基于STK的卫星轨道预报

《航天器操作与控制试验》综合作业
卫星轨道预报
姓名：王备
学号：
院系：宇航学院
二〇一〇年十一月
一、实验题目：卫星轨道预报
二、实验目的
1.学会STK（Satellite Tool Kit）软件的使用，掌握STK的基本操作；
2.学会使用STK仿真，并实现卫星的轨道预报，重点掌握HPOP高精度轨道预
报和LOP长期轨道预报。

三、实验内容
（一）、HPOP高精度轨道预报
1. 建立两颗卫星HPOP1与HPOP2；
2. 设置HPOP1考虑大气阻力，而HPOP2不考虑，其他参数相同；
3. 用HPOP高精度轨道预报器生成轨道；
4. 动画显示，观察两颗卫星轨道的不同；
5. 生成多种类型的卫星轨道数据；
6. 计算卫星轨道寿命。

（二）、LOP长期轨道预报
1. 建立两颗卫星LOP1与LOP2；
2. 设置LOP1考虑大气阻力，而LOP2不考虑，其他参数相同；
3. 用HPOP高精度轨道预报器生成轨道；
4. 生成多种类型的卫星轨道数据，观察两颗卫星轨道的不同。

四、实验过程描述
（一）、HPOP高精度轨道预报
1.建立新的场景将其命名为BUAA_HPOP。

2.在浏览窗口选中场景，打开Basic Properties 窗口
3.在Time Period栏，输入如下设置：
区域值
Start Time 1 Jan 2010 00:00:00.00
Stop Time 1 Jan 2010 04:00:00.00
Epoch 1 Jan 2010 00:00:00.00
4.选择Animation栏输入如下内容：
区域值
Start Time 1 Jan 2010 00:00:00.00
Stop Time 1 Jan 2010 04:00:00.00
Time Step 60 seconds
Refresh Delta Change to High Speed
5.在Units栏输入如下设置：
6.完成后，点击确定，从File菜单中选择Save As…，保存场景为
BUAA_HPOP.sc。

7.在浏览窗口点击Satellite按钮新建一颗卫星，取消轨道向导，命名卫星为
HPOP1。

，打开HPOP1卫星的Basic Properties 窗口，在Orbit栏，选择HPOP Propagator。

8.点击Semimajor Axis右侧的下拉菜单，改变为Period。

设置为95 min。

9.点击Force Models…按钮，确认HPOP Force Model 窗口中所有参数均被
选用。

Drag Use - ON
Cd - 3.0
Atm Density Model - Harris-Priester
Average F10.7 - 65.0
Area/Mass Ratio - 200.0m2/kg
Solar Radiation Pressure Use - ON
Cp - 2.0
Area/Mass Ratio - 200.0m2/kg
中的确定按钮，生成卫星轨道。

11.下面打开HPOP1卫星的Graphics Properties 窗口，改变卫星的Marker
Style为Star，点击确定。

12.新建HPOP2卫星，在Force Models 窗口，关闭Drag参数，其它设置与
HPOP1相同。

生成卫星轨道后，打开它的Graphics Properties 窗口，改变Marker Style为Circle，点击确定。

13.保存场景。

动画显示场景观察卫星在整个时间周期内的相互位置。

在动画
接近时间周期结束时，暂停动画，放大窗口到卫星所在区域进行观察（如图1、图2所示）
图 1 接近周期结束时的2维图像
图 2 接近周期结束时的3维图像
14.分别选中两颗卫星，从Tools菜单中选择Report，生成两颗卫星各自的
Classical Orbit Elements报告。

注意考虑阻力和未考虑阻力卫星在报告时间末期轨道参数的不同。

15.生成每颗卫星的LLA Position（经纬度高度位置）报告。

比较两颗卫星之
间位置数据的差异。

16.同时选中两颗卫星，从Tools菜单中选择Graph。

在STK Graph Tool 窗口，
点击New按钮，选中新建的图表格式，在文本框输入Altitude，点击Change 按钮新图表的改变名称。

17.选中Altitude格式，点击Properties按钮，在Content栏，选择Time XY
作为Graph Type。

打开LLA State树，点击Fixed子树，双击Alt将其加入Y-Axis区域，点击确定。

点击STK Graph Tool 窗口的Create按钮生成图表。

18.在图表窗口中，从Edit菜单选择Attributes，改变其中一颗卫星线条的颜
色。

观察整个时间周期内两颗卫星高度的差异。

关闭图表和STK Graph Tool 窗口。

19.同时选中两颗卫星，点击鼠标右键，在快捷菜单中选择Strip Chart。

20.在STK Strip Chart Tool 窗口，从Styles列表中选择Altitude（前面新建的
图表格式），点击Open。

当动态图表窗口出现，改变其中一颗卫星线条的颜色。

21.动画显示场景，观察HPOP1卫星的Altitude（高度）如何降到HPOP2卫
星下面。

这是由于大气阻力对HPOP1卫星的影响造成的。

22.在浏览窗口，选中HPOP卫星，然后从Tools菜单Lifetime。

23.在Lifetime 窗口，输入下列数值：
显示轨道衰退日期和轨道圈数。

25.点击确定关闭Lifetime 窗口。

（二）、LOP长期轨道预报
1.建立新的场景将其命名为BUAA_LOP。

2.在浏览窗口选中场景，打开Basic Properties 窗口
3.在Time Period栏，输入如下设置：
区域值
Start Time 1 Jan 2010 00:00:00.00
Stop Time 1 Jan 2011 00:00:00.00
Epoch 1 Jan 2010 00:00:00.00
4.选择Animation栏输入如下内容：
5.在Units栏输入如下设置：
6.在浏览窗口，点击Satellite按钮新建一颗卫星，取消轨道向导，命名它为
LOP1。

7.打开LOP1卫星的Basic Properties 窗口，在Orbit栏输入下列设置。

保
留Start和Stop Time和Step Size默认值。

LOP预报器自动选择1天作为时间步长。

输入完毕后，点击确定。

8.点击Force Models（阻力模型）按钮。

9.在LOP Force Models 窗口，输入如下数值：
10.新建另一颗卫星，将其命名为LOP2，打开LOP2卫星的Basic Properties
窗口，在Orbit栏输入下列设置。

保留Start和Stop Time和Step Size默认值。

LOP预报器自动选择1天作为时间步长。

输入完毕后，点击确定。

区域值Drag
大气阻力Use –Off Solar Radiation Pressure
太阳光压Use –ON Cp – 1.5
Atmosphere – 90 km Physical Data
12.在浏览窗口选中LOP1卫星，从Tools菜单选择Graph。

13.在Graph Tool窗口，选中LLA Position，点击Time Period…按钮。

将Stop
Time改为10 Jan 2010 00:00:00。

点击Change按钮更改，再点击确定按钮关闭窗口。

生成图表。

14.对LOP2卫星重复上述步骤，注意随时间增加出现的分歧。

15.尝试定义不同的时间周期和图表格式。

完成后，关闭图表和Graph Tool
窗口。

16.回到LOP1和LOP2卫星的Basic Properties 窗口，在Force Model区域试
验不同的大气阻力、太阳光压、物理参数，检验关闭太阳光压和三体引力后的变化。

17.完成后，关闭并保存场景。

五、实验结果
（一）、HPOP高精度轨道预报
图 3 生成HPOP1与HPOP2的轨道参数报告
图 4 生成HPOP1的LLA位置报告
图5生成HPOP2的LLA位置报告
图 6 生成HPOP1与HPOP2的高度变化图表
图7 生成HPOP1与HPOP2的动态高度变化图表
图8 生成HPOP1动态轨道参数报告
图9 生成HPOP1的动态LLA位置报告
图10 计算轨道衰退日期和衰退圈数
图11 HPOP1卫星轨道衰退的最终轨道
（二）、LOP长期轨道预报
图12 生成LOP1的LLA位置图表
图13 生成LOP2的LLA位置图表
图14 生成LOP1的轨道参数报告
图15 生成LOP1的LLA位置报告
六、结果分析
从二维和三维图像上可以观察到预报器生成的卫星轨道，仔细观察发现受阻力影响的HPOP1卫星会位于没有阻力的HPOP2卫星前面；用工具箱生成的HPOP1与HPOP2的轨道参数报告如图3所示，报告中包含各个时刻的七项基本轨道参数：半长轴（Semi-major Axis）、偏心率（Eccentricity）、轨道倾角（Inclination）升交点赤经（RAAN）、近地点幅角（Arg of Perigee）、真近点角（True Anomaly）、平近点角（Mean Anomaly）。

生成HPOP1与HPOP2的经度/纬度/高度（LLA）位置报告分别如图4和图5所示，报告中包含各个时刻的经度、纬度、高度和速度。

生成的HPOP1与HPOP2的高度变化图表如图6所示；动态高度变化图表如图7所示，从动态图中可以直观的观察到HPOP1卫星的Altitude（高度）是如何降到HPOP2卫星下面的，这是由于大气阻力对HPOP1卫星的影响造成的。

受阻力影响的卫星，能量不断减少，轨道高度的降低将使轨道周期缩短，表现在地面轨迹上卫星的移动速度就会加快，位置也会比具有相同轨道参数但没有考虑阻力影响的卫星靠前。

留意到HPOP1卫星的高度不是稳定的下降，还会周期性地上升，HPOP2卫星的高度也是如此。

这是由于地球扁率的影响，会对圆轨道卫星产生这种结果。

还可生成卫星的动态报告，如图8和图9所示。

另外，还可计算卫星轨道衰退日期和衰退圈数（如图10所示），计算后，在二维图像上会出现变粗的地面轨迹（如图11所示），它表示了HPOP1卫星轨道衰退的最终轨道。

同样，用LOP轨道预报生成的多种轨道数据如图12、图13、图14、图15所示，改变Time Period和Step Size可以改变输出报告的时间周期和步长。

类似地，改变其他因素，可以观察到HPOP预报法和LOP预报法提供的其它的也影响了卫星轨道的摆动。

七、课程体会
STK这款软件是靠自学的，软件为英文版，入手比较难，而图书馆有关STK 的参考书仅有一本：《STK在计算机仿真中的应用》，书比较老，介绍的也不详细，所以只能靠自己不断摸索来逐步熟悉STK。

在此课程中，我学会了STK这款仿真软件的使用，了解了STK里的多种预报法（包括二体，J2&J4，MSGP4，HPOP，LOP等），特别是HPOP高精度轨道预报和LOP长期轨道预报这两种专业预报法，实现了轨道预报，为后续的工作如轨道控制打下基础。

在实际的学习过程中，我还附带学习了卫星寿命的计算，STK的链路分析和覆盖分析等其他仿真应用。

这门课程与其他课程比较，学习方式更灵活，可以自选题目，我从中确实学到了很多有用的东西，这是其他课程无法比拟的。