基于STK的卫星总体任务分析与设计实验指导书.docx

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基于STK的卫星总体任务分析与设计实验指导书

航天课程实验平台:

基于STK的卫星总体任务分析与设计实验指导书

2006.04.01

前言

实验背景

随着我国航天事业的蓬勃发展，为了培养高层次的专业化航天人才,本学科拟建成航天类课程实验平台，并准备为研究生开设相关实验课程。

本平台是利用国际先进的STK软件进行二次开发而形成的，SatelliteToolKit即卫星工具包，是航天工业领先的商品化分析软件，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，确定最佳解决方案。

它支持航天任务周期的全过程，包括政策、概念、需求、设计、制造、测试、发射、运行和应用。

实验目的及任务

该实验平台的建设目标是培养学生对飞行器设计理论与实验方法的掌握，对仿真实验的理解与操作，提高动手能力，为将来毕业走上工作岗位打下扎实的基础。

因此，本实验平台将成为航天类课程教学的一个重要内容。

本实验平台集教学与实验为一体，充分发挥学生的创造性，培养学生实际应用能力。

使学生能将所学的专业知识具体化、形象化、可视化，达到全方位立体化的教学效果。

实验组成

实验平台主要由以下五个部分组成：

1.太阳同步/回归轨道设计与分析

2.地面站测控方案设计与分析

3.地面目标覆盖特性分析

4.卫星太阳电池阵光照特性分析

5.卫星机动轨道的斯基与分析

实验设备

硬件：

标配计算机一台，其它仿真设备若干

软件：

WindowsXP操作系统，4.0版本以上STK软件

实验1:

太阳同步/回归轨道设计与分析

1.1实验目的

●了解STK软件的一般功能

●掌握STK软件的基本操作

●学会如何建立新场景

●学会如何创建设置新卫星

1.2实验步骤

一．建立与设置场景

在创建卫星之前，我们要学会如何建立基本场景（Scenario）。

1.启动STK，点击Scenario图标创建新场景，命名为1Scenario。

2.在对象浏览器窗口选中1Scenario，然后从Properties菜单中选择Basic

也可以右键点击场景1Scenario，在弹出的快捷菜单中选择Basic。

3.如表1-1所列，设置TimePeriod属性页的参数如下。

表1-1示例场景Basic类TimePeriod属性设置

属性名称

属性值

StartTime

1Jan200000:

00:

StopTime

2Jan200000:

00:

Epoch

1Jan200000:

00:

4.如表1-2所示，设置Animation属性页参数如下。

表1-2示例场景Basic类Animation属性设置

属性名称

属性值

StartTime

1Jan200000:

00:

LoopAtTime

2Jan200000:

00:

TimeStep

60sec

RefreshDelta

ChangetoHighSpeed

5.如表1-3所示，设置Units属性页参数如下。

表1-2示例场景Basic类Units属性设置

属性名称

属性值

DistanceUnit

Kilometer（km）

TimeUnit

Seconds（sec）

DateFormat

GregorianUTC（UTCG）

AngleUnit

Degrees（deg）

MassUnit

Kilograms（kg）

6.选择Description属性页，在Description的空栏里，填入MybasicsScenario

7.全部完成后，点击“确定”

现在，已经建立了基本场景，下一步就是在场景中创建卫星，通过对卫星轨道的定义，来实现太阳同步轨道以及回归轨道的设计.

二．建立与设置卫星

首先，创建太阳同步轨道卫星，步骤如下。

1.在浏览窗口，点击Satellite图标，创建一个新卫星，可以利用轨道向导OrbitWizard定义卫星轨道，如果OrbitWizard没有自动出现，可以从Tools菜单选择。

2.点击“下一步”到第二个界面，如图1-1所示，选择SunSynchronous，点击“下一步”。

图1-1OrbitWizard第二界面

3.如图1-2所示，第三个界面，设置下项目参数，如表1-4。

表1-4第三界面参数

属性名称

属性值

Altitude

400km

LocalTimeofDescendingNode

12:

00:

00.0000

图1-2OrbitWizard第三界面

4.点击“下一步”，设置如下项目，如表1-5，设置完成后如图1-3所示。

表1-5第四界面参数

属性名称

属性值

OrbitStart

1Jan200000:

00:

OrbitStop

2Jan200000:

00:

TimeStep

60.00sec

图1-3OrbitWizard第四界面

5.设置完毕后，点击“完成”，重命名该卫星为Sun_Sync

6.选中卫星，在其“VO”类“Vector”属性页中，选择列表框中的“SunVector”，选中左下方的“Show”复选框，设置完毕后，如图1-4所示。

现在已经创建好了太阳同步轨道卫星，可以点击VO界面的“开始”按钮（StartAnimateForward），观察卫星的运行。

图1-4Sun_Sync卫星Basic类Vector属性页

接着，创建回归轨道卫星，步骤如下。

1．点击Satellite图标，创建一个新卫星。

2．点击“下一步”，选择RepeatingGroundTrace，点击“下一步”。

3．在此界面中设置参数，如表1-6。

表1-6参数设置

属性名称

属性值

ApproximateRevsPerDay

Inclination

45deg

NumberofRevstoRepeat

LongitudeofFirstAscendingNode

5deg

4．点击“下一步”，设置参数如表1-7。

表1-7参数设置

属性名称

属性值

OrbitStart

1Jan200000:

00:

OrbitStop

2Jan200000:

00:

TimeStep

60.00sec

5．设置完毕后，点击“完成”，重命名该卫星为Repeating_Ground_Trace

1.3实验结果

我们已经完成了太阳同步/回归轨道设计环境的建立,如图1-5,1-6所示，在图形窗口，点击“开始”按钮，观察两颗卫星的运行状态，结束后，点击“重置”（Reset），观察，可以对太阳同步/回归轨道产生更加直观的理解。

图1-5设置完成后的三维显示窗口

图1-6设置完成后的二维显示窗口

实验2:

地面站测控方案设计与分析

2.1实验目的

●练习使用STK软件

●学会如何建立地面站

●学会如何创建配置传感器

2.2实验步骤

首先要创建新场景，改名为“2Scenario”，之后在创建好的场景下面进行地面测控站的设计。

1．在浏览窗口，点击Facility图标，建立新地面站，命名为beijing.选择Basic属性。

设置Position属性页中的参数，如表2-1所示，完成后点击“确定”。

表2-1beijing地面站Basic类Position属性设置

属性名称

属性值

Type

Geodetic

Latitiude

39.92

Longitude

116.46

Altitude

2．选中beijing，在浏览窗口点击NewSensor图标，创建新传感器，命名为cyan.选择Basic类，设置Definition属性页参数如表2-2所示。

表2-2cyan传感器Basic类Definition属性设置

属性名称

属性值

Sensor

SimpleConic

Cone

1.0deg

3．选择Graphic类，设置Attributes属性页参数如表2-3所示。

表2-3cyan传感器Graphic类Attributes属性设置

属性名称

属性值

Color

cyan

Line

solid

LineWidth

4．再创建一个传感器，命名为white，设置Basic类Definition属性页参数如表2-4所示。

表2-4white传感器Basic类Definition属性设置

属性名称

属性值

Sensor

ComplexConic

HalfAngles:

inner

outer

ClockAngles:

Minimun

260

Maximum

360

5．选择Graphics类，设置Attributes属性页参数如表2-5所示。

表2-5white传感器Graphic类Attributes属性设置

属性名称

属性值

Color

white

Line

solid

LineWidth

6．创建新地面站，命名为hainan。

设置Basic类Position属性页参数如表2-6所示。

表2-6hainan地面站Basic类Position属性设置

属性名称

属性值

Type

Geodetic

Latitiude

20.02

Longitude

110.35

Altitude

7．为新地面站配置三个传感器，分别命名为blue，red，yellow。

三个传感器的Basic类Definition属性页参数设置如表2-7所示。

表2-7white传感器Basic类Definition属性设置

Blue

Red

Yellow:

Sensor

ComplexConic

HalfAngles:

inner

outer

ClockAngles:

Minimun

120

240

Maximum

120

240

360

8．之后对三个传感器的Graphics类Attributes属性页参数设置如表2-8所示。

表2-8white传感器Graphic类Attributes属性设置

Blue

Red

Yellow:

Color

blue

Red

Yellow

Line

solid

LineWidth

9．建立新地面站bombay，设置Basic类Position属性页参数如表2-9所示。

表2-9bombay地面站Basic类Position属性设置

属性名称

属性值

Type

Geodetic

Latitiude

19.0453

Longitude

73.1723

Altitude

10．为地面站配置传感器，命名为magenta，设置其Basic类Definition属性页参数如表2-10所示。

表2-10magenta传感器Basic类Definition属性设置

属性名称

属性值

Sensor

SimpleConic

Cone

10.0deg

11．.创建一个卫星，命名为2Sat，设置其Basic类Orbit属性页参数如表2-11所示。

在创建过程中STK可能会打开卫星对象创建向导，这里直接取消向导对话框即可。

表2-112Sat卫星Basic类Orbit属性设置

属性名称

属性值

Propagator

J2Perturbation

Start

1Jan200100:

00:

00.00

Stop

2Jan200100:

00:

00.00

Step

60.000sec

Orbit

1Jan200100:

00:

00.00

CoordType

Classical

Coord

J2000

Semimajor

8000.137000km

Eccentricity

Inclination

98.607934deg

ArgumentofPerigee

0deg

RAAN

100.702295deg

TrueAnomaly

100deg

12．建立卫星2sat与地面站beijing间的通讯，选中beijing地面站的cyan传感器，设置其Basic类Pointing属性页参数，其中PointingType项选择Targeted.并在AvailableTarget栏中选中卫星2Sat，之后单击傍边蓝色右键头，在AssignedTargets栏中出现Satellite/2Sat后，点击“确定”，如图2-1所示。

13．设置cyan传感器3D显示属性，选中cyan传感器，右键点击在弹出的快捷菜单中，选VO属性类，点击Pulse属性页，选中“Show”复选框，并设置各参数如表2-12所示。

表2-12cyan传感器VO类Pulse属性设置

属性名称

属性值

Amplitude

0.5

Pulse

200.0km

Style

Sine

Value

Slow:

0.0830Hz

图2-1cyan传感器Basic类Pointing属性页

2.3实验结果

综上所述，我们建立了地面站测控方案设计与分析环境，如图2-2所示，通过该场景的建立，我们可以更加深入地了解地面站的组成，运行以及其与卫星间的通讯状况，为以后的总体分析打下基础。

图2-2设置完毕后的三维显示窗口

实验3:

目标覆盖特性分析

3.1实验目的

●练习场景与卫星的创建

●学习掌握传感器的更多功能

●学会如何创建设置覆盖定义对象

●学会如何分析目标覆盖特性

3.2实验步骤

一．添加基本对象

1．启动STK，建立一个新的场景，命名为3Scenario。

设置场景Basic类TimePeriod属性参数如表3-1所示。

表3-1新场景Basic类TimePeriod属性设置

属性名称

属性值

StartTime

1Sep200000:

00:

StopTime

2Sep200000:

00:

Epoch

1Sep200000:

00:

2．在新场景中创建两颗新卫星，分别命名为3Sat1，3Sat2，其Baisc类Orbit属性页参数设置如表3-2所示。

表3-2卫星Basic类Orbit属性设置

属性名称

3Sat1

3Sat2

Propagator

J2Perturbation

Start

1Sep200000:

00:

00.00

1Sep200000:

00:

00.00

Stop

2Sep200000:

00:

00.00

2Sep200000:

00:

00.00

Step

60.000sec

Orbit

1Sep200000:

00:

00.00

1Sep200000:

00:

00.00

CoordType

Classical

Coord

J2000

Semimajor

6800km

7000km

Eccentricity

Inclination

97deg

45deg

ArgumentofPerigee

0deg

RAAN

350deg

270deg

TrueAnomaly

35deg

65deg

3．设置这两颗卫星的Graphics类Pass属性页参数，将“Leading/Trailing”（航线/轨迹）属性中“GroundTrack”（地面轨迹）选项组内的“Lead”（航线）选项设置为“None”（无），如图3-1所示

图3-1两颗卫星的Graphics类Pass属性页参数

4．接着，为两颗卫星添加传感器对象（雷达），分别命名为3Sensor1，3Sensor2。

其属性设置如表3-3和表3-4所示。

表3-3传感器3Sensor1属性设置

属性类属性页

属性名称

属性值

Basic类Definition

Sensor

Rectangular

VerticalHalf

20deg

HorizontalHalf

5deg

Graphics类Attributes

Color

Cyan

Line

Solid

LineWidth

表3-4传感器3Sensor2属性设置

属性类属性页

属性名称

属性值

Basic类Definition

Sensor

SimpleConic

Cone

30deg

Graphics类Attributes

Color

white

Line

Solid

LineWidth

至此，本场景的基本对象建立完毕，建立好的对象浏览器内容如图3-2所示。

图3-2建立好的对象浏览器内容

二．添加覆盖定义对象

向场景“3Scenario”中添加新的覆盖定义对象，并改名为“EuroCovDef”，下面主要对覆盖定义对象的Basic和Graphics两类属性进行设置。

1．首先选中覆盖定义对象EuroCovDef，右键点击在弹出的菜单中选择“Basic”，进入“Grid”属性页，在“GridDefinition”（栅格定义）选项组的“Type”下拉列表框中选择“CustomRegions”（自定义区域），点击“SelectRegions”按钮，打开如图3-3所示的“指定区域”对话框。

图3-3“指定区域”对话框

2．点击“LoadRegionFile”按钮，打开如图3-4所示的“选择区域列表”对话框，选择“*/AGI/stk/4.2.1/Data/DemoScenarios/Navigation/gps_const/Europe.rl”文件，再点击“确定”按钮。

图3-4“选择区域列表”对话框

3．在“GridDefinition”选项组的“Resoluion”（精度）下拉列表中选择“Lat/Lon”（经纬度），并设其值为0.4deg。

4．下面设置覆盖定义对象Basic类Assets资源属性页参数，本实验需要在“Assets”栏中选择与覆盖分析对象进行关联的对象，然后利用“Assign”（关联）按钮建立所选对象与覆盖分析对象的关联，并在“Status”（状态）下拉列表中选择“Active”（活动）。

设置好的资源属性页如图3-5所示。

图3-5设置好的覆盖定义对象资源属性页

5．设置Graphics类属性。

在Attributes属性页，选中“StaticGraphics”选项组的“ShowRegions”复选框，取消“ShowRegionLabel”和“ShowPoints”复选框，“Color”下拉列表选择“white”，完成后如图3-6所示。

图3-6二维图形属性页

三．添加覆盖品质参数对象

首先，在对象浏览器中选择覆盖定义对象“EuroCovDef”，然后向场景中添加新的覆盖品质参数对象，并改名为“EuroFOM”。

添加完覆盖分析对象后的示例场景对象浏览器如图3-7所示。

下面开始设置其属性。

1．覆盖品质参数EuroFOM的Basic类Define属性页进行如下设置，“Definition”选项组的“Type”下拉列表选择“NAssetCoverage”，“Compute”下拉列表选择“Maximum”，选中“Satisfaction”（满足条件）选项组的“Enable”复选框，“Satisfied”下拉列表选择“AtLeast”，将“Threshold”属性值设为2，如图3-8所示。

图3-8EuroFOM的Basic类Define属性页

2．选择Graphics类Attributes属性页，将“AnimationGraphics”选项组的“Accumulation”下拉列表设置为“UpToCurrent”，“Color”选为“Green”。

图3-9EuroFOM的Graphics类Contours属性页

3．点选Contours属性页，“Type”下拉列表选择“Animation”，选中“Show”复选框，在右下角的“LevelAttributes”选项组的“Start”下拉列表中选择“cyan”颜色，“End”选择“blue”颜色，如图3-9所示。

四．计算访问数据和选择计算对象

在对象浏览器中，右键点击“EuroCovDef”，选择弹出菜单中的“ComputeAccesses”（计算访问数据）命令，开始进行计算。

这个计算需要一定的时间，具体情况视计算机的性能而定。

从STK的二维图形窗口和计算进度状态条，可以看出当前的计算进度。

图3-10“CovDef栅格检查器”窗口

计算完成后，右键点击“EuroCovDef”，在弹出的菜单中选择“GridInspector”（栅格检查器）命令，打开如图3-10所示的“CovDef栅格检查器”窗口，选择需要进行计算的区域或者点，可以得到所需的覆盖定义对象分析报告以及分析图表。

3.3实验结果

至此我们已经完成了地面目标覆盖特性模块的建立，建立好的图形界面如图3－11所示。

图3-11设置完成后的二维显示窗口

利用STK的覆盖分析模块，可以分析单个或星座对象的全局和区域覆盖问题。

在进行覆盖分析时，STK不仅可以提供详尽的分析报告和图表，能对覆盖的变化进行同步仿真，而且还会充分考虑所有对象的访问约束，避免计算误差。

实验4:

卫星太阳电池阵光照特性分析

4.1实验目的

●熟练STK基本对象的建立

●学会对卫星模型进行操作

●学会分析太阳电池阵光照特性

4.2实验步骤

一．基本对象建立

1．启动STK，建立一个新的场景，命名为4Scenario。

设置场景Basic类TimePeriod属性参数如表4-1所示。

表4-1新场景Basic类TimePeriod属性设置

属性名称

属性值

StartTime

1Sep200000:

00:

StopTime

2Sep200000:

00:

Epoch

1Sep200000:

00:

2．如表4-2所示，设置Basic类Animation属性页参数。

表4-2新场景Basic类TimePeriod属性设置

属性名称

属性值

StartTime

540

EndTime

4250

TimeStep

10sec

3．在新场景中创建一颗新卫星，命名为4Sat，其Baisc类Orbit属性页参数设

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