朱興鴻 張偉 袁仕耿

（1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）（2 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

隨著航天技術(shù)在空間等離子體觀測領(lǐng)域的進(jìn)步，所積累的數(shù)據(jù)不斷推進(jìn)著空間科學(xué)的研究和發(fā)展，特別在對電離層與大氣層耦合機(jī)理的研究方面也取得了一定的成果［1］?？茖W(xué)探測衛(wèi)星提供的空間天氣監(jiān)測數(shù)據(jù)，也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在天氣預(yù)報(bào)、電磁波傳播特性預(yù)估、地震短臨前兆研究等諸多方面［2］。對于在電離層中運(yùn)行的衛(wèi)星，特別是等離子體探測衛(wèi)星，其運(yùn)行和所探測的等離子環(huán)境特性分析是衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于受到電離層探測手段和技術(shù)水平的制約，國內(nèi)還未能形成完整的空間電離層等離子體模型，目前使用最多的是國外根據(jù)大量的探測資料和多年積累的電離層研究成果開發(fā)的國際參考電離層（IRI）模型［3］。在使用IRI模型進(jìn)行電離層特性分析時(shí)，采用較多的是IRI官方網(wǎng)站提供的軟件［4］，要求在每次仿真前進(jìn)行人工的選擇和輸入等操作，使用受到諸多限制，導(dǎo)致電離層分析結(jié)果與衛(wèi)星高精度軌道仿真結(jié)果進(jìn)行交互分析，幾乎成為不可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。此外，網(wǎng)上可以直接使用的模型為IRI-2007版，其后IRI官方對其模型的修正和更新并未提供網(wǎng)頁版的支持，僅提供了相關(guān)Fortran的源代碼。針對上述問題，本文提出了一種多源交互仿真分析方法，重點(diǎn)解決以下2個(gè)方面的問題。

（1）通過MATLAB軟件聯(lián)合Fortran編譯器，對IRI官方提供的模型源代碼進(jìn)行內(nèi)嵌封裝，解決網(wǎng)頁版輸入輸出模式限制問題，以及IRI-2007版模型本身的誤差修正問題。

（2）通過MATLAB軟件控制嵌入IRI模塊，與衛(wèi)星工具包（STK）軟件高精度軌道仿真模塊間的數(shù)據(jù)交互，解決結(jié)合詳細(xì)軌道位置進(jìn)行原位環(huán)境參數(shù)仿真的問題。

2 多源交互仿真方法

2．1 IRI模型介紹

IRI模型是國際空間研究委員會(huì)（COSPAR）下屬的權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的參考電離層模型，以電離層垂測儀、非相干散射雷達(dá)、衛(wèi)星資料、探空火箭資料等經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了電離層主要等離子參數(shù)模型，可以給出具體條件下的電子密度、電子溫度、離子溫度和離子成分等電離層特性參數(shù)［5］。1978年，IRI-78正式公布；隨著觀測數(shù)據(jù)的不斷增加，版本不斷升級，現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的是IRI-2007；最新版本為全面更新的IRI-2012，其精度得到了很大的提高。目前，IRI已作為標(biāo)準(zhǔn)的電離層模型，被電離層研究和無線電通信領(lǐng)域的用戶廣泛使用，而且成為美國航天工業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)電離層分析模型［6］。

利用IRI模型，可以定量地得到輸入條件下的電離層特性參數(shù)。其基本輸入包括時(shí)間、高度、經(jīng)緯度等；可選輸入包括太陽黑子數(shù)、太陽輻射通量指數(shù)、地磁指數(shù)等，并且能夠?qū)Ω鞣N特殊的電離層擾動(dòng)模式進(jìn)行開關(guān)控制。模型的輸出結(jié)果包括電子密度、電子溫度、離子溫度、總電子含量和等離子體成分等，示例見圖1。根據(jù)對模型的一致性驗(yàn)證研究，IRI模型能夠達(dá)到約80%的精度［7］。

圖1 IRI模型獲取的赤道典型電子參數(shù)分布Fig．1 Typical equator electron parameter distribution acquired from IRI model

2．2 仿真環(huán)境構(gòu)建

對多源仿真時(shí)使用的仿真工具及作用描述如下。

1）MATLAB軟件

MATLAB 為多源交互仿真的核心模塊，主要作用包括：①通過MEX 接口，利用外部Fortran編譯器將IRI模型的Fortran源代碼編譯封裝成嵌入函數(shù)模塊，利用MEX 接口進(jìn)行IRI參數(shù)的交互分析［8］。②通過TCP／IP端口與STK 軟件的Connect接口連通，控制STK 仿真模塊完成衛(wèi)星的軌道仿真，并從接口獲取所需的軌道仿真數(shù)據(jù)。③作為數(shù)據(jù)處理和分析模塊，完成所獲取等離子數(shù)據(jù)和軌道數(shù)據(jù)的匹配分析處理。

2）Intel Visual Fortran軟件與Visual Studio軟件

Intel Visual Fortran 軟 件 為IRI模 型 的Fortran源代碼和MATLAB軟件的MEX 接口文件提供編譯器。Visual Studio 作為編譯平臺(tái)，為Intel Visual Fortran軟件提供編譯環(huán)境，其進(jìn)程附加功能用來實(shí)現(xiàn)對MATLAB軟件MEX 接口文件運(yùn)行的調(diào)試［9］。

3）STK 軟件

STK 軟件是一個(gè)常用的衛(wèi)星軌道仿真軟件，其Connect接口與MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的交互［10］，可為衛(wèi)星任務(wù)提供高精度的軌道數(shù)據(jù)仿真，其圖形界面為仿真交互及其結(jié)果提供可視化處理。

仿真工具的初始化以及交互仿真過程中，都是以MATLAB軟件為核心，各個(gè)模塊之間的接口關(guān)系如圖2所示。

圖2 仿真模塊間的接口關(guān)系Fig．2 Interface relationship among simulation modules

2．3 仿真方法及流程

在衛(wèi)星環(huán)境分析中，主要仿真過程分為3個(gè)部分，交互仿真流程如圖3所示。

圖3 交互仿真流程Fig．3 Flow chart of interactive simulation

1）初始化

它包括IRI模型的MEX 接口封裝、STK 中衛(wèi)星場景的初始化，以及此后在MATLAB 中分別對STK 的Connect接口以及MEX 封裝的IRI模型接口進(jìn)行初始化。

2）仿真數(shù)據(jù)獲取

這部分包括使用MATLAB 軟件控制STK 軟件完成衛(wèi)星任務(wù)仿真，并獲取軌道相關(guān)參數(shù)；之后對獲取的參數(shù)進(jìn)行提取和標(biāo)準(zhǔn)化處理，再調(diào)用MEX接口函數(shù)按照衛(wèi)星軌道對電離層參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3）后處理

它包括由MATLAB 軟件對STK 軟件中獲得的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，以及IRI模型計(jì)算得到的電離層參數(shù)，進(jìn)行匹配處理分析，并針對需求完成后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作，最后將分析結(jié)果送入STK 進(jìn)行可視化處理。

3 示例

3．1 衛(wèi)星仿真場景

由于空間電離層探測衛(wèi)星一般運(yùn)行在高度為300～900km 的軌道，因此選取500km 高的太陽同步軌道衛(wèi)星，衛(wèi)星的降交點(diǎn)地方時(shí)為14：00，衛(wèi)星和軌道場景如圖4所示（衛(wèi)星尺寸進(jìn)行了放大）。軌道歷元時(shí)間選取2007年7月1日12：00（此歷元時(shí)間對電離層參數(shù)計(jì)算有影響）。

圖4 衛(wèi)星和軌道仿真場景Fig．4 Satellite and orbit simulation scenario

3．2 仿真結(jié)果分析

通過對一個(gè)完整軌道周期（周期起點(diǎn)為赤道，從陰影區(qū)升軌開始）的衛(wèi)星運(yùn)行情況進(jìn)行仿真，獲得本圈軌道內(nèi)衛(wèi)星原位的電子密度、電子溫度、離子溫度，以及衛(wèi)星至星下點(diǎn)的總電子含量參數(shù)，如圖5中藍(lán)色曲線所示。作為對比，在圖5中用紅色曲線表示在相同電離層條件下，使用傳統(tǒng)的固定軌道降交點(diǎn)地方時(shí)分析方法［11］對衛(wèi)星原位電離層參數(shù)分析的結(jié)果。

圖5 一個(gè)軌道周期內(nèi)的衛(wèi)星原位等離子體仿真結(jié)果Fig．5 Simulation result of satellite in-situ plasma within an orbit period

從圖5中可以看出：對于傳統(tǒng)的固定地方時(shí)分析方法，由于太陽同步軌道的降交點(diǎn)地方時(shí)并不能代表整個(gè)軌道的地方時(shí)，因此緯度較高區(qū)域的衛(wèi)星星下點(diǎn)地方時(shí)的差異，會(huì)直接影響其等離子體參數(shù)分析的準(zhǔn)確度。對傳統(tǒng)方法獲得的電子密度仿真誤差進(jìn)行緯度相關(guān)性分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)固定地方時(shí)分析方法的電子密度誤差分布Fig．6 Error distribution of electron density by traditional method with fixed local time

從圖6可以看出：隨著緯度升高，傳統(tǒng)方法獲得的電子密度結(jié)果誤差逐漸增大，在高緯地區(qū)甚至有超過100%的情況，分析精度較差。對于非太陽同步軌道，由于在軌道中沒有一個(gè)準(zhǔn)確的相對固定的地方時(shí)，因此，相對于傳統(tǒng)固定地方時(shí)的分析方法來說，這種交互分析方法的準(zhǔn)確性和高效性就顯得更加突出。通過與STK 軟件的進(jìn)一步交互，可以對衛(wèi)星一天的軌道運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行可視化處理，以電子密度為例，得到的結(jié)果見圖7，從圖中可以清晰地看出衛(wèi)星處在升降軌段不同的電離層環(huán)境。

圖7 一天內(nèi)衛(wèi)星的原位等離子體信息可視化仿真結(jié)果Fig．7 Visualized simulation result of satellite in-situ plasma within one day

3．3 交互仿真在其他任務(wù)中的應(yīng)用

由于Fortran語言在數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域具有其他語言不可替代的優(yōu)勢，因此在國際上Fortran是作為科學(xué)模型的標(biāo)準(zhǔn)語言，從互聯(lián)網(wǎng)上可以獲得地球各個(gè)圈層模型的Fortran代碼。在以MATLAB 為核心進(jìn)行STK 與Fortran模塊的多源交互過程中，通過替換Fortran的計(jì)算模塊，可將此多元交互仿真方法進(jìn)一步推廣到多種地球模型的應(yīng)用中。以國際地磁參考場-11（IGRF-11）為例［12-13］，通過多元交互仿真，可以獲得一個(gè)軌道周期內(nèi)衛(wèi)星在地球坐標(biāo)系下的原位三分量地磁場數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 一個(gè)軌道周期內(nèi)衛(wèi)星的原位地磁場仿真結(jié)果Fig．8 Simulation result of satellite in-situ geomagnetic field within an orbit period

將地球坐標(biāo)系的磁場投影至軌道坐標(biāo)系，即可獲得衛(wèi)星本體運(yùn)行的磁場矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對衛(wèi)星磁力矩器的卸載、空間高能粒子的分布等多種任務(wù)進(jìn)行深入分析和研究。除了地磁場外，該方法還可推廣到大氣層、磁層、地球輻射帶等其他衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境分析中，為衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的環(huán)境分析提供支持。

4 結(jié)束語

本文通過建立以MATLAB 軟件為核心，以Fortran模型的MEX 封裝、STK 軟件為計(jì)算仿真模塊的多源交互環(huán)境，提出了一種使用嵌入IRI模型對衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)分析的方法，并結(jié)合衛(wèi)星場景給出了典型分析結(jié)果。研究結(jié)果表明，此種方法能夠更加準(zhǔn)確地利用IRI模型，對衛(wèi)星的原位電離層環(huán)境進(jìn)行分析，而且研究中使用的嵌入式交互仿真方式可以更加高效地完成非常復(fù)雜的環(huán)境任務(wù)仿真工作。此外，這種交互仿真環(huán)境具有通用性，可推廣應(yīng)用到其他空間環(huán)境模型中，并對航天器空間環(huán)境效應(yīng)等方面進(jìn)行研究，為提高衛(wèi)星的總體任務(wù)分析水平奠定基礎(chǔ)。

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