低低跟踪重力测量卫星半物理仿真系统

摘要

本发明属于卫星重力测量技术领域，具体涉及一种低低跟踪重力测量卫星半物理仿真系统。其中，仿真管理控制器，用于输入初始参数，控制卫星仿真器状态；两台卫星仿真器，包括：姿轨控制器、执行机构、载荷模拟器和数据采集器，载荷模拟器用于模拟卫星在轨运行，产生卫星原始仿真观测数据；数据采集器用于采集载荷模拟器产生的原始仿真数据，姿轨控制器用于收集卫星仿真器内敏感器数据信号，调整卫星仿真器姿态、轨道，并控制执行机构实现姿态调整；数传控制器，用于将两卫星模拟器传来的数据进行组帧和存储，并传输至用于处理仿真数据的数据处理系统。本发明实现了重力卫星星上数据半物理仿真环境下的仿真，大幅提高了卫星重力数据仿真效率。

说明书

技术领域

本发明属于卫星重力测量技术领域，具体涉及一种低低跟踪重力测量卫 星半物理仿真系统。

背景技术

21世纪是人类利用卫星跟踪卫星(SST)和卫星重力梯度(SGG)技术 提升对地球、月球、火星和太阳系其他行星认知能力的新纪元。地球重力测 量卫星CHAMP和GRACE、GOCE的成功升空以及GRACEFollow-On和月 球重力探测卫星GRAIL的即将发射昭示着人类将迎来一个前所未有的卫星 重力探测时代。地(月)球重力场及其时变反映地(月)球表层及内部物质 的空间分布、运动和变化，同时决定着大地水准面的起伏和变化。因此，确 定地(月)球重力场的精细结构及其时变不仅是大地测量学、海洋学、地震 学、空间科学、天文学、行星科学、深空探测、国防建设等的需求，同时也 将为全人类寻求资源、保护环境和预测灾害提供重要的信息资源。

卫星重力测量技术的实现是继美国GPS星座成功构建之后在大地测量 领域的又一项创新和突破，是被国际大地测量学界公认的当前地球重力场探 测研究中最高效、最经济和最有发展潜力的方法之一，它既不同于传统的车 载、船载和机载测量，也不同于卫星测高和轨道摄动分析，而是通过卫星跟 踪卫星高低/低低技术(SST-HL/LL)和重力梯度技术(SGG)，利用卫星搭 载的地球重力场探测器或传感器，研究卫星轨道的受摄运动及其参数变化， 进而研究地球重力场的结构和变化，恢复高精度和高空间解析度的地球重力 场。

目前国际上在重力卫星测量技术探测地球重力场方面已经取得的实质性 进步。经过40多年孜孜不倦的探索和努力，已经成功实践了高-低卫星跟踪 卫星重力测量模式(CHAMP、GOCE)以及低-低跟踪卫星重力测量模式 (GRACE)，其中CHAMP是卫星重力测量计划成功实施的先行者，GRACE 的优越性体现于可探测地球重力场的中高精度长波信号及时变信号，而 GOCE擅长于感测中短波静态地球重力场。联合上述三期卫星重力测量计划 虽然可以精确测量地球的静态重力场及其时变重力场，从而获得地球总体形 状随时间变化、地球各圈层物质的迁移、全球海洋质量的分布和变化、极地 冰川的增大和缩小以及地下蓄水总量信息的特性。目前，美国、欧空局等已 在制定实施下一代更高精度的重力测量计划。

目前我国众多学者在基于卫星重力测量恢复地球重力场的理论和方法方 面开展了广泛研究，经过多年的数据处理关键技术攻关，已突破了重力卫星 的精密定轨、重力场恢复等关键技术，并成功研制了基于动力法等恢复地球 重力场的实用软件，尤其是完成了难度极大的卫星重力测量数据一体化处理 技术“一步法”的攻关，研制了原型软件，并利用CHAMP、GRACE实际测 量数据构建了多个地球重力场模型。可见，国内在重力卫星数据的处理理论 和方法上已经取得了丰硕的研究成果，积累了丰富的经验。

尽管如此，国内在系统技术验证及系统研制方面仍存在巨大差距。目前， 国内尚未开展对原始0级数据产生及其处理研究；尚未开展基于卫星数据仿 真和数据处理等验证项目，尤其是针对我国K波段测距仪、加速度计等测量 设备原始数据的数据处理技术验证。这也是本研究项目存在的意义。

为了获得精确的重力场模型，必须对全部观测数据和状态数据进行综合 处理与评估。低低跟踪重力测量卫星星地数据既包括K波段测距仪、全球卫 星导航接收机、加速度计、星敏感器等观测数据，还包括卫星姿态、温度、 压力等状态数据，以及地面重力测量、全球卫星导航系统基准站、激光观测 站、地面测控接收站等辅助数据，数据种类多、精度高、关联度强，处理和 评估难度大。因此，进行重力测量卫星半物理仿真具有极其重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种低低跟踪 重力测量卫星半物理仿真系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

包括：仿真管理控制器，用于输入初始参数，并控制卫星仿真器状态；

两台卫星仿真器，所述卫星仿真器包括：姿轨控制器、执行机构、敏感 器、载荷模拟器和数据采集器；所述载荷模拟器用于模拟两颗低轨重力卫星 在轨运行，产生卫星原始仿真观测数据；所述数据采集器，用于采集载荷模 拟器产生的原始仿真数据；所述姿轨控制器，用于收集卫星仿真器内敏感器 数据信号，调整卫星仿真器姿态、轨道，并控制执行机构实现姿态调整；

数传控制器，用于将两颗卫星模拟器传来的数据进行组帧和存储，并传 输至用于处理仿真数据的数据处理系统。

进一步的，所述仿真系统还包括环境动力学仿真器，用于统一时间参考 基准、模拟卫星真实轨道及姿态、模拟卫星运行轨道环境、定义卫星参数， 并将相关数据传至两卫星模拟器，所述环境动力学仿真器分别与仿真管理控 制器相和两卫星模拟器相连接。

进一步的，所述仿真系统还包括数据生成演示系统，用于监控两台卫星 模拟器的运动状态，并对两颗卫星运行状态进行可视化演示；所述数据生成 演示系统分别与数据采集器相连接。

进一步的，所述载荷模拟器包括GNSS模拟器、加速度计模拟器、KBR 模拟器和星敏感器模拟器。

进一步的，所述GNSS模拟器接收初始数据后通过功能模块处理生成 GNSS观测数据；

所述功能模块包括：空间环境参数仿真模块、用户轨迹数据仿真模块、 空间星座与轨道模块、天线图仿真模块和时空系统转换模块；

所述GNSS观测数据通过观测数据生成模块生成。

进一步的，所述加速度计模拟器包括：位移检测模块，用于检测检验质 量在极板框架中的位置；反馈控制模块，用于通过反馈静电力控制检验质量 的位置，使其始终保持在极板框架的中心位置。

进一步的，所述数据采集器设置有5个数据模块接口，所述5个数据模 块接口分别采集KBR模拟器、GNSS模拟器、加速度计模拟器、星敏感器模 拟器和姿轨控制器的数据。

进一步的，所述卫星仿真器提供真实卫星运行速率下的数据仿真及30 倍速率下的数据加速仿真。

进一步的，所述卫星仿真器还设置有敏感器，包括：光纤陀螺模拟器、 磁强计模拟器；

所述执行机构包括：推进器模拟器和磁力矩器模拟器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：设置卫星仿真系统， 通过多载荷空间参数配置，利用半物理卫星模拟器模拟低轨重力测量卫星在 轨运行，产生原始仿真数据，并将原始仿真数据下传至地面处理系统。本发 明实现了重力卫星星上数据半物理仿真环境下的仿真，能够支持多速率数据 加速仿真和多载荷空间参数配置，能够大幅提高数据仿真效率。本发明完成 了重力卫星星上载荷之间的接口、框架等核心内容设计，能够实现重力卫星 发射之前对整体系统设计及性能上的缺陷进行检查和修改，并对重力卫星星 载载荷的指标进行论证。

附图说明

图1为本发明系统组成结构图；

图2为本发明系统接口关系图；

图3为本发明KBR观测数据模拟器工作流程图；

图4为本发明GNSS模拟器功能模块组成图；

图5为本发明仿真平台主要节点/模块的硬件架构示意图；

图6为本发明卫星姿态及轨道控制器模块主要逻辑流程图；

图7为本发明仿真平台具体构成及其业务流向示意图；

图8为本发明卫星运行环境及姿轨状态动力学模拟器主要逻辑流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见图1，本发明包括仿真管理控制器，用于输入初始参数，并控制卫 星仿真器状态；两台卫星仿真器，所述卫星仿真器包括：姿轨控制器、执行 机构、载荷模拟器和数据采集器，所述载荷模拟器用于模拟两颗低轨重力卫 星在轨运行，产生卫星原始仿真观测数据，包括模拟生成GNSS数据、加速 度计数据、KBR数据和星敏感器四种载荷数据；所述数据采集器，用于采集 载荷模拟器产生的原始仿真数据，所述姿轨控制器，用于收集卫星仿真器内 敏感器数据信号，调整卫星仿真器姿态、轨道，并控制执行机构实现姿态调 整；所述数传控制器，用于将A星和B星模拟器传来的数据进行组帧和存储， 并传输至用于处理仿真数据的数据处理系统；还包括环境动力学仿真器，用 于统一时间参考基准、模拟卫星真实轨道及姿态、模拟卫星运行轨道环境、 定义卫星参数，并将相关数据传至两卫星模拟器，所述环境动力学仿真器分 别与仿真管理控制器和两卫星模拟器相连接。

本系统还包括数据生成演示系统，用于模拟和监控两台卫星模拟器的运 动状态，并对两颗卫星运行状态进行可视化演示；所述数据生成演示系统分 别与两台数据采集器相连接。

所述载荷模拟器包括GNSS模拟器、加速度计模拟器、KBR模拟器和星 敏感器模拟器。卫星仿真器还设置有敏感器，包括：光纤陀螺模拟器、磁强 计模拟器；所述执行机构包括：推进器模拟器和磁力矩器模拟器。

数据采集器设置有5个数据模块接口，所述5个数据模块接口分别采集 KBR模拟器、GNSS模拟器、加速度计模拟器、星敏感器模拟器和姿轨控制 器数据。采集数据经组帧后按指定格式存储在固存(硬盘)中，并在管控系 统指令控制下进行数据回放，回放时，下传数据通过以太网口传送至用户。

五个功能模块有效观测和状态数据率见下表。

序号 节点 数据模块输出的字节量统计(单个周期) 备注 1 KBR 550 2 GNSS 648 3 ACC 49 4 SS 66 5 AOCS 285

参见图2，系统接口关系图：

1)卫星参数及运行轨道环境的主要功能包括统一时间参考基准、模拟卫 星真实轨道及姿态、模拟卫星运行轨道环境模拟、定义卫星参数，并将相关 数据传至A星和B星模拟器；

2)A星和B星模拟器中的加速度计模拟器、KBR模拟器、GNSS模拟器、 星敏感模拟器和其他相关模拟器接收到卫星参数及运行轨道环境所传来的数 据，根据相应轨道和姿态等参数设置模拟产生相应的数据，并将数据传至数 传软件；

3)数传控制器对A星和B星模拟器传来的数据进行组帧和存储，最终将 数据下传至地面数据处理演示分系统，由其中的数据接收子系统接收原始观 测数据，并进行解格式处理生成0级数据。

参见图3，卫星平台生成低低跟踪重力卫星的动力学模型，得到卫星的 真实轨道和姿态并通过数据接口，将卫星的时标信息、轨道数据(包括卫星 坐标、卫星速度)、姿态数据等信息组帧发送给KBR观测数据模拟器，在此 基础上，根据平台模型获得在轨状态下重力卫星A/B星相位中心的星间距离， 结合接收机模型中的信道模型给出电离层延时，计算信号传播延迟。然后根 据KBR系统模型获得单向的KBR测量数据。在整个模拟数据采样时刻，并 将时间基准送往至各自的GNSS观测数据模拟器、加速度计模拟器和星敏感 器模拟器。

参见图4，GNSS模拟器数仿软件需要用到的时间系统有：协调世界时 UTC，BD2时间系统BDT，GPS的时间系统GPST。考虑到UTC是与导航 系统独立的时间基准，以及人们使用上的习惯，在数学仿真计算中以UTC 为基准仿真时间。BDT和GPST从UTC转换获得，转换模型采用BD2和 GPS的ICD文件公布模型。

在数学仿真中，将涉及的坐标系统主要包括：

1)J2000地心惯性坐标系：计算卫星轨道；

2)CGCS2000坐标系：BD2大地坐标系；

3)WGS84坐标系：GPS系统大地坐标；

4)站心坐标系：取为东北天坐标系，主要用于计算观测仰角和观测站高 度。

卫星轨道仿真采用基于广播星历轨道根数的运动学仿真，在仿真中需要 考虑偏心率为零、轨道倾角为零等轨道根数蜕变情况，卫星轨道仿真实现了 对导航卫星的轨道参数生成，包括导航卫星的位置、速度等。

仿真模型中加速度计的设计，主要参考GRACE卫星搭载的SuperSTAR 加速度计：其包含两个高灵敏轴和一个低灵敏轴，检验质量是一个40×40× 10mm³的立方体，质量为70g。加速度计的作用是检测卫星所受到的非保守 力，如果加速度计并不是处于卫星的质心，那么检测到的非保守力中将会包 含角速度、角加速度以及重力梯度引入的加速度。加速度计在原理上可以分 为两个部分：位移检测模块，用于检测检验质量在极板框架中的位置；反馈 控制模块，通过反馈静电力控制检验质量的位置，使其始终保持在极板框架 的中心位置。

参见图5，全系统的硬件架构方案总体思路是，诸模块数据的产生与处 理基于数学机理，并由独立的计算平台来模拟，而数据在不同计算平台之间 的传输与通信则采用商用通信设备(串口、以太网)。

参见图6，卫星姿态及轨道控制器的主要逻辑流程，主要包括：轨道及 姿态确定算法，控制及执行机构分配算法，模式切换逻辑。

姿轨控制器(AOCS)采集敏感器信号并进行处理，通过姿态确定算法 给出卫星的姿态信息，并根据姿/轨控制目标进行姿态控制计算给出执行机构 的控制信号，进行卫星姿态及轨道的保持及调整。

模式切换逻辑根据管控计算机指令及轨道姿态确定信息进行综合判断， 使卫星在正常任务模式和领飞保持轨控模式之间进行切换。各模式采用相对 独立的定姿及控制算法。

正常任务模式时轨道确定计算卫星所在轨道信息，根据两星轨道信息计 算指向跟踪俯仰和偏航指令角，姿态确定使用陀螺和星敏感器信息，由陀螺 预估卫星三轴姿态，由星敏感器信息修正姿态与估计陀螺漂移。姿态控制计 算卫星指向偏差及相应的控制力矩，生成冷气推进装置和磁力矩器控制信号， 通过算法对两者进行控制力矩分配。

参见图7，系统构成如下：

1)控制器为输入终端，负责对A星和B星模拟器输入卫星初始轨道参数、 力模型参数、仿真时段参数、载荷噪声参数和卫星噪声等参数，并对A星和 B星模拟器进行控制；

2)A星和B星模拟器接收到控制器的参数数据产生轨道和姿态等数据， 并传至各模拟器；

3)载荷模拟器包括GNSS模拟器、加速度计模拟器、KBR模拟器和星敏 感器模拟器，分别产生GNSS数据、加速度计数据、KBR数据和星敏感器数 据；

4)数据采集器负责将采集载荷模拟器所产生的数据，并下传至地面数据 处理演示分系统的数据接收子系统。

参见图8，卫星运行真实环境及姿轨状态动力学模拟器的主要逻辑流程 如图所示，主要涉及模块包括：轨道动力学模型(包含了重力场模型、大气 模型等)、地磁场模型、环境力矩模型(包括大气阻力、太阳光压、重力梯度、 磁干扰等等)和姿态动力学模型。

轨道动力学模型包括了地球中心引力加速度和摄动加速度组成。摄动加 速度考虑地球非球形引力摄动，三体(日月)引力摄动，太阳辐射压摄动， 地球反照压摄动，相对论效应摄动，以及喷气动力摄动等项。其中地球非球 形引力摄动计算采用120阶重力场模型。