一种极光测量仪器控制方法及系统与流程

本发明涉及空间探测技术领域，特别是涉及一种极光测量仪器控制方法及系统。

背景技术：

极光是由太阳风和地球磁层中的高能带电粒子沿地球磁场线注入高纬度地区，将高层大气分子或原子电离激发产生的发光现象，极光产生于地球的高磁纬地区上空即地球的南北两极区域，一般为大于磁纬60度的区域。

在极光空间测量中，极光测量仪器随极轨卫星沿太阳同步轨道运行，当到达地球南北两极区域时仪器运行工作，对极光进行测量。极光测量仪器何时工作需要根据极轨卫星到达的地球地磁位置确定，现有技术中，由地面工作人员计算卫星的运行位置并给出极光测量仪器的工作时间，通过数据注入发送到卫星上，传送给测量仪器触发其运行工作。可以看出，现有方法是由人工计算，并且由人工根据计算得到的时间控制数据注入，存在人工干预的复杂性和适时性差的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种极光测量仪器控制方法及系统，实现了对极光测量仪器工作的自动控制，克服了现有方法存在人工干预的复杂性和适时性差的缺点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种极光测量仪器控制方法，包括：

接收卫星广播的定位数据；

根据所述定位数据中的时间参数计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量，基于所述磁矩三分量计算得到由地理坐标系到地磁坐标系的坐标转换参数；

根据所述定位数据中的地理坐标、所述坐标转换参数计算地磁坐标，在地磁坐标满足预设条件时触发极光测量仪器开始工作。

可选地，所述根据所述定位数据中的时间参数计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量包括：

根据所述定位数据中的时间参数计算当前时刻相对于磁矩更新起始时间的年数；

根据磁矩三分量的初始值、磁矩三分量的年变化值以及所述年数计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量。

可选地，计算当前时刻相对于磁矩更新起始时间的年数的计算式为：

ΔT＝(D_GPS+T_GPS/1000.0/86400.0-EPOCH)/365.25；

其中，ΔT表示相对于磁矩更新起始时间的年数，定位数据中的时间参数D_GPS为J2000坐标系的天数、T_GPS为J2000坐标系的毫秒数，EPOCH表示磁矩更新起始时间，365.25表示在一个更新周期内每年的平均天数；

根据以下计算式计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量：

G10＝G100+ΔG10×ΔT；

G11＝G110+ΔG11×ΔT；

H11＝H110+ΔH11×ΔT；

其中，G10、G11、H11表示当前时刻的磁矩三分量，G100、G110、H110表示在地理坐标系中磁矩三分量的初始值，ΛG10、ΛG11、ΛH11表示在地理坐标系中磁矩三分量的年变化值；

根据以下计算式计算所述坐标转换参数：

SQ＝G11²+H11²；

SL0＝-H11/SQQ；

CL0＝-G11/SQQ；

ST0＝SQQ/SQR；

CT0＝-G10/SQR；

STCL＝ST0*CL0；

STSL＝ST0*SL0；

CTSL＝CT0*SL0；

CTCL＝CT0*CL0；

所述根据所述定位数据中的地理坐标、所述坐标转换参数计算地磁坐标包括：根据以下计算式计算地磁坐标：

X_M＝X_G×CTCL+Y_G×CTSL-Z_G×ST0；

Y_M＝Y_G×CL0-X_G×SL0；

Z_M＝X_G×STCL+Y_G×STSL+Z_G×CT0；

其中，X_M、Y_M、Z_M表示地磁坐标，X_G、Y_G、Z_G表示地理坐标。

可选地，所述在地磁坐标满足预设条件时触发极光测量仪器开始工作包括：

根据如下计算式计算磁纬角度：

当所述磁纬角度满足预设条件时触发所述极光测量仪器开始工作。

可选地，所述在地磁坐标满足预设条件时触发极光测量仪器开始工作包括：

计算1/sin²θ＝(X_M/Z_M)²+(Y_M/Z_M)²+1，当(X_M/Z_M)²+(Y_M/Z_M)²满足预设条件时触发所述极光测量仪器开始工作。

一种极光测量仪器控制系统，包括：

接收模块，用于接收卫星广播的定位数据；

计算模块，用于根据所述定位数据中的时间参数计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量，基于所述磁矩三分量计算得到由地理坐标系到地磁坐标系的坐标转换参数；

控制模块，用于根据所述定位数据中的地理坐标、所述坐标转换参数计算地磁坐标，在地磁坐标满足预设条件时触发极光测量仪器开始工作。

可选地，所述计算模块包括：

年数计算单元，用于根据所述定位数据中的时间参数计算当前时刻相对于磁矩更新起始时间的年数；

磁矩分量计算单元，用于根据磁矩三分量的初始值、磁矩三分量的年变化值以及所述年数计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量；

参数计算单元，用于基于所述磁矩三分量计算得到由地理坐标系到地磁坐标系的坐标转换参数。

可选地，所述年数计算单元具体用于根据以下计算式计算当前时刻相对于磁矩更新起始时间的年数：

ΔT＝(D_GPS+T_GPS/1000.0/86400.0-EPOCH)/365.25；

其中，ΔT表示相对于磁矩更新起始时间的年数，定位数据中的时间参数D_GPS为J2000坐标系的天数、T_GPS为J2000坐标系的毫秒数，EPOCH表示磁矩更新起始时间，365.25表示在一个更新周期内每年的平均天数；

所述磁矩分量计算单元具体用于根据以下计算式计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量：

G10＝G100+ΔG10×ΔT；

G11＝G110+ΔG11×ΔT；

H11＝H110+ΔH11×ΔT；

其中，G10、G11、H11表示当前时刻的磁矩三分量，G100、G110、H110表示在地理坐标系中磁矩三分量的初始值，ΛG10、ΛG11、ΛH11表示在地理坐标系中磁矩三分量的年变化值；

所述参数计算单元具体用于根据以下计算式计算所述坐标转换参数：

SQ＝G11²+H11²；

SL0＝-H11/SQQ；

CL0＝-G11/SQQ；

ST0＝SQQ/SQR；

CT0＝-G10/SQR；

STCL＝ST0*CL0；

STSL＝ST0*SL0；

CTSL＝CT0*SL0；

CTCL＝CT0*CL0；

所述控制模块具体用于根据以下计算式计算地磁坐标：

X_M＝X_G×CTCL+Y_G×CTSL-Z_G×ST0；

Y_M＝Y_G×CL0-X_G×SL0；

Z_M＝X_G×STCL+Y_G×STSL+Z_G×CT0；

其中，X_M、Y_M、Z_M表示地磁坐标，X_G、Y_G、Z_G表示地理坐标。

可选地，所述控制模块用于在地磁坐标满足预设条件时触发极光测量仪器开始工作包括：

所述控制模块具体用于根据如下计算式计算磁纬角度：

当所述磁纬角度满足预设条件时触发所述极光测量仪器开始工作。

可选地，所述控制模块用于在地磁坐标满足预设条件时触发极光测量仪器开始工作包括：

所述控制模块具体用于计算1/sin²θ＝(X_M/Z_M)²+(Y_M/Z_M)²+1，当(X_M/Z_M)²+(Y_M/Z_M)²满足预设条件时触发所述极光测量仪器开始工作。

由上述技术方案可知，本发明所提供的极光测量仪器控制方法及系统，接收卫星广播的定位数据，根据所述定位数据中的时间参数计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量，基于所述磁矩三分量计算得到由地理坐标系到地磁坐标系的坐标转换参数，根据定位数据中的地理坐标、坐标转换参数计算地磁坐标，在地磁坐标满足预设条件时触发极光测量仪器开始工作。

本发明极光测量仪器控制方法及系统，实现了在轨计算极光测量仪器的地磁位置，并根据地磁位置实现对极光测量仪器工作的自动控制，克服了现有方法存在人工干预的复杂性和适时性差的缺点，

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种极光测量仪器控制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种极光测量仪器控制系统的示意图；

图3为本发明实施例提供的极光测量仪器控制系统中计算模块的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，本发明实施例提供的一种极光测量仪器控制方法，包括步骤：

S10：接收卫星广播的定位数据。

极光测量仪器与极轨卫星同步，卫星定时广播定位数据，所述定位数据可以是世界大地测量系统坐标系下的GPS定位数据。在GPS定位数据中，给出了卫星当前位置在地理坐标系下的地理坐标。

示例性的，获得的GPS定位数据格式如下表1所示，具体是从世界大地测量系统-1984(WGS84)获得的定位数据：

表1

可以看到在获得的GPS定位数据中包含时间参数D_GSP和T_GPS，以及位置坐标。

S11：根据所述定位数据中的时间参数计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量，基于所述磁矩三分量计算得到由地理坐标系到地磁坐标系的坐标转换参数。

本实施例方法中，由地理坐标系到地磁坐标系的转换采用IGRF模型(国际参考地磁场模型)进行，在计算过程中使用地球主磁场磁矩的三分量获得坐标转换参数。

具体的，计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量的计算方法包括步骤：

S110：根据所述定位数据中的时间参数计算当前时刻相对于磁矩更新起始时间的年数。在IGRF模型中，地球主磁场磁矩三分量以一定周期更新，在更新时同时给出这一周期内磁矩三分量的年变化值，对于极轨卫星可通过数据注入更新。磁矩更新起始时间表示为EPOC，是相对于J2000的天数，为正整数。在一种具体实例中地球主磁场磁矩毎5年更新一次，在更新时同时给出之后5年内的年变化值。

具体的，计算当前时刻相对于磁矩更新起始时间的年数的计算式为：

ΔT＝(D_GPS+T_GPS/1000.0/86400.0-EPOCH)/365.25；

其中，ΔT表示相对于磁矩更新起始时间的年数，D_GPS、T_GPS为所述定位数据中的时间参数，D_GPS为J2000坐标系的天数、T_GPS为J2000坐标系的毫秒数，EPOCH表示磁矩更新起始时间，365.25表示在一个更新周期内的平均天数。

S111：根据磁矩三分量的初始值、磁矩三分量的年变化值以及所述年数计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量。

具体的，根据以下计算式计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量：

G10＝G100+ΔG10×ΔT；

G11＝G110+ΔG11×ΔT；

H11＝H110+ΔH11×ΔT；

其中，G10、G11、H11表示当前时刻的磁矩三分量，G100、G110、H110表示在地理坐标系中磁矩三分量的初始值，ΛG10、ΛG11、ΛH11表示在地理坐标系中磁矩三分量的年变化值。

根据获得的磁矩三分量计算由地理坐标系到地磁坐标系的坐标转换参数，具体根据如下计算式计算由地理坐标系到地磁坐标系的坐标转换参数：

SQ＝G11²+H11²；

SL0＝-H11/SQQ；

CL0＝-G11/SQQ；

ST0＝SQQ/SQR；

CT0＝-G10/SQR；

STCL＝ST0*CL0；

STSL＝ST0*SL0；

CTSL＝CT0*SL0；

CTCL＝CT0*CL0。

S12：根据所述定位数据中的地理坐标、所述坐标转换参数计算地磁坐标，在地磁坐标满足预设条件时触发极光测量仪器开始工作。

具体的，根据上步骤计算获得的坐标转换参数，根据以下计算式计算地磁坐标：

X_M＝X_G×CTCL+Y_G×CTSL-Z_G×ST0；

Y_M＝Y_G×CL0-X_G×SL0；

Z_M＝X_G×STCL+Y_G×STSL+Z_G×CT0；

其中，X_M、Y_M、Z_M表示地磁坐标，X_G、Y_G、Z_G表示地理坐标。

根据计算得到的地磁坐标，根据如下计算式计算磁纬角度：

当所述磁纬角度满足预设条件时触发所述极光测量仪器开始工作。在一种具体应用中，当判断θ≥60°时表明卫星入磁纬60°极区，则触发极光测量仪器开始工作。

进一步优选的，采用上述计算式计算磁纬角度公式比较复杂，计算量大，因此本实施例方法中可对计算式进行简化，具体为：计算1/sin²θ＝(X_M/Z_M)²+(Y_M/Z_M)²+1，当(X_M/Z_M)²+(Y_M/Z_M)²满足预设条件时触发所述极光测量仪器开始工作。

在一种具体应用中，当(X_M/Z_M)²+(Y_M/Z_M)²≥1/3表明卫星进入磁纬60°极区，则触发极光测量仪器开始工作。

可以看出，本实施例极光测量仪器控制方法，实现了在轨计算极光测量仪器的地磁位置，并根据地磁位置实现对极光测量仪器工作的自动控制，其测量和控制不受地面人工干预，克服了现有方法存在人工干预的复杂性和适时性差的缺点，并且可节省人员和成本。

相应的，请参考图2，本发明实施例还提供一种极光测量仪器控制系统，包括：

接收模块20，用于接收卫星广播的定位数据；

计算模块21，用于根据所述定位数据中的时间参数计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量，基于所述磁矩三分量计算得到由地理坐标系到地磁坐标系的坐标转换参数；

控制模块22，用于根据所述定位数据中的地理坐标、所述坐标转换参数计算地磁坐标，在地磁坐标满足预设条件时触发极光测量仪器开始工作。

可以看出，本实施例极光测量仪器控制系统包括接收模块、第一计算模块和控制模块，通过接收卫星广播的定位数据，根据所述定位数据中的时间参数计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量，基于所述磁矩三分量计算得到由地理坐标系到地磁坐标系的坐标转换参数，根据定位数据中的地理坐标、坐标转换参数计算地磁坐标，在地磁坐标满足预设条件时触发极光测量仪器开始工作。

本实施例极光测量仪器控制系统，实现了在轨计算极光测量仪器的地磁位置，并根据地磁位置实现对极光测量仪器工作的自动控制，克服了现有方法存在人工干预的复杂性和适时性差的缺点。

具体的，请参考图3，本实施例极光测量仪器控制系统中，所述计算模块21包括：

年数计算单元210，用于根据所述定位数据中的时间参数计算当前时刻相对于磁矩更新起始时间的年数；

磁矩分量计算单元211，用于根据磁矩三分量的初始值、磁矩三分量的年变化值以及所述年数计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量；

参数计算单元212，用于基于所述磁矩三分量计算得到由地理坐标系到地磁坐标系的坐标转换参数。

所述年数计算单元210具体用于根据以下计算式计算当前时刻相对于磁矩更新起始时间的年数：

ΔT＝(D_GPS+T_GPS/1000.0/86400.0-EPOCH)/365.25；

其中，ΔT表示相对于磁矩更新起始时间的年数，D_GPS、T_GPS为定位数据中的时间参数，D_GPS为J2000坐标系的天数、T_GPS为J2000坐标系的毫秒数，EPOCH表示磁矩更新起始时间，365.25表示在一个更新周期内每年的平均天数；

所述磁矩分量计算单元211具体用于根据以下计算式计算当前时刻地球磁场的磁矩三分量：

G10＝G100+ΔG10×ΔT；

G11＝G110+ΔG11×ΔT；

H11＝H110+ΔH11×ΔT；

其中，G10、G11、H11表示当前时刻的磁矩三分量，G100、G110、H110表示在地理坐标系中磁矩三分量的初始值，ΛG10、ΛG11、ΛH11表示在地理坐标系中磁矩三分量的年变化值；

所述参数计算单元212具体用于根据以下计算式计算所述坐标转换参数：

SQ＝G11²+H11²；

SL0＝-H11/SQQ；

CL0＝-G11/SQQ；

ST0＝SQQ/SQR；

CT0＝-G10/SQR；

STCL＝ST0*CL0；

STSL＝ST0*SL0；

CTSL＝CT0*SL0；

CTCL＝CT0*CL0；

所述控制模块22具体用于根据以下计算式计算地磁坐标：

X_M＝X_G×CTCL+Y_G×CTSL-Z_G×ST0；

Y_M＝Y_G×CL0-X_G×SL0；

Z_M＝X_G×STCL+Y_G×STSL+Z_G×CT0；

其中，X_M、Y_M、Z_M表示地磁坐标，X_G、Y_G、Z_G表示地理坐标。

本实施例极光测量仪器控制系统中，控制模块22用于在地磁坐标满足预设条件时触发极光测量仪器开始工作包括：

所述控制模块22具体用于根据如下计算式计算磁纬角度：

当所述磁纬角度满足预设条件时触发所述极光测量仪器开始工作。在一种具体应用中，当判断θ≥60°时表明卫星入磁纬60°极区，则触发极光测量仪器开始工作。

进一步优选的，采用上述计算式计算磁纬角度公式比较复杂，计算量大，优选对上述计算式进行简化，所述控制模块22具体用于计算1/sin²θ＝(X_M/Z_M)²+(Y_M/Z_M)²+1，当(X_M/Z_M)²+(Y_M/Z_M)²满足预设条件时触发所述极光测量仪器开始工作。

以上对本发明所提供的一种极光测量仪器控制方法及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。