近地軌道微小衛(wèi)星所在位置地磁場強(qiáng)度的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天器所在位置地磁場強(qiáng)度的確定方法，屬于航天器姿態(tài)控制技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 解算地磁場強(qiáng)度對于近地軌道微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)具有重要意義。在姿態(tài)確定 方面，解算出特定坐標(biāo)系下的地磁場方向矢量，可配合其他矢量（如太陽相對于微小衛(wèi)星 的位置矢量等）進(jìn)行雙矢量定姿；在姿態(tài)機(jī)動方面，可以通過磁力矩器將地磁力矩作為環(huán) 境力矩加以利用，用以提供姿態(tài)控制力矩，或為飛輪卸載等。很多微小衛(wèi)星的姿控系統(tǒng)是由 星載GPS提供自身在J2000坐標(biāo)系下的速度、位置以及時間信息（UTC)，進(jìn)行姿態(tài)確定與機(jī) 動。然而目前還沒有一種能夠根據(jù)近地軌道微小衛(wèi)星在J2000坐標(biāo)系下的位置、速度以及 UTC信息解算其所在位置的地磁場強(qiáng)度與方向的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為了解決目前還沒有一種能夠根據(jù)近地軌道微小衛(wèi)星在J2000坐標(biāo)系下 的位置、速度以及UTC信息解算其所在位置的地磁場強(qiáng)度與方向的方法的問題。
[0004] 近地軌道微小衛(wèi)星所在位置地磁場強(qiáng)度的確定方法，包括以下步驟：
[0005] 步驟一、在已知近地微小衛(wèi)星在J2000坐標(biāo)系下的速度、位置，以及格林尼 治年、月、日信息以及協(xié)調(diào)世界時UTC(CoordinateUniversalTime)的前提下，通 過歲差轉(zhuǎn)換矩陣P和地球自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣R求得由J2000坐標(biāo)系到地心地固坐標(biāo)系 (Earth-Centered,Earth-FixedCoordinateSystem)，簡稱ECEF，的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣W，進(jìn)而 將微小衛(wèi)星的速度、位置矢量在ECEF下表示出來；
[0006] 步驟二、根據(jù)微小衛(wèi)星在ECEF下的位置，利用反三角函數(shù)以及經(jīng)煒度象限條件求 得微小衛(wèi)星所在位置的地心經(jīng)度A、地心煒度供與地心距Rd;
[0007]步驟三、利用國際地磁參考場（InternationalGeomagneticReferenceField， 簡稱IGRF) 2010年更新的地磁場球諧系數(shù)，根據(jù)地磁場位函數(shù)理論，將地磁場的磁位表達(dá) 出來；
[0008] 步驟四、對地磁場的磁位求偏導(dǎo)，得到地磁場的北向分量、東向分量與垂直分量， 將地磁場強(qiáng)度B在北東地坐標(biāo)系下表達(dá)出來；
[0009] 步驟五、利用J2000坐標(biāo)系下微小衛(wèi)星的位置和速度，解算出北東地坐標(biāo)系與軌 道坐標(biāo)系之間的夾角a，可得北東地坐標(biāo)系與軌道坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，進(jìn)而得到 微小衛(wèi)星所在位置的地磁場強(qiáng)度在軌道坐標(biāo)系下的表達(dá)式。
[0010] 本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提出了一種根據(jù)近地軌道微小衛(wèi)星在J2000坐 標(biāo)系下的位置、速度以及UTC信息，解算其所在位置的地磁場強(qiáng)度與方向，并將其在軌道坐 標(biāo)系中表示出來的方法。用本發(fā)明提供的方法解算出的軌道坐標(biāo)系下微小衛(wèi)星所在位置的 地磁場強(qiáng)度（N= 6時），與利用STK生成的相同軌道參數(shù)下的地磁場強(qiáng)度，有很高的吻合 度，地磁場強(qiáng)度的指向精度平均誤差不超過0.5°，最高不超過2.3°。
【附圖說明】
[0011] 圖1近地軌道微小衛(wèi)星所在位置地磁場強(qiáng)度的確定方法流程圖；
[0012] 圖2地磁場B orbit_uni_x與B"bit_STK_x對比效果圖；
[0013]圖3地磁場BOTbitmiy與BOTbitSTKy對比效果圖；
[0014]圖4地磁場BOTbitmi』與BOTbitSTKz對比效果圖；
[0015] 圖5地磁場強(qiáng)度單位矢量方向的指向誤差效果圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0016] 一：近地軌道微小衛(wèi)星所在位置地磁場強(qiáng)度的確定方法，于包括以 下步驟：
[0017] 步驟一、在已知近地微小衛(wèi)星在J2000坐標(biāo)系下的速度、位置，以及格林尼 治年、月、日信息以及協(xié)調(diào)世界時UTC(CoordinateUniversalTime)的前提下，通 過歲差轉(zhuǎn)換矩陣P和地球自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣R求得由J2000坐標(biāo)系到地心地固坐標(biāo)系 (Earth-Centered,Earth-FixedCoordinateSystem)，簡稱ECEF，的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣W，進(jìn)而 將微小衛(wèi)星的速度、位置矢量在ECEF下表示出來；
[0018] 步驟二、根據(jù)微小衛(wèi)星在ECEF下的位置，利用反三角函數(shù)以及經(jīng)煒度象限條件求 得微小衛(wèi)星所在位置的地心經(jīng)度A、地心煒度W與地心距Rd;
[0019]步驟三、利用國際地磁參考場（InternationalGeomagneticReferenceField， 簡稱IGRF) 2010年更新的地磁場球諧系數(shù)，根據(jù)地磁場位函數(shù)理論，將地磁場的磁位表達(dá) 出來；
[0020] 步驟四、對地磁場的磁位求偏導(dǎo)，得到地磁場的北向分量、東向分量與垂直分量， 將地磁場強(qiáng)度B在北東地坐標(biāo)系下表達(dá)出來；
[0021] 步驟五、利用J2000坐標(biāo)系下微小衛(wèi)星的位置和速度，解算出北東地坐標(biāo)系與軌 道坐標(biāo)系之間的夾角a，可得北東地坐標(biāo)系與軌道坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，進(jìn)而得到 微小衛(wèi)星所在位置的地磁場強(qiáng)度在軌道坐標(biāo)系下的表達(dá)式。
【具體實施方式】 [0022] 二：本實施方式的步驟一的具體操作步驟如下：
[0023] 首先給出J2000坐標(biāo)系與ECEF的定義：
[0024]J2000坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)0J2_位于地心，x 軸指向J2000. 0平春分點(diǎn)，zJ2_軸向 北指向J2000. 0平赤道的極點(diǎn)，y12_軸與x12_、z,。。軸構(gòu)成右手系J2000. 0指的是2000 年 1 月 1 日 12 :00 :00TDB;
[0025]ECEF:坐標(biāo)原點(diǎn)0EC；EF位于地心，x^^軸在赤道面上并指向格林尼治子午線方向， zEC；EF軸垂直于赤道面指向北極，yEC；EF軸與xEeEF軸、zEeEF軸形成右手系；
[0026]由J2000坐標(biāo)系到ECEF需進(jìn)行四次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，依次為歲差轉(zhuǎn)換，章動轉(zhuǎn)換，地球自 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，地球極移轉(zhuǎn)換；本方法只考慮在由J2000坐標(biāo)系到ECEF的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中起決定性作 用的歲差轉(zhuǎn)換矩陣（記為P)與地球自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣（記為R);
[0027] 歲差轉(zhuǎn)換矩陣P的求取如下：
[0028] 首先利用UTC求取儒略日J(rèn)D:
[0029]
【主權(quán)項】
1. 近地軌道微小衛(wèi)星所在位置地磁場強(qiáng)度的確定方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟一、在已知近地微小衛(wèi)星在J2000坐標(biāo)系下的速度、位置，以及格林尼治年、月、 日信息以及協(xié)調(diào)世界時UTC的前提下，通過歲差轉(zhuǎn)換矩陣P和地球自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣R求得由J2000坐標(biāo)系到地心地固坐標(biāo)系，簡稱ECEF，的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣W，進(jìn)而將微小衛(wèi)星的速度、位 置矢量在ECEF下表示出來； 步驟二、根據(jù)微小衛(wèi)星在ECEF下的位置，利用反三角函數(shù)以及經(jīng)煒度象限條件求得微 小衛(wèi)星所在位置的地心經(jīng)度A、地心煒度p與地心距Rd; 步驟三、利用國際地磁參考場2010年更新的地磁場球諧系數(shù)，根據(jù)地磁場位函數(shù)理 論，將地磁場的磁位表達(dá)出來； 步驟四、對地磁場的磁位求偏導(dǎo)，得到地磁場的北向分量、東向分量與垂直分量，將地 磁場強(qiáng)度B在北東地坐標(biāo)系下表達(dá)出來； 步驟五、利用J2000坐標(biāo)系下微小衛(wèi)星的位置和速度，解算出北東地坐標(biāo)系與軌道坐 標(biāo)系之間的夾角a，可得北東地坐標(biāo)系與軌道坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，進(jìn)而得到微小 衛(wèi)星所在位置的地磁場強(qiáng)度在軌道坐標(biāo)系下的表達(dá)式。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的近地軌道微小衛(wèi)星所在位置地磁場強(qiáng)度的確定方法，其特征 在于：步驟一的具體操作步驟如下： 歲差轉(zhuǎn)換矩陣P的求取如下： 首先利用UTC求取儒略日J(rèn)D:
其中：year，month，day分別為格林尼治年、月、日，hour，