李春陽，張廷華，田磊源

（1.航天工程大學(xué)，北京 101416；2.96945 部隊(duì)，河北 保定 072653）

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，各個(gè)國家的航天活動(dòng)逐漸增加，對于空間優(yōu)勢的爭奪日漸激烈，空間目標(biāo)監(jiān)視日益重要?？臻g目標(biāo)監(jiān)視是爭奪空間優(yōu)勢的前提，隨著航天活動(dòng)的增多，軌道預(yù)報(bào)對于掌握空間目標(biāo)的位置與運(yùn)動(dòng)特性十分重要。軌道預(yù)報(bào)是指利用軌道根數(shù)計(jì)算航天器未來預(yù)期時(shí)間的運(yùn)行軌道，對于航天任務(wù)分析、空間目標(biāo)碰撞預(yù)警等具有重要作用[1]。

STK（Satellite Tool Kit）是由美國分析圖形公司（Analytical Graphics，Inc.，AGI）開發(fā)的用于航天領(lǐng)域仿真設(shè)計(jì)的商業(yè)化分析軟件，其具有成熟的三維顯示模塊、鏈路分析模塊、通信分析模塊、接近分析模塊、覆蓋分析模塊、高分辨率數(shù)字地圖等功能，但其獲取的數(shù)據(jù)類型非常繁雜，價(jià)格比較昂貴，且存在技術(shù)封鎖，用戶無法控制源代碼。STK 能夠?qū)崿F(xiàn)對衛(wèi)星、飛機(jī)、艦船、車輛以及地面觀測站及其傳感器等各系統(tǒng)的建模和仿真分析，有可視化窗口，提供多種三維數(shù)據(jù)模型，具有完備的、可在線更新的數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)字/半實(shí)物仿真，具有強(qiáng)大的交互式圖文輸出能力[2-6]。

Matlab GUI 是可視化的軟件顯示平臺，通過STK與Matlab 的聯(lián)合仿真，根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)進(jìn)行程序書寫，設(shè)計(jì)布局合理、功能清晰，具有形象生動(dòng)的衛(wèi)星目標(biāo)軌道預(yù)報(bào)用戶界面，可實(shí)現(xiàn)仿真功能以及信息的高效利用。

1 STK/Matlab 仿真實(shí)現(xiàn)

1.1 STK/Matlab 互聯(lián)設(shè)置

STK 的Connect 模塊為第三方應(yīng)用程序提供了擴(kuò)展接口，可以與Matlab 聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)第三方應(yīng)用程序向STK 發(fā)送指令并接收STK 數(shù)據(jù)，完成信息交互。STK 將通信過程封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫，用戶只需調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)與STK 的信息傳遞，同時(shí)，仿真連接著STK 和STK/VO，可以實(shí)時(shí)觀察事件[7-9]。

STK 軟件本身的數(shù)據(jù)處理能力較弱，Matlab 是由美國MathWorks 公司出品的科學(xué)計(jì)算常用的系統(tǒng)軟件，通過兩個(gè)軟件聯(lián)合仿真分析可以取長補(bǔ)短。利用STK 與Matlab 聯(lián)合仿真需要對兩個(gè)軟件進(jìn)行互聯(lián)設(shè)置，在正確安裝STK 與Matlab 后，在Matlab 中刷新路徑，獲取配置文件。

在進(jìn)行STK 與Matlab 連接時(shí)，分別打開兩個(gè)軟件，在Matlab 中執(zhí)行如下命令：

stkInit；%建立初始連接

若出現(xiàn)以下提示，則表示互聯(lián)成功：“警告:ConnectHost:setting default connection to localhost:5001

警告:mexConnect:Connecting to localhost:5001”。

STK 與Matlab 最多可同時(shí)創(chuàng)建兩個(gè)連接，因此每次實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞且在通信完成后，通常需要及時(shí)關(guān)閉連接，以免下次運(yùn)行重新建立時(shí)連接個(gè)數(shù)過多而出現(xiàn)錯(cuò)誤連接。

1.2 STK/Matlab 仿真設(shè)置

在STK 軟件中為每個(gè)行星都定義了相對應(yīng)的坐標(biāo)系，這些坐標(biāo)系的原點(diǎn)都在中心天體的質(zhì)心上，而每個(gè)天體的坐標(biāo)系不同[10]。J2000 地心慣性坐標(biāo)系是慣性坐標(biāo)系，基于牛頓力學(xué)的衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程在該坐標(biāo)系描述，以地心為中心度量的其他天體運(yùn)動(dòng)參數(shù)也在該坐標(biāo)系下描述[11]。

在衛(wèi)星目標(biāo)參數(shù)設(shè)置時(shí)同時(shí)確定空間坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇，其函數(shù)為：

其中，objPath 代表對象名稱，propagator 代表傳播函數(shù)，coordSystem 代表坐標(biāo)系名稱，tStart 和tStop代表仿真的開始和結(jié)束時(shí)間，dt 代表時(shí)間步長，semimajorAxis、eccentricity、inclination、argOfPerigree、RAAN、meanAnomaly 為衛(wèi)星軌道六根數(shù)。

設(shè)置觀測站位置信息函數(shù)為：

其中，acPath 代表對象路徑，llaPos 為觀測站的位置信息，包括地理經(jīng)度、緯度以及水平高度。在觀測站添加傳感器，根據(jù)實(shí)際觀測系統(tǒng)設(shè)置傳感器，因此設(shè)置傳感器類型為矩形傳感器。

2 衛(wèi)星過境預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)

2.1 衛(wèi)星過境功能界面設(shè)計(jì)

在測控資源的調(diào)度過程中，測站對目標(biāo)的跟蹤預(yù)報(bào)為調(diào)度制定者提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)顯示了測站對衛(wèi)星的觀測時(shí)間段內(nèi)的時(shí)間窗口、方位角、仰角和距離等相關(guān)信息[12-13]。用戶獲取衛(wèi)星的過境報(bào)告，需要利用STK 的Access 功能建立空間目標(biāo)與地面站間的聯(lián)接關(guān)系。訪問分析工具Access 是STK 的核心分析工具，可以用于計(jì)算任何對象之間的可視狀態(tài)，即一個(gè)對象是否可以看到另一個(gè)對象，計(jì)算對象之間滿足要求的時(shí)間間隔。為滿足衛(wèi)星過境數(shù)據(jù)需求，基于Access 分析工具可實(shí)現(xiàn)測站對衛(wèi)星的可視狀態(tài)分析。

利用Matlab GUI 對用戶界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，在界面添加相應(yīng)的組件按鈕，并利用ActiveX 實(shí)現(xiàn)仿真場景的可視化顯示。主界面主要分為左右兩側(cè)，左側(cè)主要進(jìn)行觀測時(shí)間、位置坐標(biāo)等參數(shù)輸入，右側(cè)為可視化顯示窗口，供用戶實(shí)時(shí)查看事件響應(yīng)。子界面與主界面沿用同樣設(shè)計(jì)風(fēng)格，界面功能主要包括獲取目標(biāo)TLE 文件、計(jì)算目標(biāo)過境預(yù)報(bào)以及獲取目標(biāo)天文坐標(biāo)，其中主界面用于多目標(biāo)可見性分析，子界面用于單目標(biāo)可見性分析。

2.2 目標(biāo)庫建立

兩行軌道數(shù)據(jù)(Two-Line Element,TLE) 是由北美空防司令部發(fā)布的空間目標(biāo)（包括人造衛(wèi)星、航天器、飛行體和火箭碎片）的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，以開普勒軌道參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系確定空間目標(biāo)的時(shí)間、坐標(biāo)、方位、速度等各項(xiàng)參數(shù)，具有極高的精度[16]。

TLE 兩行星歷文件參數(shù)較少但能夠保證精度，因此利用Space-Track 網(wǎng)站、CelesTrak 網(wǎng)站以及Heavens-Above 網(wǎng)站查詢選取在軌衛(wèi)星、空間站等空間目標(biāo)軌道的兩行軌道根數(shù)，以此作為空間目標(biāo)庫的數(shù)據(jù)。目前空間目標(biāo)庫有歷年來各國發(fā)射的各類衛(wèi)星、空間站等包含星鏈衛(wèi)星在內(nèi)的空間目標(biāo)800余個(gè)，且以TLE 星歷文件的格式存儲。

2.3 衛(wèi)星過境仿真流程

仿真通過Matlab 指令函數(shù)控制STK 執(zhí)行命令，建立新場景及新的對象，包括衛(wèi)星、觀測站以及傳感器。利用界面輸入觀測時(shí)間、觀測地點(diǎn)、傳感器參數(shù)以及衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)器類型參數(shù)等信息。仿真實(shí)現(xiàn)流程如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)星過境預(yù)報(bào)仿真流程

2.4 衛(wèi)星過境仿真實(shí)現(xiàn)

用戶界面功能函數(shù)指令通過Connect 模塊的協(xié)議路徑產(chǎn)生相關(guān)信息以及接收各種診斷信息的反饋，以消息的形式反饋給用戶，主要利用函數(shù)AgUtMsg()和AgUtMsgSetMsgFunc()進(jìn)行運(yùn)作。其中，AgUtMsg()用于傳遞消息，而AgUtMsgSetMsgFunc()是用于更改消息處理函數(shù)。利用模塊內(nèi)部AgCon ProcessSTKCmd()函數(shù)向STK 發(fā)送指令，建立新場景及新的對象，包括衛(wèi)星、觀測站以及傳感器等對象。根據(jù)界面用戶輸入信息，分別對相應(yīng)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置[15]。

在仿真過程中，首先設(shè)置預(yù)期觀測時(shí)間和地點(diǎn)，設(shè)置傳感器參數(shù)，若用戶需要選擇在預(yù)期時(shí)間、預(yù)期地點(diǎn)內(nèi)可觀測的已知空間合作目標(biāo)時(shí)，可直接調(diào)用空間目標(biāo)庫中衛(wèi)星軌道信息，通過計(jì)算獲取在預(yù)設(shè)參數(shù)條件下空間目標(biāo)的可見性結(jié)果。當(dāng)空間目標(biāo)庫中所有目標(biāo)在當(dāng)前參數(shù)條件下不能被觀測到時(shí)，重新返回設(shè)置相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行再次仿真計(jì)算；當(dāng)空間目標(biāo)庫中目標(biāo)在當(dāng)前參數(shù)條件下可以被觀測到時(shí)，在可見衛(wèi)星中選擇需要觀測的目標(biāo)，通過仿真計(jì)算進(jìn)行可見性分析。若用戶需要自行設(shè)置軌道信息，則可選擇調(diào)用外部TLE 文件，或者直接輸入軌道要素，即軌道半長軸、偏心率、軌道傾角、近地點(diǎn)幅角、升交點(diǎn)赤經(jīng)以及真近點(diǎn)進(jìn)行仿真計(jì)算。當(dāng)有多顆衛(wèi)星時(shí)，利用主界面功能對衛(wèi)星進(jìn)行可見性分析，從中篩選一顆可見過境衛(wèi)星進(jìn)行仿真跟蹤，實(shí)現(xiàn)過境預(yù)報(bào)。

3 過境數(shù)據(jù)獲取及分析

在衛(wèi)星過境預(yù)報(bào)界面進(jìn)行操作，運(yùn)行程序可以觀察到三維仿真顯示圖，利用Matlab 抓取STK 數(shù)據(jù)，其相對應(yīng)函數(shù)為：

其中，objPath 代表對象的路徑，objPath 代表分析目標(biāo)的路徑，rptStyle 代表所需獲取報(bào)告的類型。

獲取兩行星歷文件的方式有兩種，一種為單點(diǎn)式，即選取仿真時(shí)間內(nèi)的某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，獲取兩行星歷文件；另一種為軌跡采樣式，即是在全時(shí)段內(nèi)獲取兩行星歷文件。單點(diǎn)式獲取星歷誤差較大，因此選擇第二種方式，以獲取精度較高的星歷文件用于軌道預(yù)報(bào)分析。過境預(yù)報(bào)是指通過衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)，計(jì)算出衛(wèi)星在未來某一段時(shí)間內(nèi)通過預(yù)定區(qū)域的弧獲取過境數(shù)據(jù)，使用函數(shù)如下：

其中，accObjPath 代表分析目標(biāo)的路徑。該報(bào)告包括過境時(shí)間、方位角以及高度角，部分報(bào)告如圖2 所示。以衛(wèi)星00733 為仿真對象，與STK 仿真數(shù)據(jù)、國家天文臺的軌道預(yù)報(bào)軟件獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖3、4 所示。

圖2 衛(wèi)星過境預(yù)報(bào)部分?jǐn)?shù)據(jù)截取

圖3 過境預(yù)報(bào)功能與STK誤差對比

從圖3 與圖4 可以看出，三種軟件仿真數(shù)據(jù)的差值在角秒量級，精確度較高，且主要誤差為角度與弧度之間轉(zhuǎn)換無效位造成。利用STK/Matlab 聯(lián)合仿真的過境數(shù)據(jù)可以用于引導(dǎo)觀測設(shè)備實(shí)現(xiàn)精確觀測，縮小目標(biāo)搜索空域范圍，減小目標(biāo)捕獲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速尋找目標(biāo)進(jìn)行跟蹤觀測的目的。

圖4 過境預(yù)報(bào)功能與國家天文臺軟件誤差對比

4 結(jié)束語

文中利用基于STK/Matlab 聯(lián)合平臺實(shí)現(xiàn)觀測站對衛(wèi)星的跟蹤預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)對仿真過程的可視化顯示。通過仿真以及計(jì)算分析，快速準(zhǔn)確地獲取衛(wèi)星目標(biāo)過境預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)以及可見時(shí)間窗口，為進(jìn)行實(shí)際空間目標(biāo)觀測跟蹤奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。該設(shè)計(jì)充分利用聯(lián)合平臺的優(yōu)勢，利用Matlab GUI 將該功能軟件化，避免了STK 源代碼無法更改的問題，可以將該功能集成到其他軟件系統(tǒng)中，充分實(shí)現(xiàn)有限信息的充分利用。