地球同步轨道卫星表面充电效应的预警方法及预警系统与流程

本发明涉及卫星表面充电
技术领域：
，具体涉及一种地球同步轨道卫星表面充电效应的预警方法及预警系统。
背景技术：
：当太阳耀斑发生时，太阳风与地球磁场相互作用会产生地磁亚暴现象，此时在地球同步轨道会产生能量在高能大通量等离子体，会使运行在地球同步轨道的卫星发生严重的表面带电现象，特别是没有光照的位置，孤立介质的充电电压可能超过10000伏；完全处在地影中的卫星整体表面也会与周围环境形成很高的电位，高电位所形成的放电过程可能干扰卫星的正常运行，严重时还会造成结构的永久损坏。因此，获得地球磁场与卫星表面充电之间的关系，根据二者之间的关系对卫星表面充电进行危险等级预警显得尤为重要。综上，有必要提供一种获取卫星表面充电情况并对卫星表面充电进行危险预警的方法。技术实现要素：为了解决
背景技术：
中的至少一个技术问题，本发明提供一种地球同步轨道卫星表面充电效应的预警方法及预警系统，该方法通过ae指数计算得到卫星的表面充电电位，根据卫星的表面充电电位获得表面充电指数isc，进而对卫星表面充电危险情况进行预警，能够在指导卫星采取防护措施和故障快速诊断方面提供可靠信息。本发明所采用的技术方案具体如下：根据本发明的一个方面，提供一种地球同步轨道卫星表面充电效应的预警方法，包括以下步骤：获取t0时刻的ae指数数据；推算ae指数时刻所对应卫星的地方时；根据ae指数数据，计算卫星的表面充电电位模式计算值u；根据表面充电电位模式计算值u，获得表面充电指数isc；根据表面充电指数isc，对卫星表面充电危险情况进行预警。可选地，获取ae指数数据，还包括：根据获取的ae指数数据曲线，计算距离t0时刻最近的1小时内ae指数的平均值。可选地，推算ae指数时刻所对应的卫星的地方时还包括以下步骤：获取卫星定点的经度l；根据如下公式获得ae指数时刻t0所对应的卫星的地方时tl：tl＝t0+l/15；式中：卫星定点的经度l的单位为度。可选地，根据ae指数数据，计算地球同步轨道卫星的表面充电电位模式计算值u，包括：将卫星所在区域的地方时划分为四个时域；根据不同时域ae指数与表面充电电位的不同的对应关系，获得表面充电电位模式计算值u。可选地，当地方时处于6:00到21:00时域时，表面充电电位模式计算值u为0。可选地，当地方时处于21:00到24:00时域时，表面充电电位模式计算值u为：式中：ae为距离t0时刻最近的1小时内ae指数的平均值，单位为nt；u为表面充电电位模式计算值，单位为v。可选地，当地方时处于0:00到4:00时域时，表面充电电位模式计算值u为：式中：ae为距离t0时刻最近的1小时内ae指数的平均值，单位为nt；u为表面充电电位模式计算值，单位为v。可选地，当地方时处于4:00到6:00时域时，表面充电电位模式计算值u为：式中：ae为距离t0时刻最近的1小时内ae指数的平均值，单位为nt；u为表面充电电位模式计算值，单位为v。可选地，根据表面充电电位模式计算值u，获得表面充电指数isc，还包括：当u≥-5000时，isc＝1；当-10000≤u<-5000时，isc＝2；当u≤-10000，isc＞2。可选地，根据表面充电指数isc，对卫星表面充电危险情况进行预警，还包括：根据表面充电指数isc值判定卫星表面充电危险等级。可选地，根据表面充电指数isc值判定卫星表面充电危险等级，还包括：当表面充电指数isc＝1，则判断卫星表面充电危险等级为低级。可选地，根据表面充电指数isc值判定卫星表面充电危险等级，还包括：当表面充电指数isc＝2，则判断卫星表面充电危险等级为中级。可选地，根据表面充电指数isc值判定卫星表面充电危险等级，还包括：当表面充电指数isc＞2，则判断卫星表面充电危险等级为高级。可选地，还包括：当卫星表面充电危险等级为高级时，发出表面充电警报。根据本发明的另一个方面，还提供一种地球同步轨道卫星表面充电效应的预警系统，包括：数据获取单元，用于获取t0时刻的ae指数数据；第一数据处理单元，用于推算ae指数时刻所对应的卫星的地方时；第二数据处理单元，用于根据ae指数数据，计算卫星的表面充电电位模式计算值u；第三数据处理单元，用于根据表面充电电位模式计算值u，获得表面充电指数isc；预警单元，用于根据表面充电指数isc，对卫星表面充电危险情况进行预警。可选地，第一数据处理单元还设置有：数据获取模块，用于获取卫星定点的经度l；第一数据计算模块，用于将ae指数时刻t0所对应的卫星的地方时tl。可选地，第二数据处理单元设置有：时域划分模块，用于将卫星所在区域的地方时划分为四个时域；第二数据计算模块，用于根据不同时域ae指数与表面充电电位的不同的对应关系，获得表面充电电位模式计算值u。可选地，预警单元还包括报警模块，用于根据表面充电指数isc值判定卫星表面充电危险等级，并且卫星表面充电危险等级为高级时，进行报警。与现有技术相比，本发明所述的地球同步轨道卫星表面充电效应的预警方法及预警系统至少具备如下有益效果：本发明所述的地球同步轨道卫星表面充电效应的预警方法及预警系统，首先获取ae指数数据；根据所述ae指数与表面充电电位模式计算值u的关系，计算所述表面充电电位模式计算值u；根据所述表面充电电位模式计算值u与表面充电指数isc的对应关系，获得表面充电指数isc；根据所述表面充电指数isc，对卫星表面充电危险情况进行预警；其中根据ae指数获取卫星表面的充电电位计算值u，可以有效地对可能的表面充电效应提供可靠数据支撑，并且，根据卫星表面的充电电位模式的计算值u及表面充电指数isc的对应关系，获得表面充电指数isc，可以对卫星表面的充电效应情况进行预警，确定卫星表面的充电效应等级，快速对卫星表面的充电危险情况作出反应，进而能够在指导卫星采取防护措施和故障快速诊断方面提供可靠信息，对于卫星异常的分析和处置工作有参考作用。附图说明图1为本发明一实施例提供的地球同步轨道卫星表面充电效应的预警方法流程图；图2为本发明一实施例中获取的2020年4月20日的ae指数时间分布图；图3为本发明一实施例中记录的2020年4月20日风云四号卫星表面的充电电压变化曲线；图4为本发明另一实施例中获取的2020年3月20日的ae指数时间分布图；图5为本发明另一实施例中记录的2020年3月20日风云四号卫星表面充电电压变化曲线；图6为本发明实施例表3中表面充电电位模式计算值与风云四号实测值的对比图；图7为本发明另一实施例中地球同步轨道卫星表面充电效应的预警系统示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。地球同步轨道是各种应用卫星集中的区域，也是地磁亚暴期间高温等离子体注入显著增加的地区，高温等离子体的快速增加是导致卫星表面充电发生的主要因素。而引发等离子体注入的地磁亚暴的重要标志，就是地磁ae指数的显著增长。ae指数是空间科学所使用的描述地磁亚暴活动的一个参数。它表示极光电集流所造成的总的磁扰动，单位为nt。该指数的生成是把沿极光带上经度均匀分布的台站观测到的磁场北向分量(以静日观测值为基线)的时间变化画在一张图上，并根据图得到曲线簇的包络线。上包络线给出au指数，它表示东向电集流引起的最大的磁场扰动；下包络线给出al指数，它表示西向电集流引起的最大磁场扰动；上下包络线之间的距离给出ae指数，它表示总的扰动强度,称为极光电集流指数。ae指数与地磁亚暴期间等离子体注入相关，因而是反映地球附近等离子体环境的合适参数。另外，由于该参数有地基台站数据生成，而且相关台站的实时性很好，所以ae指数具有实时性强、连续，可靠性高的特征，适合卫星表面充电这种业务性工作。通过分析风云四号表面充电观测数据发现：表面充电事件均发生在磁尾时段，即22:00至次日6:00时间区间；通过对比风云四号搭载表面充电探测器和等离子体探测器的数据得出的：表面充电事件对应等离子体温度、密度大幅增加；表面充电事件发生于ae较高的时段，但在不同的地方时，二者幅度的对应关系不同；等离子体显著充电通常发生在ae高的时段及其后1小时区间。基于上述风云四号表面充电探测结果分析，卫星的表面充电事件均发生在卫星处于磁尾区域的时间段；表面充电事件的发生与ae指数的增长密切相关，而且显著的ae指数增加通常对应着严重的充电事件。基于此，本实施例提供一种地球同步轨道卫星表面充电效应的预警方法，如图1所示，包括以下步骤：s101：获取t0时刻的ae指数数据；本实施例中的ae指数数据是由世界数据中心获取，网址为：http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/ae_realtime/index.html。通过上述网址，选择t0时刻的ae指数数据，此处t0时刻对应的时间为国际标准时ut。由于网站ae指数文件所提供的数据为快视图，在本实施例中，需要根据获取的ae指数的数据曲线粗略得出t0时刻最近1小时ae指数的平均值。s102：推算ae指数时刻所对应的卫星的地方时；首先，获取卫星定点的经度l；ae指数t0对应的时间为国际标准时ut，若卫星定点的经度为l(单位为：度)，则该ae指数时刻对应的卫星的地方时tl可表示为：tl＝t0+l/15(4)式中：卫星定点的经度l的取值根据东经和西经进行划分，其中东经为正，西经为负。卫星定点的经度l的单位为度。s103：根据所述ae指数，计算所述卫星的表面充电电位模式计算值u；由于不同的地方时，地磁ae指数的增大对应的局地等离子体的增幅不同，本发明实施例中将卫星所在区域的地方时划分为4个时域，具体为：6:00到21:00为第一时域，21:00到24:00为第二时域，0:00到4:00为第三时域及4:00到6:00为第四时域。各时域ae指数与表面充电电位的对应关系不同，ae指数与表面充电电位模式计算值u的关系如下：1)地方时6:00到21:00为安全期，在此期间不会发生表面充电效应，即表面充电电位模式计算值u始终为0；2)地方时21:00到24:00为过渡区-i。取ae时间点为卫星地方时tl，则tl-1至tl+1时段(时间单位为h)，表面充电电位模式计算值u为：式中：ae值为ae指数1小时平均值，单位为nt；u为表面充电电位模式计算值，单位为v。3)地方时0:00到4:00为扰动区。取ae时间点为卫星地方时tl，则tl-1至tl+1时段(时间单位为h)，表面充电电位模式计算值u为：式中ae及u的意义及单位同上。4)地方时4:00到6:00为过渡区-ii。取ae时间点为卫星地方时tl，则tl-1至tl+1时段(时间单位为h)，表面充电电位模式计算值u为：式中ae及u的意义及单位同上。根据公式(1)、公式(2)和公式(3)，给出基于ae指数的表面充电电位模式计算值u。s104：根据所述表面充电电位模式计算值u与表面充电指数isc的对应关系，获得表面充电指数isc；为了能够适应地球同步轨道上其他卫星的应用，本实施例中将基于ae指数的表面充电电位模式计算值u用表面充电危险程度用表面充电指数isc表示。其中，表面充电指数isc与计算得到的表面充电电压模式计算值u的关系为：若u≥-5000，isc＝1。若-10000≤u<-5000，isc＝2。若u≤-10000，isc＞2。式中：u的单位为v。根据u值与isc的对应关系，获得表面充电指数isc。s105：根据所述表面充电指数isc，对卫星表面充电危险情况进行预警。表面充电指数isc值与卫星表面充电危险等级对应情况如下：isc＝1表示卫星表面充电危险等级为低级；isc＝2表示卫星表面充电危险等级为中级；isc＞2表示卫星表面充电危险等级为高级。根据上述表面充电指数isc值判定卫星表面充电危险等级，对卫星表面充电危险进行预警，当所述卫星表面充电危险等级为高级时，发出表面充电警报。下面以风云四号卫星为例，对本发明所述地球同步轨道卫星表面充电效应的预警方法及预警系统进行详细的说明。在一可选实施例中，以2020年4月20日风云四号的表面充电探测数据与当天的ae指数的相关特性为例。在世界数据中心获取2020年4月20日的ae指数数据，下载2020年4月20日的探测数据(当日的12:00ut前后发生地磁暴，ae指数增长明显)，可得到该日的ae指数连续快视图，如图3所示，其中图中上部的包络线表示ae指数的大小。将ae指数对应的国际标准时t0转化为卫星地方时tl。风云四号定点于东经104度，由公式(4)计算得到其地方时与国际标准时(ut)的对应关系，风云四号卫星的地方时提前世界标准时约7小时。根据ae指数计算表面充电电位模式计算值u，由于图中的ae指数数据没有具体的数据文件，使用时可大致估算每小时的ae指数平均值，然后带入上述公式(1)-(3)计算表面充电电位模式计算值u；根据表面充电电位模式计算值u及其与表面充电指数isc的对应关系，获得风云四号卫星的表面充电指数。本实施例详细计算结果如下表所示：表12020年4月20日风云四号卫星位置的表面充电计算结果图3给出了当日风云四号表面充电探测器的探测结果，分析图3可得，尽管2020年4月20日当天发生了地磁暴，ae指数也非常高，但风云四号位于磁尾对应的时区时(即22:00至次日6:00时间区间)，ae指数已经明显恢复，因此，风云四号没有探测到表面充电效应，这与本实施例1所得数据表1得到的结果一致。在另一可选实施例中，以2020年3月20日风云四号的表面充电探测数据与当天的ae指数的相关特性为例。在世界数据中心获取2020年3月20日的ae指数数据，下载2020年3月20日的探测数据(当日的地磁活动为平静到微扰，但该日的ae指数却显示出明显的扰动)，可得到该日的连续快视图，如图4所示，其中图中上部的包络线表示ae指数的大小。将ae指数对应的国际标准时t0转化为卫星地方时tl。风云四号定点于东经104度，由公式(4)计算得到其地方时与国际标准时(ut)的对应关系，风云四号卫星的地方时提前世界标准时约7小时。根据ae指数计算表面充电电位模式计算值u，由于图中的ae指数数据没有具体的数据文件，使用时可大致估算每小时的ae指数平均值，然后带入公式(1)-(3)进行计算表面充电电位模式计算值u；，根据表面充电电位模式计算值u及其与表面充电指数isc的对应关系，获得风云四号卫星的表面充电指数。本实施例详细计算结果如下表所示：表22020年4月20日风云四号卫星位置的表面充电计算结果图5给出了当日风云四号表面充电探测器的探测结果，分析图5可得，2020年3月20日，当风云四号处于地球磁尾时段，ae指数明显偏高。表2中也显示风云四号卫星在地方时3月20日22:00至21日6:00时间段，充电危险性较高，特别是地方时21日0:00至4:00，危险系数达到最高级别3级。可见，本实施例所得数据表2中的计算结果与图5中的风云四号实测数据相近。为进一步验证本发明提供的地球同步轨道卫星表面充电效应的预警方法的可行性，在另一可选实施例中，将2020年3月1日至2020年4月26日的风云四号的表面充电事件的时间和规模进行了统计，同时给出了相关时段的ae指数及根据ae指数所得到的表面充电电位u模式，如表3所示。表32020年3月1日至2020年4月26日模式计算值与风云四号实测值对比如上表所示，表中的磁尾区为地球同步轨道卫星在不同地方时所处的磁尾中的位置：1表示过渡区-i，2表示扰动区，3表示过渡区-ii；u模式为表面充电电位模式计算值；u实测为风云四号表面充电电位实测值；isc模式为充电指数模式值；isc实测为风云四号充电指数实测值。图6为根据表3中计算出的表面充电电位模式值u模式、与风云四号探测得到表面充电电位实测值u实测的对比图，通过对比计算，得出了二者的相关系数的值为0.6964，说明u模式和u实测的数据相关性较强，进一步证明了本发明给出由ae指数推算地球同步轨道卫星的表面充电电位的方法具有较好的可行性。表3中给出了依照本发明给出的方法得到的表面充电危险系数的模式计算值和风云四号实测值，针对卫星影响较明显的第三类指数事件，统计得到的相关结果如表4。表42020年3月1日-2020年4月26日严重表面充电事件预警结果i实测＝3i实测<3i模式＝391i模式<31由表4可得，本发明实施例对于危险级别的表面充电事件的预警的准确性为82.3％(9/11)，能够用于卫星表面充电危险事件的预警业务。另一实施例提供一种地球同步轨道卫星表面充电效应的预警系统，如图7所示，包括数据获取单元，用于获取t0时刻的ae指数数据；第一数据处理单元，用于推算ae指数时刻所对应的卫星的地方时；其中第一数据处理单元设置有：数据获取模块，用于获取卫星定点的经度l；第一数据计算模块，用于将ae指数时刻t0所对应的卫星的地方时tl；第二数据处理单元，用于根据所述ae指数与表面充电电位u的关系，计算卫星的表面充电电位模式计算值u；第二数据处理单元设置有：时域划分模块，用于将卫星所在区域的地方时划分为四个时域；第二数据计算模块，用于根据不同时域ae指数与表面充电电位的不同的对应关系，获得所述表面充电电位模式计算值u；第三数据处理单元，用于根据所述表面充电电位模式计算值u，获得表面充电指数isc；预警单元，用于根据所述表面充电指数isc，对卫星表面充电危险情况进行预警；其中预警单元还包括报警模块，用于根据所述表面充电指数isc值判定卫星表面充电危险等级，当所述卫星表面充电危险等级为高级时，发出警报。综上，本发明所述的地球同步轨道卫星表面充电效应的预警方法及预警系统至少具备如下有益效果：本发明所述的地球同步轨道卫星表面充电效应的预警方法及预警系统，首先获取ae指数数据；根据所述ae指数与表面充电电位模式计算值u的关系，计算所述表面充电电位模式计算值u；根据所述表面充电电位模式计算值u与表面充电指数isc的对应关系，获得表面充电指数isc；根据所述表面充电指数isc，对卫星表面充电危险情况进行预警；其中根据ae指数获取卫星表面的充电电位计算值u，可以有效地对可能的表面充电效应提供可靠数据支撑，并且，根据卫星表面的充电电位模式的计算值u及表面充电指数isc的对应关系，获得表面充电指数isc，可以对卫星表面的充电效应情况进行预警，确定卫星表面的充电效应等级，快速对卫星表面的充电危险情况作出反应，进而能够在指导卫星采取防护措施和故障快速诊断方面提供可靠信息，对于卫星异常的分析和处置工作有参考作用。本具体的实施例仅仅是对本发明的解释，而并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。当前第1页12