基于IRI模型的卫星环境仿真方法研究

朱兴鸿 张伟 袁仕耿

（1 航天东方红卫星有限公司，北京 100094）（2 中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

随着航天技术在空间等离子体观测领域的进步，所积累的数据不断推进着空间科学的研究和发展，特别在对电离层与大气层耦合机理的研究方面也取得了一定的成果［1］。科学探测卫星提供的空间天气监测数据，也已经被广泛应用在天气预报、电磁波传播特性预估、地震短临前兆研究等诸多方面［2］。对于在电离层中运行的卫星，特别是等离子体探测卫星，其运行和所探测的等离子环境特性分析是卫星总体设计中的关键环节。由于受到电离层探测手段和技术水平的制约，国内还未能形成完整的空间电离层等离子体模型，目前使用最多的是国外根据大量的探测资料和多年积累的电离层研究成果开发的国际参考电离层（IRI）模型［3］。在使用IRI模型进行电离层特性分析时，采用较多的是IRI官方网站提供的软件［4］，要求在每次仿真前进行人工的选择和输入等操作，使用受到诸多限制，导致电离层分析结果与卫星高精度轨道仿真结果进行交互分析，几乎成为不可能实现的任务。此外，网上可以直接使用的模型为IRI-2007版，其后IRI官方对其模型的修正和更新并未提供网页版的支持，仅提供了相关Fortran的源代码。针对上述问题，本文提出了一种多源交互仿真分析方法，重点解决以下2个方面的问题。

（1）通过MATLAB软件联合Fortran编译器，对IRI官方提供的模型源代码进行内嵌封装，解决网页版输入输出模式限制问题，以及IRI-2007版模型本身的误差修正问题。

（2）通过MATLAB软件控制嵌入IRI模块，与卫星工具包（STK）软件高精度轨道仿真模块间的数据交互，解决结合详细轨道位置进行原位环境参数仿真的问题。

2 多源交互仿真方法

2．1 IRI模型介绍

IRI模型是国际空间研究委员会（COSPAR）下属的权威机构发布的参考电离层模型，以电离层垂测仪、非相干散射雷达、卫星资料、探空火箭资料等经验数据为基础，建立了电离层主要等离子参数模型，可以给出具体条件下的电子密度、电子温度、离子温度和离子成分等电离层特性参数［5］。1978年，IRI-78正式公布；随着观测数据的不断增加，版本不断升级，现在应用比较广泛的是IRI-2007；最新版本为全面更新的IRI-2012，其精度得到了很大的提高。目前，IRI已作为标准的电离层模型，被电离层研究和无线电通信领域的用户广泛使用，而且成为美国航天工业领域的标准电离层分析模型［6］。

利用IRI模型，可以定量地得到输入条件下的电离层特性参数。其基本输入包括时间、高度、经纬度等；可选输入包括太阳黑子数、太阳辐射通量指数、地磁指数等，并且能够对各种特殊的电离层扰动模式进行开关控制。模型的输出结果包括电子密度、电子温度、离子温度、总电子含量和等离子体成分等，示例见图1。根据对模型的一致性验证研究，IRI模型能够达到约80%的精度［7］。

图1 IRI模型获取的赤道典型电子参数分布Fig．1 Typical equator electron parameter distribution acquired from IRI model

2．2 仿真环境构建

对多源仿真时使用的仿真工具及作用描述如下。

1）MATLAB软件

MATLAB 为多源交互仿真的核心模块，主要作用包括：①通过MEX 接口，利用外部Fortran编译器将IRI模型的Fortran源代码编译封装成嵌入函数模块，利用MEX 接口进行IRI参数的交互分析［8］。②通过TCP／IP端口与STK 软件的Connect接口连通，控制STK 仿真模块完成卫星的轨道仿真，并从接口获取所需的轨道仿真数据。③作为数据处理和分析模块，完成所获取等离子数据和轨道数据的匹配分析处理。

2）Intel Visual Fortran软件与Visual Studio软件

Intel Visual Fortran 软 件 为IRI模 型 的Fortran源代码和MATLAB软件的MEX 接口文件提供编译器。Visual Studio 作为编译平台，为Intel Visual Fortran软件提供编译环境，其进程附加功能用来实现对MATLAB软件MEX 接口文件运行的调试［9］。

3）STK 软件

STK 软件是一个常用的卫星轨道仿真软件，其Connect接口与MATLAB软件进行数据和指令的交互［10］，可为卫星任务提供高精度的轨道数据仿真，其图形界面为仿真交互及其结果提供可视化处理。

仿真工具的初始化以及交互仿真过程中，都是以MATLAB软件为核心，各个模块之间的接口关系如图2所示。

图2 仿真模块间的接口关系Fig．2 Interface relationship among simulation modules

2．3 仿真方法及流程

在卫星环境分析中，主要仿真过程分为3个部分，交互仿真流程如图3所示。

图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 接口封装、STK 中卫星场景的初始化，以及此后在MATLAB 中分别对STK 的Connect接口以及MEX 封装的IRI模型接口进行初始化。

2）仿真数据获取

这部分包括使用MATLAB 软件控制STK 软件完成卫星任务仿真，并获取轨道相关参数；之后对获取的参数进行提取和标准化处理，再调用MEX接口函数按照卫星轨道对电离层参数进行计算。

3）后处理

它包括由MATLAB 软件对STK 软件中获得的卫星轨道数据，以及IRI模型计算得到的电离层参数，进行匹配处理分析，并针对需求完成后续的数据处理工作，最后将分析结果送入STK 进行可视化处理。

3 示例

3．1 卫星仿真场景

由于空间电离层探测卫星一般运行在高度为300～900km 的轨道，因此选取500km 高的太阳同步轨道卫星，卫星的降交点地方时为14：00，卫星和轨道场景如图4所示（卫星尺寸进行了放大）。轨道历元时间选取2007年7月1日12：00（此历元时间对电离层参数计算有影响）。

图4 卫星和轨道仿真场景Fig．4 Satellite and orbit simulation scenario

3．2 仿真结果分析

通过对一个完整轨道周期（周期起点为赤道，从阴影区升轨开始）的卫星运行情况进行仿真，获得本圈轨道内卫星原位的电子密度、电子温度、离子温度，以及卫星至星下点的总电子含量参数，如图5中蓝色曲线所示。作为对比，在图5中用红色曲线表示在相同电离层条件下，使用传统的固定轨道降交点地方时分析方法［11］对卫星原位电离层参数分析的结果。

图5 一个轨道周期内的卫星原位等离子体仿真结果Fig．5 Simulation result of satellite in-situ plasma within an orbit period

从图5中可以看出：对于传统的固定地方时分析方法，由于太阳同步轨道的降交点地方时并不能代表整个轨道的地方时，因此纬度较高区域的卫星星下点地方时的差异，会直接影响其等离子体参数分析的准确度。对传统方法获得的电子密度仿真误差进行纬度相关性分析，结果如图6所示。

图6 传统固定地方时分析方法的电子密度误差分布Fig．6 Error distribution of electron density by traditional method with fixed local time

从图6可以看出：随着纬度升高，传统方法获得的电子密度结果误差逐渐增大，在高纬地区甚至有超过100%的情况，分析精度较差。对于非太阳同步轨道，由于在轨道中没有一个准确的相对固定的地方时，因此，相对于传统固定地方时的分析方法来说，这种交互分析方法的准确性和高效性就显得更加突出。通过与STK 软件的进一步交互，可以对卫星一天的轨道运行结果进行可视化处理，以电子密度为例，得到的结果见图7，从图中可以清晰地看出卫星处在升降轨段不同的电离层环境。

图7 一天内卫星的原位等离子体信息可视化仿真结果Fig．7 Visualized simulation result of satellite in-situ plasma within one day

3．3 交互仿真在其他任务中的应用

由于Fortran语言在数值计算领域具有其他语言不可替代的优势，因此在国际上Fortran是作为科学模型的标准语言，从互联网上可以获得地球各个圈层模型的Fortran代码。在以MATLAB 为核心进行STK 与Fortran模块的多源交互过程中，通过替换Fortran的计算模块，可将此多元交互仿真方法进一步推广到多种地球模型的应用中。以国际地磁参考场-11（IGRF-11）为例［12-13］，通过多元交互仿真，可以获得一个轨道周期内卫星在地球坐标系下的原位三分量地磁场数据，如图8所示。

图8 一个轨道周期内卫星的原位地磁场仿真结果Fig．8 Simulation result of satellite in-situ geomagnetic field within an orbit period

将地球坐标系的磁场投影至轨道坐标系，即可获得卫星本体运行的磁场矢量数据，进一步对卫星磁力矩器的卸载、空间高能粒子的分布等多种任务进行深入分析和研究。除了地磁场外，该方法还可推广到大气层、磁层、地球辐射带等其他卫星运行环境分析中，为卫星总体设计的环境分析提供支持。

4 结束语

本文通过建立以MATLAB 软件为核心，以Fortran模型的MEX 封装、STK 软件为计算仿真模块的多源交互环境，提出了一种使用嵌入IRI模型对卫星运行环境进行详细分析的方法，并结合卫星场景给出了典型分析结果。研究结果表明，此种方法能够更加准确地利用IRI模型，对卫星的原位电离层环境进行分析，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复杂的环境任务仿真工作。此外，这种交互仿真环境具有通用性，可推广应用到其他空间环境模型中，并对航天器空间环境效应等方面进行研究，为提高卫星的总体任务分析水平奠定基础。

（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］陈杰．MATLAB 宝典［M］．北京：电子工业出版社，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与FORTRAN 共享数据的实现［J］．现代计算机，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］张云彬，张永生．STK／Connect模块分析与应用［J］．测绘学院学报，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．地磁学［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