本發(fā)明涉及的是一種信號(hào)模擬，通過(guò)模擬磁強(qiáng)計(jì)輸出信號(hào)的特征進(jìn)行地磁場(chǎng)的模擬，并用于以反作用飛輪或控制力矩陀螺為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)控制模式和全姿態(tài)捕獲模式的磁卸載控制，屬于衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

磁強(qiáng)計(jì)作為衛(wèi)星控制系統(tǒng)中地磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量敏感部件，在軌實(shí)現(xiàn)地球磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量的測(cè)量，用于保證磁力矩器控制力矩的正確產(chǎn)生，以實(shí)現(xiàn)反作用飛輪或控制力矩陀螺為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)控制模式和全姿態(tài)捕獲模式的磁卸載控制。磁強(qiáng)計(jì)輸出數(shù)據(jù)為三軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度電壓信號(hào)，一方面電壓信號(hào)輸出至星載控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行磁卸載，另一方面電壓信號(hào)輸出至遙測(cè)采編單元采集傳至地面進(jìn)行遙測(cè)監(jiān)視。

衛(wèi)星控制系統(tǒng)在地面半物理仿真測(cè)試時(shí)，需要進(jìn)行磁卸載試驗(yàn)。但由于磁強(qiáng)計(jì)敏感的是當(dāng)?shù)匚恢玫卮艌?chǎng)強(qiáng)度分解到磁強(qiáng)計(jì)三個(gè)軸的分量，且輸出數(shù)據(jù)基本不變，不能滿(mǎn)足衛(wèi)星在軌飛行時(shí)磁強(qiáng)計(jì)敏感到的地磁場(chǎng)強(qiáng)度。

目前缺乏一種地磁場(chǎng)模擬方法，能夠滿(mǎn)足衛(wèi)星控制系統(tǒng)地面半物理仿真試驗(yàn)的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠模擬地磁場(chǎng)的方法，模擬磁強(qiáng)計(jì)在軌輸出信號(hào)的特征，真實(shí)的在地面進(jìn)行相關(guān)的磁卸載試驗(yàn)。利用該方法，我們能真實(shí)模擬磁強(qiáng)計(jì)在軌飛行時(shí)輸出的數(shù)據(jù)，充分考核以飛輪或控制力矩陀螺為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)控制模式和全姿態(tài)捕獲模式下磁卸載試驗(yàn)，充分驗(yàn)證磁卸載設(shè)計(jì)方案，提高系統(tǒng)的可靠性和測(cè)試覆蓋性。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種半物理仿真測(cè)試中地磁場(chǎng)模擬方法，其中包括如下步驟：

步驟一：建立衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行衛(wèi)星軌道和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，實(shí)時(shí)獲得衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；

步驟二：利用衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算出地理經(jīng)緯度，再計(jì)算得到衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系下的磁場(chǎng)強(qiáng)度和衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的磁場(chǎng)強(qiáng)度；

步驟三：根據(jù)磁強(qiáng)計(jì)與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的安裝關(guān)系，獲得理論上磁強(qiáng)計(jì)敏感到的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)；

步驟四：根據(jù)磁強(qiáng)計(jì)輸出信號(hào)特性與地磁場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系，獲得模擬輸出信號(hào)類(lèi)型及數(shù)據(jù)，包括輸出至星載計(jì)算機(jī)和遙測(cè)采編單元的信號(hào)；

步驟五：建立地磁場(chǎng)數(shù)字模型，驅(qū)動(dòng)控制硬件da板卡輸出相應(yīng)的特征信號(hào)至星載計(jì)算機(jī)和遙測(cè)采編單元。

本發(fā)明所述半物理仿真測(cè)試中地磁場(chǎng)模擬方法，能夠通過(guò)控制板卡輸出模擬量信號(hào)來(lái)模擬磁強(qiáng)計(jì)敏感到的地磁場(chǎng)強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，滿(mǎn)足半物理仿真試驗(yàn)中磁卸載和遙測(cè)監(jiān)視的需求，解決了以往在地面不能進(jìn)行飛輪或控制力矩陀螺為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)或全姿態(tài)閉環(huán)驗(yàn)證試驗(yàn)的問(wèn)題，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和測(cè)試覆蓋率，模擬簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，安全性好。本發(fā)明可以簡(jiǎn)單、高效實(shí)現(xiàn)地磁場(chǎng)的模擬，輸出相應(yīng)特征的信號(hào)進(jìn)行磁卸載和地面遙測(cè)，提高衛(wèi)星控制系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)的測(cè)試覆蓋率。

附圖說(shuō)明

以下將結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明：

圖1是本發(fā)明中地磁場(chǎng)模擬框圖；

圖2是本發(fā)明中地磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線的示例；

圖3是本發(fā)明中da板卡輸出到星載計(jì)算機(jī)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)曲線(-5v～+5v)的示例；

圖4是本發(fā)明中da板卡輸出到遙測(cè)采編單元的地磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)曲線(0～+5v)的示例。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明提供一種半物理仿真測(cè)試中地磁場(chǎng)模擬方法，包括如下步驟：

步驟一：建立衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行衛(wèi)星軌道和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，實(shí)時(shí)獲得衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；

步驟二：利用衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算出地理經(jīng)緯度，再計(jì)算得到衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系下的磁場(chǎng)強(qiáng)度和衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的磁場(chǎng)強(qiáng)度；

步驟三：根據(jù)磁強(qiáng)計(jì)與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的安裝關(guān)系，獲得理論上磁強(qiáng)計(jì)敏感到的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)；

步驟四：根據(jù)磁強(qiáng)計(jì)輸出信號(hào)特性與地磁場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系，獲得模擬輸出信號(hào)類(lèi)型及數(shù)據(jù)，包括輸出至星載計(jì)算機(jī)和遙測(cè)采編單元的信號(hào)；

步驟五：建立地磁場(chǎng)數(shù)字模型，驅(qū)動(dòng)控制硬件da板卡輸出相應(yīng)的特征信號(hào)至星載計(jì)算機(jī)和遙測(cè)采編單元。

下面結(jié)合附圖舉例，對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述：

1、地理經(jīng)緯度的計(jì)算

地理經(jīng)緯度的計(jì)算輸入信號(hào)為升交點(diǎn)赤經(jīng)ω、半長(zhǎng)軸a、軌道傾角i、緯度幅角u等參數(shù)，由軌道要素得到赤經(jīng)α、赤緯δ。

δ＝arcsin(sinusini)(2)

衛(wèi)星的地心經(jīng)度和地理經(jīng)度l等于衛(wèi)星赤經(jīng)與格林威治的恒星時(shí)角之差，即

l＝α-[g0+ωe(t-t0)]

g0為t0時(shí)刻格林威治的恒星時(shí)角，需要由地面注入；ωe為地球自轉(zhuǎn)角速度，ωe＝7.2921158×10^-5rad/s。

衛(wèi)星的地心緯度δ″等于衛(wèi)星的赤緯δ，它們與地理緯度δ′的關(guān)系為

式中：f為地球的扁率，f＝1/298.257。

2、再計(jì)算得到衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系下的磁場(chǎng)強(qiáng)度和衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

計(jì)算地磁場(chǎng)分量在當(dāng)?shù)氐卮抛鴺?biāo)系上的分量方法如下：

式中：

re—地球平均半徑

r—衛(wèi)星離地心的距離

和—諧波系數(shù)

λ—地心東經(jīng)，由格林威治子午線向東到當(dāng)?shù)刈游缇€測(cè)量為正

δ′—地理緯度，向北測(cè)量為正

θ—地心余緯(90-δ′)

—n次m階的擬規(guī)格化勒讓德函數(shù)(m<n)。

根據(jù)軌道傾角i、緯度幅角u計(jì)算航向角的正余弦值：

得到轉(zhuǎn)換矩陣：

根據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣，得到地磁場(chǎng)強(qiáng)度在軌道系中的表示bxo、byo、bzo：

3、再根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)和磁強(qiáng)計(jì)與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系間的安裝關(guān)系，計(jì)算磁強(qiáng)計(jì)敏感到的磁場(chǎng)強(qiáng)度

根據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣，得到地磁場(chǎng)強(qiáng)度在磁強(qiáng)計(jì)坐標(biāo)系下的表示b(mm)x、b(mm)y、b(mm)z：

式中：

b(mm)j為磁強(qiáng)計(jì)理論上敏感到的地磁場(chǎng)強(qiáng)度(j＝x,y,z)；

aao為軌道坐標(biāo)系到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；

amma為衛(wèi)星本體坐標(biāo)系到磁強(qiáng)計(jì)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

得到衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系下的磁場(chǎng)強(qiáng)度和衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的磁場(chǎng)強(qiáng)度。如圖2示出地磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線的示例。

4、地磁場(chǎng)模型控制da輸出模擬信號(hào)

根據(jù)磁強(qiáng)計(jì)敏感到的地磁場(chǎng)強(qiáng)度及與電壓信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，模型控制da輸出模擬-5v～5v的電壓信號(hào)(如圖3)至星載計(jì)算機(jī)，及輸出0～+5v的電壓信號(hào)(如圖4)至遙測(cè)采編單元，從而實(shí)現(xiàn)地磁場(chǎng)的模擬，并接入系統(tǒng)進(jìn)行磁卸載和地磁場(chǎng)的遙測(cè)監(jiān)視。

利用圖1搭建實(shí)施地磁場(chǎng)模擬方法的系統(tǒng)，獲得圖2所示的理論上磁強(qiáng)計(jì)敏感的磁場(chǎng)強(qiáng)度，da板卡輸出如圖3所示的一路電壓信號(hào)至星載計(jì)算機(jī)，da板卡還輸出如圖4所示的另一路電壓信號(hào)至遙測(cè)采編單元，結(jié)果表明該地磁場(chǎng)模擬方法正確可靠，輸出的電壓信號(hào)與磁強(qiáng)計(jì)在軌輸出數(shù)據(jù)一致，利用該方法可以滿(mǎn)足系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)的需求，同時(shí)能監(jiān)視相關(guān)地磁場(chǎng)遙測(cè)數(shù)據(jù)，解決了地面測(cè)試時(shí)磁強(qiáng)計(jì)輸出數(shù)據(jù)不變的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的測(cè)試覆蓋率。

綜上所述，本發(fā)明提供了一種基于星載計(jì)算機(jī)輸入地磁場(chǎng)信號(hào)特征的，在半物理仿真試驗(yàn)中衛(wèi)星飛行環(huán)境下的地磁場(chǎng)模擬方法。該方法通過(guò)控制板卡輸出模擬量信號(hào)來(lái)模擬地磁場(chǎng)連續(xù)變化所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模擬磁強(qiáng)計(jì)在軌敏感到的連續(xù)地球磁場(chǎng)信號(hào)。

本發(fā)明可以簡(jiǎn)化半物理仿真試驗(yàn)中用磁強(qiáng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行磁卸載的試驗(yàn)，增強(qiáng)在軌飛行時(shí)磁卸載的真實(shí)性，同時(shí)解決了以往在地面不能進(jìn)行飛輪或控制力矩陀螺為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)或全姿態(tài)閉環(huán)驗(yàn)證試驗(yàn)的問(wèn)題，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和測(cè)試覆蓋性。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。