一種半物理仿真測試中地磁場模擬方法與流程

2023-07-10 21:08:57 1

本發明涉及的是一種信號模擬，通過模擬磁強計輸出信號的特徵進行地磁場的模擬，並用於以反作用飛輪或控制力矩陀螺為執行機構的穩態控制模式和全姿態捕獲模式的磁卸載控制，屬於衛星控制系統半物理仿真測試技術領域。

背景技術：

磁強計作為衛星控制系統中地磁場強度的測量敏感部件，在軌實現地球磁場強度矢量的測量，用於保證磁力矩器控制力矩的正確產生，以實現反作用飛輪或控制力矩陀螺為執行機構的穩態控制模式和全姿態捕獲模式的磁卸載控制。磁強計輸出數據為三軸的磁場強度電壓信號，一方面電壓信號輸出至星載控制計算機進行磁卸載，另一方面電壓信號輸出至遙測採編單元採集傳至地面進行遙測監視。

衛星控制系統在地面半物理仿真測試時，需要進行磁卸載試驗。但由於磁強計敏感的是當地位置地磁場強度分解到磁強計三個軸的分量，且輸出數據基本不變，不能滿足衛星在軌飛行時磁強計敏感到的地磁場強度。

目前缺乏一種地磁場模擬方法，能夠滿足衛星控制系統地面半物理仿真試驗的需求。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種能夠模擬地磁場的方法，模擬磁強計在軌輸出信號的特徵，真實的在地面進行相關的磁卸載試驗。利用該方法，我們能真實模擬磁強計在軌飛行時輸出的數據，充分考核以飛輪或控制力矩陀螺為執行機構的穩態控制模式和全姿態捕獲模式下磁卸載試驗，充分驗證磁卸載設計方案，提高系統的可靠性和測試覆蓋性。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供一種半物理仿真測試中地磁場模擬方法，其中包括如下步驟：

步驟一：建立衛星動力學模型，進行衛星軌道和姿態運動學計算，實時獲得衛星軌道數據和姿態數據；

步驟二：利用衛星軌道數據和姿態數據，計算出地理經緯度，再計算得到衛星軌道坐標系下的磁場強度和衛星本體坐標系下的磁場強度；

步驟三：根據磁強計與衛星本體坐標系的安裝關係，獲得理論上磁強計敏感到的地磁場數據；

步驟四：根據磁強計輸出信號特性與地磁場強度間的關係，獲得模擬輸出信號類型及數據，包括輸出至星載計算機和遙測採編單元的信號；

步驟五：建立地磁場數字模型，驅動控制硬體da板卡輸出相應的特徵信號至星載計算機和遙測採編單元。

本發明所述半物理仿真測試中地磁場模擬方法，能夠通過控制板卡輸出模擬量信號來模擬磁強計敏感到的地磁場強度所對應的電壓信號，滿足半物理仿真試驗中磁卸載和遙測監視的需求，解決了以往在地面不能進行飛輪或控制力矩陀螺為執行機構的穩態或全姿態閉環驗證試驗的問題，從而提高了系統的可靠性和測試覆蓋率，模擬簡單，通用性強，安全性好。本發明可以簡單、高效實現地磁場的模擬，輸出相應特徵的信號進行磁卸載和地面遙測，提高衛星控制系統半物理仿真試驗的測試覆蓋率。

附圖說明

以下將結合附圖和實例對本發明作進一步的說明：

圖1是本發明中地磁場模擬框圖；

圖2是本發明中地磁場強度曲線的示例；

圖3是本發明中da板卡輸出到星載計算機的地磁場強度對應的電壓信號曲線(-5v～+5v)的示例；

圖4是本發明中da板卡輸出到遙測採編單元的地磁場強度對應的電壓信號曲線(0～+5v)的示例。

具體實施方式

如圖1所示，本發明提供一種半物理仿真測試中地磁場模擬方法，包括如下步驟：

步驟一：建立衛星動力學模型，進行衛星軌道和姿態運動學計算，實時獲得衛星軌道數據和姿態數據；

步驟二：利用衛星軌道數據和姿態數據，計算出地理經緯度，再計算得到衛星軌道坐標系下的磁場強度和衛星本體坐標系下的磁場強度；

步驟三：根據磁強計與衛星本體坐標系的安裝關係，獲得理論上磁強計敏感到的地磁場數據；

步驟四：根據磁強計輸出信號特性與地磁場強度間的關係，獲得模擬輸出信號類型及數據，包括輸出至星載計算機和遙測採編單元的信號；

步驟五：建立地磁場數字模型，驅動控制硬體da板卡輸出相應的特徵信號至星載計算機和遙測採編單元。

下面結合附圖舉例，對本發明做更詳細地描述：

1、地理經緯度的計算

地理經緯度的計算輸入信號為升交點赤經ω、半長軸a、軌道傾角i、緯度幅角u等參數，由軌道要素得到赤經α、赤緯δ。

δ＝arcsin(sinusini)(2)

衛星的地心經度和地理經度l等於衛星赤經與格林威治的恆星時角之差，即

l＝α-[g0+ωe(t-t0)]

g0為t0時刻格林威治的恆星時角，需要由地面注入；ωe為地球自轉角速度，ωe＝7.2921158×10-5rad/s。

衛星的地心緯度δ″等於衛星的赤緯δ，它們與地理緯度δ′的關係為

式中：f為地球的扁率，f＝1/298.257。

2、再計算得到衛星軌道坐標系下的磁場強度和衛星本體坐標系下的磁場強度。

計算地磁場分量在當地地磁坐標系上的分量方法如下：

式中：

re—地球平均半徑

r—衛星離地心的距離

和—諧波係數

λ—地心東經，由格林威治子午線向東到當地子午線測量為正

δ′—地理緯度，向北測量為正

θ—地心餘緯(90-δ′)

—n次m階的擬規格化勒讓德函數(m<n)。

根據軌道傾角i、緯度幅角u計算航向角的正餘弦值：

得到轉換矩陣：

根據轉換矩陣，得到地磁場強度在軌道系中的表示bxo、byo、bzo：

3、再根據衛星姿態數據和磁強計與衛星本體坐標系間的安裝關係，計算磁強計敏感到的磁場強度

根據轉換矩陣，得到地磁場強度在磁強計坐標系下的表示b(mm)x、b(mm)y、b(mm)z：

式中：

b(mm)j為磁強計理論上敏感到的地磁場強度(j＝x,y,z)；

aao為軌道坐標繫到衛星本體坐標系的轉換矩陣；

amma為衛星本體坐標繫到磁強計坐標系的轉換矩陣。

得到衛星軌道坐標系下的磁場強度和衛星本體坐標系下的磁場強度。如圖2示出地磁場強度曲線的示例。

4、地磁場模型控制da輸出模擬信號

根據磁強計敏感到的地磁場強度及與電壓信號的對應關係，模型控制da輸出模擬-5v～5v的電壓信號(如圖3)至星載計算機，及輸出0～+5v的電壓信號(如圖4)至遙測採編單元，從而實現地磁場的模擬，並接入系統進行磁卸載和地磁場的遙測監視。

利用圖1搭建實施地磁場模擬方法的系統，獲得圖2所示的理論上磁強計敏感的磁場強度，da板卡輸出如圖3所示的一路電壓信號至星載計算機，da板卡還輸出如圖4所示的另一路電壓信號至遙測採編單元，結果表明該地磁場模擬方法正確可靠，輸出的電壓信號與磁強計在軌輸出數據一致，利用該方法可以滿足系統半物理仿真試驗的需求，同時能監視相關地磁場遙測數據，解決了地面測試時磁強計輸出數據不變的問題，提高了系統的測試覆蓋率。

綜上所述，本發明提供了一種基於星載計算機輸入地磁場信號特徵的，在半物理仿真試驗中衛星飛行環境下的地磁場模擬方法。該方法通過控制板卡輸出模擬量信號來模擬地磁場連續變化所對應的電壓信號，實現模擬磁強計在軌敏感到的連續地球磁場信號。

本發明可以簡化半物理仿真試驗中用磁強計數據進行磁卸載的試驗，增強在軌飛行時磁卸載的真實性，同時解決了以往在地面不能進行飛輪或控制力矩陀螺為執行機構的穩態或全姿態閉環驗證試驗的問題，從而提高了系統的可靠性和測試覆蓋性。

儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。