STK实验卫星轨道全参数仿真

实验一卫星轨道参数仿真

一、实验目的

1、了解STK的基本功能；

2、掌握六个轨道参数的几何意义；

3、掌握极地轨道、太阳同步轨道、地球同步轨道等典型轨道的特点。

二、实验环境

卫星仿真工具包STK

三、实验原理

（1）卫星轨道参数

六个轨道参数中，两个轨道参数确定轨道大小和形状，两个轨道参数确定轨道平面在空间中的位置，一个轨道参数确定轨道在轨道平面内的指向，一个参数确定卫星在轨道上的位置。

•轨道大小和形状参数：

这两个参数是相互关联的，第一个参数定义之后第二个参数也被确定。

第一个参数第二个参数

semimajor axis 半长轴 Eccentricity 偏心率apogee radius 远地点半径 perigee radius 近地点半径

apogee altitude 远地点高度 perigee altitude 近地点高度Period 轨道周期 Eccentricity 偏心率

mean motion平动 Eccentricity 偏心率

图1 决定轨道大小和形状的参数

•轨道位置参数：

轨道倾角（Inclination）轨道平面与赤道平面夹角

升交点赤经（RAAN）赤道平面春分点向右与升交点夹角

近地点幅角（argument of perigee）升交点与近地点夹角

•卫星位置参数：

（2）星下点轨迹

在不考虑地球自转时，航天器的星下点轨迹直接用赤经α、赤纬δ表示（如图2）。直接由轨道根数求得航天器的赤经赤纬。

图2 航天器星下点的球面解法

在球面直角三角形SND 中：

⎪⎩

⎪

⎨⎧+==∆∆+Ω=+==)tan(cos tan cos tan )sin(sin sin sin sin f i u i f i u i ωαα

αωδ （1） 由于地球自转和摄动影响，相邻轨道周期的星下点轨迹不可能重合。设地球自转角速度为E ω，t 0时刻格林尼治恒星时为0G S ，则任一时刻格林尼治恒星时G S 可表示成：

)(00t t S S E G G -+=ω （2）

在考虑地球自转时，星下点地心纬度ϕ 与航天器赤纬δ仍然相等，星下点经度（λ）与航天器赤经α的关系为：

⎩⎨

⎧=---=-=δ

ϕωααλ)

(00t t S S E G G （3） 将（1）代入上式，得到计算空间目标星下点地心经纬度()ϕλ,的公式，即空间目标的星下点轨迹方程为：

⎩⎨

⎧⋅=---⋅+Ω=)

sin arcsin(sin )

()tan arctan(cos 00u i t t S u i E G ϕωλ （4） 其中ϕ 为星下点的地理纬度，λ 为星下点的地理经度，u 是纬度幅角，ωE 为地球自转角速度。由（4）中的第二式可知，i =90︒时，ϕ 取极大值ϕmax 。i =-90︒时，ϕ 取极小

值ϕmin ，且有

⎩⎨

⎧-︒=i i 180max ϕ ︒≥︒≤9090i i ，⎩

⎨⎧︒-=180min i i ϕ ︒≥︒≤9090i i （5） 因此，空间目标的轨道倾角决定了星下点轨迹能达到的南北纬的极值。

四、实验内容

1、结合六个轨道参数的几何意义，每个轨道参数分别取不同值，给出相应的三维图；

2、分析二体条件下圆轨道（根据向导添加）六个轨道参数随时间的变化规律；

卫星参数设置半长轴

偏心率轨道倾角升交点赤经

近地点幅角

真近点角

3、比较分析Polar Orbit、Sun-Synchronous Orbit、HEO、GSO、GEO卫星的特点，并给出相应的图示说明。

（1）Polar Orbit（极地轨道）：

（2）Sun-Synchronous Orbit（太阳同步轨道）：

（3）HEO（高地球轨道）：

（4）GSO（地球静止轨道）：

（5）GEO（地球同步轨道）：

（加文字描述各种轨道突出特点）