基于STK/Matlab 的衛(wèi)星過境預報

李春陽，張廷華，田磊源

（1.航天工程大學，北京 101416；2.96945 部隊，河北 保定 072653）

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展進步，各個國家的航天活動逐漸增加，對于空間優(yōu)勢的爭奪日漸激烈，空間目標監(jiān)視日益重要?？臻g目標監(jiān)視是爭奪空間優(yōu)勢的前提，隨著航天活動的增多，軌道預報對于掌握空間目標的位置與運動特性十分重要。軌道預報是指利用軌道根數(shù)計算航天器未來預期時間的運行軌道，對于航天任務(wù)分析、空間目標碰撞預警等具有重要作用[1]。

STK（Satellite Tool Kit）是由美國分析圖形公司（Analytical Graphics，Inc.，AGI）開發(fā)的用于航天領(lǐng)域仿真設(shè)計的商業(yè)化分析軟件，其具有成熟的三維顯示模塊、鏈路分析模塊、通信分析模塊、接近分析模塊、覆蓋分析模塊、高分辨率數(shù)字地圖等功能，但其獲取的數(shù)據(jù)類型非常繁雜，價格比較昂貴，且存在技術(shù)封鎖，用戶無法控制源代碼。STK 能夠?qū)崿F(xiàn)對衛(wèi)星、飛機、艦船、車輛以及地面觀測站及其傳感器等各系統(tǒng)的建模和仿真分析，有可視化窗口，提供多種三維數(shù)據(jù)模型，具有完備的、可在線更新的數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)實時的數(shù)字/半實物仿真，具有強大的交互式圖文輸出能力[2-6]。

Matlab GUI 是可視化的軟件顯示平臺，通過STK與Matlab 的聯(lián)合仿真，根據(jù)功能需求設(shè)計進行程序書寫，設(shè)計布局合理、功能清晰，具有形象生動的衛(wèi)星目標軌道預報用戶界面，可實現(xiàn)仿真功能以及信息的高效利用。

1 STK/Matlab 仿真實現(xiàn)

1.1 STK/Matlab 互聯(lián)設(shè)置

STK 的Connect 模塊為第三方應(yīng)用程序提供了擴展接口，可以與Matlab 聯(lián)合仿真，實現(xiàn)第三方應(yīng)用程序向STK 發(fā)送指令并接收STK 數(shù)據(jù)，完成信息交互。STK 將通信過程封裝成動態(tài)鏈接庫，用戶只需調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)即可實現(xiàn)與STK 的信息傳遞，同時，仿真連接著STK 和STK/VO，可以實時觀察事件[7-9]。

STK 軟件本身的數(shù)據(jù)處理能力較弱，Matlab 是由美國MathWorks 公司出品的科學計算常用的系統(tǒng)軟件，通過兩個軟件聯(lián)合仿真分析可以取長補短。利用STK 與Matlab 聯(lián)合仿真需要對兩個軟件進行互聯(lián)設(shè)置，在正確安裝STK 與Matlab 后，在Matlab 中刷新路徑，獲取配置文件。

在進行STK 與Matlab 連接時，分別打開兩個軟件，在Matlab 中執(zhí)行如下命令：

stkInit；%建立初始連接

若出現(xiàn)以下提示，則表示互聯(lián)成功：“警告:ConnectHost:setting default connection to localhost:5001

警告:mexConnect:Connecting to localhost:5001”。

STK 與Matlab 最多可同時創(chuàng)建兩個連接，因此每次實時數(shù)據(jù)傳遞且在通信完成后，通常需要及時關(guān)閉連接，以免下次運行重新建立時連接個數(shù)過多而出現(xiàn)錯誤連接。

1.2 STK/Matlab 仿真設(shè)置

在STK 軟件中為每個行星都定義了相對應(yīng)的坐標系，這些坐標系的原點都在中心天體的質(zhì)心上，而每個天體的坐標系不同[10]。J2000 地心慣性坐標系是慣性坐標系，基于牛頓力學的衛(wèi)星動力學和運動學方程在該坐標系描述，以地心為中心度量的其他天體運動參數(shù)也在該坐標系下描述[11]。

在衛(wèi)星目標參數(shù)設(shè)置時同時確定空間坐標系統(tǒng)的選擇，其函數(shù)為：

其中，objPath 代表對象名稱，propagator 代表傳播函數(shù)，coordSystem 代表坐標系名稱，tStart 和tStop代表仿真的開始和結(jié)束時間，dt 代表時間步長，semimajorAxis、eccentricity、inclination、argOfPerigree、RAAN、meanAnomaly 為衛(wèi)星軌道六根數(shù)。

設(shè)置觀測站位置信息函數(shù)為：

其中，acPath 代表對象路徑，llaPos 為觀測站的位置信息，包括地理經(jīng)度、緯度以及水平高度。在觀測站添加傳感器，根據(jù)實際觀測系統(tǒng)設(shè)置傳感器，因此設(shè)置傳感器類型為矩形傳感器。

2 衛(wèi)星過境預報實現(xiàn)

2.1 衛(wèi)星過境功能界面設(shè)計

在測控資源的調(diào)度過程中，測站對目標的跟蹤預報為調(diào)度制定者提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)顯示了測站對衛(wèi)星的觀測時間段內(nèi)的時間窗口、方位角、仰角和距離等相關(guān)信息[12-13]。用戶獲取衛(wèi)星的過境報告，需要利用STK 的Access 功能建立空間目標與地面站間的聯(lián)接關(guān)系。訪問分析工具Access 是STK 的核心分析工具，可以用于計算任何對象之間的可視狀態(tài)，即一個對象是否可以看到另一個對象，計算對象之間滿足要求的時間間隔。為滿足衛(wèi)星過境數(shù)據(jù)需求，基于Access 分析工具可實現(xiàn)測站對衛(wèi)星的可視狀態(tài)分析。

利用Matlab GUI 對用戶界面進行設(shè)計，在界面添加相應(yīng)的組件按鈕，并利用ActiveX 實現(xiàn)仿真場景的可視化顯示。主界面主要分為左右兩側(cè)，左側(cè)主要進行觀測時間、位置坐標等參數(shù)輸入，右側(cè)為可視化顯示窗口，供用戶實時查看事件響應(yīng)。子界面與主界面沿用同樣設(shè)計風格，界面功能主要包括獲取目標TLE 文件、計算目標過境預報以及獲取目標天文坐標，其中主界面用于多目標可見性分析，子界面用于單目標可見性分析。

2.2 目標庫建立

兩行軌道數(shù)據(jù)(Two-Line Element,TLE) 是由北美空防司令部發(fā)布的空間目標（包括人造衛(wèi)星、航天器、飛行體和火箭碎片）的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，以開普勒軌道參數(shù)之間的數(shù)學關(guān)系確定空間目標的時間、坐標、方位、速度等各項參數(shù)，具有極高的精度[16]。

TLE 兩行星歷文件參數(shù)較少但能夠保證精度，因此利用Space-Track 網(wǎng)站、CelesTrak 網(wǎng)站以及Heavens-Above 網(wǎng)站查詢選取在軌衛(wèi)星、空間站等空間目標軌道的兩行軌道根數(shù)，以此作為空間目標庫的數(shù)據(jù)。目前空間目標庫有歷年來各國發(fā)射的各類衛(wèi)星、空間站等包含星鏈衛(wèi)星在內(nèi)的空間目標800余個，且以TLE 星歷文件的格式存儲。

2.3 衛(wèi)星過境仿真流程

仿真通過Matlab 指令函數(shù)控制STK 執(zhí)行命令，建立新場景及新的對象，包括衛(wèi)星、觀測站以及傳感器。利用界面輸入觀測時間、觀測地點、傳感器參數(shù)以及衛(wèi)星軌道預報器類型參數(shù)等信息。仿真實現(xiàn)流程如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)星過境預報仿真流程

2.4 衛(wèi)星過境仿真實現(xiàn)

用戶界面功能函數(shù)指令通過Connect 模塊的協(xié)議路徑產(chǎn)生相關(guān)信息以及接收各種診斷信息的反饋，以消息的形式反饋給用戶，主要利用函數(shù)AgUtMsg()和AgUtMsgSetMsgFunc()進行運作。其中，AgUtMsg()用于傳遞消息，而AgUtMsgSetMsgFunc()是用于更改消息處理函數(shù)。利用模塊內(nèi)部AgCon ProcessSTKCmd()函數(shù)向STK 發(fā)送指令，建立新場景及新的對象，包括衛(wèi)星、觀測站以及傳感器等對象。根據(jù)界面用戶輸入信息，分別對相應(yīng)的目標實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置[15]。

在仿真過程中，首先設(shè)置預期觀測時間和地點，設(shè)置傳感器參數(shù)，若用戶需要選擇在預期時間、預期地點內(nèi)可觀測的已知空間合作目標時，可直接調(diào)用空間目標庫中衛(wèi)星軌道信息，通過計算獲取在預設(shè)參數(shù)條件下空間目標的可見性結(jié)果。當空間目標庫中所有目標在當前參數(shù)條件下不能被觀測到時，重新返回設(shè)置相關(guān)參數(shù)，進行再次仿真計算；當空間目標庫中目標在當前參數(shù)條件下可以被觀測到時，在可見衛(wèi)星中選擇需要觀測的目標，通過仿真計算進行可見性分析。若用戶需要自行設(shè)置軌道信息，則可選擇調(diào)用外部TLE 文件，或者直接輸入軌道要素，即軌道半長軸、偏心率、軌道傾角、近地點幅角、升交點赤經(jīng)以及真近點進行仿真計算。當有多顆衛(wèi)星時，利用主界面功能對衛(wèi)星進行可見性分析，從中篩選一顆可見過境衛(wèi)星進行仿真跟蹤，實現(xiàn)過境預報。

3 過境數(shù)據(jù)獲取及分析

在衛(wèi)星過境預報界面進行操作，運行程序可以觀察到三維仿真顯示圖，利用Matlab 抓取STK 數(shù)據(jù)，其相對應(yīng)函數(shù)為：

其中，objPath 代表對象的路徑，objPath 代表分析目標的路徑，rptStyle 代表所需獲取報告的類型。

獲取兩行星歷文件的方式有兩種，一種為單點式，即選取仿真時間內(nèi)的某一個時間點，獲取兩行星歷文件；另一種為軌跡采樣式，即是在全時段內(nèi)獲取兩行星歷文件。單點式獲取星歷誤差較大，因此選擇第二種方式，以獲取精度較高的星歷文件用于軌道預報分析。過境預報是指通過衛(wèi)星軌道預報，計算出衛(wèi)星在未來某一段時間內(nèi)通過預定區(qū)域的弧獲取過境數(shù)據(jù)，使用函數(shù)如下：

其中，accObjPath 代表分析目標的路徑。該報告包括過境時間、方位角以及高度角，部分報告如圖2 所示。以衛(wèi)星00733 為仿真對象，與STK 仿真數(shù)據(jù)、國家天文臺的軌道預報軟件獲取數(shù)據(jù)進行對比，如圖3、4 所示。

圖2 衛(wèi)星過境預報部分數(shù)據(jù)截取

圖3 過境預報功能與STK誤差對比

從圖3 與圖4 可以看出，三種軟件仿真數(shù)據(jù)的差值在角秒量級，精確度較高，且主要誤差為角度與弧度之間轉(zhuǎn)換無效位造成。利用STK/Matlab 聯(lián)合仿真的過境數(shù)據(jù)可以用于引導觀測設(shè)備實現(xiàn)精確觀測，縮小目標搜索空域范圍，減小目標捕獲時間，實現(xiàn)快速尋找目標進行跟蹤觀測的目的。

圖4 過境預報功能與國家天文臺軟件誤差對比

4 結(jié)束語

文中利用基于STK/Matlab 聯(lián)合平臺實現(xiàn)觀測站對衛(wèi)星的跟蹤預報，實現(xiàn)對仿真過程的可視化顯示。通過仿真以及計算分析，快速準確地獲取衛(wèi)星目標過境預報數(shù)據(jù)以及可見時間窗口，為進行實際空間目標觀測跟蹤奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。該設(shè)計充分利用聯(lián)合平臺的優(yōu)勢，利用Matlab GUI 將該功能軟件化，避免了STK 源代碼無法更改的問題，可以將該功能集成到其他軟件系統(tǒng)中，充分實現(xiàn)有限信息的充分利用。