1、基于 STK 跟踪与数据中继卫星轨道设计与仿真第 24 卷第 o4 期计算机仿真 2007 年 04 月文章编号:10069348(2007)04 0011 一 o4基于 STK 跟踪与数据中继卫星轨道设计与仿真张彦.冯书兴(1.装备指挥技术学院研究生部,北京 101416;2.装备指挥技术学院试验指挥系,北京 101416)摘要:发展跟踪与数据中继卫星对于构建天基测控网有着重要意义 .概述了跟踪与数据中继卫星的定义与任务,阐述了跟踪与数据中继卫星通常选择的轨道,分析了地球静止轨道(GEO)中继卫星的地面覆盖特性和两颗 GEO 星组网的轨道覆盖盲区,以及中低轨卫星组网的步骤.提出了利用 STK
2、 仿真分析中继卫星星座构形的方法,设计了基于 STK 的适合我国的地球静止轨道,大椭圆轨道,近圆轨道三种轨道的中继卫星星座与中低轨用户星的可见性仿真试验,通过对仿真结果的分析提出了我国中继卫星星座构形的初步设想.关键词:跟踪与数据中继卫星;轨道;仿真中图分类号:TP391.9 文献标识码:ADesignandSimulationofTDRSOrbitonSTKZHANGYan.FENGShuxing(1.DepartmentofPostgraduate,theAcademyOfEquipmentCommandandTechnology,Beijing101416,China;2.Departm
3、entofTestCommand,theAcademyOfEquipmentCommandandTechnology,Beijing101416,China)ABSTRACT:TDRSisveryimportanttospacetestandcontrolnet.ThepapersummarizesthedefinitionandtaskofTDRS.ThenbasedonexpatiationoforbittypeofTDRS,thepaperanalyzesthegroundcoverageofGEO,theblindareaoftwoGEOsatellitesconstellationo
4、rbitcoverageandthemethodofMEO/LEOconstellationdesign.Besides,thepaperputsoutthemethodtorealizesimulationandanalysisoftheconstructionofTDRSconstellationbyusingSTK,designsasimulationexperimentsuitableforchinatoanalyzeandcomputetheaccessesbetweenMEO/LEOusersatellitesandTDRSwhichareatGEO,largeellipseorb
5、itandapproximatecircularorbit.TheprimaryideaforChineseTDRSconstellationisalsobroughtforwardthroughtheanalysistosimulationresults.KEYWORDS:TDRS:Orbit:Simulation1 引言跟踪与数据中继卫星(TDRS)是转发地面站对中低轨道航天器的跟踪,遥测信号,中继从航天器发回地面的数据以及为中低轨道航天器之间提供数据传输服务的航天器.其功能上相当于设在空间的测控站,主要任务是完善航天测控网,满足载人航天的高测控需求以及对地观测卫星的实时数传要求;还可用于
6、长期气球,无人飞行器和海上浮标的数据采集,以及遥感飞机图像数据和前向信息的传送等.早在 20 世纪 80 年代美俄就已发射了自己的中继卫星,现在美俄的中继卫星系统均已进入应用阶段,正在发展后续基金项目:863 计划资助项目(8632003AA713012)收稿日期:20060322 修回日期:20060405系统.随着我国航天事业的发展,航天器发射任务愈加频繁,载人航天等任务对测控的要求不断增高,而我国目前的地基S 频段测控网存在对中 ,低轨航天器的轨道覆盖率低,数传速率低,维持费用高等不足,很难满足航天任务的需要,因此发展 TDRS 势在必行 .2 我国 TDRS 的轨道选择2.1TDRS
7、的轨道由于 TDRS 的任务特点 ,其系统结构主要采用地球静止轨道和中低轨多卫星组网的方式.对于我国 TDRS 的建设,综合考虑我国中长期空间发展的战略构想,中继卫星目前的主要任务,以及我国各种支撑技术的现实状况等诸多因素,我国还是应当从 GEO 卫星人手,首先满足基本的轨道覆盖,进而在远期发展中进一步考虑 MEO/LEO 卫星组网进行备份和一11补充.2.1.1 地球静止轨道(GEO)实际上,大部分的通信中继卫星系统和许多气象卫星都采用此种轨道配置.在这种系统结构中,卫星位于轨道高度35787km,偏心率为零,倾角接近零度的轨道上.这种轨道能提供较高的覆盖率,同时其轨道周期与地球自转的周期相
8、等,卫星与地球站处于相对静止状态,这种结构几乎不需要天线的定向控制,因此地球站的成本通常较低,且监视和控制也更容易.但是这种轨道的卫星发射成本较高,要求轨道位置保持,且不能覆盖极区.2.1.2 中低轨道(MEO/LEO)组网这种系统使用数颗中低轨道卫星进行组网,实现星间的通信联络.由于卫星数目多且轨道较低,这种系统具有较高的生存能力,以及较强的地面抗干扰能力,且卫星发射成本较低.由于这种结构中的卫星与地球站之间的相对运动,要求复杂的同步和控制功能,卫星的漂移会造成明显的链路中断,并且链路的高利用率需要通过发射多颗卫星来实现.2.2GEO 覆盖分析和轨道设计2.2.1GEO 卫星地面覆盖带由于
9、GEO 的轨道高度,倾角,偏心率均已知,因此对GEO 中继卫星的轨道设计主要是对升交点经度的设计,也即对中继卫星定点位置的设计.如图 1 所示,设卫星某时刻的瞬时高度为 h,相应的星下点为 G.设 P 为几何地平上的一点,称为水平点,由于地面物遮挡等影响,利用卫星观测,通信或摄影的效果不好,在应用上通常要确定一有效的覆盖区,即规定视线 sP 与水平面的夹角不能小于某一值 s,即最小观测角,对应的覆盖角 d 为卫星的几何地平图 1 卫星覆盖示意图卫星d:arcc.s(c.ss)一 s(1)设 G 的经纬度为(A.,咖.),P 点的经纬度为(A,咖.),由球面三角形公式可知d:arccossinb
10、0sinbl+cos6ocos6lCOS(AlA0)(2)一般取 s=5.,对于地球静止卫星,h:35787km,星下点纬度.:0,由(2)式计算得一12 一COS 咖 lCOS(AlA0)=0.2360188(3)(3)式表示了地球静止轨道卫星升交点赤经与其覆盖区边缘点经纬度之间的关系,反过来,也可以通过上式计算能够单颗覆盖特定区域的 GEO 卫星的升交点经度范围.以适合我国的 GEO 中继卫星为例进行计算.为了计算能够单颗覆盖我国国土范围的卫星升交点经度,取我国边界上四点 A(133.377.,48.235.),A2(73.180.,39.412.),A3(109.711.,18.499.
11、),A4(99.422.,52.475.),带入(3)式可得如表 1 所结果:表 1GEO 卫星升交点经度计算由以上计算结果可得,能够覆盖我国的 GEO 卫星的升交点经度的范围为(64.130.E,145.39.E).2.2.2 两颗 GEO 卫星组网轨道覆盖盲区分析由于各种条件限制,我国不可能利用 GEO 中继卫星达到全球覆盖,这样,分析 GEO 中继卫星组网对用户星的轨道覆盖盲区对于轨道设计有着重要意义.如图 2 所示,假设静止轨道上载荷性能相同的两颗中继卫星 S1,S2 视场边线的交点分别为 A 和 B,G1,G2 分别为 S1,S2 的星下点,可知阴影部分便是覆盖的 S1 和 S2 组
12、网覆盖的盲区 .由三角形边角关系可得SlAS2=G2OGl 一 2G2SlO(4)图 2 两颗 GEO 卫星组网覆盖盲区示意图G2OG 为两中继卫星的星下点经度之差,GS0 可由地球半径和中继卫星轨道高度求得,即SlAS2=A 一 2(90.一 d)(5)点的高度为nh/Tt 丽一 R(6)对于 GEO 轨道上的中继卫星 d:81.28.,由(6)式可知,在星上载荷性能相同的情况下,两颗中继卫星的定点经度差越大,则盲区面积越小,对用户星的覆盖率就越大.根据3.1 计算结果,应选取定点经度为 64.130.E 和 145.39.E 的两颗中继星组网,其覆盖率最大,而在此范围内定点的卫星的覆盖区域
13、均在上述中继星组网的覆盖范围内,这是由于中继卫星与地面站进行组网工作,中继卫星的作用主要体现在航天器不能与地面站建立链路联系的弧段,因此设置在上述升交点经度范围的边界点上的 GEO 中继卫星组网,是能够覆盖我国国土范围并且对航天器轨道覆盖率最高的组网方式.对于上述 GEO 中继卫星组网,AX=81.,根据盲区覆盖计算分析,SlAS2=64.02.且 h=5692.0437km.也就是说,两颗中继卫星组网对于轨道高度高于 5692.0437km 的用户卫星可以全部覆盖,低于 5692.0437km 的用户卫星轨道越低,盲区面积越大,中继卫星对用户星的覆盖率就越低.2.3 中低轨卫星组网设计鉴于
14、GEO 的特点,GEO 卫星是中继卫星主要的选择方式,但是由于覆盖盲区的存在,合适的 MEO/LEO 卫星则是有益的补充.一般而言,MEO/LEO 卫星是以组网形式进行工作,具体的 MEO/LEO 卫星网网络结构和卫星轨道要综合考虑天基综合信息网的总体发展,结合任务要求进行选择.通常对于 MEO/LEO 中继卫星星座 ,要考虑星座的稳定性,对覆盖盲区的弥补等因素.具体的设计步骤可概括为:1)确定任务要求,特别是用户星或者地面要求覆盖的区域和覆盖率要求,以及性能增长和降级台阶的目标要求;2)针对单颗卫星进行全部轨道设计的综合权衡;3)进行星座覆盖的综合权衡,选择合适的星座构形,利用整个星座的覆盖
15、,性能台阶评价候选星座构形;4)仿真评估 ,设计过程反复迭代直至最优.3 基于 STK 的仿真设计试验对 GEO 中继卫星和 MEO 中继卫星组网对低轨用户星的可见性,利用 STK 进行设计仿真.STK 软件的全称是 SatelliteToolKit(卫星仿真工具包),由美国 AGI 公司开发,利用 STK软件中的链路分析模块,可以对卫星间的可见性从时间覆盖的角度进行仿真分析.首先在 STK 中建立一个场景(Scenario), 并在场景中创建设计的中继卫星(Satellite),用户卫星(Satellite) 和不同卫星构成的星座(Constellations), 并分别设置其基本属性和图形
16、属性;其次根据分析需求建立相应中继卫星/星座与用户卫星间的链路(Chains), 设置其基本属性和图形属性;对卫星和链路进行仿真计算,利用 STK 中 Access 工具计算中继卫星/星座与用户卫星间的可见性;最后利用 Chains 对象中的Report 和 Graph 命令生成相关数据报告和图表 ,在仿真过程中,还可以通过二维和三维显示模块显示卫星运行轨道和链路建立的过程.3.1 仿真初始数据仿真选取 6 颗中继卫星和 3 颗用户星,两颗定点于 64.E和 145.E 的 GEO 中继卫星 GEO1,GEO2 组成 GEOCon 星座,两颗在同一轨道面上的近圆轨道中继卫星 MEO1 和 ME
17、O2 组成 MEOCon 星座,两颗大椭圆轨道上的卫星 Ellipl,Ellip2 组成 EllipCon 星座;三颗用户星 Satellitel,Satellite2,Satellite3为中继卫星测控和数据中继的服务对象,卫星的轨道属性如表 2 所示.仿真时间 Period 为 2003 年 6 月 1 日 12:00:00.00 至2003 年 6 月 2 日 12:00:00.00,仿真初始步长 30 秒.表 2 卫星轨道属性远Ap地ogeeA遭高ltitud度e近Pe地rigeeA遭高ltitud度ehclinat“轨O道b 类 rit型远地点轨道高度近地点轨道高度倾角“:KmKmf
18、leg3.2 仿真结果利用 STK 完成上述设计的仿真试验,生成了各种相关数据的报告和图表,由于篇幅限制,仅列举部分图表并将报告数据综合分析后形成如下仿真结果.L?t58 鹪 BLonl55 舶 3TimesteD300TIJn200313582 日 65PIu?a图 3STK 二维仿真场景图 4STK 三维仿真场景表 3GEO 单颗中继星与用户星的可见性分析(可见时间/ 覆盖率,单位 s/%)表 4GEOCon 中继星星座与用户星的可见性分析用户星最长可见时间(S)最短可见时间(s)合计可见时间(S) 覆盖率(%)表 5GEOCon 与 MEOCon 星座组网与用户星的可见性分析用户星最长可
19、见时间(s)最短可见时间(s)合计可见时间(s)覆盖率(%)表 6GEOCon 与 EllipCon 星座组网与用户星的可见性分析用户星最长可见时间(s)最短可见时间(s)合计可见时间(s)覆盖率(%)C1 日Iain3edc.e 嚣? r2 呻 611:24:42广._一一.I一 “一一C,E02l_HHHHHHH 一2Jun2003O.图 5GEOCon 与 MEOCon 组网对 Satellite2 的可见性示意图Sate 雠 e2ESplEip2OEO1an-c枷:ObjectAccess?06Mar2O0611:24:42HHHHHHHHHH一HHHHHHlHHHHjHHHHHHHH
20、HHHHHGEO2+HHHHHHHHHHHHHH2Jun2300:0000TimeUTCe图 6GEOCon 与 EllipCon 组网对 Satellite2 的可见性示意图C时 ha0 咖 dc0e 嚣-M2611:24:421Jun200312加 2Jun2083 吡吡 002Jun208312 吡_加O.图 7GEOCon 与 MEOCon 组网对 Satellite3 的可见性示意图3.3 结果分析由以上仿真结果可以看出,在星上载荷性能相同的情况下,用户星轨道越高,中继卫星对用户星的可见时间越长,覆盖率越高;对于本文构造的 GEO 中继星星座,组网后覆盖率平均比单星提高 15%左右,
21、MEOCon 星座和 EllipCon 星座,对用户星覆盖率均能达 93%以上,最高可达 100%;由于Satellite3 的远地点轨道高度高于盲区覆盖分析得出的临界】4ChaChan3:obiedc0?Mar200611:24:422Jun20吡吡00Time(UTCG)图 8GEOCon 与 EllipCon 组网对 Satellitel 的可见性示意图高度 5692.0437km,所以中继卫星对 Satellite3 覆盖率相对其他两颗用户星而言明显增高;中继卫星的组网方式对不同的用户星影响不同,从覆盖率的变化看,相对于中高轨用户卫星,中低轨星座对提高低轨用户卫星的可见性台阶有着更为重
22、要的作用.4 结论GEO 是发展中继卫星的首要选择,但是由于政治,空间法等因素的限制,我国中继卫星的定点位置只能局限在一定区域内,这样就势必造成覆盖盲区的存在,并且 GEO 卫星轨道相对稳定,MEO/LEO 中继卫星星座的扩展性和灵活性使得其成为 GEO 不可或缺的补充.MEO/LEO 中继卫星星座的构形设计可以根据具体任务不同,综合考虑我国空间信息系统的总体发展,综合卫星效能,费用等因素,合理进行选择和设计.STK 的强大功能也为星座构形的进一步优化设计 ,通信链路的设计仿真等提供仿真手段.参考文献:1郗晓宁.近地航天器轨道基础M.长沙:国防科技大学出版社.2003.153190.2杨颖.STK 在计算机仿真中的应用M.北京:国防工业出版社.2005.236255.3JamesRWertz.SpaceMissionAnalysisandDesignM.
