matlab-compute-aerospace-environment

计算航空航天环境

使用 Aerospace Toolbox 函数计算航空航天飞行器分析所需的环境属性：大气、重力、风、磁场、大地水准面、空间天气、行星星历和地球定向。

适用场景

• 计算大气属性（温度、压力、密度、声速）
• 计算任意行星的重力矢量或加速度
• 对不同高度的水平风进行建模
• 获取用于导航或罗盘校正的磁场分量
• 计算大地水准面高度或地心半径
• 读取 NRLMSISE-00 输入所需的空间天气数据
• 计算行星或月球的位置（星历）
• 获取地球定向参数（极移、章动、UT1-UTC、CIP）
• 提及以下任意内容的提示词：大气模型、ISA、COESA、NRLMSISE、压力、温度、密度、声速、重力模型、WGS84、风模型、HWM、磁场模型、WMM、IGRF、大地水准面、空间天气、太阳通量、F10.7、Ap 指数、行星星历、月球位置、地球章动、极移、UT1、IERS

不适用场景

• 坐标系转换或旋转——使用 matlab-convert-aerospace-coordinates
• 轨道力学或轨迹传播（星历用于获取位置，而非轨道传播）
• 气动系数计算
• Simulink 环境模型模块——使用 Aerospace Blockset

工作流

1. 确定所需量——使用下方的决策表
2. 调用函数——遵循此技能中的用法模式，确保语法正确
3. 验证结果——检查单位和数值大小是否符合物理实际

决策表

需求	函数	关键输入
标准大气（快速）	atmosisa	高度（m）
1976 COESA 大气	atmoscoesa	高度（m）
NRLMSISE-00（详细高层大气）	atmosnrlmsise00	alt、lat、lon、year、day、UTsec
非标准大气（MIL-STD）	atmosnonstd	alt + 位置字符串参数
CIRA 1986 参考大气	atmoscira	lat、ctype、coord、month
温度递减率大气（自定义）	atmoslapse	高度（m）+ 9 个物理参数
气压高度	atmospalt	压力（Pa）
水平风（HWM07/14）	atmoshwm	lat、lon、alt + 名称-值参数
球谐重力（任意行星）	gravitysphericalharmonic	PCPF [x,y,z]（m）
WGS84 重力（地球、大地坐标）	gravitywgs84	h、lat（+ lon、method、flags）
带谐重力（任意行星）	gravityzonal	PCPF [x,y,z]（m）
离心加速度	gravitycentrifugal	PCPF [x,y,z]（m）
WMM 磁场	wrldmagm	height（m）、lat、lon、decimalYear
IGRF 磁场	igrfmagm	height（m）、lat、lon、decimalYear、generation
大地水准面高度（起伏）	geoidheight	lat、lon
地心半径	geocradius	地心纬度（deg）
读取空间天气 CSV	aeroReadSpaceWeatherData	CSV 文件路径
提取太阳通量 / Ap 指数	fluxSolarAndGeomagnetic	datetime 或 [year,day,UTCsec]、MAT 文件
行星 / 月球位置和速度	planetEphemeris	Julian date、中心天体、目标天体
地球章动角	earthNutation	Julian date
月球天平动角	moonLibration	Julian date
地球极移	polarMotion	UTC（Julian date）
天球中间极调整	deltaCIP	UTC（Julian date）
UT1 与 UTC 之差	deltaUT1	UTC（Julian date）
读取 IERS 地球定向数据	aeroReadIERSData	文件夹路径

用法模式

标准大气和 COESA 大气

% International Standard Atmosphere
[T, a, P, rho] = atmosisa(1000);

% 1976 COESA (valid 0-1000 km)
[T, a, P, rho] = atmoscoesa(1000);

气压高度（atmospalt）

使用国际标准大气将压力（Pa）转换为高度（m）。

% Pressure altitude at standard sea-level pressure
alt = atmospalt(101325);  % returns 0 m

% Pressure altitude at multiple pressures
alt = atmospalt([101325, 79501, 54048, 26500]);

% Typical use: convert measured pressure to altitude
measuredPressure_Pa = 75000;
pressureAltitude_m = atmospalt(measuredPressure_Pa);

输入：压力，单位为 帕斯卡。输出：基于 1976 COESA 的几何高度，单位为 米。

非标准大气（atmosnonstd）

使用位置字符串参数，而非名称-值对。

剖面类型（单个高度极值）：

[T, a, P, rho] = atmosnonstd(height, 'Profile', extremeParam, frequency, extremeAltitude)

包络类型（高度范围极值——不需要 extremeAltitude 参数）：

[T, a, P, rho] = atmosnonstd(height, 'Envelope', extremeParam, frequency)

可选的末尾参数：action（'Warning'|'Error'|'None'）、specification（'310'|'210c'）。

% Profile: high density, 1% of time, at 5 km altitude (extremeAltitude is NUMERIC)
[T, a, P, rho] = atmosnonstd(5000, 'Profile', 'High density', '1%', 5);

% Envelope: high pressure, 20% of time, MIL-STD-210C
[T, a, P, rho] = atmosnonstd([1000; 11000; 20000], 'Envelope', ...
    'High pressure', '20%', 'None', '210c');

有效的 extremeParam：'High temperature'、'Low temperature'、'High density'、'Low density'、'High pressure'、'Low pressure'

有效的 frequency：'Extreme values'、'1%'、'5%'、'10%'、'20%'

有效的 extremeAltitude（仅限剖面类型，数值）：5、10、20、30、40

CIRA 1986 模型

% By geopotential height, monthly mean, October
[T, P, zonalWind] = atmoscira(45, 'GPHeight', 20000, 'Monthly', 10);

% By pressure level
[T, alt, zonalWind] = atmoscira(45, 'Pressure', 101300, 'Monthly', 1);

参数：(latitude, ctype, coord, mtype, month)，其中 ctype 为 'Pressure' 或 'GPHeight'。

NRLMSISE-00

% Basic call (uses default flux values)
[T, rho] = atmosnrlmsise00(altitude, latitude, longitude, year, dayOfYear, UTseconds);

% With flux data and no anomalous oxygen
[T, rho] = atmosnrlmsise00(altitude, lat, lon, year, dayOfYear, UTsec, ...
    f107Average, f107Daily, magneticIndex, 'NoOxygen');

输出：T 为 N×2 矩阵 [外逸层温度、局部温度]。rho 为 N×9 矩阵（密度）。

温度递减率大气（atmoslapse）

需要 10 个位置参数，不只是高度。必须明确指定所有物理参数。

% TEMPLATE — not executable (shows calling convention)
[T, a, P, rho] = atmoslapse(altitude, g, gamma, R, lapseRate, ...
    heightTroposphere, heightTropopause, density0, pressure0, temperature0);

% Example: ISA conditions
[T, a, P, rho] = atmoslapse([0 5000 11000 20000], ...
    9.80665, 1.4, 287.0531, 0.0065, 11000, 20000, 1.225, 101325, 288.15);

参数：(height, g, heatRatio, gasConstant, lapseRate, hTroposphere, hTropopause, rho0, P0, T0)。适用于自定义行星大气或非标准海平面条件。

水平风模型（atmoshwm）

使用名称-值参数。返回单位为 m/s 的 M×2 数组 [经向风、纬向风]。

% Total wind with Ap index
wind = atmoshwm(-45, -85, 25000, model='total', day=150, ...
    seconds=11*3600, apindex=80);

% Quiet wind at multiple altitudes (day/seconds must match array size)
wind = atmoshwm([50; 50], [-20; -20], [100000; 150000], ...
    model='quiet', day=[30; 30], seconds=[0; 0]);

% Disturbed wind
wind = atmoshwm(70, -65, 150000, model='disturbance', day=166, seconds=0);

名称-值选项：model（'quiet'|'disturbance'|'total'）、day、seconds、apindex、version（'14'|'07'）。

重力：球谐函数

输入为行星中心行星固定（PCPF）[x,y,z] 坐标，单位为米——不是纬度/经度/高度。

% Earth: 25,000 m over South Pole (z-axis = polar axis)
[gx, gy, gz] = gravitysphericalharmonic([0, 0, -(6356752 + 25000)]);

% Mars GMM2B: equator + pole
pos = [3396200 + 15000, 0, 0;   % equator
       0, 0, 3376200 + 11000];  % north pole
[gx, gy, gz] = gravitysphericalharmonic(pos, 'GMM2B');

模型：'EGM2008'（默认）、'EGM96'、'LP100K'、'LP165P'、'GMM2B'、'EIGENGL04C'、'Custom'。

注意：扁球体上的极点位置会触发“径向位置小于赤道半径”警告——这是预期现象（极半径 < 赤道半径），结果仍然有效。

重力：WGS84

使用大地坐标（高度单位为米，纬度/经度单位为度）。

对于带可选效应的 Exact 方法，将标志作为单个向量 [noatm, nocent, prec, jd] 传入：

% Taylor series (default) — only h and lat, no method string
g = gravitywgs84(1000, 45);

% CloseApprox — requires lon as 3rd argument
g = gravitywgs84(1000, 45, 20, 'CloseApprox');

% Exact with precession — requires lon + flag vector
[gn, gt] = gravitywgs84(1000, 0, 20, 'Exact', [false, false, true, 2451545]);

调用方式：

• 默认（泰勒级数）： gravitywgs84(h, lat)——不要将 'TaylorSeries' 作为字符串传入
• CloseApprox： gravitywgs84(h, lat, lon, 'CloseApprox')——需要 lon
• Exact： gravitywgs84(h, lat, lon, 'Exact', [noatm, nocent, prec, jd])——需要 lon 和标志向量

标志向量 [noatm, nocent, prec, jd]：

• noatm：true = 排除大气修正
• nocent：true = 排除离心效应
• prec：true = 包含岁差
• jd：儒略日（0 = 不指定岁差日期）

重力：带谐函数

输入为单位为米的 PCPF [x,y,z]。Degree 为数值标量。

% Earth, 4th degree, at equator surface
Re = 6378137;
[gx, gy, gz] = gravityzonal([Re, 0, 0], 'Earth', 4);

% Mars at two positions
[gx, gy, gz] = gravityzonal([3396200+15000, 0, 0; 0, 0, 3376200+11000], 'Mars');

重力：离心力

输入为单位为米的 PCPF [x,y,z]。

% Earth at equator surface
[gx, gy, gz] = gravitycentrifugal([6378137, 0, 0]);

% Mars
[gx, gy, gz] = gravitycentrifugal([3396200, 0, 0], 'Mars');

磁场模型

wrldmagm 和 igrfmagm 都使用米为单位的高度、度为单位的纬度/经度，以及十进制年份。使用 decyear 转换日历日期。

% WMM-2025
[XYZ, H, D, I, F] = wrldmagm(1000, 40.44, -79.99, decyear(2025,7,4), '2025');

% IGRF-14
[XYZ, H, D, I, F] = igrfmagm(3000, 41.50, -81.69, decyear(2028,7,4), 14);

输出：XYZ = [北、东、下]，单位为 nT；H = 水平强度；D = 磁偏角（度）；I = 磁倾角（度）；F = 总强度（nT）。

大地水准面高度和地心半径

% Geoid undulation (EGM96 default) — longitude must be [0, 360]
N = geoidheight(42.4, 289.0);

% EGM2008
N = geoidheight(42.4, 289.0, 'EGM2008');

% Geocentric radius at multiple latitudes (input: geocentric lat in degrees)
r = geocradius([0, 45, 90]);           % default WGS84
r = geocradius([0, 45, 90], 'WGS84');  % explicit model

行星星历和地球定向

星历函数需要 aeroDataPackage 中的数据。所有函数都使用儒略日作为时间输入。

% Planet/Moon position and velocity (km, km/s by default)
jd = juliandate(2022, 10, 27, 12, 0, 0);
[pos, vel] = planetEphemeris(jd, 'Earth', 'Moon');
[pos, vel] = planetEphemeris(jd, 'SolarSystem', 'Mars', '430', 'AU');

% Earth nutation (radians)
[angles, rates] = earthNutation(jd);  % angles = [dpsi, depsilon]

% Moon libration (radians)
[angles, rates] = moonLibration(jd);  % 3 Euler angles + rates

% Earth polar motion (radians) — input is UTC as Julian date
utc = juliandate(2020, 1, 1);
[pm, pmError] = polarMotion(utc);  % pm = [xp, yp]

% Celestial Intermediate Pole adjustment (radians)
[dcip, dcipError] = deltaCIP(utc);  % dcip = [dX, dY]

% UT1-UTC difference (seconds)
[dut1, dut1Error] = deltaUT1(utc);

有效的 planetEphemeris 目标/中心：'Sun'、'Mercury'、'Venus'、'Earth'、'Moon'、'Mars'、'Jupiter'、'Saturn'、'Uranus'、'Neptune'、'Pluto'、'SolarSystem'、'EarthMoon'。

模型：'405'（默认）、'421'、'423'、'430'、'432t'。

注意：polarMotion、deltaCIP 和 deltaUT1 使用 aeroiersdata.mat 中的 IERS 数据（随包提供），也可使用自定义数据源。获取最新 IERS 数据：

% Download latest Earth orientation data and save as MAT file
iersFile = aeroReadIERSData(pwd);
% Then pass to Earth orientation functions via Source name-value
[pm, pmError] = polarMotion(utc, Source=iersFile);
[dcip, dcipError] = deltaCIP(utc, Source=iersFile);
[dut1, dut1Error] = deltaUT1(utc, Source=iersFile);

空间天气管线

用于生成真实 NRLMSISE-00 输入的完整管线：

% Step 1: Read CSV (downloaded from CelesTrack) into MAT file
% TEMPLATE — requires user-provided CSV file
matFile = aeroReadSpaceWeatherData('spaceWeatherFile.csv');

% Step 2: Extract flux and magnetic indices for a specific date/time
dt = datetime(2022, 10, 27, 6, 30, 0, 'TimeZone', 'UTC');
[f107avg, f107daily, magIdx] = fluxSolarAndGeomagnetic(dt, matFile, ...
    F107ExtrapMethod='constant', MagneticIndexExtrapMethod='constant');

% Step 3: Feed into NRLMSISE-00
dayOfYear = day(dt, 'dayofyear');
UTsec = seconds(timeofday(dt));
[T, rho] = atmosnrlmsise00(400e3, 45, -50, dt.Year, dayOfYear, UTsec, ...
    f107avg, f107daily, magIdx, 'NoOxygen');

注意：

• aeroReadSpaceWeatherData 接受用户提供的 CSV（CelesTrack 格式）——工具箱不附带示例文件
• 它会返回一个包含空间天气数据的 MAT 文件，供 fluxSolarAndGeomagnetic 使用
• 如果未提供 CSV，可使用预先构建的 aeroSpaceWeatherData.mat（通过 which('aeroSpaceWeatherData.mat') 获取）
• fluxSolarAndGeomagnetic 接受 (datetime, matFile) 或 (year, dayOfYear, UTCseconds, matFile)

常见错误

错误	失败原因	正确做法
将纬度／经度／高度传给 gravitysphericalharmonic	需要以米为单位的 PCPF [x,y,z]	转换为笛卡尔坐标：赤道表面 = [Re, 0, 0]，极点 = [0, 0, Rp]
对 atmosnonstd 使用名称-值对	使用位置字符串，而非名称-值参数	atmosnonstd(h, 'Envelope', 'High pressure', '20%')
向 gravitywgs84 Exact 传入单独的布尔参数	标志必须是单个向量	gravitywgs84(h, lat, lon, 'Exact', [noatm, nocent, prec, jd])
将 'TaylorSeries' 作为方法字符串传入	需要方法参数时，它是第三个参数	使用双参数形式：gravitywgs84(h, lat)——不传入方法字符串
在未提供经度时调用 gravitywgs84(h, lat, 'CloseApprox')	CloseApprox 需要经度	gravitywgs84(h, lat, lon, 'CloseApprox')
对 Envelope 类型指定 extremeAltitude	仅适用于 Profile 类型	Envelope 不要指定该参数：atmosnonstd(h, 'Envelope', param, freq)
使用 atmosnrlmsise00 获取风	函数不正确	使用 atmoshwm 获取水平风
调用 gravitywgs84 获取离心效应	没有仅计算离心效应的模式	使用 gravitycentrifugal([x, y, z])
使用错误的函数名称 gravityzonalharmonic	该函数不存在	使用 gravityzonal
向 gravityzonal 传入字符串形式的阶数	需要数值标量	使用 gravityzonal(coords, 'Earth', 4)，而非 '4thDegree'
忽略 aeroReadSpaceWeatherData 的输出	它会返回一个包含空间天气数据的 MAT 文件	将返回的 MAT 文件传给 fluxSolarAndGeomagnetic

约定

• 高度单位： 所有大气、重力和磁场函数均使用米（而非 km 或英尺）
• 纬度／经度： 大地测量函数使用度；gravitysphericalharmonic、gravityzonal、gravitycentrifugal 使用以米为单位的 PCPF [x,y,z]
• 十进制年份： 磁场模型的日期输入使用 decyear(year, month, day)
• 时间： day = 一年中的第几天（1-366）；seconds = 自 UTC 午夜起的秒数
• PCPF 坐标： x 轴穿过 0N/0E，y 轴穿过 0N/90E，z 轴指向北极
• geoidheight 经度： 必须在 [0, 360] 度范围内（东经为正）。使用 mod(lon, 360) 将 [-180, 180] 转换为该范围
• PCPF 中的南极： [0, 0, -(Rp + altitude)]，其中 Rp 为极半径
• PCPF 中的赤道： [Re + altitude, 0, 0]，其中 Re 为赤道半径

---

Copyright 2026 The MathWorks, Inc.

---