低低跟蹤重力測量衛(wèi)星半物理仿真系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星重力測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低低跟蹤重力測量衛(wèi)星半物理 仿真系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 21世紀是人類利用衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星(SST)和衛(wèi)星重力梯度(SGG)技術(shù)提升對地球、月 球、火星和太陽系其他行星認知能力的新紀元。地球重力測量衛(wèi)星CHAMP和GRACE、G0CE的成 功升空以及GRACE Follow-On和月球重力探測衛(wèi)星GRAIL的即將發(fā)射昭示著人類將迎來一 個前所未有的衛(wèi)星重力探測時代。地（月）球重力場及其時變反映地（月）球表層及內(nèi)部物質(zhì) 的空間分布、運動和變化，同時決定著大地水準面的起伏和變化。因此，確定地（月）球重力 場的精細結(jié)構(gòu)及其時變不僅是大地測量學(xué)、海洋學(xué)、地震學(xué)、空間科學(xué)、天文學(xué)、行星科學(xué)、 深空探測、國防建設(shè)等的需求，同時也將為全人類尋求資源、保護環(huán)境和預(yù)測災(zāi)害提供重要 的信息資源。
[0003] 衛(wèi)星重力測量技術(shù)的實現(xiàn)是繼美國GPS星座成功構(gòu)建之后在大地測量領(lǐng)域的又一 項創(chuàng)新和突破，是被國際大地測量學(xué)界公認的當前地球重力場探測研究中最高效、最經(jīng)濟 和最有發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ㄖ唬炔煌趥鹘y(tǒng)的車載、船載和機載測量，也不同于衛(wèi)星測高 和軌道攝動分析，而是通過衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星高低/低低技術(shù)（SST-HL/LL)和重力梯度技術(shù) (SGG)，利用衛(wèi)星搭載的地球重力場探測器或傳感器，研究衛(wèi)星軌道的受攝運動及其參數(shù)變 化，進而研究地球重力場的結(jié)構(gòu)和變化，恢復(fù)高精度和高空間解析度的地球重力場。
[0004] 目前國際上在重力衛(wèi)星測量技術(shù)探測地球重力場方面已經(jīng)取得的實質(zhì)性進步。經(jīng) 過40多年孜孜不倦的探索和努力，已經(jīng)成功實踐了高-低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星重力測量模式 (CHAMP、G0CE)以及低-低跟蹤衛(wèi)星重力測量模式(GRACE)，其中CHAMP是衛(wèi)星重力測量計劃 成功實施的先行者，GRACE的優(yōu)越性體現(xiàn)于可探測地球重力場的中高精度長波信號及時變 信號，而G0CE擅長于感測中短波靜態(tài)地球重力場。聯(lián)合上述三期衛(wèi)星重力測量計劃雖然可 以精確測量地球的靜態(tài)重力場及其時變重力場，從而獲得地球總體形狀隨時間變化、地球 各圈層物質(zhì)的迀移、全球海洋質(zhì)量的分布和變化、極地冰川的增大和縮小以及地下蓄水總 量信息的特性。目前，美國、歐空局等已在制定實施下一代更高精度的重力測量計劃。
[0005] 目前我國眾多學(xué)者在基于衛(wèi)星重力測量恢復(fù)地球重力場的理論和方法方面開展 了廣泛研究，經(jīng)過多年的數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，已突破了重力衛(wèi)星的精密定軌、重力場恢 復(fù)等關(guān)鍵技術(shù)，并成功研制了基于動力法等恢復(fù)地球重力場的實用軟件，尤其是完成了難 度極大的衛(wèi)星重力測量數(shù)據(jù)一體化處理技術(shù)"一步法"的攻關(guān)，研制了原型軟件，并利用 CHAMP、GRACE實際測量數(shù)據(jù)構(gòu)建了多個地球重力場模型?？梢?，國內(nèi)在重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理 理論和方法上已經(jīng)取得了豐碩的研究成果，積累了豐富的經(jīng)驗。
[0006] 盡管如此，國內(nèi)在系統(tǒng)技術(shù)驗證及系統(tǒng)研制方面仍存在巨大差距。目前，國內(nèi)尚未 開展對原始0級數(shù)據(jù)產(chǎn)生及其處理研究；尚未開展基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)仿真和數(shù)據(jù)處理等驗證項 目，尤其是針對我國K波段測距儀、加速度計等測量設(shè)備原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)驗證。這 也是本研究項目存在的意義。
[0007] 為了獲得精確的重力場模型，必須對全部觀測數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)進行綜合處理與評 估。低低跟蹤重力測量衛(wèi)星星地數(shù)據(jù)既包括κ波段測距儀、全球衛(wèi)星導(dǎo)航接收機、加速度計、 星敏感器等觀測數(shù)據(jù)，還包括衛(wèi)星姿態(tài)、溫度、壓力等狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及地面重力測量、全球衛(wèi) 星導(dǎo)航系統(tǒng)基準站、激光觀測站、地面測控接收站等輔助數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)種類多、精度高、關(guān)聯(lián)度 強，處理和評估難度大。因此，進行重力測量衛(wèi)星半物理仿真具有極其重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，提供一種低低跟蹤重力測量 衛(wèi)星半物理仿真系統(tǒng)。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0010]包括:仿真管理控制器，用于輸入初始參數(shù)，并控制衛(wèi)星仿真器狀態(tài)；
[0011]兩臺衛(wèi)星仿真器，所述衛(wèi)星仿真器包括:姿軌控制器、執(zhí)行機構(gòu)、敏感器、載荷模擬 器和數(shù)據(jù)采集器;所述載荷模擬器用于模擬兩顆低軌重力衛(wèi)星在軌運行，產(chǎn)生衛(wèi)星原始仿 真觀測數(shù)據(jù);所述數(shù)據(jù)采集器，用于采集載荷模擬器產(chǎn)生的原始仿真數(shù)據(jù);所述姿軌控制 器，用于收集衛(wèi)星仿真器內(nèi)敏感器數(shù)據(jù)信號，調(diào)整衛(wèi)星仿真器姿態(tài)、軌道，并控制執(zhí)行機構(gòu) 實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整；
[0012] 數(shù)傳控制器，用于將兩顆衛(wèi)星模擬器傳來的數(shù)據(jù)進行組幀和存儲，并傳輸至用于 處理仿真數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0013] 進一步的，所述仿真系統(tǒng)還包括環(huán)境動力學(xué)仿真器，用于統(tǒng)一時間參考基準、模擬 衛(wèi)星真實軌道及姿態(tài)、模擬衛(wèi)星運行軌道環(huán)境、定義衛(wèi)星參數(shù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳至兩衛(wèi)星模 擬器，所述環(huán)境動力學(xué)仿真器分別與仿真管理控制器相和兩衛(wèi)星模擬器相連接。
[0014] 進一步的，所述仿真系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)生成演示系統(tǒng)，用于監(jiān)控兩臺衛(wèi)星模擬器的 運動狀態(tài)，并對兩顆衛(wèi)星運行狀態(tài)進行可視化演示;所述數(shù)據(jù)生成演示系統(tǒng)分別與數(shù)據(jù)采 集器相連接。
[0015] 進一步的，所述載荷模擬器包括GNSS模擬器、加速度計模擬器、KBR模擬器和星敏 感器模擬器。
[0016] 進一步的，所述GNSS模擬器接收初始數(shù)據(jù)后通過功能模塊處理生成GNSS觀測數(shù) 據(jù)；
[0017] 所述功能模塊包括:空間環(huán)境參數(shù)仿真模塊、用戶軌跡數(shù)據(jù)仿真模塊、空間星座與 軌道模塊、天線圖仿真模塊和時空系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模塊；
[0018] 所述GNSS觀測數(shù)據(jù)通過觀測數(shù)據(jù)生成模塊生成。
[0019] 進一步的，所述加速度計模擬器包括:位移檢測模塊，用于檢測檢驗質(zhì)量在極板框 架中的位置;反饋控制模塊，用于通過反饋靜電力控制檢驗質(zhì)量的位置，使其始終保持在極 板框架的中心位置。
[0020] 進一步的，所述數(shù)據(jù)采集器設(shè)置有5個數(shù)據(jù)模塊接口，所述5個數(shù)據(jù)模塊接口分別 采集KBR模擬器、GNSS模擬器、加速度計模擬器、星敏感器模擬器和姿軌控制器的數(shù)據(jù)。
[0021] 進一步的，所述衛(wèi)星仿真器提供真實衛(wèi)星運行速率下的數(shù)據(jù)仿真及30倍速率下的 數(shù)據(jù)加速仿真。
[0022] 進一步的，所述衛(wèi)星仿真器還設(shè)置有敏感器，包括:光纖陀螺模擬器、磁強計模擬 器；
[0023]所述執(zhí)行機構(gòu)包括:推進器模擬器和磁力矩器模擬器。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:設(shè)置衛(wèi)星仿真系統(tǒng)，通過多載 荷空間參數(shù)配置，利用半物理衛(wèi)星模擬器模擬低軌重力測量衛(wèi)星在軌運行，產(chǎn)生原始仿真 數(shù)據(jù)，并將原始仿真數(shù)據(jù)下傳至地面處理系統(tǒng)。本發(fā)明實現(xiàn)了重力衛(wèi)星星上數(shù)據(jù)半物理仿 真環(huán)境下的仿真，能夠支持多速率數(shù)據(jù)加速仿真和多載荷空間參數(shù)配置，能夠大幅提高數(shù) 據(jù)仿真效率。本發(fā)明完成了重力衛(wèi)星星上載荷之間的接口、框架等核心內(nèi)容設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn) 重力衛(wèi)星發(fā)射之前對整體系統(tǒng)設(shè)計及性能上的缺陷進行檢查和修改，并對重力衛(wèi)星星載載 荷的指標進行論證。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖2為本發(fā)明系統(tǒng)接口關(guān)系圖；
[0027]圖3為本發(fā)明KBR觀測數(shù)據(jù)模擬器工作流程圖；
[0028] 圖4為本發(fā)明GNSS模擬器功能模塊組成圖；
[0029] 圖5為本發(fā)明仿真平臺主要節(jié)點/模塊的硬件架構(gòu)示意圖；
[0030] 圖6為本發(fā)明衛(wèi)星姿態(tài)及軌道控制器模塊主要邏輯流程圖；
[0031 ]圖7為本發(fā)明仿真平臺具體構(gòu)成及其業(yè)務(wù)流向示意圖；
[0032]圖8為本發(fā)明衛(wèi)星運行環(huán)境及姿軌狀態(tài)動力學(xué)模擬器主要邏輯流程圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述。
[0034]參見圖1，本發(fā)明包括仿真管理控制器，用于輸入初始參數(shù)，并控制衛(wèi)星仿真器狀 態(tài);兩臺衛(wèi)星仿真器，所述衛(wèi)星仿真器包括:姿軌控制器、執(zhí)行機構(gòu)、載荷模擬器和數(shù)據(jù)采集 器，所述載荷模擬器用于模擬兩顆低軌重力衛(wèi)星在軌運行，產(chǎn)生衛(wèi)星原始仿真觀測數(shù)據(jù)，包 括模擬生成GNSS數(shù)據(jù)、加速度計數(shù)據(jù)、KBR數(shù)據(jù)和星敏感器四種載荷數(shù)據(jù);所述數(shù)據(jù)采集器， 用于采集載荷模擬器產(chǎn)生的原始仿真數(shù)據(jù)，所述姿軌控制器，用于收集衛(wèi)星仿真器內(nèi)敏感 器數(shù)據(jù)信號，調(diào)整衛(wèi)星仿真器姿態(tài)、軌道，并控制執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整;所述數(shù)傳控制器， 用于將A星和B星模擬器傳來的數(shù)據(jù)進行組幀和存儲，并傳輸至用于處理仿真數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處 理系統(tǒng)；還包括環(huán)境動力學(xué)仿真器，用于統(tǒng)一時間參考基準、模擬衛(wèi)星真實軌道及姿態(tài)、模 擬衛(wèi)星運行軌道環(huán)境、定義衛(wèi)星參數(shù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳至兩衛(wèi)星模擬器，所述環(huán)境動力學(xué)仿 真器分別與仿真管理控制器和兩衛(wèi)星模擬器相連接。
[0035]本系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)生成演示系統(tǒng)，用于模擬和監(jiān)控兩臺衛(wèi)星模擬器的運動狀態(tài)， 并對兩顆衛(wèi)星運行狀態(tài)進行可視化演示;所述數(shù)據(jù)生成演示系統(tǒng)分別與兩臺數(shù)據(jù)采集器相 連接。
[0036] 所述載荷模擬器包括GNSS模擬器、加速度計模擬器、KBR模擬器和星敏感器模擬 器。衛(wèi)星仿真器還設(shè)置有敏感器，包括:光纖陀螺模擬器、磁強計模擬器;所述執(zhí)行機構(gòu)包 括:推進器模擬器和磁力矩器模擬器。
[0037] 數(shù)據(jù)采集器設(shè)置有5個數(shù)據(jù)模塊接口，所述5個數(shù)據(jù)模塊接口分別采集KBR模擬器、 GNSS模擬器、加速度計模擬器、星敏感器模擬器和姿軌控制器數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)經(jīng)組幀后按指 定格式存儲在固存(硬盤）中，并在管控系統(tǒng)指令控制下進行數(shù)據(jù)回放，回放時，下傳數(shù)據(jù)通 過以太網(wǎng)口傳送至用戶。
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