《卫星通信与卫星网络》课件-第17章

第17章STK仿真软件17.1STK的主要功能17.2STK具体模块介绍17.3STK仿真基础17.4STK仿真和应用17.5本章小结

17.1STK的主要功能

17.1STK的主要功能STK的主要功能有:(1)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、运载火箭、飞机、导弹、地面车辆和其他目标对象等。(2)拥有三维可视化模块,可以为STK和其他附加模块提供领先的三维显示环境。

(3)STK基本模块的核心能力是生成位置和姿态数据,进行可见性及遥控器覆盖分析。

(4)STK专业版扩展了STK的基本分析能力,包括附加的轨道预报算法、高级的约束条件定义、姿态定义、遥感器类型、坐标类型和坐标系统,以及卫星、城市、地面站和恒星数据库。

(5)对于特定的分析任务,STK提供了附加模块,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。

STK基本版的主要功能如下:

(1)分析能力。

(2)计算轨道的弹道。

(3)卫星数据库。

(4)可见性分析。

(5)传感器分析。

(6)姿态分析。

(7)可视化结果。

(8)提供详尽的数据报告。

(9)接口定制。

(10)多种操作系统平台可选。

17.2STK具体模块介绍

STK的具体模块如表17-1所示。

17.2.1STK基础模块

1.STK/PRO专业版

AGI的免费STK标准版提供了执行基本空间分析任务的能力,STK/PRO专业版则提供了目前最强大的航天分析软件包的扩展分析能力,包括额外的传感器方位和仰角遮蔽功能。STK/PRO是一个成熟的航天分析软件。

STK/PRO的关键特性如下:

(1)额外的坐标类型、系统矢量、角度;

(2)可视分析约束条件;

(3)姿态建模;

(4)扩展的传感器建模;

(5)高精度轨道预报器(HPOP);

(6)长期轨道预报(LOP);

(7)生命周期工具;

(8)区域目标;

(9)扩展的数据库。

2.STK/VO视觉选项

STK/VO是一个动态的三维视觉环境,它显示来自STK的所有场景信息。该工具通过显示逼真的航天、航空、陆地景象,提供复杂空间任务的模拟视图。

STK/VO已经成为STK三维环境的核心,可以应用于所有的航天分析和视觉任务中。要扩展STK/VO的视觉性能,AGI公司还提供了STK/AVO和ATK/VOEI。

STK/VO的关键特性如下:

(1)不同资源的环境认知;

(2)灵活的动态数据显示;

(3)姿态可视化;

(4)多重轨道构成可视化;

(5)空间场景建模;

(6)分布式、实时操作可视化和支持;

(7)可升级的三维模型;

(8)动画演示和视频输出;

(9)高分辨率地球影像。

3.STK/AdvancedVO(STK/AVO)高级视觉选项

STK/AVO使得用户得到先进的视觉效果和最优化输出。

STK/AVO的关键特性如下:

(1)完整的三维渲染;

(2)高分辨率的输出图像;

(3)专业品质动画和视频产品的视觉路径编辑器;

(4)地形可视化;

(5)AzEI遮蔽产生工具;

(6)区域生成工具;

(7)太阳能电池板功率;

(8)传感器遮蔽;

(9)星际任务可视化。

17.2.2分析模块

1.STK/Astrogator轨道机动模块

STK/Astrogator是一个航天器操作人员和任务分析小组使用的交互的轨道机动和太空任务计划工具,从使用定制的推力模型、目标星历、航天器姿态到解决和优化方案,该工具均提供了广泛的灵活性。该模块在STK中完成集成。

STK/Astrogator的关键特性如下:

(1)任务控制序列

(2)飞行分析和支援;

(3)组件技术;

(4)任务控制理论的高真实度模型;

(5)太空任务的多视角观测。

2.STK/Attitude姿态分析模块

STK/Attitude是集成STK解决方案的一个动态姿态建模和仿真组件。它提供了系统工程工具,与STK的经过验证的星历表生成功能结合,任务设计者得以评估真实的姿态轮廓。

STK/Attitude的关键特性如下:

(1)多个片断;

(2)三维分析;

(3)姿态仿真。

3.STK/Chains链路分析模块

STK/Chains模块允许用户开发目标网络用于视觉相关分析。链路是指一组STK对象,如卫星、设施、船只和传感器等,按照一定次序建立通信或者数据传输路径。

STK/Chains的关键特性如下:

(1)多级分析;

(2)卫星星座分析;

(3)地面网络的可见时间;

(4)复杂关系的可视化展示;

(5)全面的数据报告。

4.STK/Comm通信分析模块

STK/Comm使得用户可以定义和分析详细的通信系统。STK/Comm将产生详细的链接报告和图表,使用二维和三维地图显示动态的系统性能,考虑了详细的降雨模型、大气损耗和RF干扰源。

STK/Comm的关键特性如下:

(1)动态链接性能分析和建模;

(2)RF环境建模;

(3)等高线;

(4)多波束天线建模;

(5)干扰分析;

(6)定制输入。

5.STK/ConjunctionAnalysisTools(STK/CAT)接近分析模块

STK/CAT的关键特性如下:

(1)空前的计算速度;

(2)(接近分析的)错误椭圆;

(3)发射窗口分析;

(4)(接近)结果报告;

(5)激光排除。

6.STK/Coverage覆盖分析模块

STK/Coverage提供完整的随时间变化的卫星、地面设施、运载器、导弹、航空器和船只的覆盖分析能力。

STK/Coverage的关键特性如下:

(1)用户定义的覆盖区域;

(2)数据可用性;

(3)品质因素(FOM),用于测量覆盖质量;

(4)满意度计算:通过应用满意选项验证数据,该选项建立了用于每一个FOM的合适级别。

7.STK/InterceptorFlightTool(STK/IFT)拦截飞行工具

STK/IFT生成拦截弹道导弹、飞机和卫星目标的拦截器的飞行弹道。

STK/IFT的关键特性如下:

(1)精确的拦截器飞行仿真;

(2)拦截器发射和防御系统定位的最适宜布置;

(3)拦截向导;

(4)目标交汇;

(5)复杂拦截器系统能力表述。

8.STK/MissleFlightTool(STK/MFT)导弹飞行工具

STK/MFT包含了一套提供完整导弹类型和性能的导弹数据库。STK/MFT提供了生成易于分析和可视化的多级导弹弹道的能力。

STK/MFT的关键特性如下:

(1)精确的导弹飞行仿真;

(2)导弹防御雷达的最优化配置;

(3)空间监测系统监测能力分析;

(4)复杂的导弹系统性能陈述。

9.STK/OrbitDetermination(STK/OD)轨道确定模块

STK/OD设计用于为卫星跟踪系统提供轨道确定和轨道分析支援。

STK/OD的关键特性如下:

(1)最优化滤波器;

(2)高精度的数值积分器;

(3)轨道参数估算;

(4)实际的协方差矩阵;

(5)固定间隔的平滑器;

(6)变轨处理;

(7)初轨确定;

(8)跟踪数据仿真器。

10.STK/PrecisionOrbitDeterminationSystem精确轨道确定系统模块

STK/PODS的关键特性如下:

(1)精确的数值积分;

(2)轨道参数估计;

(3)高真实度模型;

(4)跟踪数据仿真;

(5)地球引力场文件。

11.STK/Radar雷达分析模块

STK/Radar提供了对雷达系统的全面分析和图形化显示。

STK/Radar的关键特性如下:

(1)不同的雷达系统建模;

(2)RCS通用处理;

(3)导弹/防空雷达配置;

(4)天基雷达成像计划编制

12.STK/Scheduler调度程序

STK/Scheduler供任务设计人员和操作工程师使用,提供了强大的任务安排和计划功能。

STK/Scheduler的关键特性如下:

(1)灵活的任务和资源定义;

(2)调度解决方案最优化;

(3)应用STK过境计算和报告;

(4)集成图形化接口。

13.STK/SpaceEnvironment(STK/SE)空间环境模块

航天器设计、分析人员和操作员使用STK/SE来评估太空环境对航天器的影响。

STK/SE的关键特性如下:

(1)辐射环境;

(2)南大西洋异常区(SAA);

(3)热环境;

(4)冲击环境。

17.2.3综合数据模块

1.STK/HighResolutionMaps高分辨率地图

STK/HighResolutionMaps高分辨率地图模块提供了整个地球的详尽的高分辨率地图数据。

2.STK/VOEarthImagery高分辨率地球影像

STK/VO高分辨率地球影像提供高分辨率、无云状态下人造卫星从太空拍摄的地球照片。

该模块可以用于以下方面:

(1)发射、在轨和脱轨可视化仿真;

(2)战略和战术威胁仿真;

(3)国家导弹防御。

3.STK/RadarAdvancedEnvironment(STK/RAE)雷达高级环境

STK/RAE是STK的附加模块,通过在动态雷达评价中引入一个重要因素———地面反射率来扩展STK/Radar模块的性能。该模块与STK完全集成,并且与Unix和PC平台兼容。

STK/RAE的关键特性如下:

(1)对于各种雷达的建模;

(2)雷达系统的选择;

(3)确定性的杂波;

(4)确定性的杂波图。

4.STK/Terrain地形数据

STK/Terrain提供了精确的全球地形高程数据,与STK/PRO和STK/AVO一起使用。对于地球表面的任何一点进行卫星过境分析时,该模块使用成熟的多维插补算法以提供精确的、360°的方位/仰角遮挡。该算法也提供了用户定义的地面设施和地面目标的海拔信息。

17.2.4STK的扩展、集成和接口模块

1.STK/Connect连接模块

STK/Connect模块提供了一种使用客户服务器端方式连接STK的快捷工作方式。

STK/Connect的关键特性如下:

(1)与STK在客户机/服务器模式下工作;

(2)自动分析;

(3)实时支持;

(4)快速原型;

(5)接口库和定制接口。

2.STK/WebCast网络实时播放模块

STK/WebCast的作用就是通过互联网络或者本地网络近实时地将STK和STK/VO的屏幕输出并以流媒体方式在远端计算机上播放。

STK/WebCast的关键特性如下:

(1)实时任务可视化;

(2)远距离学习;

(3)公共关系和市场。

3.STK/MATLABInterfaceMATLAB接口模块

STK/MATLAB接口在STK和MATLAB之间提供一个双向的通信路径。

STK/MATLABInterface的关键特性如下:

(1)航天器姿态的三维可视化;

(2)姿态机动的确定;

(3)参量分析;

(4)计算相对位置。

4.STK/DistributedInteractiveSimulation(STK/DIS)分布式交互仿真模块

STK/DIS模块是一个符合IEEE标准的分布式交互仿真应用程序,用于为高交互性领域创建复杂的虚拟场景。

STK/DIS的关键特性如下:

(1)IEEEDIS标准;

(2)PDU处理;

(3)STK场景的实时共享和同步;

(4)二维和三维可视化建模和实时军事环境。

5.STK/GeographicInformationSystem(STK/GIS)地理信息系统模块

STK/GIS提供了STK和GIS软件包(如ArcView)之间的接口。通过将STK的传感器轨迹和幅宽、天线增益等高线、覆盖区域、地面区域和设施站点与详细的GIS数据库结合,STK/GIS扩展模块拓展了STK和ArcView的分析能力。

STK/GIS的关键特性如下:

(1)交换和调整STK和GIS信息;

(2)完美的覆盖设计和分析工具;

(3)实时GIS显示和分析。

17.3STK仿真基础

17.3.1基础分析1.光照条件分析卫星的光照条件即受晒问题,是指阳光照射地球时,在地球背向阳光的一面将产生地影,卫星飞进地影后,将不受阳光照射,反之则受到阳光照射。光照情况会影响星上太阳能电池的供电情况。

使用STK软件可以比较方便地对卫星的光照条件进行分析。

(1)选择相应场景,点击STK软件二维图像窗口上的默认工具栏—属性—Lingting,选中ShowOutline和SubsolarPointShow。

(2)在对象浏览器中选中对象,打开属性窗口,在二维Graphics/Lighting页面选中Sunlight,点击保存后退出。

2.卫星刈幅分析

卫星刈幅是指卫星的视场区域,在分析的时候需要提供一个选定的地面仰角或者相对天底的半角。

假定某卫星的半角为20°,进行卫星刈幅分析:

(1)选择相应场景,在对象浏览器中选中对象,打开属性窗口,设置二维Graphics类Swath属性页的参数(VehicleHalfAngle为20deg,Options为EdgeLimits)。

(2)在二维Graphics/Lighting页面选中Sunlight。

(3)修改半角值,在二维图像窗口中查看卫星刈幅的变化情况。

3.可见情况分析

使用STK软件可以方便地分析对象之间的可见情况,用于确定一个对象访问另一个对象的时间,在计算时还可以加入作为对象属性的约束条件。STK可以对运载工具、发射场、目标、区域目标、行星、恒星和传感器进行可见情况分析。

(1)选择相应场景,在对象浏览器中选中地面站对象,在弹出的菜单中选择FacilityTools,打开Access窗口。如果选中的是传感器对象,则选择SensorTools;如果选中的是卫星对象,则选择SatelliteTools。

(2)单击Reports区下的Access,将自动在地图窗口中计算访问情况,生成AccessSummaryReports报告。

4.三维场景控制

STK可以对三维场景进行控制,使用户可以从多个角度查看海、陆、空、天对象的位置变化情况并了解对象之间的空间关系,提高对复杂场景的掌控能力。

(1)选择相应场景,选中三维图像窗口,单击图像窗口中的地球并向不同的方向拖动,查看地球的旋转情况。

(2)在三维图像窗口中感兴趣的区域右击鼠标并向上和向下拖动,查看三维图像相应缩小和放大的情况。

(3)单击Apply,在三维图像窗口中调整卫星模型的位置和大小,调整到比较合适的位置。

(4)单击UnconstrainedRotation,选中ShowTrackBall,使用动画工具条,查看卫星在太空中的飞行情况。

17.3.2STK三维模型

1.STK三维模型基础

在STK中,用户可以为飞机、地面站、地面机动目标、运载器、导弹、卫星、舰船和地面目标等对象设置三维模型。

在模型查看程序中,有如下命令:

(1)Articulation关节命令:为用户提供一个关节查看和设置界面,通过该界面,可以了解模型中有哪些可控制对象,以及各控制对象的取值范围,如可以对飞机尾焰进行控制。

(2)Reduction缩图控制命令:可以控制对象的Revolve、Sphere、Cylinder、Extrusion、Skin和Helix显示精度。除非计算机性能很差,或者待显示的模型太多,否则采用默认值即可。

(3)Background背景命令:打开背景色对话框,调整这里的色彩值,再单击Apply,即可更改模型显示窗口中对象的背景色。

(4)Perspective远景命令:可打开远景对话框,改变观测视点。

(5)Performance性能命令:可以测试各项模型设置的运行性能。

(6)Lighting光照命令:可以更改AmbientLight和DiffuseLight参数值,改变模型显示窗口中对象的光照度。

(7)ShowInset显示画中画命令:可在模型显示窗口中打开一个小的子窗口,与模型显示主窗口进行模型的同步显示。

2.制作STK三维模型

具体步骤如下:

(1)启动模型转换程序LwConvert.exe。

(2)单击InputLWO文本框左侧的Browse,指定要转换的由LightWave建立的模型文件。

(3)单击OutputMDL文本框左侧的Browse,指定输出模型文件的位置和名称。

(4)选择ModelType选项组中的相应模型按钮(如地面建筑物选Facility),设置完后,单击OK。

17.4STK仿真和应用

17.4.1STK仿真1.传感器仿真应用在STK仿真应用中,可以作为传感器父对象的共有8种:Aircraft、Facility、Ground_x0002_Vehicle、LaunchVehicle、Missile、Satellite、Ship和Target。

2.链路分析

STK的链路分析模块为多对象综合分析提供了有效的支持。

链路分析模块主要由两个对象支持,分别是链路对象Chains和星座对象Constella_x0002_tions。链路对象主要用来确定一系列关联对象之间的关系,而星座对象则用来提供一个对

象的集合。

3.覆盖分析

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。

4.姿态控制

STK的姿态控制模块解决了三维图形窗口中对象姿态控制的问题。利用姿态控制模块,STK中的这些三维对象不再仅仅是一成不变的模型,而成了具备多项实时变化功能的

更为生动的对象。同时,姿态控制模块也允许对STK中的三维对象进行更加深入的姿态分析。

5.任务规划

STKScheduler是一个独立于STK的应用程序,它提供有调度安排STK应用的强大功能。通过该程序,可以方便地控制STK场景中应用到的各类资源,以及安排和执行STK的主要任务。

17.4.2STK应用

1.航天应用

STK是航天工业领域中非常领先的卫星系统分析商业软件。对于航天分析人员来说,STK为他们提供了非常便利的分析工具。利用STK,用户可以进行航天器的轨道分析或

姿态分析等多项研究工作。

2.航空应用

虽然STK主要是为航天应用服务而设计的,但是它在航空应用方面也具有非常强的适用性。可以利用STK做详细的任务前预演,使飞行员增强对关键任务时间和任务序列以及地面态势的理解;可以将飞机的实时位置数据传递给STK,使指挥中心获得飞行编队的逼真的三维场景,进而可以将陆、海、空、天等多种打击系统和支援系统集成在统一的仿真平台上,用于战役学习和战术协同训练。

3.导弹应用

STK对火箭与导弹发射,以及导弹拦截分析也都提供了强大的支持。STK在导弹系统设计的作用有:

(1)仿真导弹飞行的所有阶段,包括发射、推进、PBV分段飞行、中间段和再入。

(2)对于多种导弹的建模。

(3)具有现有的6DOF弹道生成器接口。

(4)进行不同的参量分析,解决多约束条件问题。

(5)分析动态改变的通信链接参数。

(6)进行射程安全分析。

(7)分析在3D场景中的可视化飞行轮廓和几何学中的动态关系(矢量历史、光照条件、可视条件)。

(8)在导弹试验飞行后分析、查看并预测和真实弹道的差别、姿态和传感器的历史记录,分析包括PBV、RV等不同的任务对象的矢量历史记录。

同时STK也可以应用于导弹防御和拦截的仿真场合,完成如下分析任务。

(1)威胁分析:可视化不同的威胁对象分布状态,分析威胁复合体与己方防御传感器之间的几何关系的历史记录。

(2)拦截分析:比较拦截器的针对弹道导弹、飞机和卫星的防御性能;进行一体化的拦截仿真;分析动态的几何学关系、雷达性能、雷达系统设计和空间监测系统性能。

(3)军事行动分析:分析防空雷达产生威胁轮廓的效率;确定飞行弹道;分析导弹不同的飞行剖面与威胁程度的关系;分析雷达探测的可能性。

4.雷达应用

STK软件也为雷达系统提供了详尽的分析和图形显示能力。

STK的雷达应用主要体现在以下三方面:

(1)雷达系统设计:对各种雷达系统建模;应用完美的天线传播和无线电频率环境模型;给任务元素分配单独的RCS文件;使用计算后的信噪比和探测可能性来分析探测性能。

(2)军事行动分析:包括作战飞机攻击线路和雷达网配置,以及雷达盲区三维场景分析。

(3)防御能力分析:包括固定雷达的探测能力的三维场景实现,以及