丁學勇，崔津華

(西安電子科技大學電子信息攻防對抗與仿真重點實驗室，陜西西安 710071)

STK(Satellite Tool Kit)是航天領域系統(tǒng)分析可視化工具，可用于航天任務整個周期包括概念、需求、設計、制造、測試、發(fā)射、運行和應用等，其可支援、防御和情報任務。衛(wèi)星仿真軟件在軍事任務中體現(xiàn)出越來越多的優(yōu)勢，比如有較真實的3D和2D場景顯示、集成化的仿真模塊等，其分析仿真結(jié)果被大量實驗證實，應用領域廣泛［1］。

1 STK二次開發(fā)仿真模型的建立算法

利用STK提供的高級可視化模塊、姿態(tài)可視化、軌道機動分析、覆蓋分析、鏈路分析、雷達分析、分布式交互仿真等模塊化工具，能夠快速開發(fā)解決方案。將STK提供的二維和三維引擎STKX作為COM組件嵌入在用戶軟件中［2－5］，再利用 STK提供組合命令與STK/X進行命令交互，用 STK提供的函數(shù) Execute Command(CString str)向STK/X發(fā)送交互命令，交互命令［6－7］可以在 STK 安裝目錄 X:/STK9/Help/connectCmds.chm中查找到。引擎交互模型如圖1所示。

圖1 應用程序與STK引擎交互模型

VC與STK引擎的數(shù)據(jù)交互，主要提供用戶應用程序與STK/X COM組件間建立數(shù)據(jù)交互鏈接。STK/X組件提供了數(shù)據(jù)驅(qū)動的接口，可動態(tài)實時地根據(jù)數(shù)據(jù)來顯示衛(wèi)星模型的各種狀態(tài)，使用STK/VO組件，按照組件的接口程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，并實時顯示在STK提供的3D和2D引擎上。

(1)VC向STK/X傳送數(shù)據(jù)接口。VC向STK/X發(fā)送數(shù)據(jù)，主要利用STK/X提供的agstkxapplication類中的函數(shù)ExecuteCommand()，根據(jù)需要，將命令和數(shù)據(jù)按照STK的命令格式組成字符串，作為 Execute Command()的參數(shù)執(zhí)行。

(2)STK/X向VC傳遞數(shù)據(jù)接口。為獲取衛(wèi)星在軌運行的實時數(shù)據(jù)信息，需加入STK/X控件的消息函數(shù)OnAnimUdate(double TimeEpSec)，其函數(shù)中的參數(shù)TimeEpSec為當前歷元。

1.1 測控幾何計算方法

地面站與空間飛行器間的幾何關系如圖2所示，空間飛行器在地球上的投影為星下點K。

圖2 仰角距離幾何示意圖

測控地面站到空間飛行器間距離為d;地球半徑為Re;地面測控站仰角為E;衛(wèi)星俯角為α，地面站T坐標(x1，y1，z1)，空間飛行器 S 坐標(x2，y2，z2)，則距離d、仰角E、衛(wèi)星俯角α計算公式為

設地面站的經(jīng)緯度分別為θL、φL;空間航天器星下點K的經(jīng)緯度分別為 θS、φS;其地星夾角為 θ，則有關系

方位角A的計算與地面站和航天器星下點的相對位置有關，對于北半球地面站，衛(wèi)星在南偏東

在計算距離、仰角和方位角時，涉及到航天器星下點軌跡的計算，相關公式為:星下點緯度

其中，i為航天器軌道的傾角;μ表示軌道面內(nèi)升交點與航天器之間的夾角。星下點經(jīng)度

其中，Ω為升交點赤經(jīng);S(t)為Greenwich平恒星時。

1.2 測控鏈路計算方法

(1)鏈路余量計算。設上行鏈路為地－星鏈路，下行鏈路為星－地鏈路。地面站的發(fā)射功率Pt，發(fā)射增益Gt，信道的碼速率Rb，自由空間的損耗Lfs，發(fā)射設備的損耗Lt，大氣損耗和極化損耗為L∑，接受方G/T值Gt/R，波爾茲曼常數(shù)K，接收設備損耗為Lr，單位碼元的信噪比為Eb/N0，那么鏈路余量M的計算公式為

M=Pt+Gt－Rb－Lfs－L∑+K+Gtr－Lr－Eb/N0(11)式中所有的參數(shù)單位均為 dB，波爾茲曼常數(shù) K≡228.6 dBJ/K，地面測控發(fā)射設備損耗和空間飛行器接收設備損耗根據(jù)經(jīng)驗值設定，大氣損耗與鏈路的頻率大小有關，單位碼元信噪比Eb/N0與發(fā)射/接收調(diào)制方式和誤碼率相關。自由空間的損耗Lfs可通過下式得到Lfs=20log(4πR/λ) (12)式中，R為通信最遠距離;λ為通信時的波長。

(2)仿真模型中參數(shù)設置。利用STK的Access模塊可以生成Access報告，設置好地面測控站發(fā)射機的發(fā)射功率和頻率，空間飛行器的接收機設置好接收門限。

地面站需設置好地面站名字、地面站所在的地理坐標經(jīng)緯度和高度、地面站測控天線的仰角、地面站發(fā)射天線載波頻率、天線發(fā)射功率及天線接收門限值，具體設置如圖3所示。

圖3 地面站屬性設置界面運動

衛(wèi)星的基本參數(shù)設置界面如下，需要設置的參數(shù)有衛(wèi)星的軌道6參數(shù)、衛(wèi)星上天線的載波頻率和天線發(fā)射功率及門限值。

設置好地面站和衛(wèi)星參數(shù)后，在仿真時間內(nèi)根據(jù)鏈路裕量計算公式可計算出地面站與衛(wèi)星相距的最大與最小通視距離、接收對象的最小接收門限、發(fā)射對象的最小發(fā)射功率及對象間的門限裕量值。

圖5 衛(wèi)星到地面站的裕量計算結(jié)果界面

2 測控鏈路仿真結(jié)果

利用STK提供的Access模塊，根據(jù)上述地面站和衛(wèi)星參數(shù)設置，加上地面站仰角限制參數(shù)，計算出每個時刻地面測控站對空間飛行器的門限裕量，并實時顯示測控鏈路在仿真時間段內(nèi)的測控覆蓋范圍。地面測控站Fac的測控范圍2D視圖如圖6所示，地面站覆蓋區(qū)域的曲線是仿真時間段內(nèi)衛(wèi)星在2D等距圓柱視圖中的投影。

圖6 地面站Fac與衛(wèi)星Sat1測控范圍2D視圖

仿真起始時間2014－7－1 04:00:00到仿真結(jié)束時間2014－7－4 04:00:00段內(nèi)可視評估顯示，如圖7所示。

圖7 地面站與衛(wèi)星Sat1和衛(wèi)星Sat2可視評估時間段

地面站Fac與衛(wèi)星Sat1每隔1 s產(chǎn)生的AER(俯仰角距離)報告如圖8所示，第1列是當前仿真時刻值，第2列是俯角單位是度，第3列是仰角單位是度，第4列是當前時刻對應的距離。

圖8 地面站Fac與衛(wèi)星Sat1的俯仰角距離

3 結(jié)束語

修改地面測控站測控單個約束條件，方便分析地面站約束條件對測控地面站與單個空間飛行器的可測控弧段或測控覆蓋率的影響。利用地面測控站為空間飛行器提供測控數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中看出其測控覆蓋率較低，可通過部署在不同地理位置的地面測控站組成的測控網(wǎng)來提高測控覆蓋率。

［1］ 于志堅．我國航天測控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．中國工程科學，2006，8(10):42 －46．

［2］ 丁溯全，張波．STK在航天任務仿真分析中的應用［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2011．

［3］ 楊穎，王琦．STK在計算機仿真中的應用［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2005．

［4］ 丁哲峰，張傳玉．基于STKX組件的空間仿真模式［J］．四川兵工學報，2009，30(10):141 －143

［5］ 張云杉，張永生．STK/Connect模塊分析與應用［J］．測繪學院學報，2001(18):29－32．

［6］ 胡偉，王劼．基于STK二次開發(fā)的全球?qū)Ш叫亲渴鹧芯浚跩］．系統(tǒng)仿真學報，2008，20(23):6560 －6562．

［7］ 楊建國，張建軍，呂琳．VC集成STK實現(xiàn)可視化場景仿真［J］．遙測遙控，2012，33(4):50 －54．

［8］ 孫平．空間作戰(zhàn)飛行器測控指揮任務建模與仿真研究［D］．長沙:國防科技大學，2005．

［9］ 北京宏宇航天技術應用公司．STK培訓教材［M］．北京:北京宏宇航天技術應用公司，2009．