基于STK的卫星总体任务分析与设计实验指导书

1、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，satellite tool kit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

2、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：windows xp操作系统，4.0版本以上stk

3、软件实验1:太阳同步/回归轨道设计与分析1.1 实验目的l 了解stk软件的一般功能l 掌握stk软件的基本操作l 学会如何建立新场景l 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time period属性页的参数如下。表1-1 示例场景basic类ti

4、me period属性设置属性名称属性值start time1 jan 2000 00:00:00:00stop time2 jan 2000 00:00:00:00epoch1 jan 2000 00:00:00:004. 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start time1 jan 2000 00:00:00:00loop at time2 jan 2000 00:00:00:00time step60 secrefresh deltachange to high speed5. 如表1-3所示，

5、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distance unitkilometer(km)time unitseconds(sec)date format gregorian utc(utcg)angle unit degrees(deg)mass unit kilograms(kg)6. 选择description属性页，在description的空栏里，填入my basics scenario7. 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

6、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orbit wizard定义卫星轨道，如果orbit wizard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sun synchronous，点击“下一步”。图1-1 orbit wizard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altitude400 kmlocal time of descending node12:00:00.0000图1-2

7、orbit wizard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orbit start1 jan 2000 00:00:00:00orbit stop2 jan 2000 00:00:00:00time step60.00 sec图1-3 orbit wizard第四界面5. 设置完毕后，点击“完成”，重命名该卫星为sun_sync6. 选中卫星，在其“vo”类 “vector”属性页中，选择列表框中的“sun vector”，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

8、星，可以点击vo界面的“开始”按钮(start animate forward)，观察卫星的运行。图1-4 sun_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repeating ground trace，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approximate revs per day4inclination45 degnumber of revs to repeat4longitude of first ascending node5 deg4

9、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orbit start1 jan 2000 00:00:00:00orbit stop2 jan 2000 00:00:00:00time step60.00 sec5设置完毕后，点击“完成”，重命名该卫星为repeating_ground_trace1.3 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

10、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l 练习使用stk软件l 学会如何建立地面站l 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2-1 beijing地面站basic类position属性设置属性名称属性值typegeodeticlatitiude39.92longitude116.46altitude02选中be

11、ijing，在浏览窗口点击new sensor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2-2 cyan传感器basic类definition属性设置属性名称属性值sensorsimple coniccone1.0deg3选择graphic类，设置attributes属性页参数如表2-3所示。表2-3 cyan传感器graphic类attributes属性设置属性名称属性值colorcyanline solidline width14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。

12、表2-4 white传感器basic类definition属性设置属性名称属性值sensorcomplex conichalf angles:inner0outer90clock angles:minimun260maximum3605选择graphics类，设置attributes属性页参数如表2-5所示。表2-5 white传感器graphic类attributes属性设置属性名称属性值colorwhiteline solidline width16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2-6 hainan地面站basic类posit

13、ion属性设置属性名称属性值typegeodeticlatitiude20.02longitude110. 35altitude07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2-7 white传感器basic类definition属性设置blueredyellow:sensorcomplex coniccomplex coniccomplex conichalf angles:inner858585outer909090clock angles:minimun0120240maximum120

14、2403608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2-8 white传感器graphic类attributes属性设置blueredyellow:color blueredyellowlinesolidsolidsolidline width1119建立新地面站bombay，设置basic类position属性页参数如表2-9所示。表2-9 bombay地面站basic类position属性设置属性名称属性值typegeodeticlatitiude19.0453longitude73.1723altitude010为地面站配置传感器，命名为

15、magenta，设置其basic类definition属性页参数如表2-10所示。表2-10 magenta传感器basic类definition属性设置属性名称属性值sensorsimple coniccone10.0deg 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2-11 2sat卫星basic类orbit属性设置属性名称属性值propagatorj2perturbationstart1 jan 2001 00:00:00.00stop2 jan 2001 00:

16、00:00.00step60.000 secorbit1 jan 2001 00:00:00.00coord typeclassicalcoord j2000semimajor8000.137000 kmeccentricity0inclination98.607934 degargument of perigee0 degraan100.702295 degtrue anomaly100 deg12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pointing type项选择targeted.并在

17、available target栏中选中卫星2sat，之后单击傍边蓝色右键头，在assigned targets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2-12 cyan传感器vo类pulse属性设置属性名称属性值amplitude0.5pulse200.0 kmstylesinevalueslow:0.0830 hz图2-1 cyan传感器basic类pointing属性页2.3 实验结果

18、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l 练习场景与卫星的创建l 学习掌握传感器的更多功能l 学会如何创建设置覆盖定义对象l 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time period属性设置属性名称属性值start t

19、ime1 sep 2000 00:00:00:00stop time2 sep 2000 00:00:00:00epoch1 sep 2000 00:00:00:002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3sat13sat2propagatorj2perturbationj2perturbationstart1 sep 2000 00:00:00.001 sep 2000 00:00:00.00stop2 sep 2000 00:00:00.002 sep 2000

20、 00:00:00.00step60.000 sec60.000 secorbit1 sep 2000 00:00:00.001 sep 2000 00:00:00.00coord typeclassicalclassicalcoordj2000j2000semimajor6800 km7000 kmeccentricity00inclination97 deg45 degargument of perigee0 deg0 degraan350 deg270 degtrue anomaly35 deg65 deg3设置这两颗卫星的graphics类pass属性页参数，将“leading/tra

21、iling”（航线/轨迹）属性中“ground track”（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definitionsensorrectangularvertical half20 deghorizontal half5 deggraphics类attributescolorcyanline

22、solidline width1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definitionsensorsimple coniccone30 deggraphics类attributescolorwhitelinesolidline width1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eurocovde

23、f，右键点击在弹出的菜单中选择“basic”，进入“grid”属性页，在“grid definition”（栅格定义）选项组的“type”下拉列表框中选择“custom regions”（自定义区域），点击“select regions”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“load region file”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

24、3在“ grid definition”选项组的“resoluion”（精度）下拉列表中选择“lat/lon”（经纬度），并设其值为0.4 deg。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“static graphics”选项组的“s

25、how regions”复选框，取消“show region label”和“show points”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“n asset coverage”，“com

26、pute”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“at least”，将“threshold”属性值设为2，如图3-8所示。图3-8 eurofom的basic类define属性页2选择graphics类attributes属性页，将“animation graphics”选项组的“accumulation”下拉列表设置为“up to current”，“color”选为“green”。图3-9 eurofom的graphics类contours属性页3点选contours属性页，“type

27、”下拉列表选择“animation”，选中“show”复选框，在右下角的“level attributes”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“compute accesses”（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“

28、grid inspector”（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311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l 熟练stk基本对象的建立l

29、学会对卫星模型进行操作l 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time period属性设置属性名称属性值start time1 sep 2000 00:00:00:00stop time2 sep 2000 00:00:00:00epoch1 sep 2000 00:00:00:002如表4-2所示，设置basic类animation属性页参数。表4-2 新场景basic类time period属性设置属性名称属性值star

30、t time540end time4250time step10 sec3在新场景中创建一颗新卫星，命名为4sat，其baisc类orbit属性页参数设置如表4-3所示。表4-3 卫星basic类orbit属性设置属性名称属性值propagatormsgp4start0stop86400step60.000 secobject number20580orbit epoch99120mean motion14.8771eccentricity0.0014inclination28.4702 degargument of perigee83.1076 degraan3.3405 degmean a

31、nomaly277.1111 deg4设置卫星4sat的vo类属性，首先设置pass属性页， “tracks” 的“ground track”选项组“lead”下拉列表选择“none”，“orbit track”选项组的“lead”下拉列表也选择“none”，设置完成后如图4-1所示。图4-1 设置完成后的“pass”属性页5进入vo类的vector属性页，在列表中选择“sun vector”，选中坐下方的“vector/axes options”选项组的“show”复选框，“color”下拉列表选择“yellow”。图4-2 卫星模型选择界面6之后选择vo类model属性页，为卫星4sat选

32、择新模型在“model”选项组下,点击“modle file”后的图标，弹出如图4-2所示的选择界面，找到“*/agi/stk/4.2.1/data/demoscenarios/missionplanning/hubble_power_temperatue/hubble.mdl”文件后选择并“打开”，返回stkvo view 1窗口，可以看到卫星模型变为哈勃望远镜模型，如图4-3所示。图4-3 三维显示窗口7为4sat卫星添加一个传感器，改名为“4sensor”，其basic类definition属性页下参数设置如表4-4所示。表4-4 传感器4sensor属性设置属性名称属性值sensorc

33、omplex conichalf angles:inner0 degouter8.0 degclock angles:minimun0 degmaximum360 deg8在浏览器窗口点击“new planet”图标创建一个新星体，basic属性类definition页的下拉列表中选择“mars”。至此，卫星太阳电池阵光照特性分析环境的基本对象建立完毕。此时浏览器的内容如图4-4所示。图4-4 设置完毕后的浏览器窗口二光照特性分析1在浏览器窗口选中5sat卫星，右键点击在弹出的快捷菜单中选择“solar panel”，打开如图4-5所示的太阳电池阵光照特性分析窗口。图4-5 太阳电池阵光照特性

34、分析窗口2将“solar panel”选项组设置为“a”，“data”选项组的“start”参数设置为“540”，“stop”参数为“4250”，“time”为“10 sec”，设置完成后点击“compute”按钮，观察“stk/vo view 1”窗口的变化，其中蓝色代表背景空间，黑色代表卫星除了太阳能帆板以外的部分，白色代表太阳能帆板。3在“solar for satellite-hubble”窗口，存在“data reporting”（数据报告）选项组，可以通过它来获得各种卫星太阳电池阵光照特性分析“report”报告和“graph”图表，“type”包含三种类型“power”，“are

35、a”和“angles”。4其中“power”报告可以显示一天中任何时间太阳能电池帆板的功率和太阳光照强度状况；“area”报告可以显示太阳能电池帆板受阳光直照的面积，有效产能面积和太阳光照强度；“angles”报告可以显示选择时刻太阳高度角范围以及相应帆板面积和有效产能面积。4.3 实验结果综上所述，我们建立太阳电池阵光照特性模块，并介绍了如何对光照特性进行分析，建立完成后的场景界面如图4-6，4-7所示。图4-6 设置完成后的三维显示窗口图4-7 设置完成后的二维显示窗口实验5:卫星轨道机动分析5.1 实验目的l 熟练掌握stk软件的各种操作l 学习如何应用astrogator模块l 学会如

36、何设计并分析卫星轨道机动5.2 实验步骤一建立与设置场景利用stk进行轨道机动分析，首先需要建立一个适于进行轨道机动分析的场景。具体步骤如下：1利用stk创建新的场景“scenario5”2在对象浏览器中，右键点击场景名称选择basic属性，如表5-1所列，设置time period属性页中的参数。表5-1 示例场景basic类time period属性设置属性名称属性值start1 jul 2003 12:00:00:00stop1aug 2003 12:00:00:00epoch1 jul 2003 12:00:00:003如表5-2所列，设置basic类属性页中的参数。表5-2 示例场景

37、basic类animation属性设置属性名称属性值start1 jul 2003 12:00:00:004激活二维图形窗口，并打开其属性窗口。如表5-3所列，设置projection属性页的参数。设置完成后，projection属性页窗口，如图5-1所示。表5-3 示例场景属性名称属性值typeorthographicdisplay coordinate frameecfdisplay height40000km图5-1 示例场景的projection属性页窗口5激活三维图形窗口，并打开其属性窗口。首先设置grids属性页中的内容，选中“eci coordinates”选项组中的“show”

38、复选框及其右侧的“show radial line”复选框。6接着设置vector属性页，点击“earth inertial axes”，并选中下方的“show”复选框，选中“options”选项组中的“show label”复选框，如图5-2所示。图5-2 示例场景的vector属性页窗口至此，卫星轨道机动场景的建立与设置就全部完成了。以上过程是进行轨道机动场景设置的基本步骤，在实际应用中可以直接采用。设置完成后，此示例场景的stk二维和三维窗口分别如图5-3和图5-4所示。图5-3 卫星轨道机动示例场景二维窗口图5-4 卫星轨道机动示例场景三维窗口二建立与设置卫星场景完成后，接下来的工作是

39、创建准备进行轨道机动分析的卫星对象。具体步骤如下。1向场景中添加一个卫星对象5sat。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。2在对象浏览器中，右键点击5sat卫星弹出快捷菜单。3首先设置basic类orbit属性页。在“propagator”下拉列表框中选择“astrogator”其他参数不变，如图5-5所示。图5-5 示例场景种卫星对象的basic orbit属性页窗口4作后设置graphics类的pass属性页。在“ground track”选项组的“lead type”下拉列表中选择“none”，在orbit track选项组的“lead type”下

40、拉列表框中选择“all”，如图5-6所示。图5-6 示例场景中卫星对象的2d graphics pass属性页窗口三建立轨道机动所有准备工作完成后，即可开始进行具体的轨道机动分析了。轨道机动分析主要通过卫星对象的basic orbit属性页完成，具体步骤如下。1首先返回卫星对象的basic orbit属性页。单击“msc option”按钮，打开如图5-7所示的“mission control sequence options”（任务控制序列选项）对话框，选中“draw trajectory as it is calculated”复选框，取消“propagate on apply”复选框。图5-7 “任务控制序列选项”对话框2单击工具按钮下的“initial state”选项，并如表5-4所列，设置相关参数。表5-4 initial state参数设置属性名称属性值element typekeplerianorbit epoch1 jul 2003 12:00:00:00semi-ma