航天器操作与控制试验综合作业-基于STK的卫星轨道预报

1、精品毕业设计航天器操作与控制试验综 合 作 业卫星轨道预报姓名： 学号： 院系： 宇航学院 二一年十一月一、 实验题目：卫星轨道预报二、 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. 学会使用stk仿真，并实现卫星的轨道预报，重点掌握hpop高精度轨道预报和lop长期轨道预报。三、 实验内容（一）、hpop高精度轨道预报1. 建立两颗卫星hpop1与hpop2；2. 设置hpop1考虑大气阻力，而hpop2不考虑，其他参数相同；3. 用hpop高精度轨道预报器生成轨道；4. 动画显示，观察两颗卫星轨道的不同；5. 生成多种类型的卫星轨道

2、数据；6. 计算卫星轨道寿命。（二）、lop长期轨道预报1. 建立两颗卫星lop1与lop2；2. 设置lop1考虑大气阻力，而lop2不考虑，其他参数相同；3. 用hpop高精度轨道预报器生成轨道；4. 生成多种类型的卫星轨道数据，观察两颗卫星轨道的不同。四、 实验过程描述（一）、hpop高精度轨道预报1. 建立新的场景将其命名为buaa_hpop。2. 在浏览窗口选中场景，打开basic properties 窗口3. 在time period栏，输入如下设置：区域值start time1 jan 2010 00:00:00.00stop time1 jan 2010 04:00:00.0

3、0epoch1 jan 2010 00:00:00.004. 选择animation栏输入如下内容：区域值start time1 jan 2010 00:00:00.00stop time1 jan 2010 04:00:00.00time step60 secondsrefresh deltachange to high speed5. 在units栏输入如下设置：区域值distance unitkilometerstime unitminutesdate formatgregorian utcangle unitdegreesmass unitkilograms6. 完成后，点击确定，从f

4、ile菜单中选择save as，保存场景为buaa_hpop.sc。7. 在浏览窗口点击satellite按钮新建一颗卫星，取消轨道向导，命名卫星为hpop1。，打开hpop1卫星的basic properties 窗口，在orbit栏，选择hpop propagator。8. 点击semimajor axis右侧的下拉菜单，改变为period。设置为95 min。9. 点击force models按钮，确认hpop force model 窗口中所有参数均被选用。区域值earth gravitygravity field - jgm2.gvmaximum degree - 21maximum

5、 order 21third body gravityuse solar gravity - onuse lunar gravity - ondraguse - oncd - 3.0atm density model - harris-priester average f10.7 - 65.0area/mass ratio - 200.0m2/kgsolar radiation pressureuse - oncp - 2.0area/mass ratio - 200.0m2/kg10. 点击确定关闭hpop force model 窗口，然后点击basic properties 窗口中的确定

6、按钮，生成卫星轨道。11. 下面打开hpop1卫星的graphics properties 窗口，改变卫星的marker style为star，点击确定。12. 新建hpop2卫星，在force models 窗口，关闭drag参数，其它设置与hpop1相同。生成卫星轨道后，打开它的graphics properties 窗口，改变marker style为circle，点击确定。13. 保存场景。动画显示场景观察卫星在整个时间周期内的相互位置。在动画接近时间周期结束时，暂停动画，放大窗口到卫星所在区域进行观察（如图1、图2所示）图 1 接近周期结束时的2维图像图 2 接近周期结束时的3维图像

7、14. 分别选中两颗卫星，从tools菜单中选择report，生成两颗卫星各自的classical orbit elements报告。注意考虑阻力和未考虑阻力卫星在报告时间末期轨道参数的不同。15. 生成每颗卫星的lla position（经纬度高度位置）报告。比较两颗卫星之间位置数据的差异。16. 同时选中两颗卫星，从tools菜单中选择graph。在stk graph tool 窗口，点击new按钮，选中新建的图表格式，在文本框输入altitude，点击change按钮新图表的改变名称。17. 选中altitude格式，点击properties按钮，在content栏，选择time xy作

8、为graph type。打开lla state树，点击fixed子树，双击alt将其加入y-axis区域，点击确定。点击stk graph tool 窗口的create按钮生成图表。18. 在图表窗口中，从edit菜单选择attributes，改变其中一颗卫星线条的颜色。观察整个时间周期内两颗卫星高度的差异。关闭图表和stk graph tool 窗口。19. 同时选中两颗卫星，点击鼠标右键，在快捷菜单中选择strip chart。20. 在stk strip chart tool 窗口，从styles列表中选择altitude（前面新建的图表格式），点击open。当动态图表窗口出现，改变其中

9、一颗卫星线条的颜色。21. 动画显示场景，观察hpop1卫星的altitude（高度）如何降到hpop2卫星下面。这是由于大气阻力对hpop1卫星的影响造成的。22. 在浏览窗口，选中hpop卫星，然后从tools菜单lifetime。23. 在lifetime 窗口，输入下列数值：区域值drag coefficient 阻力系数2.0reflection coefficient 反射系数1.0drag area 阻力面积1000 m2area exposed to sun 暴露太阳下面积1000 m2mass 质量1000 kg24. 确认graphics选项打开，点击compute。当计算

10、完成，information 窗口显示轨道衰退日期和轨道圈数。25. 点击确定关闭lifetime 窗口。（二）、lop长期轨道预报1. 建立新的场景将其命名为buaa_lop。2. 在浏览窗口选中场景，打开basic properties 窗口3. 在time period栏，输入如下设置：区域值start time1 jan 2010 00:00:00.00stop time1 jan 2011 00:00:00.00epoch1 jan 2010 00:00:00.004. 选择animation栏输入如下内容：区域值start time1 jan 2010 00:00:00.00sto

11、p time1 jan 2011 00:00:00.00time step60 secondsrefresh deltachange to high speed5. 在units栏输入如下设置：区域值distance unitkilometerstime unitsecondsdate formatgregorian utcangle unitdegreesmass unitkilograms6. 在浏览窗口，点击satellite按钮新建一颗卫星，取消轨道向导，命名它为lop1。7. 打开lop1卫星的basic properties 窗口，在orbit栏输入下列设置。保留start和sto

12、p time和step size默认值。lop预报器自动选择1天作为时间步长。输入完毕后，点击确定。区域值propagatorlopstep size1 dayperiod5700 secondseccentricity0.0ºinclination35.0º 8. 点击force models（阻力模型）按钮。9. 在lop force models 窗口，输入如下数值：区域值earth gravity地球引力场gravity field jgm2.gvmaximum degree 12maximum order - 12 third body gravity三体引力us

13、e solar gravity onuse lunar gravity - ondrag大气阻力use oncd - 3solar radiation pressure太阳光压use oncp 1.5atmosphere 90 kmphysical data卫星本体物理参数drag cross-sectional area 25.0 m2srp cross-sectional area 25.0 m2satellite mass 1000.0 kg10. 新建另一颗卫星，将其命名为lop2，打开lop2卫星的basic properties 窗口，在orbit栏输入下列设置。保留start和s

14、top time和step size默认值。lop预报器自动选择1天作为时间步长。输入完毕后，点击确定。区域值propagatorlopstep size1 dayperiod5700 secondseccentricity0.0ºinclination35.0º 11. 点击force models（阻力模型）按钮，输入下列数值：区域值drag大气阻力use offsolar radiation pressure太阳光压use oncp 1.5atmosphere 90 kmphysical data12. 在浏览窗口选中lop1卫星，从tools菜单选择graph。13

15、. 在graph tool窗口，选中lla position，点击time period按钮。将stop time改为10 jan 2010 00:00:00。点击change按钮更改，再点击确定按钮关闭窗口。生成图表。14. 对lop2卫星重复上述步骤，注意随时间增加出现的分歧。15. 尝试定义不同的时间周期和图表格式。完成后，关闭图表和graph tool窗口。16. 回到lop1和lop2卫星的basic properties 窗口，在force model区域试验不同的大气阻力、太阳光压、物理参数，检验关闭太阳光压和三体引力后的变化。17. 完成后，关闭并保存场景。五、 实验结果（一）

16、、hpop高精度轨道预报图 3 生成hpop1与hpop2的轨道参数报告图 4 生成hpop1的lla位置报告图 5生成hpop2的lla位置报告图 6 生成hpop1与hpop2的高度变化图表图 7 生成hpop1与hpop2的动态高度变化图表图 8 生成hpop1动态轨道参数报告图 9 生成hpop1的动态lla位置报告图 10 计算轨道衰退日期和衰退圈数图 11 hpop1卫星轨道衰退的最终轨道（二）、lop长期轨道预报图 12 生成lop1的lla位置图表图 13 生成lop2的lla位置图表图 14 生成lop1的轨道参数报告图 15 生成lop1的lla位置报告六、 结果分析从二维

17、和三维图像上可以观察到预报器生成的卫星轨道，仔细观察发现受阻力影响的hpop1卫星会位于没有阻力的hpop2卫星前面；用工具箱生成的hpop1与hpop2的轨道参数报告如图3所示，报告中包含各个时刻的七项基本轨道参数：半长轴（semi-major axis）、偏心率（eccentricity）、轨道倾角（inclination）升交点赤经（raan）、近地点幅角（arg of perigee）、真近点角（true anomaly）、平近点角（mean anomaly）。生成hpop1与hpop2的经度/纬度/高度（lla）位置报告分别如图4和图5所示，报告中包含各个时刻的经度、纬度、高度和速度

18、。生成的hpop1与hpop2的高度变化图表如图6所示；动态高度变化图表如图7所示，从动态图中可以直观的观察到hpop1卫星的altitude（高度）是如何降到hpop2卫星下面的，这是由于大气阻力对hpop1卫星的影响造成的。受阻力影响的卫星，能量不断减少，轨道高度的降低将使轨道周期缩短，表现在地面轨迹上卫星的移动速度就会加快，位置也会比具有相同轨道参数但没有考虑阻力影响的卫星靠前。留意到hpop1卫星的高度不是稳定的下降，还会周期性地上升，hpop2卫星的高度也是如此。这是由于地球扁率的影响，会对圆轨道卫星产生这种结果。还可生成卫星的动态报告，如图8和图9所示。另外，还可计算卫星轨道衰退日期和衰退圈数（如图10所示），计算后，在二维图像上会出现变粗的地面轨迹（如图11所示），它表示了hpop1卫星轨道衰退的最终轨道。同样，用lop轨道预报生成的多种轨道数据如图12、图13、图14、图15所示，改变time period和step size可以改变输出报告的时间周期和步长。类似地，改变其他因素，可以观察到hpop预报法和lop预报法提供的其它的也影响了卫星轨道的摆动。七、 课程体会stk这款软件是靠自学的，软件为英文版，入手比