STK轨道仿真实验报告.docx

北 京 科 技 大 学
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课程设计报告

2016年12月28日

基于STK太阳同步轨道设计与分析
摘要：本课程设计训练，要求学生学习基于Satellite Tool Kit（以下简称STK）软件的轨道动力学仿真与设计的基本理论与方法，学会根据设计要求开展设计工作，并能联系实际深入掌握本专业的理论知识，从而使学生具备从事科学技术研究的基本技能。

关键词：STK 卫星轨道仿真 卫星 地面站

引言：
随着可视化技术在仿真中的广泛应用，对卫星的轨道和姿态控制仿真不仅要求仿真系统具有精确的模型和实验结果，还要求真实再现航天任务的全过程，因此有必要建立一个视景仿真系统，给设计人员和决策者以更直观更形象的理解。
STK(Satellite Tool Kit)是由美国Analytical Graphics公司开发的卫星仿真工具包，是航天工业领先的商业化分析软件，它可以快速方便地分析复杂的陆、海、空、天任务，并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果，用于确定最佳解决方案。不但具有强大的数据仿真功能，还具有三维模型编辑和三维可视化模块(STK／VO)，可以为STK和其它附加模块提供逼真的三维视景显示功能。在STK中通过建立一定的场景并加入卫星的模型，通过设定该场景的参数，就能实现对卫星运行的二维和三维仿真视景。虽然它有效的解决了三维视景显示问题，但是在卫星的运行过程中，如果需要对卫星实施变轨或者大角度姿态机动就需要将仿真停止，重新设定相关的参数，不能实现对整个视景系统的连续仿真运行。

软件介绍：
STK提供分析引擎用于计算数据、并可显示多种形式的二维地图，显示卫星和其它对象如运载火箭、地面车辆、目标等。STK的核心能力是产生位置和姿态数据、获取时间、遥感器覆盖分析。STK专业版扩展了STK的基本分析能力，增加了轨道预报算法、姿态定义、坐标类型和坐标系统、遥感器类型、高级的约束条件定义，以及卫星、城市、地面站和恒星数据库。对于特定的分析任务，STK提供了附加分析模块，可以解决通信分析、雷达分析、覆盖分析、轨道机动、精确定轨、实时操作等问题。另外，STK还有三维可视化模块，为STK和其它附加模块提供三维显示环境，使人们能直观了解复杂的飞行任务和轨道特性。
STK的基本功能包括： 󰂋
分析能力——以复杂的数学算法迅速准确地计算出卫星任意时刻的位 置、姿态，评估陆地、海洋、空中和空间对象间的复杂关系，以及卫星或地面站遥感器的覆盖区域； 󰂋
生成轨道/弹道星历表——STK 包含复杂的数学算法，可以快速而准 确地确定卫星在任意时刻的位置。对于新手，STK提供卫星轨道生成向导，指引用户建立常见的轨道类型如：地球同步、临界倾角、太阳同步、Molniya、重复轨道等等。
可见性分析——计算任意对象间的访问时间并在二维地图窗口动画显 示，计算结果为图表或文字报告。可在对象间增加几何约束条件，如遥感器的可视范围、地基或天基系统最小仰角、方位角和可视距离； 󰂋
遥感器分析——遥感器可以附加在任何空基或地基对象上，用于可见 性分析的精确计算。遥感器覆盖区域的变化动态地显示在二维地图窗口，包括多种遥感器类型(复杂圆弧、半功率、矩形、扫摆、用户定义)； 󰂋
姿态分析——STK提供标准姿态定义，可从外部输入姿态文件(标准四 元数姿态文件)，为计算姿态运动对其它参数的影响提供多种分析手段；
可视化的计算结果——STK在二维地图窗口可以显示所有以时间为单 位的信息，多个窗口可以分别以不同的投影方式和坐标系显示。可以向前、向后或实时地显示任务场景的动态变化：空基或地基对象的位置、遥感器覆盖区域、可见情况、光照条件、恒星/行星位置，可将结果保存为BMP位图或AVI动画； 󰂋 全面的数据报告——STK提供全面的图表和文字报告总结关键信息， 包含上百种数据，用户可以为一个对象或一组对象定制图表和报告。所有报告均以工业标准格式输出，可以输出到常用的电子制表软件中。
实验目的：
1) 学会STK（Satellite Tool Kit）软件的使用，掌握STK的基本操作；
2) 建立一颗太阳同步轨道卫星，掌握太阳同步轨道的特点；
3) 了解STK软件的基本功能。
实验内容：
太阳同步轨道保持着几乎不变的角度以维持与太阳同步。地球围绕太阳公转一年，转过360度。轨道平面为保持对太阳固定的角度，必须以相同的速率旋转或进动，即轨道平面每天向西旋转0.9856度。轨道进动的方向和速率取决于轨道倾角和轨道大小。典型的低轨卫星，匹配太阳同步轨道的进动倾角大约为96.6度。注意它很近似极轨轨道。另外为了保持太阳同步，本节场景中的轨道设计为重复轨迹相位固定，以使卫星与地面站在一天中固定的时间可见。
实验截图：
1.软件初始界面：

准备工作建立场景：
1)在浏览窗口，新建场景并将其命名为Sun_sync，场景建立后将显示地图窗口。
2)确定浏览窗口中的场景对象被选中，选择Properties菜单中的Basic选项。
3)在Time Period/Animation栏，使用如下设置：

4)点击Units栏设置如下单位类型，并保存场景

2.场景配置：
新建一颗卫星，取消Orbit Wizard，命名为Sunsat。打开卫星的BasicProperties 窗口，在Basic栏选项J2 Perturbation，在Special Options选项中选择Secularly Precessing。设置如下：
点击确定生成轨道数据，结果预览如下：

1) 新建一个地面站，命名为Station_Highlat。
2) 打开地面站的Basic Properties 窗口，在Position栏，输入
3）增加第二个地面站，命名为Station_Lowlat。在Position栏输入如下设置：

3.结果预览

课程体会：
通过此次设计，接触了STK这款新软件，对于它的学习和掌握都是靠自学的，软件为英文版，入手还是有一定困难的，从图书馆或者网上查阅并下载了一些学习资源，通过自己的不断摸索来逐步熟悉STK。在课程设计过程中，我学会了STK这款仿真软件的简单使用，了解到了卫星寿命的计算，STK的链路分析等其他仿真应用。这门课程与其他课程比较，学习方式更灵活，可以自定题目，从中也确实学到了很多有用的东西。