一种基于查表法确定空间磁场强度的方法与流程

本发明涉及一种确定空间磁场强度的方法，具体涉及一种基于查表法确定空间磁场强度的方法。

背景技术：

地磁场是重要的地球物理场，在低轨卫星上地磁场应用前景十分广泛。将地磁矢量与地心矢量或者太阳矢量通过双矢量定姿的方式可粗略的估算卫星姿态。在常规大卫星中，该姿态可作为安全模式时的备份姿态基准，在对于定姿精度要求不高的小型化卫星上，更是可作为稳态时的主份姿态基准。

对于三轴对地定向卫星，地磁矢量在卫星本体系下的投影由三轴磁强计测量得到，而该矢量在轨道坐标系下的投影通常根据国际地磁场模型(igrf)理论计算得到。理论计算得到的磁场强度，除了可配合磁强计用于双矢量定姿，还可单独作为磁强计的备份，在卫星姿态稳定时用于磁卸载。

igrf是描述全球地磁场及其长期变化的，而且是国际上通用的全球地磁标准模型，在该模型中，地磁场的标量位用球谐级数表示，目前最新的球谐级数的阶数为13阶。通过该模型计算磁场强度时所取的阶数越高，则得到的磁场强度精度越高，但球谐级数由多项多阶的三角函数组成，随着球谐级数阶数的增加，计算量以二次方的方式激增。

根据国内外已发表的相关文献可知，目前卫星上通常直接在星载软件中按照igrf模型公式计算磁场强度，受限于星载计算机的运算能力，球谐级数的阶数一般取1阶或者3阶。

但是，上述方法均存在一定的局限性。阶数取1阶，虽然公式较为简单，计算量小，但计算得到的磁场强度最大误差高达28％；阶数取3阶，虽然最大误差下降到了8％，但误差仍然偏大且占用了星载计算机相对较多地运行时间。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于查表法确定空间磁场强度的方法，该方法解决了现有方法的误差偏大的问题，不受阶数的限制，算法简单，星载软件容易实现，运算时间较短且计算出的磁场强度精度较高。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于查表法确定空间磁场强度的方法，该方法包含：

(1)建立高精度磁场表：在卫星飞行轨迹经过的球面上按照一定的时间间隔进行网格划分，根据国际地磁场模型最高阶公式计算出网格点上的三轴磁场强度，形成地磁场数据表，将其装载在卫星星载软件中；

(2)修正卫星飞行轨迹降交点地理经度间隔gdjg以及即将飞过的降交点地理经度lamda；

(3)在星箭分离后，星载软件首次调用磁场表子程序时，已经飞过的降交点地理经度ccl由即将飞过的降交点地理经度lamda赋值；其它情况下，当卫星飞到降交点时更新已经飞过的降交点地理经度ccl；

(4)当已经飞过的降交点地理经度ccl发生变化时，计算卫星当前位置在磁场表中所对应磁场轨道的编号cca及其降交点地理经度，否则保持cca不变；其中，降交点地理经度根据步骤(3)获得，磁场轨道的编号cca与网格划分相对应；

(5)根据卫星当前位置在磁场表中所对应磁场轨道的编号cca查找出卫星当前位置四周的4个网格点；

(6)基于线性插值的方法计算卫星当前位置在轨道坐标系下的磁场强度。

优选地，在步骤(1)中，所述网格划分的方式为：横向以降交点地理经度等间隔分成n轨，n为卫星每天飞行圈数向下取整；纵向以卫星飞行的一轨时间等间隔取m个点，作为轨道钟。

优选地，横向每两轨之间的地理经度间隔δl为360°/n，地理经度与cca的关系为：地理经度＝(cca-1)*360°/n；纵向中，一轨时间等间隔取m为70～80。

优选地，所述网格划分的数据点从东经0°的降交点时刻开始按顺序排列。

优选地，在步骤(2)中，根据卫星实际运行的轨道高度修正降交点地理经度间隔gdjg；根据卫星精测的轨道参数适时修正即将飞过的降交点地理经度lamda。

优选地，在步骤(3)中，更新已经飞过的降交点地理经度ccl，其通过如下公式(1)获得：

ccl＝ccl-gdjg(1)。

优选地，在步骤(6)中，在4个网格点中，通过处于同一纵向位置的两个网格点根据线性插值方法计算两个中间点的磁场强度，两个中间点分别中间点一和中间点二，中间点一和中间点二与卫星当前位置处于同一横向位置，根据计算得到的两个中间点的磁场强度通过线性插值方法获得卫星当前位置的磁场强度。

优选地，在步骤(6)中，所述线性插值方法的公式为：

在对4个网格点计算处于同一纵向位置的两个网格点的中间点时，式(2)中，y1为横向上处于卫星当前位置前一网格点在磁场表中对应的磁场强度，y2为横向上处于卫星当前位置后一网格点在磁场表中对应的磁场强度；x为卫星已经飞过的降交点地理经度ccl，y为待求的中间点的磁场强度；x1为卫星当前位置对应磁场表中下一条磁场轨道的降交点地理经度；x2为卫星当前位置对应磁场表中上一条磁场轨道的降交点地理经度。

在通过两个中间点计算卫星当前位置的磁场强度时，中间点一为卫星当前位置下一轨道钟对应的网格点，中间点二为卫星当前位置上一轨道钟对应的网格点，式(2)中，y1为中间点一的磁场强度，y2为中间点二的磁场强度；x为卫星当前时刻对应的轨道钟；y为卫星当前位置的磁场强度；x1为中间点一在磁场表中对应的轨道钟；x2为中间点二在磁场表中对应的轨道钟。

优选地，所述的轨道钟在卫星经过降交点时从0开始累加计时。

本发明的基于查表法确定空间磁场强度的方法，解决了现有方法的误差偏大的问题，具有以下优点：

本发明的方法通过建立高精度磁场表，将其预置在星载软件中，卫星在轨运行时通过查表的方式获取当前位置磁场强度的方式，解决了星上在计算磁场强度理论值时受限于星载计算机能力而只能采用低阶公式从而导致精度较低的问题。本发明的方法算法简单，星载软件容易实现，运算时间较短且计算出的磁场强度精度较高。

附图说明

图1为本发明的地磁场查表线性插值计算示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有做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。

一种基于查表法确定空间磁场强度的方法，该方法包含：

(1)建立高精度磁场表：在卫星飞行轨迹经过的球面上按照一定的时间间隔进行网格划分，根据国际地磁场模型(igrf)最高阶公式计算出网格点上的三轴磁场强度，形成地磁场数据表，将其装载在卫星星载软件中；

(2)修正卫星飞行轨迹降交点地理经度间隔gdig以及即将飞过的降交点地理经度lamda；

(3)在星箭分离后，星载软件首次调用磁场表子程序时，已经飞过的降交点地理经度ccl由即将飞过的降交点地理经度lamda赋值；其它情况下，当卫星飞到降交点时更新已经飞过的降交点地理经度ccl；

(4)当已经飞过的降交点地理经度ccl发生变化时，计算卫星当前位置在磁场表中所对应磁场轨道的编号cca及其降交点地理经度，否则保持cca不变；其中，降交点地理经度根据步骤(3)获得，其中，磁场轨道的编号cca与网格划分相对应；(5)根据卫星当前位置在磁场表中所对应磁场轨道的编号cca查找出卫星当前位置四周的4个网格点；如图1所示，为本发明的地磁场查表线性插值计算示意图，卫星当前位置四周的4个网格点为a、b、c、d；

(6)基于线性插值的方法计算卫星当前位置在轨道坐标系下的磁场强度。

进一步地，在步骤(1)中，网格划分的方式为：横向以降交点(即卫星由北向南运行时，其轨道面与赤道面的交点)地理经度等间隔分成n轨，n为卫星每天飞行圈数向下取整；纵向以卫星飞行的一轨时间等间隔取m个点，作为轨道钟。

进一步地，横向每两轨之间的地理经度间隔δl为360°/n，地理经度与cca的关系为：地理经度＝(cca-1)*360°/n；纵向中，一轨时间等间隔取m为70～80。网格横向共划分为n轨，则编号cca则对应1到n，比如，降交点经度为0时，编号cca为1，降交点经度为1*360°/n，则编号cca为2，相应地将交点经度为(n-1)*360°/n时，则编号cca为n。

进一步地，网格划分的数据点从东经0°的降交点时刻开始按顺序排列。

卫星的轨道高度确定后，相邻两次飞过降交点时的地理经度间隔为固定值。但是，由于卫星在轨受空间环境干扰力矩或者人为调整卫星轨道高度等因素的影响，卫星实际运行的轨道高度会发生变化，此时需修正降交点地理经度间隔gdjg。此外，由于卫星的地方时(即按本地经度测定的时刻)会发生漂移，卫星实际飞过的降交点地理经度可能会与理论的地理经度有偏差，可根据卫星精测的轨道参数适时修正即将飞过的降交点地理经度lamda。因此，进一步地，在步骤(2)中，根据卫星实际运行的轨道高度修正降交点地理经度间隔gdjg；根据卫星精测的轨道参数适时修正即将飞过的降交点地理经度lamda。

进一步地，在步骤(3)中，更新已经飞过的降交点地理经度ccl，其通过如下公式(1)获得：

ccl＝ccl-gdig(1)。

进一步地，在步骤(6)中，在4个网格点中，通过处于同一纵向位置的两个网格点根据线性插值方法计算两个中间点的磁场强度，两个中间点分别中间点一和中间点二，中间点一和中间点二与卫星当前位置处于同一横向位置，根据计算得到的两个中间点的磁场强度通过线性插值方法获得卫星当前位置的磁场强度。

进一步地，在步骤(6)中，线性插值方法的公式为：

在对4个网格点计算处于同一纵向位置的两个网格点的中间点时，式(2)中，y1为横向上处于卫星当前位置前一网格点在磁场表中对应的磁场强度，y2为横向上处于卫星当前位置后一网格点在磁场表中对应的磁场强度；x为卫星已经飞过的降交点地理经度ccl，y为待求的中间点的磁场强度；x1为卫星当前位置对应磁场表中下一条磁场轨道的降交点地理经度；x2为卫星当前位置对应磁场表中上一条磁场轨道的降交点地理经度。

在通过两个中间点计算卫星当前位置的磁场强度时，中间点一为卫星当前位置下一轨道钟对应的网格点，中间点二为卫星当前位置上一轨道钟对应的网格点，式(2)中，y1为中间点一的磁场强度，y2为中间点二的磁场强度；x为卫星当前时刻对应的轨道钟；y为卫星当前位置的磁场强度；x1为中间点一在磁场表中对应的轨道钟；x2为中间点二在磁场表中对应的轨道钟。

更加具体地，参照图1，先由a(前一网格点)、c(后一网格点)计算e点(中间点一)，由b(前一网格点)、d(后一网格点)计算f点(中间点二)，再由e、f计算所求的x(卫星当前位置)点。

线性插值方法的公式为：

由a、c计算e点时，式(1)中的y1为a点的磁场表中对应的磁场强度，y2为c点在磁场表中对应的磁场强度；x为卫星已经飞过的降交点地理经度ccl；y为待求的e点的磁场强度；x1为卫星当前位置对应磁场表中下一条磁场轨道的降交点地理经度；x2为卫星当前位置对应磁场表中上一条磁场轨道的降交点地理经度。

由b、d计算f点的方法与由a、c计算e点的方法类似。

由e、f计算待求的x点时，式(1)中的y1为e点的磁场强度，y2为f点的磁场强度；x为卫星当前时刻对应的轨道钟；y为x点的磁场强度；x1为a或c点在磁场表中对应的轨道钟；x2为b或d点在磁场表中对应的轨道钟。

进一步地，轨道钟在卫星经过降交点时从0开始累加计时。本领域技术人员知悉卫星升轨时飞行轨迹与赤道的交点为升交点，降轨时飞行轨迹与赤道的交点为降交点，即对于卫星飞行一轨而言，降交点只有一个，我们将降交点视为新的一轨开始，因此相应的轨道钟在新的一轨开始时清零，重新开始累加。

综上所述，本发明通过建立高精度磁场表预置在星载软件中，卫星在轨运行时通过查表的方式获取当前位置磁场强度的方式，解决了星上在计算磁场强度理论值时受限于星载计算机能力而只能采用低阶公式从而导致精度较低的问题。该方法算法简单，星载软件容易实现，运算时间较短且计算出的磁场强度精度较高。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。