一種極光測量儀器控制方法及系統與流程

2023-05-14 14:08:46 1

本發明涉及空間探測技術領域，特別是涉及一種極光測量儀器控制方法及系統。

背景技術：

極光是由太陽風和地球磁層中的高能帶電粒子沿地球磁場線注入高緯度地區，將高層大氣分子或原子電離激發產生的發光現象，極光產生於地球的高磁緯地區上空即地球的南北兩極區域，一般為大於磁緯60度的區域。

在極光空間測量中，極光測量儀器隨極軌衛星沿太陽同步軌道運行，當到達地球南北兩極區域時儀器運行工作，對極光進行測量。極光測量儀器何時工作需要根據極軌衛星到達的地球地磁位置確定，現有技術中，由地面工作人員計算衛星的運行位置並給出極光測量儀器的工作時間，通過數據注入發送到衛星上，傳送給測量儀器觸發其運行工作。可以看出，現有方法是由人工計算，並且由人工根據計算得到的時間控制數據注入，存在人工幹預的複雜性和適時性差的缺點。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種極光測量儀器控制方法及系統，實現了對極光測量儀器工作的自動控制，克服了現有方法存在人工幹預的複雜性和適時性差的缺點。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種極光測量儀器控制方法，包括：

接收衛星廣播的定位數據；

根據所述定位數據中的時間參數計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量，基於所述磁矩三分量計算得到由地理坐標繫到地磁坐標系的坐標轉換參數；

根據所述定位數據中的地理坐標、所述坐標轉換參數計算地磁坐標，在地磁坐標滿足預設條件時觸發極光測量儀器開始工作。

可選地，所述根據所述定位數據中的時間參數計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量包括：

根據所述定位數據中的時間參數計算當前時刻相對於磁矩更新起始時間的年數；

根據磁矩三分量的初始值、磁矩三分量的年變化值以及所述年數計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量。

可選地，計算當前時刻相對於磁矩更新起始時間的年數的計算式為：

ΔT＝(DGPS+TGPS/1000.0/86400.0-EPOCH)/365.25；

其中，ΔT表示相對於磁矩更新起始時間的年數，定位數據中的時間參數DGPS為J2000坐標系的天數、TGPS為J2000坐標系的毫秒數，EPOCH表示磁矩更新起始時間，365.25表示在一個更新周期內每年的平均天數；

根據以下計算式計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量：

G10＝G100+ΔG10×ΔT；

G11＝G110+ΔG11×ΔT；

H11＝H110+ΔH11×ΔT；

其中，G10、G11、H11表示當前時刻的磁矩三分量，G100、G110、H110表示在地理坐標系中磁矩三分量的初始值，ΛG10、ΛG11、ΛH11表示在地理坐標系中磁矩三分量的年變化值；

根據以下計算式計算所述坐標轉換參數：

SQ＝G112+H112；

SL0＝-H11/SQQ；

CL0＝-G11/SQQ；

ST0＝SQQ/SQR；

CT0＝-G10/SQR；

STCL＝ST0*CL0；

STSL＝ST0*SL0；

CTSL＝CT0*SL0；

CTCL＝CT0*CL0；

所述根據所述定位數據中的地理坐標、所述坐標轉換參數計算地磁坐標包括：根據以下計算式計算地磁坐標：

XM＝XG×CTCL+YG×CTSL-ZG×ST0；

YM＝YG×CL0-XG×SL0；

ZM＝XG×STCL+YG×STSL+ZG×CT0；

其中，XM、YM、ZM表示地磁坐標，XG、YG、ZG表示地理坐標。

可選地，所述在地磁坐標滿足預設條件時觸發極光測量儀器開始工作包括：

根據如下計算式計算磁緯角度：

當所述磁緯角度滿足預設條件時觸發所述極光測量儀器開始工作。

可選地，所述在地磁坐標滿足預設條件時觸發極光測量儀器開始工作包括：

計算1/sin2θ＝(XM/ZM)2+(YM/ZM)2+1，當(XM/ZM)2+(YM/ZM)2滿足預設條件時觸發所述極光測量儀器開始工作。

一種極光測量儀器控制系統，包括：

接收模塊，用於接收衛星廣播的定位數據；

計算模塊，用於根據所述定位數據中的時間參數計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量，基於所述磁矩三分量計算得到由地理坐標繫到地磁坐標系的坐標轉換參數；

控制模塊，用於根據所述定位數據中的地理坐標、所述坐標轉換參數計算地磁坐標，在地磁坐標滿足預設條件時觸發極光測量儀器開始工作。

可選地，所述計算模塊包括：

年數計算單元，用於根據所述定位數據中的時間參數計算當前時刻相對於磁矩更新起始時間的年數；

磁矩分量計算單元，用於根據磁矩三分量的初始值、磁矩三分量的年變化值以及所述年數計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量；

參數計算單元，用於基於所述磁矩三分量計算得到由地理坐標繫到地磁坐標系的坐標轉換參數。

可選地，所述年數計算單元具體用於根據以下計算式計算當前時刻相對於磁矩更新起始時間的年數：

ΔT＝(DGPS+TGPS/1000.0/86400.0-EPOCH)/365.25；

其中，ΔT表示相對於磁矩更新起始時間的年數，定位數據中的時間參數DGPS為J2000坐標系的天數、TGPS為J2000坐標系的毫秒數，EPOCH表示磁矩更新起始時間，365.25表示在一個更新周期內每年的平均天數；

所述磁矩分量計算單元具體用於根據以下計算式計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量：

G10＝G100+ΔG10×ΔT；

G11＝G110+ΔG11×ΔT；

H11＝H110+ΔH11×ΔT；

其中，G10、G11、H11表示當前時刻的磁矩三分量，G100、G110、H110表示在地理坐標系中磁矩三分量的初始值，ΛG10、ΛG11、ΛH11表示在地理坐標系中磁矩三分量的年變化值；

所述參數計算單元具體用於根據以下計算式計算所述坐標轉換參數：

SQ＝G112+H112；

SL0＝-H11/SQQ；

CL0＝-G11/SQQ；

ST0＝SQQ/SQR；

CT0＝-G10/SQR；

STCL＝ST0*CL0；

STSL＝ST0*SL0；

CTSL＝CT0*SL0；

CTCL＝CT0*CL0；

所述控制模塊具體用於根據以下計算式計算地磁坐標：

XM＝XG×CTCL+YG×CTSL-ZG×ST0；

YM＝YG×CL0-XG×SL0；

ZM＝XG×STCL+YG×STSL+ZG×CT0；

其中，XM、YM、ZM表示地磁坐標，XG、YG、ZG表示地理坐標。

可選地，所述控制模塊用於在地磁坐標滿足預設條件時觸發極光測量儀器開始工作包括：

所述控制模塊具體用於根據如下計算式計算磁緯角度：

當所述磁緯角度滿足預設條件時觸發所述極光測量儀器開始工作。

可選地，所述控制模塊用於在地磁坐標滿足預設條件時觸發極光測量儀器開始工作包括：

所述控制模塊具體用於計算1/sin2θ＝(XM/ZM)2+(YM/ZM)2+1，當(XM/ZM)2+(YM/ZM)2滿足預設條件時觸發所述極光測量儀器開始工作。

由上述技術方案可知，本發明所提供的極光測量儀器控制方法及系統，接收衛星廣播的定位數據，根據所述定位數據中的時間參數計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量，基於所述磁矩三分量計算得到由地理坐標繫到地磁坐標系的坐標轉換參數，根據定位數據中的地理坐標、坐標轉換參數計算地磁坐標，在地磁坐標滿足預設條件時觸發極光測量儀器開始工作。

本發明極光測量儀器控制方法及系統，實現了在軌計算極光測量儀器的地磁位置，並根據地磁位置實現對極光測量儀器工作的自動控制，克服了現有方法存在人工幹預的複雜性和適時性差的缺點，

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種極光測量儀器控制方法的流程圖；

圖2為本發明實施例提供的一種極光測量儀器控制系統的示意圖；

圖3為本發明實施例提供的極光測量儀器控制系統中計算模塊的示意圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明中的技術方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。

請參考圖1，本發明實施例提供的一種極光測量儀器控制方法，包括步驟：

S10：接收衛星廣播的定位數據。

極光測量儀器與極軌衛星同步，衛星定時廣播定位數據，所述定位數據可以是世界大地測量系統坐標系下的GPS定位數據。在GPS定位數據中，給出了衛星當前位置在地理坐標系下的地理坐標。

示例性的，獲得的GPS定位數據格式如下表1所示，具體是從世界大地測量系統-1984(WGS84)獲得的定位數據：

表1

可以看到在獲得的GPS定位數據中包含時間參數DGSP和TGPS，以及位置坐標。

S11：根據所述定位數據中的時間參數計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量，基於所述磁矩三分量計算得到由地理坐標繫到地磁坐標系的坐標轉換參數。

本實施例方法中，由地理坐標繫到地磁坐標系的轉換採用IGRF模型(國際參考地磁場模型)進行，在計算過程中使用地球主磁場磁矩的三分量獲得坐標轉換參數。

具體的，計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量的計算方法包括步驟：

S110：根據所述定位數據中的時間參數計算當前時刻相對於磁矩更新起始時間的年數。在IGRF模型中，地球主磁場磁矩三分量以一定周期更新，在更新時同時給出這一周期內磁矩三分量的年變化值，對於極軌衛星可通過數據注入更新。磁矩更新起始時間表示為EPOC，是相對於J2000的天數，為正整數。在一種具體實例中地球主磁場磁矩毎5年更新一次，在更新時同時給出之後5年內的年變化值。

具體的，計算當前時刻相對於磁矩更新起始時間的年數的計算式為：

ΔT＝(DGPS+TGPS/1000.0/86400.0-EPOCH)/365.25；

其中，ΔT表示相對於磁矩更新起始時間的年數，DGPS、TGPS為所述定位數據中的時間參數，DGPS為J2000坐標系的天數、TGPS為J2000坐標系的毫秒數，EPOCH表示磁矩更新起始時間，365.25表示在一個更新周期內的平均天數。

S111：根據磁矩三分量的初始值、磁矩三分量的年變化值以及所述年數計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量。

具體的，根據以下計算式計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量：

G10＝G100+ΔG10×ΔT；

G11＝G110+ΔG11×ΔT；

H11＝H110+ΔH11×ΔT；

其中，G10、G11、H11表示當前時刻的磁矩三分量，G100、G110、H110表示在地理坐標系中磁矩三分量的初始值，ΛG10、ΛG11、ΛH11表示在地理坐標系中磁矩三分量的年變化值。

根據獲得的磁矩三分量計算由地理坐標繫到地磁坐標系的坐標轉換參數，具體根據如下計算式計算由地理坐標繫到地磁坐標系的坐標轉換參數：

SQ＝G112+H112；

SL0＝-H11/SQQ；

CL0＝-G11/SQQ；

ST0＝SQQ/SQR；

CT0＝-G10/SQR；

STCL＝ST0*CL0；

STSL＝ST0*SL0；

CTSL＝CT0*SL0；

CTCL＝CT0*CL0。

S12：根據所述定位數據中的地理坐標、所述坐標轉換參數計算地磁坐標，在地磁坐標滿足預設條件時觸發極光測量儀器開始工作。

具體的，根據上步驟計算獲得的坐標轉換參數，根據以下計算式計算地磁坐標：

XM＝XG×CTCL+YG×CTSL-ZG×ST0；

YM＝YG×CL0-XG×SL0；

ZM＝XG×STCL+YG×STSL+ZG×CT0；

其中，XM、YM、ZM表示地磁坐標，XG、YG、ZG表示地理坐標。

根據計算得到的地磁坐標，根據如下計算式計算磁緯角度：

當所述磁緯角度滿足預設條件時觸發所述極光測量儀器開始工作。在一種具體應用中，當判斷θ≥60°時表明衛星入磁緯60°極區，則觸發極光測量儀器開始工作。

進一步優選的，採用上述計算式計算磁緯角度公式比較複雜，計算量大，因此本實施例方法中可對計算式進行簡化，具體為：計算1/sin2θ＝(XM/ZM)2+(YM/ZM)2+1，當(XM/ZM)2+(YM/ZM)2滿足預設條件時觸發所述極光測量儀器開始工作。

在一種具體應用中，當(XM/ZM)2+(YM/ZM)2≥1/3表明衛星進入磁緯60°極區，則觸發極光測量儀器開始工作。

可以看出，本實施例極光測量儀器控制方法，實現了在軌計算極光測量儀器的地磁位置，並根據地磁位置實現對極光測量儀器工作的自動控制，其測量和控制不受地面人工幹預，克服了現有方法存在人工幹預的複雜性和適時性差的缺點，並且可節省人員和成本。

相應的，請參考圖2，本發明實施例還提供一種極光測量儀器控制系統，包括：

接收模塊20，用於接收衛星廣播的定位數據；

計算模塊21，用於根據所述定位數據中的時間參數計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量，基於所述磁矩三分量計算得到由地理坐標繫到地磁坐標系的坐標轉換參數；

控制模塊22，用於根據所述定位數據中的地理坐標、所述坐標轉換參數計算地磁坐標，在地磁坐標滿足預設條件時觸發極光測量儀器開始工作。

可以看出，本實施例極光測量儀器控制系統包括接收模塊、第一計算模塊和控制模塊，通過接收衛星廣播的定位數據，根據所述定位數據中的時間參數計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量，基於所述磁矩三分量計算得到由地理坐標繫到地磁坐標系的坐標轉換參數，根據定位數據中的地理坐標、坐標轉換參數計算地磁坐標，在地磁坐標滿足預設條件時觸發極光測量儀器開始工作。

本實施例極光測量儀器控制系統，實現了在軌計算極光測量儀器的地磁位置，並根據地磁位置實現對極光測量儀器工作的自動控制，克服了現有方法存在人工幹預的複雜性和適時性差的缺點。

具體的，請參考圖3，本實施例極光測量儀器控制系統中，所述計算模塊21包括：

年數計算單元210，用於根據所述定位數據中的時間參數計算當前時刻相對於磁矩更新起始時間的年數；

磁矩分量計算單元211，用於根據磁矩三分量的初始值、磁矩三分量的年變化值以及所述年數計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量；

參數計算單元212，用於基於所述磁矩三分量計算得到由地理坐標繫到地磁坐標系的坐標轉換參數。

所述年數計算單元210具體用於根據以下計算式計算當前時刻相對於磁矩更新起始時間的年數：

ΔT＝(DGPS+TGPS/1000.0/86400.0-EPOCH)/365.25；

其中，ΔT表示相對於磁矩更新起始時間的年數，DGPS、TGPS為定位數據中的時間參數，DGPS為J2000坐標系的天數、TGPS為J2000坐標系的毫秒數，EPOCH表示磁矩更新起始時間，365.25表示在一個更新周期內每年的平均天數；

所述磁矩分量計算單元211具體用於根據以下計算式計算當前時刻地球磁場的磁矩三分量：

G10＝G100+ΔG10×ΔT；

G11＝G110+ΔG11×ΔT；

H11＝H110+ΔH11×ΔT；

其中，G10、G11、H11表示當前時刻的磁矩三分量，G100、G110、H110表示在地理坐標系中磁矩三分量的初始值，ΛG10、ΛG11、ΛH11表示在地理坐標系中磁矩三分量的年變化值；

所述參數計算單元212具體用於根據以下計算式計算所述坐標轉換參數：

SQ＝G112+H112；

SL0＝-H11/SQQ；

CL0＝-G11/SQQ；

ST0＝SQQ/SQR；

CT0＝-G10/SQR；

STCL＝ST0*CL0；

STSL＝ST0*SL0；

CTSL＝CT0*SL0；

CTCL＝CT0*CL0；

所述控制模塊22具體用於根據以下計算式計算地磁坐標：

XM＝XG×CTCL+YG×CTSL-ZG×ST0；

YM＝YG×CL0-XG×SL0；

ZM＝XG×STCL+YG×STSL+ZG×CT0；

其中，XM、YM、ZM表示地磁坐標，XG、YG、ZG表示地理坐標。

本實施例極光測量儀器控制系統中，控制模塊22用於在地磁坐標滿足預設條件時觸發極光測量儀器開始工作包括：

所述控制模塊22具體用於根據如下計算式計算磁緯角度：

當所述磁緯角度滿足預設條件時觸發所述極光測量儀器開始工作。在一種具體應用中，當判斷θ≥60°時表明衛星入磁緯60°極區，則觸發極光測量儀器開始工作。

進一步優選的，採用上述計算式計算磁緯角度公式比較複雜，計算量大，優選對上述計算式進行簡化，所述控制模塊22具體用於計算1/sin2θ＝(XM/ZM)2+(YM/ZM)2+1，當(XM/ZM)2+(YM/ZM)2滿足預設條件時觸發所述極光測量儀器開始工作。

以上對本發明所提供的一種極光測量儀器控制方法及系統進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。