基于IRI模型的衛星環境仿真方法研究

朱興鴻 張偉 袁仕耿

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

1 引言

隨著航天技術在空間等離子體觀測領域的進步，所積累的數據不斷推進著空間科學的研究和發展，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］。科學探測衛星提供的空間天氣監測數據，也已經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星，特別是等離子體探測衛星，其運行和所探測的等離子環境特性分析是衛星總體設計中的關鍵環節。由于受到電離層探測手段和技術水平的制約，國內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大量的探測資料和多年積累的電離層研究成果開發的國際參考電離層（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，導致電離層分析結果與衛星高精度軌道仿真結果進行交互分析，幾乎成為不可能實現的任務。此外，網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頁版的支持，僅提供了相關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軟件聯合Fortran編譯器，對IRI官方提供的模型源代碼進行內嵌封裝，解決網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，與衛星工具包（STK）軟件高精度軌道仿真模塊間的數據交互，解決結合詳細軌道位置進行原位環境參數仿真的問題。

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）下屬的權威機構發布的參考電離層模型，以電離層垂測儀、非相干散射雷達、衛星資料、探空火箭資料等經驗數據為基礎，建立了電離層主要等離子參數模型，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［5］。1978年，IRI-78正式公布；隨著觀測數據的不斷增加，版本不斷升級，現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域的用戶廣泛使用，而且成為美國航天工業領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。其基本輸入包括時間、高度、經緯度等；可選輸入包括太陽黑子數、太陽輻射通量指數、地磁指數等，并且能夠對各種特殊的電離層擾動模式進行開關控制。模型的輸出結果包括電子密度、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分布Fig．1 Typical equator electron parameter distribution acquired from IRI model

2．2 仿真環境構建

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模塊，利用MEX 接口進行IRI參數的交互分析［8］。②通過TCP／IP端口與STK 軟件的Connect接口連通，控制STK 仿真模塊完成衛星的軌道仿真，并從接口獲取所需的軌道仿真數據。③作為數據處理和分析模塊，完成所獲取等離子數據和軌道數據的匹配分析處理。

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軟件提供編譯環境，其進程附加功能用來實現對MATLAB軟件MEX 接口文件運行的調試［9］。

3）STK 軟件

STK 軟件是一個常用的衛星軌道仿真軟件，其Connect接口與MATLAB軟件進行數據和指令的交互［10］，可為衛星任務提供高精度的軌道數據仿真，其圖形界面為仿真交互及其結果提供可視化處理。

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系如圖2所示。

圖2 仿真模塊間的接口關系Fig．2 Interface relationship among simulation modules

2．3 仿真方法及流程

在衛星環境分析中，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）仿真數據獲取

這部分包括使用MATLAB 軟件控制STK 軟件完成衛星任務仿真，并獲取軌道相關參數；之后對獲取的參數進行提取和標準化處理，再調用MEX接口函數按照衛星軌道對電離層參數進行計算。

3）后處理

它包括由MATLAB 軟件對STK 軟件中獲得的衛星軌道數據，以及IRI模型計算得到的電離層參數，進行匹配處理分析，并針對需求完成后續的數據處理工作，最后將分析結果送入STK 進行可視化處理。

3 示例

3．1 衛星仿真場景

由于空間電離層探測衛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星，衛星的降交點地方時為14：00，衛星和軌道場景如圖4所示（衛星尺寸進行了放大）。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計算有影響）。

圖4 衛星和軌道仿真場景Fig．4 Satellite and orbit simulation scenario

3．2 仿真結果分析

通過對一個完整軌道周期（周期起點為赤道，從陰影區升軌開始）的衛星運行情況進行仿真，獲得本圈軌道內衛星原位的電子密度、電子溫度、離子溫度，以及衛星至星下點的總電子含量參數，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，使用傳統的固定軌道降交點地方時分析方法［11］對衛星原位電離層參數分析的結果。

圖5 一個軌道周期內的衛星原位等離子體仿真結果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，因此緯度較高區域的衛星星下點地方時的差異，會直接影響其等離子體參數分析的準確度。對傳統方法獲得的電子密度仿真誤差進行緯度相關性分析，結果如圖6所示。

圖6 傳統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，傳統方法獲得的電子密度結果誤差逐漸增大，在高緯地區甚至有超過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，可以對衛星一天的軌道運行結果進行可視化處理，以電子密度為例，得到的結果見圖7，從圖中可以清晰地看出衛星處在升降軌段不同的電離層環境。

圖7 一天內衛星的原位等離子體信息可視化仿真結果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語言在數值計算領域具有其他語言不可替代的優勢，因此在國際上Fortran是作為科學模型的標準語言，從互聯網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衛星在地球坐標系下的原位三分量地磁場數據，如圖8所示。

圖8 一個軌道周期內衛星的原位地磁場仿真結果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，即可獲得衛星本體運行的磁場矢量數據，進一步對衛星磁力矩器的卸載、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星運行環境分析中，為衛星總體設計的環境分析提供支持。

4 結束語

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境，提出了一種使用嵌入IRI模型對衛星運行環境進行詳細分析的方法，并結合衛星場景給出了典型分析結果。研究結果表明，此種方法能夠更加準確地利用IRI模型，對衛星的原位電離層環境進行分析，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境任務仿真工作。此外，這種交互仿真環境具有通用性，可推廣應用到其他空間環境模型中，并對航天器空間環境效應等方面進行研究，為提高衛星的總體任務分析水平奠定基礎。

（References）

［1］Pulinets S A，Boyarchuk K A，Hegai V V，et al．Quasielectrostatic model of atmosphere-thermosphere-ionosphere coupling［J］．Advances in Space Research，2000，26（8）：1209-1218

［2］Pulinets S A，Ouzounov D．Lithosphere-atmosphereionosphere coupling（LAIC）model-an unified concept for earthquake precursors validation［J］．Journal of Asian Earth Sciences，2011，41（4／5）：371-382

［3］Bilitza D．IRI：an international rawer initiate［J］．Advances in Space Research，1995，15（2）：7-10

［4］Bilitza D．The international reference ionosphere climatological standard for the ionosphere，NASA-GFSC RTO-MP-IST-056［R］．Washington D．C．：NASA，2006

［5］Bilitza D．International Reference Ionosphere 2000［J］．Radio Science，2001，36（2）：261-275

［6］Anderson B J．Natural orbital environment definition for use in aerospace vehicle development，NASA-TM-4527［R］．Washington D．C．：NASA，1994

［7］ESA．ECSS-E-ST-10-04C Space engineering·space environment［S］．Paris：ESA，2008

［8］陳杰．MATLAB 寶典［M］．北京：電子工業出版社，2011：829-844

Chen Jie．MATLAB Corpus［M］．Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2011：829-844（in Chinese）

［9］徐山山，于波．MATLAB與FORTRAN 共享數據的實現［J］．現代計算機，2001，6（23）：78-80

Xu Shanshan，Yu Bo．Implementation of data sharing between MATLAB and FORTRAN［J］．Modern Computer，2001，6（23）：78-80（in Chinese）

［10］張云彬，張永生．STK／Connect模塊分析與應用［J］．測繪學院學報，2001，18（z1）：29-32

Zhang Yunbin，Zhang Yongsheng．Modular analysis and applications of STK／Connect［J］．Journal of Topography Institute，2001，18（z1）：29-32（in Chinese）

［11］Gulyaeva T L，Titheridge J E．Advanced specification of electron density and temperature in the IRI ionosphere-plasmasphere model［J］．Advances in Space Research，2006，38（11）：2587-2595

［12］徐文耀．地磁學［M］．北京：地震出版社，2003：98

Xu Wenyao．Geomagnetism［M］．Beijing：Seismological Press，2003：98（in Chinese）

［13］Langel R A，Sabaka T J，Baldwin R T，et al．The near-Earth magnetic field from magnetospheric and quiet-day ionospheric sources and how it is modeled［J］．Physics of the Earth and Planetary Interiors，1996，98（3／4）：235-267