仿真模型系统和方法。其包括空间环境模拟单元，空间环境模拟单元的输出端连接有一次碰撞模拟单元，一次碰撞模拟单元的输出端连接有二次碰撞模拟单元，二次碰撞模拟单元的输出端连接有规避路径生成单元。通过模拟太阳活动，使卫星在太阳活动下受到带电粒子单向撞击、多向全面撞击时的场景，完善目前卫星受到太阳活动影响时自身受冲击的程度，且单向撞击与多向全面撞击时，卫星受带电粒子的撞击力度、受损点位不同，以切实的模拟太阳活动导致带电粒子影响卫星时的情况。

Description

一种基于空间环境要素的仿真模型系统和方法

技术领域

本发明涉及空间环境模拟技术领域，具体地说，涉及一种基于空间环境要素的仿真模型系统和方法。

背景技术

通过对空间环境的情况模拟演示，能够便捷对空间环境的状况进行了解，并且通过模拟还可以来预测分析未来空间环境会发生的一些状况。

目前会通过模拟空间环境来分析空间环境在变化时对卫星的影响情况，其中，对空间环境进行仿真模拟时，通常是通过采集空间环境的数据然后进行模型搭建，在搭建后，便可在模型内模拟卫星运动轨迹，来分析卫星在空间环境下的运动状况，但是当遇到一些特殊的空间环境状态（太阳活动）时，目前针对该环境对卫星的情况做出分析模拟通常如下：

当空间环境受到太阳活动的影响，太阳活动产生的高能量质子在飞射时，目前会以高能量质子直接与卫星碰撞模拟卫星受损时的情况，但是在实际的情况中，卫星受到高能量质子碰撞影响，还会存在其他的情况，如：

上述中通过高能量质子单一方向与卫星发生碰撞，实际中，目前会对卫星做出防护设计，进而，卫星很难被高能量质子贯穿，因此，高能量质子在与卫星碰撞后，高能量质子还会改变当前的行径折射，导致卫星受到不同方向的高能量质子碰撞影响，因此本方案提出一种基于空间环境要素的仿真模型系统和方法,以对卫星在空间环境下的具体情况做出模拟。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于空间环境要素的仿真模型系统和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明目的之一在于提供了一种基于空间环境要素的仿真模型系统，包括用于搭建空间环境状态的空间环境模拟单元，且空间环境模拟单元还用于模拟太阳活动，所述空间环境模拟单元的输出端连接有一次碰撞模拟单元，所述一次碰撞模拟单元用于依据空间环境模拟单元所搭建的空间环境模拟卫星在该空间环境内受到带电离子一次单向撞击的情况，所述一次碰撞模拟单元的输出端连接有二次碰撞模拟单元，所述二次碰撞模拟单元用于模拟卫星在一次单向撞击后，受到其他带电离子影响发生二次多向撞击时的情况，模拟卫星表面上受到多点碰撞的情况，以一次单向撞击与二次多向撞击，模拟卫星受损位置不同时自身的情况，所述二次碰撞模拟单元的输出端连接有规避路径生成单元，所述规避路径生成单元用于依据受损后卫星及带电粒子的运动轨迹生成安全规避路径。

作为本技术方案的进一步改进，所述空间环境模拟单元包括用于获取数据库内信息数据的空间数据采集模块，所述空间数据采集模块的输出端连接有用于模拟空间环境的空间环境搭建模块。

作为本技术方案的进一步改进，所述一次碰撞模拟单元包括获取带电粒子运动轨迹及卫星运动轨迹的路径生成模块，所述路径生成模块的输出端连接有判断带电粒子是否与卫星发生碰撞的同向碰撞模拟模块。

作为本技术方案的进一步改进，所述同向碰撞模拟模块通过路程计量算法，其算法公式如下：

，

其中，S为带电粒子/卫星的运动距离，V为带电粒子/卫星的运动速率，T为带电粒子/卫星的运动时间。

作为本技术方案的进一步改进，所述二次碰撞模拟单元包括用于模拟带电粒子在一次单向撞击后，与其他卫星发生碰撞情况的折向碰撞模拟模块。

作为本技术方案的进一步改进，所述折向碰撞模拟模块的输出端连接有多点碰撞模拟模块，所述多点碰撞模拟模块用于模拟卫星受到带电粒子多向碰撞的情况。

作为本技术方案的进一步改进，所述同向碰撞模拟模块还用于模拟带电粒子以冲击碰撞贯穿卫星时的情况，并确定带电粒子贯穿卫星时的运动轨迹，使规避路径生成单元生成安全规避路径时受到带电粒子贯穿卫星时运动轨迹的影响。

本发明的目的之二在于提供一种根据上述中任一项所述的基于空间环境要素的仿真模型系统所生成的仿真方法，包括如下步骤：

S1、搭建空间环境的状态，并模拟空间环境中的太阳活动；

S2、依据搭建的空间环境，模拟卫星在该空间环境内受到带电离子一次单向撞击的场景；

S3、模拟卫星在一次单向撞击后，受到其他带电离子影响发生二次多向撞击时的场景，模拟卫星表面上受到多点碰撞的场景，以一次单向撞击与二次多向撞击，模拟卫星受损位置不同时自身的情况；

S4、依据受损后卫星及带电粒子的运动轨迹生成安全规避路径，以安全规避路径控制其他的未受损卫星在地球外围的运转轨迹

与现有技术相比，本发明的有益效果：

该基于空间环境要素的仿真模型系统和方法中，通过模拟太阳活动，使卫星在太阳活动下受到带电粒子单向撞击、多向折射撞击时的场景，完善目前卫星受到太阳活动影响时自身受冲击的程度，且单向撞击与多向折射撞击时，卫星受带电粒子的撞击力度、受损点位不同，以切实的模拟太阳活动导致带电粒子影响卫星时的情况。

附图说明

图1为本发明的整体模块框图。

图中各个标号意义为：

10、空间环境模拟单元；

101、空间数据采集模块；102、空间环境搭建模块；

20、一次碰撞模拟单元；

201、路径生成模块；202、同向碰撞模拟模块；

30、二次碰撞模拟单元；

301、折向碰撞模拟模块；302、多点碰撞模拟模块；

40、规避路径生成单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1所示，本实施例提供了一种基于空间环境要素的仿真模型系统，包括用于搭建空间环境状态的空间环境模拟单元10，且空间环境模拟单元10还用于模拟太阳活动，空间环境模拟单元10的输出端连接有一次碰撞模拟单元20，一次碰撞模拟单元20用于依据空间环境模拟单元10所搭建的空间环境模拟卫星在该空间环境内受到带电离子一次单向撞击的情况，一次碰撞模拟单元20的输出端连接有二次碰撞模拟单元30，二次碰撞模拟单元30用于模拟卫星在一次单向撞击后，模拟卫星表面受到多点碰撞的情况，以一次单向撞击与二次多向撞击，模拟卫星受损位置不同时自身的情况，二次碰撞模拟单元30的输出端连接有规避路径生成单元40，规避路径生成单元40用于依据受损后卫星及带电粒子的运动轨迹生成安全规避路径；通过空间环境模拟单元10采集数据库中的空间环境要素，搭建空间环境中的太阳系、地球及卫星，然后，通过模拟太阳系出现的太阳活动，在太阳活动出现时，太阳活动的存在会导致太阳放射高能量带电粒子，因此，对于正在轨道运行的卫星来说，带电粒子的放射会在空间环境中运动飞溅，便可通过一次碰撞模拟单元20计算分析带电粒子在运动的过程中是否会与运动的卫星发生碰撞，当确定会发生碰撞时，此时卫星便会受到带电粒子一次单向撞击的情况，一次单向撞击是指，此时大量的带电粒子是以同一方向与卫星接触发生碰撞的，模拟卫星在空间环境中同向受损时的切实情况；

然后，确定卫星受到带电粒子撞击后自身的运动轨迹，并且通过分析带电粒子在与卫星碰撞后，同时确定空间环境中多个卫星的位置，这样就能通过二次碰撞模拟单元30模拟二次运动的带电粒子与其他运动的卫星发生碰撞（此处模拟的目的在于，对于一次撞击后的带电粒子来说，其在与卫星撞击，自身的运动受阻，因此带电粒子的冲击缩小，进而，模拟带电粒子在冲击改变时与其他卫星碰撞的情况，便于人员精确的分析卫星在不同冲击程度下卫星的受损程度），对卫星在空间环境下的情况切实模拟；

当在同一区域（以上、下相对排列，模拟大量卫星实际围着地球外侧运转的情况）存在多个卫星时，且卫星处于多个方向上的不同方位时，模拟带电粒子与卫星接触碰撞发生折射，使多个卫星上不同位置受到撞击的情况，这样就能模拟卫星多面受到碰撞时自身的受损情况，实现对该情况下卫星的具体状况切实的模拟仿真，以上述位置在一次单向撞击、二次多向撞击时的情况，给目前卫星在空间环境中的状况做出模拟演示，为后续对卫星的优化改进提供辅助性的数据支撑；

通过确定上述卫星在受到碰撞后的运动轨迹、带电粒子撞击后的运动轨迹，便可在空间环境中以这些点为基础，以远离这些点的路径生成安全规避路径，在安全规避路径下，可控制其他未受损的卫星进行变轨，这样就能避免后续的卫星受损，实现对空间环境中卫星轨迹的安全控制模拟，给目前卫星在空间环境中遇到突发情况时的运行轨迹做出数据模拟。

针对上述技术方案做出的进一步阐述：

空间环境模拟单元10包括用于获取数据库内信息数据的空间数据采集模块101，空间数据采集模块101的输出端连接有用于模拟空间环境的空间环境搭建模块102，通过空间环境搭建模块102以多种的信息数据（信息数据包括太阳系数据、地球数据、地磁层数据及卫星数据），来根据根据实际的情况进行搭建模拟空间环境，以太阳系、地球、地磁层及卫星模拟空间环境，这样就能模拟太空活动，在太阳活动产生时，会产生一种高能量带电粒子，便可模拟分析高能量粒子在飞射至是否与卫星撞击，以分析卫星在太阳活动下的状况，以便于后续对卫星进行控制优化。

其中，一次碰撞模拟单元20包括获取带电粒子运动轨迹及卫星运动轨迹的路径生成模块201，路径生成模块201的输出端连接有判断带电粒子是否与卫星发生碰撞的同向碰撞模拟模块202，同向碰撞模拟模块202通过路程计量算法，其算法公式如下：

，

其中，S为带电粒子/卫星的运动距离，V为带电粒子/卫星的运动速率，T为带电粒子/卫星的运动时间；

参照上述，对于模拟带电粒子撞击卫星来说，实际的情况可分为两种，一种是撞击，另一种是不撞击，进而，以此两种进行模拟，模拟的方式如下：获取带电粒子到卫星轨道上的某一点的位置，确定当前带电粒子与卫星轨道之间的距离及卫星到卫星轨道标定点之间的距离（标定点为带电粒子运动至卫星轨道上的位置），均将其设定为S，获取带电粒子的运动速率及卫星的运动速率，均将其设定为V，计算带电粒子运动至该位置所需要的时间及卫星的运动至卫星轨道标定点位置的时间T，然后，通过计算两个T时间是否相等，当相等时，同向碰撞模拟模块202判定带电粒子会与卫星发生撞击，当撞击时，因大量的带电粒子以同一方向撞击卫星，通过分析卫星在同向受损时的状况，具体是直接采集位置表面的受损点量，来判定卫星的受损程度，受损点量越大，受损程度越大；反之，两个T时间不相等，则不撞击，因此实现带电粒子对卫星的影响做出评估判断，以便于对卫星在空间环境中的状况做出切实模拟。

对卫星受碰撞的情况再次模拟：二次碰撞模拟单元30包括用于模拟带电粒子在一次单向撞击后，与其他卫星发生碰撞情况的折向碰撞模拟模块301，折向碰撞模拟模块301依据上述路程计量算法来模拟带电粒子在一次单向撞击后，因受到卫星的阻碍折射改变运动轨迹后，与其他位置发生碰撞的情况，模拟带电粒子受阻后，冲力程度改变时，带电粒子对卫星的碰撞场景，这样就能模拟出卫星受冲力程度不同时，卫星的受损以及表现情况。

其中，折向碰撞模拟模块301的输出端连接有多点碰撞模拟模块302，多点碰撞模拟模块302用于模拟卫星受到带电粒子多向碰撞的情况，通过模拟在同一区域下，卫星以上、下相对排列，此时，上、下相对排列的卫星就受到带电粒子往复折叠冲击时的情况，以切实的模拟卫星在受到带电粒子多向冲击碰撞时的情况，以便于人员对卫星在空间环境中受带电粒子影响的情况做出模拟，且对于以此单向撞击来说，此处的多向冲击碰撞会给卫星施加不同的受损点，以使人员能够依据受损点的不同，受损量的不同，分析卫星在该空间环境下的情况。

因目前的卫星为了确保能够安全使用，通常会以较高防护性的壳体进行设计保护，因此，通常卫星不易被带电粒子击穿，因满足上述带电粒子的折射形成条件，但是考虑到实际的情况，为了确保带电粒子对卫星的影响能够形成实际的模拟：同向碰撞模拟模块202还用于模拟带电粒子以冲击碰撞贯穿卫星时的情况，并确定带电粒子贯穿卫星时的运动轨迹，使规避路径生成单元40生成安全规避路径时受到带电粒子贯穿卫星时运动轨迹的影响。同步模拟带电粒子以冲击碰撞贯穿卫星时的情况，此时，在确定带电粒子贯穿卫星时的运动轨迹，使规避路径生成单元40在生成安全规避路径时，加入此时带电粒子的运动轨迹，以提升安全规避路径的安全性。

本发明的目的之二在于提供一种根据所述的基于空间环境要素的仿真模型系统所生成的仿真方法，包括如下步骤：

S1、搭建空间环境的状态，并模拟空间环境中的太阳活动；

S2、依据搭建的空间环境，模拟卫星在该空间环境内受到带电离子一次单向撞击的场景；

S3、模拟卫星在一次单向撞击后，受到其他带电离子影响发生二次多向撞击时的场景，模拟卫星表面上受到多点碰撞的场景，以一次单向撞击与二次多向撞击，模拟卫星受损位置不同时自身的情况；

S4、依据受损后卫星及带电粒子的运动轨迹生成安全规避路径，以安全规避路径控制其他的未受损卫星在地球外围的运转轨迹，因本方法是基于上述系统实现的，因此参照上述系统的阐述接，在此就不进行一一赘述了。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种基于空间环境要素的仿真模型系统，包括用于搭建空间环境状态的空间环境模拟单元（10），且空间环境模拟单元（10）还用于模拟太阳活动，其特征在于：所述空间环境模拟单元（10）的输出端连接有一次碰撞模拟单元（20），所述一次碰撞模拟单元（20）用于依据空间环境模拟单元（10）所搭建的空间环境模拟卫星在该空间环境内受到带电离子一次单向撞击的情况，所述一次碰撞模拟单元（20）的输出端连接有二次碰撞模拟单元（30），所述二次碰撞模拟单元（30）用于模拟卫星在一次单向撞击后，模拟卫星表面受到多点碰撞的情况，以一次单向撞击与二次多向撞击，模拟卫星受损位置不同时自身的情况，所述二次碰撞模拟单元（30）的输出端连接有规避路径生成单元（40），所述规避路径生成单元（40）用于依据受损后卫星及带电粒子的运动轨迹生成安全规避路径；

所述空间环境模拟单元（10）包括用于获取数据库内信息数据的空间数据采集模块（101），所述空间数据采集模块（101）的输出端连接有用于模拟空间环境的空间环境搭建模块（102）；

所述一次碰撞模拟单元（20）包括获取带电粒子运动轨迹及卫星运动轨迹的路径生成模块（201），所述路径生成模块（201）的输出端连接有判断带电粒子是否与卫星发生碰撞的同向碰撞模拟模块（202）；

所述同向碰撞模拟模块（202）通过路程计量算法，其算法公式如下：

，

其中，S为带电粒子/卫星的运动距离，V为带电粒子/卫星的运动速率，T为带电粒子/卫星的运动时间；

所述同向碰撞模拟模块（202）还用于模拟带电粒子以冲击碰撞贯穿卫星时的情况，并确定带电粒子贯穿卫星时的运动轨迹，使规避路径生成单元（40）生成安全规避路径时受到带电粒子贯穿卫星时运动轨迹的影响；

对于模拟带电粒子撞击卫星来说，实际的情况可分为两种，一种是撞击，另一种是不撞击，进而，以此两种进行模拟，模拟的方式如下：

获取带电粒子到卫星轨道上的某一点的位置，确定当前带电粒子与卫星轨道之间的距离及卫星到卫星轨道标定点之间的距离，均将其设定为S，其中所述标定点为带电粒子运动至卫星轨道上的位置；

获取带电粒子的运动速率及卫星的运动速率，均将其设定为V；

计算带电粒子运动至该位置所需要的时间及卫星的运动至卫星轨道标定点位置的时间T；

然后，通过计算两个T时间是否相等，当相等时，同向碰撞模拟模块（202）判定带电粒子会与卫星发生撞击，当撞击时，因大量的带电粒子以同一方向撞击卫星，通过直接采集位置表面的受损点量，来判定卫星的受损程度，受损点量越大，受损程度越大；反之，两个T时间不相等，则不撞击；

所述二次碰撞模拟单元（30）包括用于模拟带电粒子在一次单向撞击后，与其他卫星发生碰撞情况的折向碰撞模拟模块（301）；

所述二次碰撞模拟单元（30）用于对卫星受碰撞的情况再次模拟：通过所述折向碰撞模拟模块（301）依据所述路程计量算法来模拟带电粒子在一次单向撞击后，因受到卫星的阻碍折射改变运动轨迹后，与其他位置发生碰撞的情况，模拟带电粒子受阻后，冲力程度改变时，带电粒子对卫星的碰撞场景；

所述折向碰撞模拟模块（301）的输出端连接有多点碰撞模拟模块（302），所述多点碰撞模拟模块（302）用于模拟卫星受到带电粒子多向碰撞的情况；

通过模拟在同一区域下，卫星以上、下相对排列，此时，上、下相对排列的卫星就受到带电粒子往复折叠冲击时的情况，以模拟卫星在受到带电粒子多向冲击碰撞时的情况；

仿真模型系统所生成的仿真方法，包括如下步骤：

S1、搭建空间环境的状态，并模拟空间环境中的太阳活动；

S2、依据搭建的空间环境，模拟卫星在该空间环境内受到带电离子一次单向撞击的场景；

S3、模拟卫星在一次单向撞击后，受到其他带电离子影响发生二次多向撞击时的场景，模拟卫星表面上受到多点碰撞的场景，以一次单向撞击与二次多向撞击，模拟卫星受损位置不同时自身的情况；

S4、依据受损后卫星及带电粒子的运动轨迹生成安全规避路径，以安全规避路径控制其他的未受损卫星在地球外围的运转轨迹。