基于STK的卫星轨道预报

航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 航天器操作与控制试验航天器操作与控制试验 综综 合合 作作 业业 卫星轨道预报卫星轨道预报 姓名 姓名 王王 备备 学号 学号 院系 院系 宇航学院宇航学院 航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 二二 一一 年十一月年十一月 航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 一 一 实验题目 卫星轨道预报实验题目 卫星轨道预报 二 二 实验目的实验目的 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 三 实验内容实验内容 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 四 四 实验过程描述实验过程描述 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 00 Stop Time1 Jan 2010 04 00 00 00 Epoch1 Jan 2010 00 00 00 00 航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 4 选择 Animation 栏输入如下内容 区域值 Start Time1 Jan 2010 00 00 00 00 Stop Time1 Jan 2010 04 00 00 00 Time Step60 seconds Refresh DeltaChange to High Speed 5 在 Units 栏输入如下设置 区域值 Distance UnitKilometers Time UnitMinutes Date FormatGregorian UTC Angle UnitDegrees Mass UnitKilograms 6 完成后 点击确定 从 File 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 gv Maximum Degree 21 Maximum Order 21 Third Body GravityUse Solar Gravity ON Use Lunar Gravity ON 航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 DragUse ON Cd 3 0 Atm Density Model Harris Priester Average F10 7 65 0 Area Mass Ratio 200 0m2 kg Solar Radiation PressureUse ON Cp 2 0 Area Mass Ratio 200 0m2 kg 10 点击确定关闭 HPOP Force Model 窗口 然后点击 Basic Properties 窗口 中的确定按钮 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 航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 图 2 接近周期结束时的 3 维图像 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 航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 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 0 Reflection Coefficient 反射系数1 0 Drag Area 阻力面积1000 m2 Area Exposed to SUN 暴露太阳下面积1000 m2 Mass 质量1000 kg 24 确认 Graphics 选项打开 点击 Compute 当计算完成 Information 窗 口显示轨道衰退日期和轨道圈数 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 00 Stop Time1 Jan 2011 00 00 00 00 Epoch1 Jan 2010 00 00 00 00 4 选择 Animation 栏输入如下内容 区域值 Start Time1 Jan 2010 00 00 00 00 航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 Stop Time1 Jan 2011 00 00 00 00 Time Step60 seconds Refresh DeltaChange to High Speed 5 在 Units 栏输入如下设置 区域值 Distance UnitKilometers Time UnitSeconds Date FormatGregorian UTC Angle UnitDegrees Mass UnitKilograms 6 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 Stop 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 PropagatorLOP Step Size1 day Period5700 seconds Eccentricity0 0 Inclination35 0 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 航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 Earth Gravity 地球引力场 Gravity Field JGM2 gv Maximum Degree 12 Maximum Order 12 Third Body Gravity 三体引力 Use Solar Gravity ON Use Lunar Gravity ON Drag 大气阻力 Use ON Cd 3 Solar Radiation Pressure 太阳光压 Use ON Cp 1 5 Atmosphere 90 km Physical Data 卫星本体物理参数 Drag Cross Sectional Area 25 0 m 2 SRP Cross Sectional Area 25 0 m 2 Satellite Mass 1000 0 kg 10 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 Stop 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 PropagatorLOP Step Size1 day Period5700 seconds Eccentricity0 0 Inclination35 0 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 5 航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 Atmosphere 90 kmPhysical Data 12 在浏览窗口选中 LOP1 卫星 从 Tools 菜单选择 Graph 13 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 五 实验结果实验结果 一 HPOP 高精度轨道预报 图 3 生成 HPOP1 与 HPOP2 的轨道参数报告 航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 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 航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 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 航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 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 航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 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 航天器操作与控制试验 姓名 王 备 学号 图 15 生成 LOP1 的 LLA 位置报告 六 六 结果分析结果分析 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 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