长期在轨运行卫星的轨道维持技术

2024-09-09

长期在轨运行卫星的轨道维持技术（精选3篇）

长期在轨运行卫星的轨道维持技术篇1

长期在轨运行卫星的轨道维持技术

本文研究近地轨道卫星长期在轨运行的`轨道维持问题.轨道维持的任务是将卫星的星下点轨迹保持在设计的参考轨迹附近.近地轨道卫星所受的摄动力包括地球引力摄动、日月摄动、大气阻力摄动和光压摄动等,而影响卫星轨道星下点漂移的主要因素是大气阻力摄动.本文给出了一种新的卫星轨道维持策略,数学仿真表明了其有效性.

作者：谌颖何英姿韩冬 Chen Ying He Yingzi Han Dong 作者单位：北京控制工程研究所空间智能控制技术国家级重点实验室,北京,100080刊名：航天控制 ISTIC PKU英文刊名：AEROSPACE CONTROL年，卷(期)：24(3)分类号：V4关键词：轨道维持星下点轨迹轨道漂移

长期在轨运行卫星的轨道维持技术篇2

随着空间任务的日益增多, 人造地球卫星的应用也越来越广泛, 目前, 按照使用的目的划分, 主要的卫星类型有:国土卫星、气象卫星、通讯卫星、侦查卫星等等。由于航天器普遍具有成本昂贵、高风险、不可逆等特点, 有必要在卫星发射之前针对卫星发射过程、运行轨道等的特点来进行模拟仿真, 以验证卫星发射之后的运行效果。

目前, 卫星跟踪与轨道预测的软件主要有Gpredict, Nova, AMSAT等等, 这些软件仅仅能对已发射卫星进行预测与跟踪, 并不能实现轨道设计等功能, 除此之外, 一些学者还做出了自己的贡献, 如黄权等通过OpenGL实现了卫星三维仿真, 获得了比较好的卫星跟踪仿真图;代丽红等针对数字仿真程序的不足, 基于MultiGen Creator和Vega开发了卫星在轨运行的实时视景仿真系统等等, 但是, 上述方法普遍存在着模型构建困难、渲染效率不高、工作量大等缺点。

卫星工具软件 (Satellite Tool Kit) 是美国AGI公司推出的一款用于航天产业设计和分析的专业卫星分析工具软件, 起初多用于卫星轨道分析, 随着软件的不断升级, 其应用也得到了进一步的深入, 目前已经扩展成为分析和执行陆、海、空、天、电 (磁) 任务的专业仿真平台。

虽然STK具有如此优秀的仿真能力, 但由于功能较为复杂, 使得在对具体任务的设计分析方面显得较为复杂, 需要较长时间来熟悉软件, 为了弥补STK软件自身设计能力不足以及操作复杂的问题, 鉴于VC++具有高效的数据分析能力, 本文通过VC++对STK软件进行二次开发搭建了一套卫星轨道仿真技术平台, 简化了轨道设计的操作步骤, 可以实现卫星轨道的设计以及卫星位置实时地跟踪、预测等功能, 具有一定的工程实践意义。

1 平台的开发环境

一般而言, 有两种方法来实现VC++对STK软件二次开发, 一种方式是经由STK/Connect模块进行开发, 该模块提供用户在客户机/服务器环境下与STK连接的功能, 使用TCP/IP或UNIX Domain Socket在第三方软件和STK之间传输数据[5], 在一定程度上提高了软件效率, 其主要缺点是在运行开发程序的同时还需打开STK软件, 程序的功能仅限于对功能的简化调用, 开发的程序与STK软件不能相对独立运行;另一种方式则是主要是通过STK提供连接模块——STK/X, 该模块是使用4DX嵌入技术生成的STK整合模块, 可被嵌入到支持对象链接和嵌入的应用程序或开发环境中[6], 其本身实为一组ActiveX插件——AGI Globe Control 8和AGI Map Control 8。以上两种方式通信模型均可用下面的模型所示:

综上所述, STK/X模块同Connect模块均可提供用户在客户机/服务器环境下与STK连接功能, 将STK/Connect模块相比, STK/X模块使得可以在不开启STK软件的条件下实现STK的场景调用及其他各种功能, 具备三维及二维的可视化效果以及仿真数据可提取分析等优势, 因此, 本文采用第二种方法即STK/X模块来进行仿真平台的开发, 需要说明的是, STK/X中的两个ActiveX插件的功能如下:

AGI Globe Control 8用于展示三维场景, 用以观察卫星在三维地球模型上的位置、运行轨道等信息, 同时还可以标注出地面站位置等信息;AGI Map Control 8用于展示二维场景, 通过二维场景可以观察地面站、卫星在世界地图上的位置以及卫星星下点轨迹。

2 平台的构成

卫星轨道仿真平台在VC++6.0的环境中, 采用面向对象的设计思想进行开发, 将所需的各种功能集成并进行模块化封装, 经过综合实用性考虑, 卫星轨道仿真平台各部分功能应划分为:可视化仿真模块、场景建立模块、附加时延模块、卫星轨道参数设计模块、视角选择模块、数据选择模块、查询模块以及STK模拟操作模块, 通过对以上模块的开发以及操作流程的制定, 熟悉基于STK/X模块的开发方法, 为后续的开发研究奠定一定基础。

2.1 设计思路

基于先前制定的仿真平台的要求, 本文所建立的卫星轨道仿真平台的界面如图2所示, 其中左侧为AGI Globe Control 8控件, 右侧为AGI Map Control 8控件。

卫星轨道仿真平台操作流程如右图所示:

平台在开始运行以后, 首先点选“新建场景”, 建立起二维、三维的仿真视图, 随后通过对卫星轨道坐标类型, 轨道预报模型等卫星建立所需的基础数据进行设置, 确认无误后, 选择“建立卫星”, 如果建立后发现卫星轨道数据有误, 重新设置后, 点选“更新卫星”, 如此, 卫星轨道场景建立完毕。

随后, 可以选择平台所提供的观测视图的角度, 以及所需的数据类型, 点选STK模拟操作模块中的“开始”按钮, 在两个控件中实现卫星轨道场景及卫星运动场景的模拟仿真。

在程序成功运行后可以选择保存数据, 数据将以写字板格式, 生成在安装时用户设置的文件夹下, 名字为“Satellite LLA.txt”与“Satellite1 ATT.txt”, 分别按照规定的时间节点, 保存了卫星的轨道数据和姿态数据。

需要说明的是, 该卫星轨道仿真平台中所用到的卫星基础数据的坐标类型有经典型和笛卡尔型两种, 轨道预报模型则有TwoBody、HPOP和J4 Perturbation三种。图3仿真平台操作流程

2.2 平台的初始化配置

利用VC开发STK连接应用程序, 需要对提供STK连接支持的头文件和库文件进行配置。

在这里, 我们建立一个基于MFC的对话框程序, 需要我们进行配置的文件如下:

1) 3个头文件, 分别是:AgConnect.h、AgConSendData.h和AgCoUtMsg-Common.h;

2) 库文件:AgConnect.1ib。

此文件有调试库文件和运行库文件两种, 分别位于在“STK安装目录ConnectlibDebug”和“STK安装目录ConnectlibRelease”文件夹中。

我们需要在VC中加入以上的头文件以及库文件, 具体方法如下:

单击Tool/Options命令, 打开VC的Option对话框, 将STK连接头文件所在的目录加入到VC的“Project Settings” (工程设置) 对话框, 在“Link”对话框 (链接) 选项卡中, 分别对“Win32 Debug”和“Win32 Release”配置相应的“Object/library modules”。

2.3 平台功能的程序实现

由于要调用STK的各种函数命令, 在加入上述头文件以及库文件之后, 我们还需将, agstkxapplication.h与agexeccmdresult.h加入到相应的对话框头文件中, 否则执行时会出现“未定义类型”的错误。

程序主要功能实现方法如下:

对于之前提到的AGI Globe Control 8控件与AGI Map Control 8控件, 分别通过MFC Class Wizard将其添加为成员变量, 变量名称为m_VOControl与m_2DControl。这样就可以实现控件诸如建立场景、卫星、视角选择等功能的使用。

通过GetApplication () 用于获得当前对象句柄, 随后通过调用ExecuteCommand () 向STK/X来发送指令。需要说明的是, 命令的内容需要遵循STK的命令模式, 以字符串的形式发送。

2.3.1 新建场景功能的实现

2.3.2 向场景中添加卫星功能的实现:

其中, strcmd所代表的字符串, 同卫星选择的基础数据有关, 以经典型坐标, TwoBody轨道预报模型为例, 我们设置其半长轴为9000km, 近地点幅角为0, 偏心率为0.1, 升交点赤经为0, 倾角为40, 真近角点为0, 此时, 我们所获取的strcmd所代表的字符串会相应变为:

其中“1 Jul 2012 00:00:00.00”为开始时刻, “2 Jul 2012 00:00:00.00”为终止时刻, 60为时间间隔, J2000为在J2000时刻的天赤道与二分点用来定义天球参考坐标系。

2.3.3 卫星轨道及姿态报告生成功能的实现:

2.3.4 视角选择功能的实现:

4 仿真结果

为了对卫星仿真平台进行测试, 本文搭建了一个简单的卫星运行场景, 为此, 所选取的卫星轨道参数如下:坐标类型为经典型, 半长轴设计为9000000m, 近地点俯角为0°, 偏心率为0.1, 升交点赤经为0°, 轨道倾角为40°, 真近角点为0。同时, 轨道预测模型选取为TwoBody。

建立完成的卫星场景如下图4所示, 其中, AGI Globe Control 8右上侧的文字部分为卫星实时位置参数, 包括卫星的经度、维度、高度以及上述三个方向的变化速率, 左下侧显示为观察视角以及运行的时间点。

为了检验报告是否成功生成, 在点选“生成报告”按钮后, 在指定的位置, 找到了名为“Satellite LLA.txt”卫星的轨道数据与“Satellite1 ATT.txt”的卫星姿态数据, 如下图5、图6所示。

5 结论

STK是一套功能强大的卫星仿真软件, 本文介绍的场景仿真仅仅是STK应用的冰山一角。利用VC与STK集成化编程, 将STK权威的轨道计算和地球模型数据与VC强大的数据处理能力结合起来, 极大地提高编程效率和软件的灵活性, 两者的结合大大拓宽了STK的应用范围。

参考文献

[1]Luis Esteve, Javier Arribas, Carles Fernández-Prades, Pau Closas Report:First Acquisition of Galileo E1C Signals https://docs.google.com/document/d/1SZ3m1K7Qf9GsZQGEF7VSOEewBD CjbylCClw9rSXwG7Y//edit?pli=1#2012

[2]代丽红, 李世其, 尹文生卫星在轨运行实时视景仿真系统研究与实现[J]《计算机仿真》2006, 23 (1) :36-39

[3]黄权, 徐学军基于OpenGL的卫星跟踪仿真[J]《计算机技术与发展》2007, 17 (2) :131-134

[4]鲍猛, 潘成胜, 冯永新VC与STK的集成及在导弹数字可视化仿真中的应用[J]《沈阳理工大学学报》2009, 28 (5) :5-9

[5]李睿, 曾德贤STK用于网络环境下仿真的实现方法[J]《航天控制》2005, 23 (3) :64-68