《衛(wèi)星通信與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)》課件-第17章

第17章STK仿真軟件17.1STK的主要功能17.2STK具體模塊介紹17.3STK仿真基礎(chǔ)17.4STK仿真和應(yīng)用17.5本章小結(jié)

17.1STK的主要功能

17.1STK的主要功能STK的主要功能有:(1)提供分析引擎用于計算數(shù)據(jù),并可顯示多種形式的二維地圖,顯示衛(wèi)星、運載火箭、飛機、導(dǎo)彈、地面車輛和其他目標對象等。(2)擁有三維可視化模塊,可以為STK和其他附加模塊提供領(lǐng)先的三維顯示環(huán)境。

(3)STK基本模塊的核心能力是生成位置和姿態(tài)數(shù)據(jù),進行可見性及遙控器覆蓋分析。

(4)STK專業(yè)版擴展了STK的基本分析能力,包括附加的軌道預(yù)報算法、高級的約束條件定義、姿態(tài)定義、遙感器類型、坐標類型和坐標系統(tǒng),以及衛(wèi)星、城市、地面站和恒星數(shù)據(jù)庫。

(5)對于特定的分析任務(wù),STK提供了附加模塊,可以解決通信分析、雷達分析、覆蓋分析、軌道機動、精確定軌、實時操作等問題。

STK基本版的主要功能如下:

(1)分析能力。

(2)計算軌道的彈道。

(3)衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫。

(4)可見性分析。

(5)傳感器分析。

(6)姿態(tài)分析。

(7)可視化結(jié)果。

(8)提供詳盡的數(shù)據(jù)報告。

(9)接口定制。

(10)多種操作系統(tǒng)平臺可選。

17.2STK具體模塊介紹

STK的具體模塊如表17-1所示。

17.2.1STK基礎(chǔ)模塊

1.STK/PRO專業(yè)版

AGI的免費STK標準版提供了執(zhí)行基本空間分析任務(wù)的能力,STK/PRO專業(yè)版則提供了目前最強大的航天分析軟件包的擴展分析能力,包括額外的傳感器方位和仰角遮蔽功能。STK/PRO是一個成熟的航天分析軟件。

STK/PRO的關(guān)鍵特性如下:

(1)額外的坐標類型、系統(tǒng)矢量、角度;

(2)可視分析約束條件;

(3)姿態(tài)建模;

(4)擴展的傳感器建模;

(5)高精度軌道預(yù)報器(HPOP);

(6)長期軌道預(yù)報(LOP);

(7)生命周期工具;

(8)區(qū)域目標;

(9)擴展的數(shù)據(jù)庫。

2.STK/VO視覺選項

STK/VO是一個動態(tài)的三維視覺環(huán)境,它顯示來自STK的所有場景信息。該工具通過顯示逼真的航天、航空、陸地景象,提供復(fù)雜空間任務(wù)的模擬視圖。

STK/VO已經(jīng)成為STK三維環(huán)境的核心,可以應(yīng)用于所有的航天分析和視覺任務(wù)中。要擴展STK/VO的視覺性能,AGI公司還提供了STK/AVO和ATK/VOEI。

STK/VO的關(guān)鍵特性如下:

(1)不同資源的環(huán)境認知;

(2)靈活的動態(tài)數(shù)據(jù)顯示;

(3)姿態(tài)可視化;

(4)多重軌道構(gòu)成可視化;

(5)空間場景建模;

(6)分布式、實時操作可視化和支持;

(7)可升級的三維模型;

(8)動畫演示和視頻輸出;

(9)高分辨率地球影像。

3.STK/AdvancedVO(STK/AVO)高級視覺選項

STK/AVO使得用戶得到先進的視覺效果和最優(yōu)化輸出。

STK/AVO的關(guān)鍵特性如下:

(1)完整的三維渲染;

(2)高分辨率的輸出圖像;

(3)專業(yè)品質(zhì)動畫和視頻產(chǎn)品的視覺路徑編輯器;

(4)地形可視化;

(5)AzEI遮蔽產(chǎn)生工具;

(6)區(qū)域生成工具;

(7)太陽能電池板功率;

(8)傳感器遮蔽;

(9)星際任務(wù)可視化。

17.2.2分析模塊

1.STK/Astrogator軌道機動模塊

STK/Astrogator是一個航天器操作人員和任務(wù)分析小組使用的交互的軌道機動和太空任務(wù)計劃工具,從使用定制的推力模型、目標星歷、航天器姿態(tài)到解決和優(yōu)化方案,該工具均提供了廣泛的靈活性。該模塊在STK中完成集成。

STK/Astrogator的關(guān)鍵特性如下:

(1)任務(wù)控制序列

(2)飛行分析和支援;

(3)組件技術(shù);

(4)任務(wù)控制理論的高真實度模型;

(5)太空任務(wù)的多視角觀測。

2.STK/Attitude姿態(tài)分析模塊

STK/Attitude是集成STK解決方案的一個動態(tài)姿態(tài)建模和仿真組件。它提供了系統(tǒng)工程工具,與STK的經(jīng)過驗證的星歷表生成功能結(jié)合,任務(wù)設(shè)計者得以評估真實的姿態(tài)輪廓。

STK/Attitude的關(guān)鍵特性如下:

(1)多個片斷;

(2)三維分析;

(3)姿態(tài)仿真。

3.STK/Chains鏈路分析模塊

STK/Chains模塊允許用戶開發(fā)目標網(wǎng)絡(luò)用于視覺相關(guān)分析。鏈路是指一組STK對象,如衛(wèi)星、設(shè)施、船只和傳感器等,按照一定次序建立通信或者數(shù)據(jù)傳輸路徑。

STK/Chains的關(guān)鍵特性如下:

(1)多級分析;

(2)衛(wèi)星星座分析;

(3)地面網(wǎng)絡(luò)的可見時間;

(4)復(fù)雜關(guān)系的可視化展示;

(5)全面的數(shù)據(jù)報告。

4.STK/Comm通信分析模塊

STK/Comm使得用戶可以定義和分析詳細的通信系統(tǒng)。STK/Comm將產(chǎn)生詳細的鏈接報告和圖表,使用二維和三維地圖顯示動態(tài)的系統(tǒng)性能,考慮了詳細的降雨模型、大氣損耗和RF干擾源。

STK/Comm的關(guān)鍵特性如下:

(1)動態(tài)鏈接性能分析和建模;

(2)RF環(huán)境建模;

(3)等高線;

(4)多波束天線建模;

(5)干擾分析;

(6)定制輸入。

5.STK/ConjunctionAnalysisTools(STK/CAT)接近分析模塊

STK/CAT的關(guān)鍵特性如下:

(1)空前的計算速度;

(2)(接近分析的)錯誤橢圓;

(3)發(fā)射窗口分析;

(4)(接近)結(jié)果報告;

(5)激光排除。

6.STK/Coverage覆蓋分析模塊

STK/Coverage提供完整的隨時間變化的衛(wèi)星、地面設(shè)施、運載器、導(dǎo)彈、航空器和船只的覆蓋分析能力。

STK/Coverage的關(guān)鍵特性如下:

(1)用戶定義的覆蓋區(qū)域;

(2)數(shù)據(jù)可用性;

(3)品質(zhì)因素(FOM),用于測量覆蓋質(zhì)量;

(4)滿意度計算:通過應(yīng)用滿意選項驗證數(shù)據(jù),該選項建立了用于每一個FOM的合適級別。

7.STK/InterceptorFlightTool(STK/IFT)攔截飛行工具

STK/IFT生成攔截彈道導(dǎo)彈、飛機和衛(wèi)星目標的攔截器的飛行彈道。

STK/IFT的關(guān)鍵特性如下:

(1)精確的攔截器飛行仿真;

(2)攔截器發(fā)射和防御系統(tǒng)定位的最適宜布置;

(3)攔截向?qū)?

(4)目標交匯;

(5)復(fù)雜攔截器系統(tǒng)能力表述。

8.STK/MissleFlightTool(STK/MFT)導(dǎo)彈飛行工具

STK/MFT包含了一套提供完整導(dǎo)彈類型和性能的導(dǎo)彈數(shù)據(jù)庫。STK/MFT提供了生成易于分析和可視化的多級導(dǎo)彈彈道的能力。

STK/MFT的關(guān)鍵特性如下:

(1)精確的導(dǎo)彈飛行仿真;

(2)導(dǎo)彈防御雷達的最優(yōu)化配置;

(3)空間監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測能力分析;

(4)復(fù)雜的導(dǎo)彈系統(tǒng)性能陳述。

9.STK/OrbitDetermination(STK/OD)軌道確定模塊

STK/OD設(shè)計用于為衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)提供軌道確定和軌道分析支援。

STK/OD的關(guān)鍵特性如下:

(1)最優(yōu)化濾波器;

(2)高精度的數(shù)值積分器;

(3)軌道參數(shù)估算;

(4)實際的協(xié)方差矩陣;

(5)固定間隔的平滑器;

(6)變軌處理;

(7)初軌確定;

(8)跟蹤數(shù)據(jù)仿真器。

10.STK/PrecisionOrbitDeterminationSystem精確軌道確定系統(tǒng)模塊

STK/PODS的關(guān)鍵特性如下:

(1)精確的數(shù)值積分;

(2)軌道參數(shù)估計;

(3)高真實度模型;

(4)跟蹤數(shù)據(jù)仿真;

(5)地球引力場文件。

11.STK/Radar雷達分析模塊

STK/Radar提供了對雷達系統(tǒng)的全面分析和圖形化顯示。

STK/Radar的關(guān)鍵特性如下:

(1)不同的雷達系統(tǒng)建模;

(2)RCS通用處理;

(3)導(dǎo)彈/防空雷達配置;

(4)天基雷達成像計劃編制

12.STK/Scheduler調(diào)度程序

STK/Scheduler供任務(wù)設(shè)計人員和操作工程師使用,提供了強大的任務(wù)安排和計劃功能。

STK/Scheduler的關(guān)鍵特性如下:

(1)靈活的任務(wù)和資源定義;

(2)調(diào)度解決方案最優(yōu)化;

(3)應(yīng)用STK過境計算和報告;

(4)集成圖形化接口。

13.STK/SpaceEnvironment(STK/SE)空間環(huán)境模塊

航天器設(shè)計、分析人員和操作員使用STK/SE來評估太空環(huán)境對航天器的影響。

STK/SE的關(guān)鍵特性如下:

(1)輻射環(huán)境;

(2)南大西洋異常區(qū)(SAA);

(3)熱環(huán)境;

(4)沖擊環(huán)境。

17.2.3綜合數(shù)據(jù)模塊

1.STK/HighResolutionMaps高分辨率地圖

STK/HighResolutionMaps高分辨率地圖模塊提供了整個地球的詳盡的高分辨率地圖數(shù)據(jù)。

2.STK/VOEarthImagery高分辨率地球影像

STK/VO高分辨率地球影像提供高分辨率、無云狀態(tài)下人造衛(wèi)星從太空拍攝的地球照片。

該模塊可以用于以下方面:

(1)發(fā)射、在軌和脫軌可視化仿真;

(2)戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)威脅仿真;

(3)國家導(dǎo)彈防御。

3.STK/RadarAdvancedEnvironment(STK/RAE)雷達高級環(huán)境

STK/RAE是STK的附加模塊,通過在動態(tài)雷達評價中引入一個重要因素———地面反射率來擴展STK/Radar模塊的性能。該模塊與STK完全集成,并且與Unix和PC平臺兼容。

STK/RAE的關(guān)鍵特性如下:

(1)對于各種雷達的建模;

(2)雷達系統(tǒng)的選擇;

(3)確定性的雜波;

(4)確定性的雜波圖。

4.STK/Terrain地形數(shù)據(jù)

STK/Terrain提供了精確的全球地形高程數(shù)據(jù),與STK/PRO和STK/AVO一起使用。對于地球表面的任何一點進行衛(wèi)星過境分析時,該模塊使用成熟的多維插補算法以提供精確的、360°的方位/仰角遮擋。該算法也提供了用戶定義的地面設(shè)施和地面目標的海拔信息。

17.2.4STK的擴展、集成和接口模塊

1.STK/Connect連接模塊

STK/Connect模塊提供了一種使用客戶服務(wù)器端方式連接STK的快捷工作方式。

STK/Connect的關(guān)鍵特性如下:

(1)與STK在客戶機/服務(wù)器模式下工作;

(2)自動分析;

(3)實時支持;

(4)快速原型;

(5)接口庫和定制接口。

2.STK/WebCast網(wǎng)絡(luò)實時播放模塊

STK/WebCast的作用就是通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或者本地網(wǎng)絡(luò)近實時地將STK和STK/VO的屏幕輸出并以流媒體方式在遠端計算機上播放。

STK/WebCast的關(guān)鍵特性如下:

(1)實時任務(wù)可視化;

(2)遠距離學(xué)習(xí);

(3)公共關(guān)系和市場。

3.STK/MATLABInterfaceMATLAB接口模塊

STK/MATLAB接口在STK和MATLAB之間提供一個雙向的通信路徑。

STK/MATLABInterface的關(guān)鍵特性如下:

(1)航天器姿態(tài)的三維可視化;

(2)姿態(tài)機動的確定;

(3)參量分析;

(4)計算相對位置。

4.STK/DistributedInteractiveSimulation(STK/DIS)分布式交互仿真模塊

STK/DIS模塊是一個符合IEEE標準的分布式交互仿真應(yīng)用程序,用于為高交互性領(lǐng)域創(chuàng)建復(fù)雜的虛擬場景。

STK/DIS的關(guān)鍵特性如下:

(1)IEEEDIS標準;

(2)PDU處理;

(3)STK場景的實時共享和同步;

(4)二維和三維可視化建模和實時軍事環(huán)境。

5.STK/GeographicInformationSystem(STK/GIS)地理信息系統(tǒng)模塊

STK/GIS提供了STK和GIS軟件包(如ArcView)之間的接口。通過將STK的傳感器軌跡和幅寬、天線增益等高線、覆蓋區(qū)域、地面區(qū)域和設(shè)施站點與詳細的GIS數(shù)據(jù)庫結(jié)合,STK/GIS擴展模塊拓展了STK和ArcView的分析能力。

STK/GIS的關(guān)鍵特性如下:

(1)交換和調(diào)整STK和GIS信息;

(2)完美的覆蓋設(shè)計和分析工具;

(3)實時GIS顯示和分析。

17.3STK仿真基礎(chǔ)

17.3.1基礎(chǔ)分析1.光照條件分析衛(wèi)星的光照條件即受曬問題,是指陽光照射地球時,在地球背向陽光的一面將產(chǎn)生地影,衛(wèi)星飛進地影后,將不受陽光照射,反之則受到陽光照射。光照情況會影響星上太陽能電池的供電情況。

使用STK軟件可以比較方便地對衛(wèi)星的光照條件進行分析。

(1)選擇相應(yīng)場景,點擊STK軟件二維圖像窗口上的默認工具欄—屬性—Lingting,選中ShowOutline和SubsolarPointShow。

(2)在對象瀏覽器中選中對象,打開屬性窗口,在二維Graphics/Lighting頁面選中Sunlight,點擊保存后退出。

2.衛(wèi)星刈幅分析

衛(wèi)星刈幅是指衛(wèi)星的視場區(qū)域,在分析的時候需要提供一個選定的地面仰角或者相對天底的半角。

假定某衛(wèi)星的半角為20°,進行衛(wèi)星刈幅分析:

(1)選擇相應(yīng)場景,在對象瀏覽器中選中對象,打開屬性窗口,設(shè)置二維Graphics類Swath屬性頁的參數(shù)(VehicleHalfAngle為20deg,Options為EdgeLimits)。

(2)在二維Graphics/Lighting頁面選中Sunlight。

(3)修改半角值,在二維圖像窗口中查看衛(wèi)星刈幅的變化情況。

3.可見情況分析

使用STK軟件可以方便地分析對象之間的可見情況,用于確定一個對象訪問另一個對象的時間,在計算時還可以加入作為對象屬性的約束條件。STK可以對運載工具、發(fā)射場、目標、區(qū)域目標、行星、恒星和傳感器進行可見情況分析。

(1)選擇相應(yīng)場景,在對象瀏覽器中選中地面站對象,在彈出的菜單中選擇FacilityTools,打開Access窗口。如果選中的是傳感器對象,則選擇SensorTools;如果選中的是衛(wèi)星對象,則選擇SatelliteTools。

(2)單擊Reports區(qū)下的Access,將自動在地圖窗口中計算訪問情況,生成AccessSummaryReports報告。

4.三維場景控制

STK可以對三維場景進行控制,使用戶可以從多個角度查看海、陸、空、天對象的位置變化情況并了解對象之間的空間關(guān)系,提高對復(fù)雜場景的掌控能力。

(1)選擇相應(yīng)場景,選中三維圖像窗口,單擊圖像窗口中的地球并向不同的方向拖動,查看地球的旋轉(zhuǎn)情況。

(2)在三維圖像窗口中感興趣的區(qū)域右擊鼠標并向上和向下拖動,查看三維圖像相應(yīng)縮小和放大的情況。

(3)單擊Apply,在三維圖像窗口中調(diào)整衛(wèi)星模型的位置和大小,調(diào)整到比較合適的位置。

(4)單擊UnconstrainedRotation,選中ShowTrackBall,使用動畫工具條,查看衛(wèi)星在太空中的飛行情況。

17.3.2STK三維模型

1.STK三維模型基礎(chǔ)

在STK中,用戶可以為飛機、地面站、地面機動目標、運載器、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、艦船和地面目標等對象設(shè)置三維模型。

在模型查看程序中,有如下命令:

(1)Articulation關(guān)節(jié)命令:為用戶提供一個關(guān)節(jié)查看和設(shè)置界面,通過該界面,可以了解模型中有哪些可控制對象,以及各控制對象的取值范圍,如可以對飛機尾焰進行控制。

(2)Reduction縮圖控制命令:可以控制對象的Revolve、Sphere、Cylinder、Extrusion、Skin和Helix顯示精度。除非計算機性能很差,或者待顯示的模型太多,否則采用默認值即可。

(3)Background背景命令:打開背景色對話框,調(diào)整這里的色彩值,再單擊Apply,即可更改模型顯示窗口中對象的背景色。

(4)Perspective遠景命令:可打開遠景對話框,改變觀測視點。

(5)Performance性能命令:可以測試各項模型設(shè)置的運行性能。

(6)Lighting光照命令:可以更改AmbientLight和DiffuseLight參數(shù)值,改變模型顯示窗口中對象的光照度。

(7)ShowInset顯示畫中畫命令:可在模型顯示窗口中打開一個小的子窗口,與模型顯示主窗口進行模型的同步顯示。

2.制作STK三維模型

具體步驟如下:

(1)啟動模型轉(zhuǎn)換程序LwConvert.exe。

(2)單擊InputLWO文本框左側(cè)的Browse,指定要轉(zhuǎn)換的由LightWave建立的模型文件。

(3)單擊OutputMDL文本框左側(cè)的Browse,指定輸出模型文件的位置和名稱。

(4)選擇ModelType選項組中的相應(yīng)模型按鈕(如地面建筑物選Facility),設(shè)置完后,單擊OK。

17.4STK仿真和應(yīng)用

17.4.1STK仿真1.傳感器仿真應(yīng)用在STK仿真應(yīng)用中,可以作為傳感器父對象的共有8種:Aircraft、Facility、Ground_x0002_Vehicle、LaunchVehicle、Missile、Satellite、Ship和Target。

2.鏈路分析

STK的鏈路分析模塊為多對象綜合分析提供了有效的支持。

鏈路分析模塊主要由兩個對象支持,分別是鏈路對象Chains和星座對象Constella_x0002_tions。鏈路對象主要用來確定一系列關(guān)聯(lián)對象之間的關(guān)系,而星座對象則用來提供一個對

象的集合。

3.覆蓋分析

利用STK的覆蓋分析模塊,可以分析單個或星座對象的全局和區(qū)域覆蓋問題。在進行覆蓋分析時,STK不僅提供詳盡的分析報告和圖表,能對覆蓋的變化進行同步仿真,而且還會充分考慮所有對象的訪問約束,避免計算誤差。

4.姿態(tài)控制

STK的姿態(tài)控制模塊解決了三維圖形窗口中對象姿態(tài)控制的問題。利用姿態(tài)控制模塊,STK中的這些三維對象不再僅僅是一成不變的模型,而成了具備多項實時變化功能的

更為生動的對象。同時,姿態(tài)控制模塊也允許對STK中的三維對象進行更加深入的姿態(tài)分析。

5.任務(wù)規(guī)劃

STKScheduler是一個獨立于STK的應(yīng)用程序,它提供有調(diào)度安排STK應(yīng)用的強大功能。通過該程序,可以方便地控制STK場景中應(yīng)用到的各類資源,以及安排和執(zhí)行STK的主要任務(wù)。

17.4.2STK應(yīng)用

1.航天應(yīng)用

STK是航天工業(yè)領(lǐng)域中非常領(lǐng)先的衛(wèi)星系統(tǒng)分析商業(yè)軟件。對于航天分析人員來說,STK為他們提供了非常便利的分析工具。利用STK,用戶可以進行航天器的軌道分析或

姿態(tài)分析等多項研究工作。

2.航空應(yīng)用

雖然STK主要是為航天應(yīng)用服務(wù)而設(shè)計的,但是它在航空應(yīng)用方面也具有非常強的適用性?？梢岳肧TK做詳細的任務(wù)前預(yù)演,使飛行員增強對關(guān)鍵任務(wù)時間和任務(wù)序列以及地面態(tài)勢的理解;可以將飛機的實時位置數(shù)據(jù)傳遞給STK,使指揮中心獲得飛行編隊的逼真的三維場景,進而可以將陸、海、空、天等多種打擊系統(tǒng)和支援系統(tǒng)集成在統(tǒng)一的仿真平臺上,用于戰(zhàn)役學(xué)習(xí)和戰(zhàn)術(shù)協(xié)同訓(xùn)練。

3.導(dǎo)彈應(yīng)用

STK對火箭與導(dǎo)彈發(fā)射,以及導(dǎo)彈攔截分析也都提供了強大的支持。STK在導(dǎo)彈系統(tǒng)設(shè)計的作用有:

(1)仿真導(dǎo)彈飛行的所有階段,包括發(fā)射、推進、PBV分段飛行、中間段和再入。

(2)對于多種導(dǎo)彈的建模。

(3)具有現(xiàn)有的6DOF彈道生成器接口。

(4)進行不同的參量分析,解決多約束條件問題。

(5)分析動態(tài)改變的通信鏈接參數(shù)。

(6)進行射程安全分析。

(7)分析在3D場景中的可視化飛行輪廓和幾何學(xué)中的動態(tài)關(guān)系(矢量歷史、光照條件、可視條件)。

(8)在導(dǎo)彈試驗飛行后分析、查看并預(yù)測和真實彈道的差別、姿態(tài)和傳感器的歷史記錄,分析包括PBV、RV等不同的任務(wù)對象的矢量歷史記錄。

同時STK也可以應(yīng)用于導(dǎo)彈防御和攔截的仿真場合,完成如下分析任務(wù)。

(1)威脅分析:可視化不同的威脅對象分布狀態(tài),分析威脅復(fù)合體與己方防御傳感器之間的幾何關(guān)系的歷史記錄。

(2)攔截分析:比較攔截器的針對彈道導(dǎo)彈、飛機和衛(wèi)星的防御性能;進行一體化的攔截仿真;分析動態(tài)的幾何學(xué)關(guān)系、雷達性能、雷達系統(tǒng)設(shè)計和空間監(jiān)測系統(tǒng)性能。

(3)軍事行動分析:分析防空雷達產(chǎn)生威脅輪廓的效率;確定飛行彈道;分析導(dǎo)彈不同的飛行剖面與威脅程度的關(guān)系;分析雷達探測的可能性。

4.雷達應(yīng)用

STK軟件也為雷達系統(tǒng)提供了詳盡的分析和圖形顯示能力。

STK的雷達應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下三方面:

(1)雷達系統(tǒng)設(shè)計:對各種雷達系統(tǒng)建模;應(yīng)用完美的天線傳播和無線電頻率環(huán)境模型;給任務(wù)元素分配單獨的RCS文件;使用計算后的信噪比和探測可能性來分析探測性能。

(2)軍事行動分析:包括作戰(zhàn)飛機攻擊線路和雷達網(wǎng)配置,以及雷達盲區(qū)三維場景分析。

(3)防御能力分析:包括固定雷達的探測能力的三維場景實現(xiàn),以及