基于STK的衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)

《航天器操作與控制試驗(yàn)》綜合作業(yè)衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)姓名：王備學(xué)號：38151312院系：宇航學(xué)院二〇一〇年十一月實(shí)驗(yàn)題目：衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)會STK〔SatelliteToolKit〕軟件的使用，掌握STK的根本操作；學(xué)會使用STK仿真，并實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的軌道預(yù)報(bào)，重點(diǎn)掌握HPOP高精度軌道預(yù)報(bào)和LOP長期軌道預(yù)報(bào)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容〔一〕、HPOP高精度軌道預(yù)報(bào)1.建立兩顆衛(wèi)星HPOP1與HPOP2；2.設(shè)置HPOP1考慮大氣阻力，而HPOP2不考慮，其他參數(shù)相同；3.用HPOP高精度軌道預(yù)報(bào)器生成軌道；4.動(dòng)畫顯示，觀察兩顆衛(wèi)星軌道的不同；5.生成多種類型的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)；6.計(jì)算衛(wèi)星軌道壽命?！捕场OP長期軌道預(yù)報(bào)1.建立兩顆衛(wèi)星LOP1與LOP2；2.設(shè)置LOP1考慮大氣阻力，而LOP2不考慮，其他參數(shù)相同；3.用HPOP高精度軌道預(yù)報(bào)器生成軌道；4.生成多種類型的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，觀察兩顆衛(wèi)星軌道的不同。實(shí)驗(yàn)過程描述〔一〕、HPOP高精度軌道預(yù)報(bào)建立新的場景將其命名為BUAA_HPOP。在瀏覽窗口選中場景，翻開BasicProperties窗口在TimePeriod欄，輸入如下設(shè)置：區(qū)域值StartTimeStopTimeEpoch選擇Animation欄輸入如下內(nèi)容：區(qū)域值StartTimeStopTimeTimeStep60secondsRefreshDeltaChangetoHighSpeed在Units欄輸入如下設(shè)置：區(qū)域值DistanceUnitKilometersTimeUnitMinutesDateFormatGregorianUTCAngleUnitDegreesMassUnitKilograms完成后，點(diǎn)擊確定，從File菜單中選擇SaveAs…，保存場景為BUAA_HPOP.sc。在瀏覽窗口點(diǎn)擊Satellite按鈕新建一顆衛(wèi)星，取消軌道向?qū)?，命名衛(wèi)星為HPOP1。，翻開HPOP1衛(wèi)星的BasicProperties窗口，在Orbit欄，選擇HPOPPropagator。點(diǎn)擊SemimajorAxis右側(cè)的下拉菜單，改變?yōu)镻eriod。設(shè)置為95min。點(diǎn)擊ForceModels…按鈕，確認(rèn)HPOPForceModel窗口中所有參數(shù)均被選用。區(qū)域值EarthGravityMaximumDegree-21MaximumOrder–21ThirdBodyGravityUseSolarGravity-ONUseLunarGravity-ONDragUse-ONCdAtmDensityModel-Harris-Priester2/kgSolarRadiationPressureUse-ON2/kg點(diǎn)擊確定關(guān)閉HPOPForceModel窗口，然后點(diǎn)擊BasicProperties窗口中確實(shí)定按鈕，生成衛(wèi)星軌道。下面翻開HPOP1衛(wèi)星的GraphicsProperties窗口，改變衛(wèi)星的MarkerStyle為Star，點(diǎn)擊確定。新建HPOP2衛(wèi)星，在ForceModels窗口，關(guān)閉Drag參數(shù)，其它設(shè)置與HPOP1相同。生成衛(wèi)星軌道后，翻開它的GraphicsProperties窗口，改變MarkerStyle為Circle，點(diǎn)擊確定。保存場景。動(dòng)畫顯示場景觀察衛(wèi)星在整個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的相互位置。在動(dòng)畫接近時(shí)間周期結(jié)束時(shí)，暫停動(dòng)畫，放大窗口到衛(wèi)星所在區(qū)域進(jìn)行觀察〔如圖1、圖2所示〕圖SEQ圖\*ARABIC1接近周期結(jié)束時(shí)的2維圖像圖SEQ圖\*ARABIC2接近周期結(jié)束時(shí)的3維圖像分別選中兩顆衛(wèi)星，從Tools菜單中選擇Report，生成兩顆衛(wèi)星各自的ClassicalOrbitElements報(bào)告。注意考慮阻力和未考慮阻力衛(wèi)星在報(bào)告時(shí)間末期軌道參數(shù)的不同。生成每顆衛(wèi)星的LLAPosition〔經(jīng)緯度高度位置〕報(bào)告。比較兩顆衛(wèi)星之間位置數(shù)據(jù)的差異。同時(shí)選中兩顆衛(wèi)星，從Tools菜單中選擇Graph。在STKGraphTool窗口，點(diǎn)擊New按鈕，選中新建的圖表格式，在文本框輸入Altitude，點(diǎn)擊Change按鈕新圖表的改變名稱。選中Altitude格式，點(diǎn)擊Properties按鈕，在Content欄，選擇TimeXY作為GraphType。翻開LLAState樹，點(diǎn)擊Fixed子樹，雙擊Alt將其參加Y-Axis區(qū)域，點(diǎn)擊確定。點(diǎn)擊STKGraphTool窗口的Create按鈕生成圖表。在圖表窗口中，從Edit菜單項(xiàng)選擇擇Attributes，改變其中一顆衛(wèi)星線條的顏色。觀察整個(gè)時(shí)間周期內(nèi)兩顆衛(wèi)星高度的差異。關(guān)閉圖表和STKGraphTool窗口。同時(shí)選中兩顆衛(wèi)星，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在快捷菜單中選擇StripChart。在STKStripChartTool窗口，從Styles列表中選擇Altitude〔前面新建的圖表格式〕，點(diǎn)擊Open。當(dāng)動(dòng)態(tài)圖表窗口出現(xiàn)，改變其中一顆衛(wèi)星線條的顏色。動(dòng)畫顯示場景，觀察HPOP1衛(wèi)星的Altitude〔高度〕如何降到HPOP2衛(wèi)星下面。這是由于大氣阻力對HPOP1衛(wèi)星的影響造成的。在瀏覽窗口，選中HPOP衛(wèi)星，然后從Tools菜單Lifetime。在Lifetime窗口，輸入以下數(shù)值：區(qū)域值DragCoefficient阻力系數(shù)ReflectionCoefficient反射系數(shù)DragArea阻力面積1000m2AreaExposedtoSUN暴露太陽下面積1000m2Mass質(zhì)量1000kg確認(rèn)Graphics選項(xiàng)翻開，點(diǎn)擊Compute。當(dāng)計(jì)算完成，Information窗口顯示軌道衰退日期和軌道圈數(shù)。點(diǎn)擊確定關(guān)閉Lifetime窗口?！捕?、LOP長期軌道預(yù)報(bào)建立新的場景將其命名為BUAA_LOP。在瀏覽窗口選中場景，翻開BasicProperties窗口在TimePeriod欄，輸入如下設(shè)置：區(qū)域值StartTimeStopTimeEpoch選擇Animation欄輸入如下內(nèi)容：區(qū)域值StartTimeStopTimeTimeStep60secondsRefreshDeltaChangetoHighSpeed在Units欄輸入如下設(shè)置：區(qū)域值DistanceUnitKilometersTimeUnitSecondsDateFormatGregorianUTCAngleUnitDegreesMassUnitKilograms在瀏覽窗口，點(diǎn)擊Satellite按鈕新建一顆衛(wèi)星，取消軌道向?qū)?，命名它為LOP1。翻開LOP1衛(wèi)星的BasicProperties窗口，在Orbit欄輸入以下設(shè)置。保存Start和StopTime和StepSize默認(rèn)值。LOP預(yù)報(bào)器自動(dòng)選擇1天作為時(shí)間步長。輸入完畢后，點(diǎn)擊確定。區(qū)域值PropagatorLOPStepSize1dayPeriod5700secondsEccentricityInclination35.0o點(diǎn)擊ForceModels〔阻力模型〕按鈕。在LOPForceModels窗口，輸入如下數(shù)值：區(qū)域值EarthGravity地球引力場MaximumDegree–12MaximumOrder-12ThirdBodyGravity三體引力UseSolarGravity–ONUseLunarGravity-ONDrag大氣阻力Use–ONCd-3SolarRadiationPressure太陽光壓Use–ONAtmosphere–90kmPhysicalData衛(wèi)星本體物理參數(shù)DragCross-SectionalArea–25.0m2SRPCross-SectionalArea–25.0m2SatelliteMass–1000.0kg新建另一顆衛(wèi)星，將其命名為LOP2，翻開LOP2衛(wèi)星的BasicProperties窗口，在Orbit欄輸入以下設(shè)置。保存Start和StopTime和StepSize默認(rèn)值。LOP預(yù)報(bào)器自動(dòng)選擇1天作為時(shí)間步長。輸入完畢后，點(diǎn)擊確定。區(qū)域值PropagatorLOPStepSize1dayPeriod5700secondsEccentricityInclination35.0o點(diǎn)擊ForceModels〔阻力模型〕按鈕，輸入以下數(shù)值：區(qū)域 值Drag大氣阻力 Use–OffSolarRadiationPressure太陽光壓 Use–ONAtmosphere–90kmPhysicalData在瀏覽窗口選中LOP1衛(wèi)星，從Tools菜單項(xiàng)選擇擇Graph。在GraphTool窗口，選中LLAPosition，點(diǎn)擊TimePeriod…按鈕。將StopTime改為10Jan202300:00:00。點(diǎn)擊Change按鈕更改，再點(diǎn)擊確定按鈕關(guān)閉窗口。生成圖表。對LOP2衛(wèi)星重復(fù)上述步驟，注意隨時(shí)間增加出現(xiàn)的分歧。嘗試定義不同的時(shí)間周期和圖表格式。完成后，關(guān)閉圖表和GraphTool窗口?；氐絃OP1和LOP2衛(wèi)星的BasicProperties窗口，在ForceModel區(qū)域試驗(yàn)不同的大氣阻力、太陽光壓、物理參數(shù)，檢驗(yàn)關(guān)閉太陽光壓和三體引力后的變化。完成后，關(guān)閉并保存場景。實(shí)驗(yàn)結(jié)果〔一〕、HPOP高精度軌道預(yù)報(bào)圖SEQ圖\*ARABIC3生成HPOP1與HPOP2的軌道參數(shù)報(bào)告圖SEQ圖\*ARABIC4生成HPOP1的LLA位置報(bào)告圖SEQ圖\*ARABIC5生成HPOP2的LLA位置報(bào)告圖SEQ圖\*ARABIC6生成HPOP1與HPOP2的高度變化圖表圖SEQ圖\*ARABIC7生成HPOP1與HPOP2的動(dòng)態(tài)高度變化圖表圖SEQ圖\*ARABIC8生成HPOP1動(dòng)態(tài)軌道參數(shù)報(bào)告圖SEQ圖\*ARABIC9生成HPOP1的動(dòng)態(tài)LLA位置報(bào)告圖SEQ圖\*ARABIC10計(jì)算軌道衰退日期和衰退圈數(shù)圖SEQ圖\*ARABIC11HPOP1衛(wèi)星軌道衰退的最終軌道〔二〕、LOP長期軌道預(yù)報(bào)圖SEQ圖\*ARABIC12生成LOP1的LLA位置圖表圖SEQ圖\*ARABIC13生成LOP2的LLA位置圖表圖SEQ圖\*ARABIC14生成LOP1的軌道參數(shù)報(bào)告圖SEQ圖\*ARABIC15生成LOP1的LLA位置報(bào)告結(jié)果分析從二維和三維圖像上可以觀察到預(yù)報(bào)器生成的衛(wèi)星軌道，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)受阻力影響的HPOP1衛(wèi)星會位于沒有阻力的HPOP2衛(wèi)星前面；用工具箱生成的HPOP1與HPOP2的軌道參數(shù)報(bào)告如圖3所示，報(bào)告中包含各個(gè)時(shí)刻的七項(xiàng)根本軌道參數(shù)：半長軸〔Semi-majorAxis〕、偏心率〔Eccentricity〕、軌道傾角〔Inclination〕升交點(diǎn)赤經(jīng)〔RAAN〕、近地點(diǎn)幅角〔ArgofPerigee〕、真近點(diǎn)角〔TrueAnomaly〕、平近點(diǎn)角〔MeanAnomaly〕。生成HPOP1與HPOP2的經(jīng)度/緯度/高度〔LLA〕位置報(bào)告分別如圖4和圖5所示，報(bào)告中包含各個(gè)時(shí)刻的經(jīng)度、緯度、高度和速度。生成的HPOP1與HPOP2的高度變化圖表如圖6所示；動(dòng)態(tài)高度變化圖表如圖7所示，從動(dòng)態(tài)圖中可以直觀的觀察到HPOP1衛(wèi)星的Altitude〔高度〕是如何降到HPOP2衛(wèi)星下面的，這是由于大氣阻力對HPOP1衛(wèi)星的影響造成的。受阻力影響的衛(wèi)星，能量不斷減少，軌道高度的降低將使軌道周期縮短，表現(xiàn)在地面軌跡上衛(wèi)星的移動(dòng)速度就會加快，位置也會比具有相同軌道參數(shù)但沒有考慮阻力影響的衛(wèi)星靠前。留意到HPOP1衛(wèi)星的高度不是穩(wěn)定的下降，還會周期性地上升，HPOP2衛(wèi)星的高度也是如此。這是由于地球扁率的影響，會對圓軌道衛(wèi)星產(chǎn)生這種結(jié)果。還可生成衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)報(bào)告，如圖8和圖9所示。另外，還可計(jì)算衛(wèi)星軌道衰退日期和衰退圈數(shù)〔如圖10所示〕，計(jì)算后，在二維圖像上會出現(xiàn)變粗的地面軌跡〔如圖11所示〕，它表示了HPOP1衛(wèi)星軌道衰退的最終軌道。同樣，用LOP軌道預(yù)報(bào)生成的多種軌道數(shù)據(jù)如圖12、圖13、圖14、圖15所示，改變TimePeriod和StepSize可以改變輸出報(bào)告的時(shí)間周期和步長。類似地，改變其他因素，可以觀察到HPOP預(yù)報(bào)法和LOP預(yù)報(bào)法提供的其它的也影響了衛(wèi)星軌道的擺動(dòng)。課程體會STK這款軟件是靠自學(xué)的，軟件為英文版，入手比較難，而圖書館有關(guān)STK的