基于STK的混合星座性能仿真與分析

高靜，劉小萌

1.河北勞動關(guān)系職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050000

2.河北地質(zhì)大學(xué)，河北石家莊050000

基于STK的混合星座性能仿真與分析

高靜1*，劉小萌2

1.河北勞動關(guān)系職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050000

2.河北地質(zhì)大學(xué)，河北石家莊050000

為了擴大GEO衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋范圍，解決目前急需的極區(qū)通信問題，本文設(shè)計了大橢圓和地球同步軌道衛(wèi)星的混合星座模型，對混合星座模型的覆蓋和通信性能進行了仿真分析，實現(xiàn)了全球覆蓋和極地與國土境內(nèi)的連續(xù)通信，有效彌補了GEO星座的不足，研究結(jié)果對全球區(qū)域觀測研究和通信星座設(shè)計有一定的參考價值。

混合星座；區(qū)域覆蓋；STK仿真

近年來，無論從政治、經(jīng)濟還是軍事的角度出發(fā)，許多國家和地區(qū)都希望建立擴大GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的覆蓋范圍［1，2］，解決目前急需的極區(qū)通信問題。與同步軌道系統(tǒng)相比，大橢圓軌道系統(tǒng)不存在高緯度地區(qū)仰角低的問題，通過合理選取HEO軌道參數(shù)可以覆蓋高緯度地區(qū)及兩極區(qū)域，有效彌補了GEO衛(wèi)星的不足。因此，基于HEO［3］的混合星座設(shè)計和覆蓋效能分析研究已成為研究熱點。

在大多數(shù)情況下，單顆GEO衛(wèi)星難以實現(xiàn)全球或兩極區(qū)域的不間斷通信、探測任務(wù)。而HEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星組網(wǎng)工作，由于衛(wèi)星的運動在時間和空間上遵循一定的規(guī)律，使得對目標(biāo)區(qū)域的覆蓋能夠?qū)崿F(xiàn)相互補充和銜接，有效解決GEO衛(wèi)星通信中存在的高緯度地區(qū)仰角低的問題，擴大GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的覆蓋范圍，解決目前急需的極區(qū)通信問題［4，5］，為各種用戶提供全球覆蓋?；旌闲亲軌蚋蟪潭鹊匕l(fā)揮衛(wèi)星的作用，在全球性、時效性、連續(xù)性等方面具有單顆衛(wèi)星無法比擬的優(yōu)勢。

衛(wèi)星工具軟件STK（Satellite Tool Kit）［6-8］是航天領(lǐng)域中先進的系統(tǒng)分析軟件，由美國分析圖形有限公司（AGI）［9］研制，用于分析復(fù)雜的陸地、海洋、航空及航天任務(wù)。它可提供逼真的2維、3維可視化動態(tài)場景以及精確的圖表、報告等多種分析結(jié)果。支持衛(wèi)星壽命的全過程，在航天飛行任務(wù)的系統(tǒng)分析、設(shè)計制造，測試發(fā)射以及在軌運行等各個環(huán)節(jié)中都有廣泛的應(yīng)用，對于軍事遙感衛(wèi)星的戰(zhàn)場監(jiān)測、覆蓋分析、打擊效果評估等方面同樣具有極大的應(yīng)用潛力。

為了擴大GEO衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋范圍，解決目前急需的極區(qū)通信問題，本文針對GEO衛(wèi)星星座全球覆蓋性能的不足，分析了HEO衛(wèi)星的區(qū)域覆蓋特點，結(jié)合GEO衛(wèi)星星座優(yōu)越的中低緯度覆蓋性能和HEO衛(wèi)星星座的高緯度和兩極區(qū)域的優(yōu)越覆蓋性能，設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋和極區(qū)連續(xù)通信的HEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星組網(wǎng)星座模型［10，11］，并運用STK工具針對星座模型進行了區(qū)域覆蓋和通信性能的仿真分析［12］。該混合星座的設(shè)計和仿真過程，對星座設(shè)計的全球性、時效性和連續(xù)性等方面的考慮和研究具有一定的意義。

1　混合星座模型設(shè)計

1.1各軌道參數(shù)對衛(wèi)星軌道性能的影響

確定衛(wèi)星軌道需要六個參數(shù)，分別為半長軸、偏心率、軌道傾角、近地點幅角、升交點赤經(jīng)和真近點角，其中有2個參數(shù)即可決定軌道的大小以及形狀，并且這兩者之間是相互關(guān)聯(lián)的，可以選擇半長軸與偏心率、遠地點半徑與近地點半徑、遠地點高度與近地點高度等。這里我們選擇半長軸（Semi major Axis）與偏心率（Eccentricity）的組合，半長軸可確定軌道的大小。而偏心率（簡稱）是橢圓兩焦點間距離和長軸長度的比值，該參數(shù)的作用是用來描述軌道的形狀：當(dāng)偏心率=0時，軌道是圓形的；0＜偏心率＜1時，軌道是橢圓形的；偏心率=1時，軌道是拋物線。當(dāng)確定了軌道的大小和形狀以后，接著就需要通過設(shè)置下面的這3個參數(shù)來進行軌道平面位置的確定：

（1）軌道傾角（Inclination）：描述了衛(wèi)星的運行軌道相對于赤道面的傾斜度，0°＜軌道傾角＜90°時，衛(wèi)星軌道是順行軌道，其運行的方向與地球的自轉(zhuǎn)方向相同。反之當(dāng)90°＜軌道傾角＜180°時，是逆行軌道。而軌道傾角=90°時，是極地軌道，軌道經(jīng)過地球的南北極點。

（2）升交點赤徑（RAAN）：定義為從春分點到升交點之間的地心角，升交點是衛(wèi)星軌道從南向北運行的軌跡與赤道面的交點，其角度范圍是0°～360°。

（3）近地點幅角（Argument of Perigee）：是近地點與升交點之間的地心角，以衛(wèi)星運行方向為正。

最后一個衛(wèi)星軌道參數(shù)真近點角（True Anomaly）描述了衛(wèi)星在太空中的瞬時位置，是航天器在某個時刻與地球近地點之間的地心角，以航天器運動的方向為正。在確定衛(wèi)星軌道的所有參數(shù)中，只有真近點角隨時間變化而變化，其描述了衛(wèi)星在運行時在其軌道上的瞬時位置。

要想保證設(shè)計的混合星座滿足特定的需求，需要調(diào)整這6個參數(shù)才能達到需要的效果。

1.2星座模型設(shè)計

高軌道衛(wèi)星包括地球同步軌道衛(wèi)星和大橢圓軌道衛(wèi)星，這兩種軌道的衛(wèi)星其運行軌道離地球表面的高度高，所能覆蓋的區(qū)域廣，而具有大傾斜角度的大橢圓軌道衛(wèi)星能覆蓋地球同步軌道衛(wèi)星所不能覆蓋的極地地區(qū)。因此，為了滿足全球覆蓋和極地與國土境內(nèi)實現(xiàn)通信的需求，可以考慮將兩種軌道衛(wèi)星相結(jié)合，通過仿真驗證該混合星座的全球覆蓋能力和對地連續(xù)通信能力。設(shè)計過程中考慮一般通信仰角的設(shè)置角度15度。

首先，參考常用的標(biāo)準(zhǔn)軌道參數(shù)，確定大橢圓軌道衛(wèi)星的6個軌道參數(shù)如下表所示。

表1　大橢圓軌道衛(wèi)星參數(shù)表Table 1 Parameters of satellite in the large elliptical orbit

第二步，根據(jù)表1中選定的大橢圓軌道6參數(shù)，利用STK仿真出大橢圓軌道的2D和3D圖。圖1、圖2分別為混合星座布局圖。

圖1　6顆MOLNYA軌道衛(wèi)星平面分布圖Fig.1 The distribution of satellites on 6 MOLNYAorbits

圖2　4顆TUNDRA軌道衛(wèi)星平面分布圖Fig.2 The distribution of satellites on 4 TUNDRAorbits

第三步，利用STK仿真出大橢圓軌道的對地覆蓋圖，根據(jù)覆蓋圖可以分析出單一大橢圓軌道構(gòu)成的星座對地覆蓋情況。圖3和圖4分別為MOLNYA軌道衛(wèi)星和TUNDRA軌道衛(wèi)星構(gòu)成的星座對地覆蓋情況。

圖3　（3+3）MOLNYA軌道衛(wèi)星二維覆蓋圖Fig.3 2D coverage of satellites on（3+3）MOLNYAorbits

圖4?。?+2）TUNDRA軌道衛(wèi)星二維覆蓋圖Fig.4 2D coverage of satellites on（2+2）TUNDRAorbits

第四步，為了實現(xiàn)全球覆蓋，可根據(jù)第三步中的大橢圓軌道衛(wèi)星星座的覆蓋情況，確定GEO軌道衛(wèi)星應(yīng)該設(shè)置的合適軌位。討論得出地球同步軌道衛(wèi)星的軌道6參數(shù)設(shè)置如下表所示。

表2　GEO軌道衛(wèi)星參數(shù)表Table 2 GEO orbit satellite parameter table

最后，對以上四步確定的混合星座進行覆蓋性能的仿真，以驗證其全球覆蓋性能。利用STK對兩種混合星座進行覆蓋性能仿真。

（1）仿真了5顆GEO衛(wèi)星+三顆MOLNYA軌道衛(wèi)星（覆蓋北極）+三顆MOLNYA軌道衛(wèi)星（覆蓋南極）（15°通信仰角）的覆蓋能力，圖5為二維覆蓋圖。

圖5　5 GEO+（3+3）MOLNYA的二維覆蓋圖Fig.5 2D coverage of 5 GEO+MOLNYA

圖6　5 GEO+（2+2）TUNDRA二維覆蓋圖Fig.6 2D coverage of 5 GEO+TUNDRA

（2）仿真了5顆GEO衛(wèi)星+二顆TUNDRA軌道衛(wèi)星（覆蓋北極）+二顆TUNDRA軌道衛(wèi)星（覆蓋南極）（15°通信仰角）的覆蓋能力，圖6為二維覆蓋圖。

2　仿真結(jié)果及分析

2.1GEO衛(wèi)星和MOLNYA軌道衛(wèi)星的仿真與分析

2.1.1覆蓋性能利用STK中的Coverage definition對混合星座的覆蓋性能進行仿真分析。Coverage definition可將覆蓋情況以坐標(biāo)曲線的方式進行展示，可以更直觀更細化的分析混合星座在每個時刻的仿真性能。仿真圖如下：

圖7　混合星座24 h覆蓋情況示意圖Fig.7 The coverage of mixed constellation in 24 h

圖8　混合星座在不同緯度點的覆蓋層數(shù)Fig.8 Covering layers of mixed constellation at different latitudes

由圖7可知，在24 h的仿真時長中，可以實現(xiàn)全時全球的覆蓋。由圖8可知，在全球緯度帶中，混合星座在整個仿真時間段中，對每個緯度點的覆蓋層數(shù)。紅色表示某個緯度點的覆蓋最少層數(shù)，藍色表示某個緯度點的覆蓋最多層數(shù)，綠色表示某個緯度點的覆蓋的平均層數(shù)。

由以上仿真曲線圖可知，與5顆GEO衛(wèi)星組合后，三顆MOLNYA軌道衛(wèi)星（覆蓋北極）和三顆MOLNYA軌道衛(wèi)星（覆蓋南極）（15°的通信仰角）組成的混合星座可以很好的覆蓋高緯度地區(qū)和兩極區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)全時全球覆蓋。

2.1.2通信性能為了驗證混合星座是否具有良好的支持極地與國土境內(nèi)的連續(xù)通信性能，本節(jié)選取極地中的某站和北京進行通信性能仿真實驗。利用STK中的Chain對混合星座的通信性能進行仿真分析。Chain可將選定兩地的通信情況以坐標(biāo)曲線的方式進行展示，可以更直觀更細化的分析混合星座在每個時刻的通信性能，從而得出兩地是否能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)通信的結(jié)論。仿真時間段為選為1 Jul 2015 12：00：00到2 Jul 2015 12：00：00，仿真圖如下：

圖9　混合星座對北京的通信情況Fig.9Communicationof mixedconstellationwithBeijing

圖10　混合星座對極地某站的通信情況Fig.10Communicationof mixedconstellationwithpolarregion

表1　混合星座對選定目標(biāo)的通信時長Table 3 The communication time of mixed constellation with the selected object

由表3可以看出，北京和極地某站通過MOLNYA4、MOLNYA5和MOLNYA6就可以實現(xiàn)24小時的實時連續(xù)通信。

通過覆蓋仿真和通信仿真，可以看出GEO和MOLNYA構(gòu)成的混合星座無論是在覆蓋性能還是通信性能方面，都具有其優(yōu)越性。

2.2GEO衛(wèi)星和TUNDRA軌道衛(wèi)星覆蓋能力

2.2.1覆蓋性能利用STK中的Coverage definition對混合星座的覆蓋性能進行仿真分析。Coverage definition可將覆蓋情況以坐標(biāo)曲線的方式進行展示，可以更直觀更細化的分析混合星座在每個時刻的仿真性能。仿真圖如下：

圖11　混合星座24 h覆蓋情況示意圖Fig.11ThecoverageofGEO+TUNDRAin24h

圖12　混合星座在不同緯度點的覆蓋層數(shù)Fig.12ThecoveringlayersofGEO+TUNDRAatdifferentlatitudes

由圖11可知，在24 h的仿真時長中，在18：00和06：00兩個時間段不能實現(xiàn)全球的覆蓋。由圖12可知，在全球緯度帶中，混合星座在整個仿真時間段中，對每個緯度點的覆蓋層數(shù)。紅色表示某個緯度點的覆蓋最少層數(shù)，藍色表示某個緯度點的覆蓋最多層數(shù)，綠色表示某個緯度點的覆蓋的平均層數(shù)。

由以上仿真圖可知，在通信仰角設(shè)置為15度時，此種混合星座不能夠?qū)崿F(xiàn)全時全球的覆蓋。若對通信仰角沒有具體限制，可以把通信仰角設(shè)置的足夠小時，對該混合星座進行仿真，觀察其全時全球覆蓋性能。

圖13　混合星座24 h覆蓋情況Fig.13ThecoverageofGEO+TUNDRAsatellitesin24h

圖14　混合星座在不同緯度點的覆蓋層數(shù)Fig.14ThecoveringlayersofGEO+TUNDRAsatellitesatdifferentlatitudes

由圖13可知，在24 h的仿真時長中，可以實現(xiàn)全時全球的覆蓋。

由圖14可知，在全球緯度帶中，混合星座在整個仿真時間段中，對每個緯度點的覆蓋層數(shù)。紅色表示某個緯度點的覆蓋最少層數(shù)，藍色表示某個緯度點的覆蓋最多層數(shù)，綠色表示某個緯度點的覆蓋的平均層數(shù)。

由以上仿真圖可知，若不考慮通信仰角，結(jié)合GEO的二顆TUNDRA軌道衛(wèi)星（覆蓋北極）和二顆TUNDRA軌道衛(wèi)星（覆蓋南極）組成的混合星座可以實現(xiàn)24 h的全球無縫覆蓋。若考慮通信仰角的問題，則該混合星座便不能夠滿足全時全球的覆蓋需求。

2.2.2通信性能為了驗證混合星座是否具有良好的支持極地與國土境內(nèi)的連續(xù)通信性能，本節(jié)選取極地中的某站和北京進行通信性能仿真實驗。利用STK中的Chain對混合星座的通信性能進行仿真分析。Chain可將選定兩地的通信情況以坐標(biāo)曲線的方式進行展示，可以更直觀更細化的分析混合星座在每個時刻的通信性能，從而得出兩地是否能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)通信的結(jié)論。仿真時間段為選為1 Jul 2015 12：00：00到2 Jul 2015 12：00：00，仿真圖如下：

圖15　混合星座對北京的通信情況Fig.15ThecommunicationofmixedconstellationwithBeijing

圖16　混合星座對極地某站的通信情況Fig.16Thecommunicationofmixedconstellationwiththepolarregion

表4　混合星座對選定目標(biāo)的通信時長表Table 4 the length of the communication for the selected target

由圖15、圖16和表4對照可以看出，北京和極地某站通過該混合星座不能夠?qū)崿F(xiàn)24 h的實時連續(xù)通信。

通過覆蓋仿真和通信仿真，可以看出GEO和TUNDRA構(gòu)成的混合星座無論是在覆蓋性能還是通信性能方面，都有一定的局限性。

結(jié)合兩種混合星座構(gòu)型的覆蓋性能和通信性能的仿真，可以看出GEO和MOLNYA組成的混合星座在實現(xiàn)全球覆蓋和極區(qū)連續(xù)通信兩方面具有明顯的優(yōu)勢，不僅可以實現(xiàn)較高通信仰角的全球覆蓋，而且可以保證極區(qū)與國土境內(nèi)的連續(xù)通信，因此，應(yīng)選擇GEO和MOLNYA組成的混合星座作為滿足覆蓋和通信需求的最優(yōu)選擇。

3　結(jié)論

本文設(shè)計了大橢圓（HEO）與GEO構(gòu)成的混合星座系統(tǒng)，利用STK對兩種混合星座構(gòu)型的覆蓋性能和通信性能都進行了仿真分析。通過仿真結(jié)果可以看出，利用MOLNYA大橢圓軌道衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星作為空間段，能夠為各種用戶提供全球覆蓋，并且能夠很好的實現(xiàn)極地與國土境內(nèi)的連續(xù)通信。通過仿真選定的該混合星座系統(tǒng)結(jié)合了HEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星的優(yōu)勢，通過HEO衛(wèi)星合理配置解決南北極地區(qū)衛(wèi)星覆蓋問題，有效解決了GEO衛(wèi)星通信中存在的高緯度地區(qū)無法實現(xiàn)全覆蓋的問題，同時也實現(xiàn)了高緯度地區(qū)與國土境內(nèi)的連續(xù)通信。

［1］郭超，鄧麗，胡雅斯.區(qū)域覆蓋衛(wèi)星星座設(shè)計［J］.開發(fā)應(yīng)用，2014，30（11）：47-48

［2］胡磊，閆世強，劉輝，等.美國GEO預(yù)警衛(wèi)星覆蓋性能分析［J］.空軍預(yù)警學(xué)院學(xué)報，2013（6）：404-408

［3］胡磊，閆世強，劉輝，等.美國HEO預(yù)警衛(wèi)星覆蓋性能分析［J］.裝備學(xué)院學(xué)報，2013，24（3）：76-80

［4］杜玉萍.基于STK/Matlab的航天器可見性仿真分析［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2014（6）：80-83

［5］于海洋，楊華民，姜會林，等.一種全球覆蓋的多層星座鏈路分析［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報，2014（3）：56-59

［6］杜增.基于STK軟件包的應(yīng)用開發(fā)［J］.軟件，2015，36（4）：102-106

［7］陳霄，徐慨，楊海亮.STK軟件衛(wèi)星仿真與覆蓋分析［J］.信息通信，2014（11）：1-3

［8］杜玉萍，陸君.STK在航天器軌道預(yù)報仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2015（4）：62-65

［9］鮑凱，徐楷，項順祥.基于STK的點波數(shù)覆蓋分析與仿真［J］.通信技術(shù)，2013（1）：17-19

［10］尹志忠，張龍，周賢偉.LEO/HEO/GEO三星衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)層間ISL性能分析［J］.計算機工程與應(yīng)用，2010，46（12）：9-13

［11］劉紹奎，劉虎東.低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座設(shè)計與性能仿真［J］.全球定位系統(tǒng)，2014（3）：19-23

［12］曾德林.快速響應(yīng)小衛(wèi)星星座設(shè)計及覆蓋性能仿真分析［J］.計算機仿真，2014，31（6）：73-77

Simulation and Analysis on the Performance of Mixed Constellation Based on STK

GAO Jing1*，LIU Xiao-meng2
1.Hebei Vocational College of Labour Relations，Shijiazhuang 050000，China
2.Hebei Geo University，Shijiazhuang 050000，China

In order to extend the coverage of the GEO satellite system and solve the communication problems in polar region，in this paper，we designed a constellation of the GEO and elliptical orbit.The related coverage performance and communication performance were simulated.The constellation had achieved global coverage and continuous communication between the polar region and the territory to make up for the lack of GEO effectively.The results provided valuable preference for study of regional observation and design of communication constellation.

Mixed constellation；region coverage；STK simulation

TN927

A

1000-2324（2016）05-0773-06

2016-03-24

2016-06-12

高靜（1982-），女，講師，工程碩士，主要從事計算機網(wǎng)絡(luò)、通信等課程教學(xué)工作.E-mail：gaojing922@126.com