基于STK的卫星轨道预报

《航天器操作与控制试验》综合作业卫星轨道预报姓名：王备学号：38151312院系：宇航学院二〇一〇年十一月实验题目：卫星轨道预报实验目的学会STK〔SatelliteToolKit〕软件的使用，掌握STK的根本操作；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。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。实验过程描述〔一〕、HPOP高精度轨道预报建立新的场景将其命名为BUAA_HPOP。在浏览窗口选中场景，翻开BasicProperties窗口在TimePeriod栏，输入如下设置：区域值StartTimeStopTimeEpoch选择Animation栏输入如下内容：区域值StartTimeStopTimeTimeStep60secondsRefreshDeltaChangetoHighSpeed在Units栏输入如下设置：区域值DistanceUnitKilometersTimeUnitMinutesDateFormatGregorianUTCAngleUnitDegreesMassUnitKilograms完成后，点击确定，从File菜单中选择SaveAs…，保存场景为BUAA_HPOP.sc。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。，翻开HPOP1卫星的BasicProperties窗口，在Orbit栏，选择HPOPPropagator。点击SemimajorAxis右侧的下拉菜单，改变为Period。设置为95min。点击ForceModels…按钮，确认HPOPForceModel窗口中所有参数均被选用。区域值EarthGravityMaximumDegree-21MaximumOrder–21ThirdBodyGravityUseSolarGravity-ONUseLunarGravity-ONDragUse-ONCdAtmDensityModel-Harris-Priester2/kgSolarRadiationPressureUse-ON2/kg点击确定关闭HPOPForceModel窗口，然后点击BasicProperties窗口中确实定按钮，生成卫星轨道。下面翻开HPOP1卫星的GraphicsProperties窗口，改变卫星的MarkerStyle为Star，点击确定。新建HPOP2卫星，在ForceModels窗口，关闭Drag参数，其它设置与HPOP1相同。生成卫星轨道后，翻开它的GraphicsProperties窗口，改变MarkerStyle为Circle，点击确定。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SEQ图\*ARABIC1接近周期结束时的2维图像图SEQ图\*ARABIC2接近周期结束时的3维图像分别选中两颗卫星，从Tools菜单中选择Report，生成两颗卫星各自的ClassicalOrbitElements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。生成每颗卫星的LLAPosition〔经纬度高度位置〕报告。比较两颗卫星之间位置数据的差异。同时选中两颗卫星，从Tools菜单中选择Graph。在STKGraphTool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。选中Altitude格式，点击Properties按钮，在Content栏，选择TimeXY作为GraphType。翻开LLAState树，点击Fixed子树，双击Alt将其参加Y-Axis区域，点击确定。点击STKGraphTool窗口的Create按钮生成图表。在图表窗口中，从Edit菜单项选择择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STKGraphTool窗口。同时选中两颗卫星，点击鼠标右键，在快捷菜单中选择StripChart。在STKStripChartTool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，改变其中一颗卫星线条的颜色。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。在浏览窗口，选中HPOP卫星，然后从Tools菜单Lifetime。在Lifetime窗口，输入以下数值：区域值DragCoefficient阻力系数ReflectionCoefficient反射系数DragArea阻力面积1000m2AreaExposedtoSUN暴露太阳下面积1000m2Mass质量1000kg确认Graphics选项翻开，点击Compute。当计算完成，Information窗口显示轨道衰退日期和轨道圈数。点击确定关闭Lifetime窗口。〔二〕、LOP长期轨道预报建立新的场景将其命名为BUAA_LOP。在浏览窗口选中场景，翻开BasicProperties窗口在TimePeriod栏，输入如下设置：区域值StartTimeStopTimeEpoch选择Animation栏输入如下内容：区域值StartTimeStopTimeTimeStep60secondsRefreshDeltaChangetoHighSpeed在Units栏输入如下设置：区域值DistanceUnitKilometersTimeUnitSecondsDateFormatGregorianUTCAngleUnitDegreesMassUnitKilograms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。翻开LOP1卫星的BasicProperties窗口，在Orbit栏输入以下设置。保存Start和StopTime和StepSize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PropagatorLOPStepSize1dayPeriod5700secondsEccentricityInclination35.0º点击ForceModels〔阻力模型〕按钮。在LOPForceModels窗口，输入如下数值：区域值EarthGravity地球引力场MaximumDegree–12MaximumOrder-12ThirdBodyGravity三体引力UseSolarGravity–ONUseLunarGravity-ONDrag大气阻力Use–ONCd-3SolarRadiationPressure太阳光压Use–ONAtmosphere–90kmPhysicalData卫星本体物理参数DragCross-SectionalArea–25.0m2SRPCross-SectionalArea–25.0m2SatelliteMass–1000.0kg新建另一颗卫星，将其命名为LOP2，翻开LOP2卫星的BasicProperties窗口，在Orbit栏输入以下设置。保存Start和StopTime和StepSize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PropagatorLOPStepSize1dayPeriod5700secondsEccentricityInclination35.0º点击ForceModels〔阻力模型〕按钮，输入以下数值：区域 值Drag大气阻力 Use–OffSolarRadiationPressure太阳光压 Use–ONAtmosphere–90kmPhysicalData在浏览窗口选中LOP1卫星，从Tools菜单项选择择Graph。在GraphTool窗口，选中LLAPosition，点击TimePeriod…按钮。将StopTime改为10Jan202300:00:00。点击Change按钮更改，再点击确定按钮关闭窗口。生成图表。对LOP2卫星重复上述步骤，注意随时间增加出现的分歧。尝试定义不同的时间周期和图表格式。完成后，关闭图表和GraphTool窗口。回到LOP1和LOP2卫星的BasicProperties窗口，在ForceModel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。完成后，关闭并保存场景。实验结果〔一〕、HPOP高精度轨道预报图SEQ图\*ARABIC3生成HPOP1与HPOP2的轨道参数报告图SEQ图\*ARABIC4生成HPOP1的LLA位置报告图SEQ图\*ARABIC5生成HPOP2的LLA位置报告图SEQ图\*ARABIC6生成HPOP1与HPOP2的高度变化图表图SEQ图\*ARABIC7生成HPOP1与HPOP2的动态高度变化图表图SEQ图\*ARABIC8生成HPOP1动态轨道参数报告图SEQ图\*ARABIC9生成HPOP1的动态LLA位置报告图SEQ图\*ARABIC10计算轨道衰退日期和衰退圈数图SEQ图\*ARABIC11HPOP1卫星轨道衰退的最终轨道〔二〕、LOP长期轨道预报图SEQ图\*ARABIC12生成LOP1的LLA位置图表图SEQ图\*ARABIC13生成LOP2的LLA位置图表图SEQ图\*ARABIC14生成LOP1的轨道参数报告图SEQ图\*ARABIC15生成LOP1的LLA位置报告结果分析从二维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根本轨道参数：半长轴〔Semi-majorAxis〕、偏心率〔Eccentricity〕、轨道倾角〔Inclination〕升交点赤经〔RAAN〕、近地点幅角〔ArgofPerigee〕、真近点角〔TrueAnomaly〕、平近点角〔MeanAnomaly〕。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。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TimePeriod和StepSize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。课程体会STK这款软件是靠自学的，软件为英文版，入手比较难，而图书馆有关STK的