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)域的進步，所積累的數(shù)據(jù)不斷推進著空間科學的研究和發(fā)展，特別在對電離層與大氣層耦合機理的研究方面也取得了一定的成果［1］?？茖W探測衛(wèi)星提供的空間天氣監(jiān)測數(shù)據(jù)，也已經(jīng)被廣泛應用在天氣預報、電磁波傳播特性預估、地震短臨前兆研究等諸多方面［2］。對于在電離層中運行的衛(wèi)星，特別是等離子體探測衛(wèi)星，其運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模型進行電離層特性分析時，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行人工的選擇和輸入等操作，使用受到諸多限制，導致電離層分析結(jié)果與衛(wèi)星高精度軌道仿真結(jié)果進行交互分析，幾乎成為不可能實現(xiàn)的任務。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，重點解決以下2個方面的問題。

（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)合詳細軌道位置進行原位環(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（COSPAR）下屬的權(quán)威機構(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、衛(wèi)星資料、探空火箭資料等經(jīng)驗數(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已作為標準的電離層模型，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)域的標準電離層分析模型［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特殊的電離層擾動模式進行開關(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)對模型的一致性驗證研究，IRI模型能夠達到約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，為Intel Visual Fortran軟件提供編譯環(huán)境，其進程附加功能用來實現(xiàn)對MATLAB軟件MEX 接口文件運行的調(diào)試［9］。

3）STK 軟件

STK 軟件是一個常用的衛(wèi)星軌道仿真軟件，其Connect接口與MATLAB軟件進行數(shù)據(jù)和指令的交互［10］，可為衛(wèi)星任務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)星任務仿真，并獲取軌道相關(guān)參數(shù)；之后對獲取的參數(shù)進行提取和標準化處理，再調(diào)用MEX接口函數(shù)按照衛(wèi)星軌道對電離層參數(shù)進行計算。

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模型計算得到的電離層參數(shù)，進行匹配處理分析，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)星的降交點地方時為14：00，衛(wèi)星和軌道場景如圖4所示（衛(wèi)星尺寸進行了放大）。軌道歷元時間選取2007年7月1日12：00（此歷元時間對電離層參數(shù)計算有影響）。

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

通過對一個完整軌道周期（周期起點為赤道，從陰影區(qū)升軌開始）的衛(wèi)星運行情況進行仿真，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)星至星下點的總電子含量參數(shù)，如圖5中藍色曲線所示。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)的固定軌道降交點地方時分析方法［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)的固定地方時分析方法，由于太陽同步軌道的降交點地方時并不能代表整個軌道的地方時，因此緯度較高區(qū)域的衛(wèi)星星下點地方時的差異，會直接影響其等離子體參數(shù)分析的準確度。對傳統(tǒng)方法獲得的電子密度仿真誤差進行緯度相關(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準確的相對固定的地方時，因此，相對于傳統(tǒng)固定地方時的分析方法來說，這種交互分析方法的準確性和高效性就顯得更加突出。通過與STK 軟件的進一步交互，可以對衛(wèi)星一天的軌道運行結(jié)果進行可視化處理，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中的應用

由于Fortran語言在數(shù)值計算領(lǐng)域具有其他語言不可替代的優(yōu)勢，因此在國際上Fortran是作為科學模型的標準語言，從互聯(lián)網(wǎng)上可以獲得地球各個圈層模型的Fortran代碼。在以MATLAB 為核心進行STK 與Fortran模塊的多源交互過程中，通過替換Fortran的計算模塊，可將此多元交互仿真方法進一步推廣到多種地球模型的應用中。以國際地磁參考場-11（IGRF-11）為例［12-13］，通過多元交互仿真，可以獲得一個軌道周期內(nèi)衛(wèi)星在地球坐標系下的原位三分量地磁場數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 一個軌道周期內(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

將地球坐標系的磁場投影至軌道坐標系，即可獲得衛(wèi)星本體運行的磁場矢量數(shù)據(jù)，進一步對衛(wèi)星磁力矩器的卸載、空間高能粒子的分布等多種任務進行深入分析和研究。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)星運行環(huán)境分析中，為衛(wèi)星總體設(shè)計的環(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)星運行環(huán)境進行詳細分析的方法，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確地利用IRI模型，對衛(wèi)星的原位電離層環(huán)境進行分析，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雜的環(huán)境任務仿真工作。此外，這種交互仿真環(huán)境具有通用性，可推廣應用到其他空間環(huán)境模型中，并對航天器空間環(huán)境效應等方面進行研究，為提高衛(wèi)星的總體任務分析水平奠定基礎(chǔ)。

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