STK基础教程学习版

STK基础教程

Byappel943

西安交通大学

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目录

1STK软件简介1

1.1STK软件简介1

1.2STK软件发展历程2

1.3安装STK软件2

1.4STK软件的功能模块2

1.4.1先进的分析模块(AMM)2

1.4.2Connect模块2

1.4.3高精度轨道生成函数(HPOP)3

1.4.4长周期轨道预测器(LOP)3

1.4.5生命周期3

1.4.6地形3

1.4.7高分辨率地图3

1.5章节安排错误!未定义书签。

2创建第一个STK场景5

2.1引言5

2.2创建场景5

2.3创建对象5

2.3.1创建地面站6

2.3.2创建城市6

2.3.3创建卫星6

2.3.4创建传感器7

2.4计算访问窗口8

2.5约束条件下访问窗口的计算8

2.5.1升交角(ElevationAngle)约束8

2.5.2时间约束8

2.6报告和图表9

2.6.1纬度、经度和高度(LLAPosition)9

2.6.2光照时间(LightingTimes)9

2.73D动画演示9

2.7.1设置地球3D属性10

2.7.2设置传感器显示属性10

11

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3利用CommConstraints设计通信链路12

3.1引言12

3.2设置链路12

3.3设置COMMCONSTRAINTS16

3.3.1接收各向同性功率约束17

3.3.2多普勒频移约束18

3.3.3通量密度约束18

3.3.4载波噪声比约束18

3.3.5数字通信系统约束19

3.3.6折射高度和距离约束19

3.3.7系统噪声温度约束22

3.4经常用到的C/NConstraints23

4使用Comm模块对转发器建模24

4.1概述24

4.2环境设置24

4.3定义Comm参数26

4.4模拟转发器28

4.5数字转发器29

4.6比较链路性能30

5利用STK分析雷达干扰31

5.1概述31

5.2场景设置31

5.2.1添加一个地面设施和带有干扰雷达的飞机31

5.2.2在地面设施中添加雷达32

5.3雷达干扰报告34

5.4设置约束条件34

6使用地形和地貌数据36

6.1概述36

6.2将地形数据导入到场景中36

6.3使用图像转换器(ImageConverter)37

6.3.1创建3D图像纹理37

6.3.2在2D窗口中显示图像纹理40

6.4使用地形转换器(TerrainConverter)41

6.4.1在3D图形窗口中显示41

6.4.2在2D图形窗口中显示42

6.5结论42

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7使用天线对象43

7.1概述43

7.2嵌入式天线vs.链接式天线43

7.3创建场景43

7.4添加地面设施和卫星43

7.5在地面设施中添加天线和接收机44

7.6在卫星上添加天线45

7.7创建报告45

8使用多路径对象47

9使用飞机任务模块52

9.1概述52

9.2在3D图形窗口中定义任务52

9.2.1环境设置53

9.2.2选择飞机模型54

9.2.3添加过程55

9.3在属性里定义任务57

9.3.1环境设置57

9.3.2选择飞机对象57

9.3.3过程定义57

9.4使用目录60

9.5地形跟踪63

9.6使用阶段性能模块66

9.6.1环境设置66

9.6.2选择飞机模型66

9.6.3定义性能模块66

9.6.4增加阶段和过程67

10在STK里使用矢量工具71

10.1引言71

10.2矢量图形71

10.3显示矢量72

10.4平面74

10.5创建新的矢量75

10.6姿态球79

10.7创建和显示角度81

10.8始终显示矢量84

11使用STKX86

IV

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11.1STKX与C++86

11.1.1创建工程86

11.1.2将STKX添加到工具栏中87

11.1.3向STKX发送指令88

11.1.4为Map控件添加缩放功能91

11.1.5响应STKX事件92

11.1.6添加地图选择事件94

11.1.7设置STKX属性96

11.2STKX与C#98

11.2.1创建工程98

11.2.2将STKX控件添加到工具栏中98

11.2.3向STKX发送指令99

11.2.4为Map控件添加缩放功能101

11.2.5响应STKX事件102

11.2.6添加地图选择事件104

11.2.7设置STKX属性105

11.3STKX与Html107

11.3.1向STKX传递指令107

11.3.2为Map控件添加缩放功能109

11.3.3响应STKX事件109

11.3.4添加地图选择事件110

11.3.5设置STKX属性111

11.4STKX与Java113

11.4.1利用J-Integra创建JavaCOM代码113

11.4.2编译JIntegra输出java代码114

11.4.3创建应用115

11.4.4在窗口中添加STKX控件116

11.4.5向STKX发送命令117

11.4.6为Map控件添加缩放功能118

11.4.7响应STKX事件119

11.4.8添加地图选择事件121

11.4.9设置STKX属性122

11.5STKX与Matlab122

11.5.1创建工程123

11.5.2在表单中添加STKX控件123

11.5.3向STKX发送指令126

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11.5.4为M叩控件添加缩放功能129

11.5.5响应STKX事件131

11.5.6添加地图选择事件133

11.5.7设置STKX属性135

11.5.8添加Connect命令接口139

11.6STKX与MFC139

11.6.1创建工程139

11.6.2将STKX控件添加到工具栏中140

11.6.3向STKX发送指令142

11.6.4为Map控件添加缩放功能145

11.6.5响应STKX事件146

11.6.6添加Map选择事件148

11.6.7设置STKX属性150

11.7STKX与VisualC++6.0152

11.7.1创建工程152

11.7.2在对话框中添加STKX控件155

11.7.3向STKX发送指令156

11.7.4为Map控件添加缩放功能161

11.7.5响应STKX事件162

11.7.6添加地图选择事件166

11.7.7设置STKX属性168

12AzEI方位角/仰角遮罩工具的使用171

12.1设置环境171

12.2制作BMSK文件173

12.3利用BMSK限制访问174

12.4在3D图形窗口中观察对象174

13导弹建模工具箱的使用177

13.1导弹建模工具箱介绍177

13.2导弹防御系统功能介绍181

13.3利用MFT规划导弹试验183

13.3.1载入场景183

13.3.2打开STK/Analyzer184

13.3.3影响雷达跟踪时间的因素185

13.3.4最优试验安排192

13.4利用IFT评估末段杀伤概率195

13.4.1载入场景196

VI

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13.4.2打开STK/Analyzer197

13.4.3作战管理系统时间延迟影响198

13.4.4蒙特卡罗仿真204

13.5利用MFT&IFT分析受保护区域209

13.5.1载入场景210

13.5.2设置目标位置网格211

13.5.3打开STK/Analyzer212

13.5.4设置拦截事件213

13.5.5使用Analyzer宏220

13.5.6其它注意事项224

14Analyzer使用方法226

14.1卫星覆盖能力分析226

14.1.1载入场景227

14.1.2打开STK/Analyzer227

14.1.3计算卫星的覆盖能力228

14.1.4轨道倾角对覆盖能力的影响230

14.1.5RAAN对覆盖能力的影响234

14.1.6高度对覆盖能力的影响236

14.1.7轨道倾角和高度相互间的影响239

14.1.8传感器对覆盖能力的影响240

14.1.9最优化传感器参数245

14.2卫星发射机参数对覆盖能力的影响247

14.2.1载入场景248

14.2.2打开STK/Analyzer249

14.2.3计算覆盖统计数据250

14.2.4功率对覆盖的影响251

14.2.5频率对覆盖的影响254

14.2.6数据传输速率对覆盖的影响256

14.2.7功率及频率是否相互影响？257

14.2.8最优发射机参数259

15Astrogator使用方法262

15.1最优真近点角262

15.2发射错误266

15.3飞向月球271

附录1Matlab与STK互连277

附录2STK图像转换器工作流程282

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附录3STK地形转换器工作流程283

附录4视线的计算284

附录5常用的STK指令287

附录5NORAD双行轨道根数289

VIII

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1STK软件简介

1.1STK软件简介

卫星工具软件STK(SatelliteToolKit,STK)是航天领域中先进的系统分析软件,

由美国分析图形有限公司(AnalyticalGraphicsInc,AGI)研制，用于分析复杂的陆地、

海洋、航空及航天任务。它可提供逼真的2维、3维可视化动态场景以及精确的图

表、报告等多种分析结果。支持卫星寿命的全过程，在航天飞行任务的系统分析、

设计制造，测试发射以及在轨运行等各个环节中都有广泛的应用，对于军事遥感卫

星的战场监测、覆盖分析、打击效果评估等方面同样具有极大的应用潜力。

STK起初多用于卫星轨道分析，最初应用集中在航天、情报、雷达、电子对抗、

导弹防御等方面。但随着软件不断升级，其应用也得到进一步的深入，STK现已逐

渐扩展成为分析和执行陆、海、控、天、电(磁)任务的专业仿真平台。目前，世界

上有超过450家大型公司、政府机构、研究和教育组织正在使用STK软件，专业用

户超过3万人。STK正在许多商业、政府和军事任务中发挥越来越重要的作用，成

为业界最有影响力的航天软件之一。

STK基本模块的核心能力是生成位置和姿态数据、可见性及覆盖分析，其它基

本分析能力包括附加的轨道预报算法、姿态定义、坐标类型和坐标系统、遥感器类

型、高级的约束条件义，以及卫星、城市、地面站和恒星数据库。对于特定的分析

任务，STK还提供了附加模块，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具有以下的特点：

(1)强大的分析能力

以复杂的数学算法迅速准确地计算出卫星任意时刻的位置，姿态，评估陆地、

海洋、空中和空间对象间的复杂关系，以及卫星或地面站遥感器的覆盖区域。

(2)生成轨道/弹道星历表

STK包含复杂的数学算法(二体，J2,J4,MSGP4,星历表)，可以快速而准确

地确定卫星在任意时刻的位置。对于新手，STK提供卫星轨道生成向导，指引用户

建立常见的轨道类型如I：地球同步、临界倾角、太阳同步、莫尼亚、重复轨道等。

STK还提供卫星数据库(数据源自北美防空司令部).

(3)可见性分析

计算任意对象间的访问时间并在二维地图窗口动画显示，计算结果为图表或文

字报告。可在对象间增加几何约束条件，如遥感器的可视范围、地基或天基系统的

最小仰角、方位角和可视距离。

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（4）遥感器分析

遥感器可以附加在任何空基或地基对象上，用于可见性分析的精确计算。遥感

器覆盖区域的变化动态的显示在二维地图窗口，包括多种遥感器类型（复杂圆弧、半

功率、矩形、扫摆、用户定义）。

（5）姿态分析

TK提供标准姿态定义，或从外部输入姿态文件（标准四元数姿态文件），为计算

姿态运动对其他参数的影响提供多种分析手段。

（6）可视化的计算结果

STK在二维地图窗口可以显示所有以时间为单位的信息，多个窗口可以分别以

不同的投影方式和坐标系显示。可以向前、向后或实时的显示任务场景的动态变化;

空基或地基对象的位置、遥感器覆盖区域、可见情况、光照条件，恒星/行星位置,

可将结果保存为BMP位图或AVI动画。

（7）全面的数据报告

STK提供全面的图表和文字报告总结关键信息，包含上百种数据，用户可以为

一个对象或一组对象定制图表和报告.所有报告均以工业标准格式输出，可以输出

到常用的电子制表软件中。

（8）多平台

在多种操作系统均可使用，包括Widows95/98,WindowsNT以及最主要的

UNIX平台：SGI、Sun、IBM、DEC、HP。

1.2STK软件发展历程

1.3安装STK软件

1.4STK软件的功能模块

1.4.1先进的分析模块（AMM）

该模块提供了具有先进特征的软件，并且极大的扩展了STK的功能，这个模块

可以满足施行各式各样的专业化的分析任务的卫星系统工程师的要求。这些特征在

5个区域提供了先进的功能：恣态模拟和指向，传感器定义和限制，天文动力学，

数据可视化和数据管理。

1.4.2Connect模块

2

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1.4.3高精度轨道生成函数(HPOP)

该模块能为各式各样的地球卫星产生轨道，能够产生从地球表面到月球轨道等

不同距离的圆、椭圆、抛物线和双曲线轨道。HPOP包括现代的、影响•个地球的

主要摄动的所有的高保真模型卫星：点重力模型(JGM)、日/月点质量的重力影响、

大气阻力、光压、春(秋)分点的运动、章动、自旋、质心变化等。另外HPOP也考

虑了三个基本天文时间系统的差别：UTC(GMT)、TAI和TDT(ET)。其中所有的输

入和输出都用UTC来表示；TAI和TDT在内部使用来取得高精确度。

1.4.4长周期轨道预测器(LOP)

LOP提供长周期卫星轨道的预测，经常用于长周期的设计任务、燃料的计算和

寿命结束时间的研究。出于性能方面的原因，高精度计算卫星轨道的长周期变化是

不切实际的，LOP开发了“可交参数”来计算加在轨道上的平均摄动影响。该方法

允许采用大的多轨时间长度，因此在保证相同的轨道参数的高保真度的前提下大大

提高了计算速度。用户输入轨道和卫星质量、地域和阻力系数后程序将会按1976

标准大气来计算阻力影响。另外，LOP在计算椭圆摄动时也考虑地球扁率的影响、

声学的共振影响、日月重力和光压影响。该模型是建立在NASA喷射推进实验室的

运算法则基础上的。

1.4.5生命周期

生命周期是用来估计低轨卫星由于大气阻力而坠落前运行在轨道的时间。该计

算法则与LOP的计算法则是相似的，当然也有一些较大的差异。首先，在计算阻力

影响时采用更精确的大气模型；然而由于在地球的重力模型中不考虑地球生命周期

的衰减，因此模型是明显的简化了。它提供了较好的性能优势和较快的解析速度，

用户输入轨道、卫星质量、地域和阻力系数后，程序将会按Jaccchial971大气模型

来计算大气影响。另外，在计算轨道摄动时，生命周期考虑地球扁率、日月引力和

太阳光压的影响。该模型是建立在NASA的Langley研究中心的运算法则基础之上。

L4.6地形

地形模块提供了全球精确的三维地形高度数据，从地球表面的任意点上对卫星

的访问计算都可以通过地形模块开发的多维运算法则来完成。对于V0用户来说，

地形模块提供了地球的真实地貌的三维描述和对卫星访问的影响。数据的精确度为

30弧度秒/千米，在其压缩格式中，所有的数据要求400M的储存空间。然而，数据

可以直接从CD-ROM上读出，这些数据最初是由美国地质局根据地球上的一系列

资源编辑而成的，它们现在己被收入的STK中。

1.4.7高分辨率地图

该模块包含全球全面的、高分辨率地图数据。数据包括海岸线、河、湖和政治

边界，其分辨率近似为1弧度秒或30米，在小的地理的区域上设想地面磁道和范

围区域是理想的，其中合并了特殊的数据存取算法来支持局部性地图数据的快速可

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视化。数据从1995中央情报局RWDB2数据库中提取并且其存储量为200MB左右。

它使用STK中的最佳性能来进行格式。

4

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2创建第一个STK场景

2.1引言

本章创建了一个STK场景（Scenario）,其2D和3D视图见图2-1。

图2-1STK卫星仿真场景

2.2创建场景

第一步，创建场景，具体操作过程如下：

（1）创建场景：从菜单项选择File—New,或者从工具栏直接点击密图标；

（2）保存场景：菜单项选择File-Save,或者从工具栏直接点击扇图标。

提示：创建单独的文件夹存放每个场景，文件夹的名字要相似于场景名字。这样

可以防止意外覆盖之前的工作。

这样就创建了一个新的场景，工作区间（workspace）会看到2D和3D视图。此时

可以利用鼠标改变3D视图中的视角：按住鼠标左键可以改变视角，按住右键可以对

视图进行缩放。点击倒返回最初的视图。

2.3创建对象

创建场景后，下一步需要创建对象（object）»

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2.3.1创建地面站

用户可以自己定义或者从数据库中创建地面站、发射场或者城镇的地理位置坐标。

1)手动创建

具体操作如下：

(1)选择Insert—New,打开对象对话框；

(2)双击图标晶(Facility),ObjectBrowser新出现一个名为Facility1的对象；

(3)选中Facility],点击右键，选择Rename,将其命名为Perth；

(4)此时观察2D或者3D视图,会发现Perth的地理位置非常接近位于Pennsylvania

州Exton镇的AGI公司总部，因此需要改变其位置；

(5)在ObjectBrowser选中Perth,点击二PropertiesBrowser,打开属性对话框；

(6)选中Basic-Position,Type类型选择为Geodetic；

(7)Latitude项改为-31.803；

(8)Longitude项改为115.885；

(9)Altitude项改为0.022；

(10)点击OK,进行保存。

此时Perth出现在澳大利亚的西南角。

2)自动创建：从数据库中添加

STK中已经定义好了数百个地面设施对象。下面利用数据库添加位于美国维吉尼

亚州东海岸的Wallops地面站：

(1)选择Insert—FacilityfromDatabase；

(2)选中SiteName,输入Wallops；

(3)点击PerformSearch,会出现InsertFacility对话框，里面显示了名为Wallops

对象的属性；

(4)选中Wallops。下拉菜单CreationClass选择为Facility。点击OK。

(5)点击Close,关闭FacilityDatabase对话框。

此时,Wallops出现在ObjectBrowser里面，在2D和3D视图中能够看到它的位置。

2.3.2创建城市

城市对象不能手动创建，只能从数据库中添加城市对象：Insert—Cityfrom

Databaseo

此处插入城市Beijingo

2.3.3创建卫星

STK提供了六种类型的运载工具对象：卫星(Satellite),运载火箭(LaunchVehicle),

导弹(Missile),飞机(Aircraft),舰船(Ship)和车辆(GroundVehicle)。下面介绍如

何创建卫星对象。

1)设定轨道参数

(1)点击Insert—New,打开Object对话框；

6

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(2)双击整(Satellite)图标，ObjectBrows6r新出现了一个名为Satellite1的对象，

同时出现了轨道设定向导对话框：OrbitWizard；

提示：如果0rbitWizard没有出现，右击ObjectBrowser中的Satellite1对象，选择

SatelliteTools一OrbitWizard；

(3)在OrbitWizard中点击Next；

(4)从OrbitSelection下拉菜单中选择CriticallyInclined,点击Next；

(5)ApogeeAltitude输入15000km；

(6)PerigeeAltitude输入1500km,点击Next；

(7)点击Finish。

(8)在ObjectBrowser中右击Satellite1,重命名为MEO。

此时2D视图出现了MEO的星下点轨迹，3D视图中出现了ME0轨道。

OrbitWizard提供了一种简单的定义不同卫星轨道的方法。

2)动画工具

动1HI工具栏：

»一开始会—加速由一减慢用一暂停

陋一后退山一前进I4—重置4—反向运行

2.3.4创建传感器

STK可以创建光学和雷达传感器，天线，激光等。在上面场景中在地面站中加入

一个传感器，具体操作为：

⑴在ObjectBrowser中选中Wallops(一定要选中,否则第三步没有sensor图

标)；

(2)选择Insert-New,打开Object对话框；

(3)双击用(Sensor)图标，Wallops下会新出现一个名为sensor1的子对象；

(4)将sensor1重命名为NorthSensor,打开它的属性卡，在Basic选项卡里面选

中Definition；

(5)下拉菜单SensorType选择SimpleConic,ConeAngle设置为45degrees；

(6)点击OK,关闭属性卡。

(7)Perth也创建一个传感器，将其命名为SouthSensor；

(8)打开SouthSensor的属性卡，选中Definition,下拉菜单SensorType选择Simple

Conic,ConeAngle设置为45degrees；

(9)观察2D视图里面这两个传感器的观测范围；

(10)观察3D视图，转动地球，观察这两个观测器的圆锥形观测窗口；

(11)选中SouthSensor属性卡的Definition,将ConeAngle设置为60degrees,点

击OK；

(12)在2D和3D视图中观察增大coneangle带来的影响。

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2.4计算访问窗口

STK卫星工具箱(SatelliteToolKit)提供了一个非常重要的工具一Access。下面介

绍它的使用方法：

(1)在ObjectBrowser里选中MEO；

(2)点击图标上，打开Access工具；

(3)在打开的Access页面里，点击Perth和Wallops左边的“+”号；

(4)同时选中两个传感器，然后点击compute...；

提示：利用ctr键同时选中多个目标；

(5)观察2D视图，可以看到卫星星下点轨迹在两个地面站周围变粗了。粗线表

示地面传感器可以观测到卫星的时间范围；

(6)运行动画，可以看到当传感器捕获到卫星时，卫星周围出现方框，同时会有

一条线将卫星和安装有相应传感器的地面站连接起来；

(7)观察3D窗口，传感器捕获到卫星时同样有一条线将卫星和地面站连接起来;

(8)在Access页面Reports栏，点击Access...,会显示卫星每次被传感器捕获的

时间，以及针对每个传感器的全局统计特性，例如最大/小持续时间、平均持续时间；

(9)关闭Access页面，但保持Reports页面打开。

2.5约束条件下访问窗口的计算

为了使仿真结果更加精确，STK提供了多种约束条件下捕获窗口计算方法。这里

给出两个例子。

2.5.1升交角(ElevationAngle)约束

假设当卫星处于低高度时，位于Wallops的传感器工作效果最好。这可以通过对传

感器的最大升交角进行约束来实现。

(1)双击NorthSensor,打开它的属性卡；

(2)选中：Constraints—Basic；

(3)选中：ElevationAngle—Max；

(4)在文本框里输入75deg；

(5)点击OK,观察2D视图里捕获窗口的变化；

(6)打开前面一节创建的Reports页面，点击Refresh,观察报告里

MEO—To一NorthSensor部分捕获时间的变化。

2.5.2时间约束

针对卫星MEO,假设位于Perth地面站的工作人员仅对处于当地时间9am到5pm

的捕获窗口感兴趣。为了满足他们的需求，对传感器加上时间约束。

(1)双击SouthSensor,在打开的属性卡里选择Constraints—Temporal；

(2)选中Local；

8

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(3)Start时间设置为09:00:00,End时间设置为17:00:00；

(4)点击OK；

(5)观察视图和Accessreport报告里捕获窗口的变化。

2.6报告和图表

STK提供了很多样式的报告和图表，并且可以个性化定制。这里给出了2个例子。

2.6.1纬度、经度和高度(LLAPosition)

(1)在ObjectBrowser里面选中ME0；

(2)点击图标图Rep/,打开Report工具；

(3)选中Styles—LLAPosition；

(4)点击Create…，会出现一个报表，里面列出了在整个场景时间段内的纬度、

精度、高度以及相应的速率；

(5)点击图标此13raph,打开Graph工具，选中Styles—LLAPosition,点击Create…。

2.6.2光照时间(LightingTimes)

(1)对于MEO卫星，点击图标匕Report,打开Report工具，选中Styles—Lighting

Times,点击Create...,会产生LightingTimes报告，里面列出了日光照射(directsunlight)

时间、边缘日照(penumbra)时间和处于阴影(umbra)时间；

(2)利用Graph工具创建相应的图表；

(3)比较LightingTimes和LLAPosition图表，你能看出当卫星处于阴影时高度

和光照时间的联系吗？

2.73D动画演示

STK能够以3D模式动态显示场景，此处利用安装在卫星上的传感器学习配置3D

图形属性，效果见图2-2所示。

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图2-23D动画演示

2.7.1设置地球3D属性

(1)打开前面章节创建的场景(包含两个安装有传感器的地面站，一个MEO卫

星)；

(2)点击倒返回最初的视图；

(3)如果电脑连接有互联网，可以连接到AGI公司的Globeserver服务器，该服

务器提供了很多地球模型文件(globefiles)o为了连接到该服务器，首先打开该场景的

属性卡，选择3DGraphics―Globeserver,选中EnableGlobeserverAccess,点击Reload

ConfigurationData来远程连接AGI服务器获得新的地球模型数据。点击OK关闭属性

卡；

(4)选中3D视图，点击图表-1,打开3D图形属性卡，默认页面是Globe页面;

(5)在Globe属性页面保持默认,Details页面:选中Show,高亮〃山es,

RWDB2_Intemational_Borders,RWDB2_Provincial_Borders,点击apply。

(6)Celestial页面：选中ShowUmbraCone,点击apply；Lighting页面：取消选

中£ig/z山zg,点击apply；Grids页面：在Ec即〃‘cCb"力加z/es框里选中show,点

击apply□

2.7.2设置传感器显示属性

场景里的每一个对象都可以设置它的3D属性。此处对传感器的图形属性进行设

置。

(1)对于卫星MEO,安装上传感器，其特性为：complexconic,OuterHalfAngle

为30deg；

io

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(2)打开传感器的属性页面，选中：3DGraphics-Attributes-TranslucentLines；

(3)3DGraphics-Pulse：选中Show,选中Smooth,Amplitude设置为0.5,Pulse

length设置为2000km；选择Frequencyvalue为slow；保存，观察3D视图变化。

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3利用CommConstraints设计通信链路

3.1引言

STK/Communications模块的一个基本功能是分析通信链路。能够对发射机与接收

机之间的链路进行约束来满足RF各项指标。通过设置约束来调整通信设备的属性，进

一步观察调整对链路性能的影响。在下面的练习中将设置一条地面接收机与通信卫星

发射机之间的通信链路，然后设置Comm约束条件，观察设置约束带来的影响。

首先创建一个场景，TimePeriod设置为一天，起始时间为1Jul200612:00:00.00,

结束时间为2Jul200612:00:00.00,Epoch为1Jul200612:00:00.00,TimeStep为60s。

添加一个地面站(Facility),Basic/Position属性里设置经度和纬度均为Odeg,高度为

0kmo利用OrbitWizard,定义一个圆轨道卫星，轨道倾角(Inclination)为45deg,高

度为1500km,OrbitStart>OrbitStop与TimeStep与场景设置相同。在卫星上安装一个

传感器，将其PointingType设置为Targeted,将地面站设置为它的目标对象。

小技巧：传感器将作为卫星发射机的指向平台。利用传感器指向地面站(安装有

接收机)是对跟踪天线建模的一种便捷方式。

3.2设置链路

在设置发射机和接收机具体参数之前，首先定义适用于场景中任意通信链路的环

境模块(environmentalmodel)0打开场景属性窗口，选择RF/Environment页面。对Rain

andGaseousAbsorptionModels选中Use选项，在Type选项中选择ITU-RP.618-8和

ITU-RP.676-5o这些模型复合国际电信联盟(InternationalTelecommunicationsUnion,

ITU)标准。点击OK。

为地面站添加接收机。打开接收机的Basic/Definition页面。Comm模块为发射机

和接收机提供了不同的模型类型(ModelTypes),主要体现在复杂性、输入参数等方面。

选择MediumReceiverType,这样能够配置系统温度(SystemTemperature)参数，将

增益(Gain)设置为20dB。

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在RainModel选项，选择UseRainModel,将OutagePercent设为0.01,该数字表

示一年当中由降雨造成通信中断时间的百分比，或者反过来说，也可以表示尽管存在

降雨但通信链路仍然畅通的百分比。此处将链路畅通时间占一年时间的99.99%,其它

参数（例如功率、频率）必须调整来满足该要求。

选中SystemTemperature区域的Calculate选项，点击Details…按钮打开System

Temperature窗口：

将ReceiverNoiseFigure设为L2dB,选择CalculatedAntennaNoise,选中Sun,

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Atmosphere,Rain天线噪声源选项，点击OK回到MediumReceiverModel窗口。

打开接收机的Refraction页面，从RefractionModel中选择ITU-RP.834-4o根据

ITU834.4标准的建议，当输入非折射高程角(non-refractedelevationangle)和接收机

的平均海拔高度时，该模型便计算处折射高程(refractedelevation)。点击OK,这样就

配置好了接收机的参数。

为卫星传感器安装一个发射机，打开发射机的Basic-Definition页面，将ModelType

设置为ComplexSourceTransmitter：

将Frequency设为4.5GHz,Powe设置为5dBW。点击Antenna…按钮，会出现一

个SingleBeamAntenna窗口如下：

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点击Details按钮，打开AntennaParameters窗口:

Diameter设置为Im,AntennaEfficiency设置为55%。关闭AntennaParameters和

SingleBeamAntenna窗口。

关闭ComplexSourceTransmitterModel窗口前，点击Post-Transmit按钮（在

AdditionalGainsandLosses页面），会打开Post-TransmitGains&Losses窗口：

点击Add按钮，在新出现的行左边小格内输入PointingLoss,右边小格输入-IdB。

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这是接收机和发射机的典型增益损失。点击0K,关闭Post-TransmitGains&Losses窗

口。再次点击0K,关闭Basic-Definition窗口。这样就完成了发射机的设置。

在ObjectBrowser里选中发射机，打开Access工具，将接收机设为Associated

Object,点击Compute。2D图形窗口中高亮显示的卫星地面投影曲线表示存在发射机

和接收机之间的通道，放大该区域观察。

在给定的RF准则的前提下，CommConstraints影响了访问时间，保持Access窗

口打开状态，观察访问情况的变化。

3.3设置COMMCONSTRAINTS

在Access窗口，点击Reports-Custom…按钮，显示STKReport工具栏，选择

Styles-LinkBudge-Detailed-Create...,于是得到含有大量链路性能数据的报表。

例如要查看接收各向同性功率(ReceivedIsotropicPower,RIP),该数据是发射机

有效各向同性辐射功率(EffectiveIsotropicRadiatedPower,EIRP)与接收机接收到的

传播信号(大气、雨水、自由空间会造成传播损失)的乘积。根据LinkBudgetReport,

该数据大致在-156到-135dBW范围内。

保持报表窗口打开。

打开接收机的Constraints-Comm页面。

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3.3.1接收各向同性功率约束

假设不考虑RIP值低于-140dBW的链路。选中RcvdIsotropicPower-Min,输入-140,

点击Apply。在2D图形窗口中，会看到刚才设置的约束对访问时间有很大的影响。回

到LinkBudget报表，点击Report-Refresh,观察RIP值的变化，发现小于-140dBW的

条目消失了。

在关闭最小RIP、设置其它约束之前，考虑在保持该最小约束的前提下如何提高链

路性能。一种方法是通过增大高斯天线的直径来提高发射机增益，EIRP（发射机增益

与功率的乘积）也会增大。前面提到，天线数据是在SingleBeam

Antenna-Details...-AntennaParameters里设置。将Diamter设置为1.5m,点击OK关闭

AntennaParameters和SingleBeamAntenna窗口，在ComplexSourceTransmitterModel

窗口里点击Apply。此时2D图形窗口会有明显的变化，刷新LinkBudget报表，会发

现有新的时间条目出现。

注意：在接下来的操作前，将Diameter更改回1.0m,并取消RIP约束。

不幸的是，如果卫星已经发射出去，此时没有办法改善RIP值。如果想通过提高接收

机增益来改善RIP值是不可行的，因为RIP值与发射机没有联系。因此在发射昂贵的

硬件之前先要进行各项分析。

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3.3.2多普勒频移约束

当卫星靠近接收机时接收频率会增大，远离接收机时接收频率会减小，对接收机

进行多普勒频移约束就是让接收机具有适应接收频率变化的能力。前面设置发射机的

频率为4.5GHz。在LinkBudgetReport中查看接收机接收到的频率，会发现接收机必

须要适应频率变化+/-80KHZ,这样才能避免接收机未能捕捉到输入信号。

假设接收机在某一方向上具有能够适应输入频率变化50KHz的能力，现在对该约

束进行建模。在Constraints-Comm页面中的DopplerShift项，Min值设为-50KHz,Max

值设为50KHz，点击Apply。在2D图形窗口中将看到显著变化。实际上，当关闭Min

和Max选项时，当卫星接近和离开地面站时多普勒频移约束也会表现出来。刷新Link

BudgetReport会发现，输入频率小于4.49995和大于4.50005的时间项被剔除了。

注意：在进行下面的练习前取消多普勒频移约束。

3.3.3通量密度约束

通量密度(FluxDensity)单位通常为dB(watts/m2),表达式为发射机辐射功率(会

由于大气损耗而衰减)除以球面积(其半径为发射机和接收机间的距离)，即

(EIRP)4

I=

首先取消CommConstraints中的约束项，然后刷新LinkBudgetReporto通量密度

输入值范围大致在-122~-100dB(watts/m2)之间。

假设希望剔除链路中通量密度小于-UOdB(watts/m2)的时间项。打开接收机的

Comm-Constraints页面，将FluxDensity中的Min值设为-110,点击Applyo观察2D

图形窗口和LinkBudgetReport中的变化。

如同前面所说的RIP一样，通量密度并不能通过配置接收机参数而得到改善，但

能通过配置发射机参数而得到改善。可以尝试增加发射机功率，或者在PostTransmit

Gains&Losses窗口中取消-IdB指向损耗(pointingloss)。

注意：在进行下面的练习前取消通量密度约束，将发射机参数改为原来设置。

3.3.4载波噪声比约束

评估链路性能的一个重要指标是载波噪声比(CarriertoNoiseRatio,CNR),不考

虑带宽时的表达式为：

=5"塾

kJ

其中，4表示自由空间衰减，〃表示大气衰减，声表示接收机增益，k=1.373x1023

W/KHz表示Boltzman常数，T约表示等效噪声温度。

考虑带宽时的表达式为

,(EIRP)LpLag.

k工口BQ

其中，表示参考带宽。

本文练习中，C/No和C/N分别大致在65~92dB/Hz、-10~18dB之间。可以对链路

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的CNR进行约束，例如，将C/N的Min值设为10dB,然后在2D图形窗口和LinkBudget

Report中观察变化。

与链路其它性能相比，C/No和C/N能够对接收机和发射机参数进行调整而得到改

进。接收机增益出现在上面两个式子的分子中。保留前面的C/N约束设置，在接收机

的Basic-Definition页面中试着调整下面的参数(每次调整一项参数，调整下一个参数

前先复原前一个参数)，注意2D图形窗口中的变化：

♦将Gain增大至25dB；

♦点击SystemTemperature页面的Details…按钮，将ReceiverNoiseFigure减小至

IdB；

♦添加(右手或左手，RightHandorLeftHand)圆极化(CircularPolarization)；

♦在AdditionalGainsandLosses页面，添加一项Pre-Receive增益，大小为IdB(名

字任意)；

♦在RainModel中，将OutagePercent增大至0.03。

将RainModel值改回0.01,C/N其它约束保留。

调整发射机的ModulationType参数，例如默认的调制类型为BPSK,谱比为

2Hz/bps,将其改为MSK,谱比为1.5Hz/bps,将会延长访问时间。如果更改为QPSK

或者OQPSK,谱比为IHz/bps,访问时间会更长。

注意：在进行下面的练习前，复原发射机参数，取消C/N约束。

3.3.5数字通信系统约束

对于数字通信系统，接收机的比特能量与噪声之比定义为

&/N「=(C/Nn)T

其中T为比特周期。刷新LinkBudgetReport(取消其它的Comm约束)，在此处

练习中通信链路的Eb/No值大致在-6~20范围。将Eb/No的Min值设为15观察变化。利

用CNR,链路性能能够通过配置接收机和发射机参数而得到改进。例如，打开发射机

Basic-Definition页面，将DataRate减小为12Mbps,这样比特周期T会增加，从而改

善Eb/Noo

注意：在进行下面的练习前取消Eb/No约束，将DataRate改为原来设置。

数字通信系统的链路性能通过BitErrorRate(BER)直接测量，BER表示接收到

错误比特的概率。根据LinkBudgetReport,此处的练习中BER大致在IxlO^.SxlO-1

范围。期望的BER为IOS将该值输入到BERMax约束中，观察结果的变化。BER

为Eb/No的函数，可以通过配置发射机和接收机的参数而得到改进，包括减小DataRate。

注意：在进行下面的练习前取消BER约束。

3.3.6折射高度和距离约束

可以对发射机相对于接收机的折射高度和距离(refractedelevationandrange)进行

约束限制。打开接收机的Basic-Refraction页面，选中UseRefractioninAccess

Computationso

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打开Basic-Constraints页面，将ElevationAngle项的Min值设为5dego

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这样就剔除了当卫星非常接近地平线时的通信链路，此时由于信号要在大气层内

传输很长距离因此链路是不可靠的。点击Apply,注意2D图形窗口中的变化，可以发

现当卫星刚升起或者快要落下时的星下点轨迹直接被去掉了。

折射高度和距离的计算取决于选择的折射模型。前面选择的是与经验相吻合的ITU

模型。打开接收机的Basic-Refraction页面，选中EffectiveRadiusMethod模型，该模型

能够计算由于折射引起的高度的变化。将EffectiveRadiusFactor设为1.33。

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点击Apply。2D图形窗口中，满足该高度约束的卫星的星下点轨迹较之前采用的

ITU经验模型要多一些。

注意：当选中UseRefractioninAccessComputations时，所有对象的可视性

(visibility)、距离(range)>仰角(elevationangle)和链路天线视轴角(linkangleofthe

antennaboresight)在计算时都会将折射考虑在内。

当选中UseRefractioninAccessComputations时，每个接收机的访问计算都需要考

虑折射因素。

继续下面的练习前，改回原来的ITU模型，取消RefractedElevation约束。

3.3.7系统噪声温度约束

在接收机的Constraints-Noise页面，可以设置系统噪声温度(SystemNoise

Temperature)的最小和最大值。可以在接收机的Basic-Definition页面中的噪声选项选

择总的系统温度，或者设置下面窗口中的噪声选项覆盖掉前面的噪声设置：

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打开噪声(Noise)页面，将TotalSystemTemperature中的Max值设为200K。观

察2D图形窗口中的变化。

与前面做的约束限制练习不同的是，由于系统噪声温度限制所影响到的访问时间

并不能通过增大发射机功率或者接收机增益而改善。但是，打开接收机的

Basic-Definition页面，任意选择极化(Polarization)类型，在2D图形窗口中将会看到

访问时间明显延长，这是由于极化会将系统噪声温度降至原来的一半。

做下面的验证：将接收机的极化(Polarization)类型改回原来的状态(无极化方

式)，取消噪声约束，刷新LinkBudgetReport,注意Tatmos值和T面值。然后选择极化

(例如Linear),点击Apply然后刷新报告，发现噪声值大致为原来的一半。

3.4经常用到的C/NConstraints

为了满足性能要求，通常情况下接收机厂家对C/N最小值都有相应要求。在通信

链路设计中在接收机和发射机之间添加C/N约束能够对此进行建模。例如，厂家要求

为了使接收机正常工作，C/N最小值至少为5dB,于是可以在C/NConstraints中将Min

值设为5,这会减少接收机和发射机访问周期的个数和长度。

为了让链路拥有更高的质量和可靠性，在满足其它性能要求的基础上可以考虑增

加衰落余量(fademargin)指标，方法是在C/NConst