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第24卷第11期 计算机仿真 2007年11月
文章编号:1006—9348(2007)011—0008一O5
基于STK的侦察卫星预警系统设计与仿真
代明鑫,王雪松,张文明
(国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073)
摘要:侦察卫星可以全方位全天候的对全球进行侦察,对侦察卫星的预警是有必要的。文中首先基于Access数据库建立了
侦察卫星数据库,主要针对光学成像卫星、雷达成像卫星以及电子侦察卫星三类;通过STK(卫星工具包)的STK/Connect模
块实现了侦察卫星数据库与STK的连接,基于STK平台实时的显示了侦察卫星的在轨运行以及对地覆盖情况。文中通过
VC来生成系统界面,首先通过界面来操作数据库信息,然后把卫星载入到STK平台,通过界面设定仿真时间,设定特定区
域,仿真设定的时间段内卫星的运行及对区域的访问情形,通过STK的报告生成功能可生成卫星在此时间段内对区域的访
问报告,根据报告可对访问该区域的侦察卫星进行预警。
关键词:侦察卫星;轨道预报;仿真;数据库
中图分类号:TP391.9 文献标识码:A
Design and Simulation of Satellite Prediction
DAI Ming—xin,WANG Xue—song,ZHANG Wen—ming
(School of Electronics Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha Hunan 410073,China)
ABSTRACT:The reconnaissance satellite can all—weather and all—position reconnoitre the world.The prediction
ofthe satellite is necessary.In the paper,a database of the satellites which mainly in—
cludes the opticla imaging reconnaissance satellite,the radar ima ̄ng reconnaissance satellite and the electronic recon—
naissance satellite is founded.The paper shows satellite's circulating and real——time coverage to the ground by con—
necting the database to the STK(Satellite Tool Kit)with the module of STK/Connect.The interface of the system is
created by VC.First,operating the datbaase from the interface.Secondly,loading the reco
nnaissance satellite from the
,
database.After that,setting the simulation time and the specific area from the interface and a visiting repo ̄in the sim—
ulation time can be gotten by the function of creating report in STK.A prediction of the reconnaissance satellite can
be made through the repo ̄.
KEYWORDS:Reconnaissance satellite;Orbit prediction;Simulation;Database
1 引言
文献[4]分析了STK对侦察卫星预警网的轨道设计以及遥
侦察卫星(Reconnaissance Satellite)是军事应用卫星中
感器配备等,可对一些侦察卫星进行轨道预报,但未形成一
最主要的种类之一…,一直以来都受到各国军事和政府部门
个独立的针对侦察卫星的预报系统。
重视。侦察卫星是利用所携带的光学遥感器和微波遥感器
针对上述情形,本文建立了针对光学成像卫星、雷达成
拍摄地面一定范围内的物体来产生高分辨率图像的卫星,主
像卫星和电子侦察卫星三类侦察卫星的预警系统。系统采
要用于战略情报收集、战术侦察、军备控制核查和打击效果
用VC++开发系统界面,建立侦察卫星的数据库系统,利用
评估等 J。侦察卫星分为照相侦察和电子侦察两种,而照相
STK/Connect模块与STK进行连接,设定被侦察区域,采用
侦察又可分为光学成像和雷达成像,其代表分别为KH一12
STK进行二维和三维显示,由STK生成对该特定区域的访问
(光学成像)、长曲棍球(雷达成像)和大酒瓶(电子侦察)
报告。根据此报告可对关心的侦察卫星进行某一时段的预
[2.3]
o
警,从而有利于该区域的安全工作。
利用侦察卫星实施空间侦察已经成为情报的主要来源
之一,作为被侦察的一方,对侦察卫星的预警是十分必要的。
2系统设计及构成
2.1原理与方法
基金项目:湖南省自然科学基金项目(o4JJ3001)
根据开普勒定律,人造地球卫星在空间的位置可以用几
收稿日期:2006—08—07修回日期:2006—11—02
个特定的参数来确定,这些数据称为轨道参数。轨道参数主
—
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要有以下六个 :轨道平面倾角(Inclination of orbital plane): 二维图像以及数据来预报卫星到达区域上空时间,计算出区
是卫星轨道平面和天球赤道平面的夹角;升交点赤经(Right 域安全时间,为反卫星侦察措施提供依据。
ascension of the ascending node):升交点指由南向北飞行的卫
2.2系统设计
星,其轨道与天球赤道的交点;春分点指地球环绕太阳公转 卫星预警系统要求对侦察卫星进行实时的预报,并生成
的一圈中的一个点,反映在天球赤道平面上的固定位置,升 相应的报告。系统涉及到卫星数据库的建立、STK与数据库
交点赤经指春分点轴向东度量到升交点的弧度,和轨道平面 的连接、STK演示、区域设置以及预警报告生成等几个方面,
倾角一起决定轨道椭圆的空间位置;轨道椭圆长半轴(Semi—
是一个多方面的综合系统。
major axis fo orbital ellipse):指近地点通过地球质心到远地点 该系统通过VC界面进行操作,根据需要可以任意添加、
距离的二分之一,决定轨道椭圆的大小;轨道椭圆偏心率
删除、修改卫星信息,可对已有的卫星信息进行查询。通过
(Nunerila eccentircity fo ellipse):指椭圆两个焦点之间距离的
STK/Connect模块把VC和STK进行连接,基于STK的强大
一
半与其长半轴之比,决定轨道椭圆的形状;近地点角距 显示功能对数据库中的卫星进行二维和三维的显示,显示卫
(Argument of perigee):指由升交点轴顺着卫星运行方向度量 星的轨道运行和覆盖情况。利用STK的报告生成功能生成
到近地点的弧长,决定近地点在轨道椭圆上的位置;平近点
指定卫星对指定区域的访问情况,进行预警分析。通过
角(Mean anomaly):指卫星自近地点以平均角速度运行的角 STK/Connect对STK的连接如图1所示 :
度。对于卫星跟踪和预报来说,最重要的轨道参数是轨道倾
角和升交点赤经,它们确定了卫星的轨道相对于地球的方
位。通过卫星轨道的六参数可以计算任何时刻卫星的位置
和速度,从而可实时确定卫星运行状况,为卫星预报提供依
据。卫星在轨位置的确定如式(1)所示。
厂X ] r costocos ̄O—sintosinOcosi1
R ll jl =。(cosE—e)l【 sintosin ̄O+sintocosOcosi I
sl‘nosin
J
图1通过STK/Connect与STK的连接
『一。i“ osn一 。。 。i“ os 1
2.3系统构成
+bsinEI—si【 ntosin ̄O+costocosOcosiI
J
(1)
2.3.1卫星数据库
. .
COSOSlnZ
卫星数据库的建立方便用户对卫星信息的操作,系统采
式(1)中:R 一卫星在轨位置;
用Access数据库,建立包含卫星信息的表,该表包括卫星所
。~轨道椭圆长半轴;
属国家、卫星编号、卫星名称、侦察类型、卫星轨道六参数、传
6~轨道椭圆短半轴;
感器类型和传感器参数。
E一偏近点角;
侦察类型主要指光学成像、雷达成像和电子侦察三类。
e一轨道椭圆偏心率;
卫星轨道六参数指轨道平面倾角i、升交点赤经n、轨道
一
近地点角距;
椭圆长半轴a、轨道椭圆偏心率e、近地点角距 、平近点角
一
升交点赤经;
,
通过这六个参数来确定卫星的轨道位置。
~
轨道平面倾角。
传感器类型包括简单圆锥体(Simple Conic)、复杂圆锥
对侦察卫星进行预报有多种方法,轨道预报是一种主要
体(Complex Conic)、半功率点(Half Power)、矩形(Rectangu—
手段。本文采取轨道预报的方法,根据侦察卫星资料参数、
lar)、SAR和自定义(Custom)六种类型,系统中主要考虑前五
地球模型、卫星轨道模型、卫星侦察区域模型建立软件系统,
种类型,每种类型所需要的参数不同,具体的参数需求如表1
地球模型和卫星轨道模型假定为天体力学的“二体问题”,卫
所示 .
星的运行遵循开普勒三定律 。通过STK显示的三维图像、
表1传感器各类型的参数设置
2.3.2 STK与数据库的连接
的操作。STK对卫星的显示和分析有强大的功能,通过VC和
该系统通过VC对数据库进行调用,实现对卫星数据信息
STK/Connect模块进行连接,把STK和数据库连接起来。
一
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STK是由美国AGI公司开发,在航天工业领域领先的商 该链路生成卫星星座对区域的访问报告。报告可以显示出
品化分析软件。STK可以快速方便的分析复杂的陆、海、空、 卫星对区域访问的开始时刻、结束时刻、访问时间、访问的卫
天任务,并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果,用
星名称等一系列信息,也可生成非访问报告,即包括卫星对
于确定最佳解决方案。STK的基本功能和基本模块详见文
区域的非访问时间,即区域的“安全时间”。
献[6]。
STK/Connect模块是一个非常重要的模块,为用户和
3系统仿真实现
STK之间的交互提供了基本的保障。该模块允许STK以服
该系统可以实现实时的卫星轨道和卫星覆盖显示,设定
务器方式运行,通过接收用户经连接模块传发的指令来控制
仿真时间,显示该时间段内的卫星运行情形、地面覆盖情形
STK的运行。该模块提供了一种使用客户一服务器端方式
以及对区域的访问情形,对设定的时间段内的卫星访问情形
连接STK的快捷工作方式。STK,/Connect设计用于给第三方
进行预报。
的应用程序提供一个向STK引擎发送指令和接收数据的通
系统仿真流程图如图2所示。
信路径。STK,/Connect允许打开Microsoft COM或者TCWIP
到STK的连接,发送STK,/Connect指令,接受STK的数据,完
成后关闭连接。使用STK,/Connect时,只需要提供连接名和
端口以便STK进行数据通信。STK,/Connect指令可以用单一
函数发送并返回任何所期望的数据。
STK,/Connect的关键特性:
1)与STK在客户机/服务器模式下工作
2)自动分析
3)实时支持
4)快速原型
5)接口库和定制接口
2.3.3卫星显示和报告生成
通过STK,/Connect把VC和STK连接起来,VC访问卫星
数据库,发送STK指令来显示数据库中的卫星。数据库中定
义了卫星传感器的类型和相应的参数,通过发送指令可在
STK中建立相应的传感器并赋予参数,显示卫星的覆盖情形。
该系统可以选择特定的卫星进行显示,可以根据国家、
侦察类型来选择可视卫星,也可单独选择卫星来显示。针对
卫星的显示可选择是否显示卫星轨道和星下点轨迹,是否显
示覆盖轨迹。
系统可根据用户需求设定特定的区域,通过以对话框来
设置区域名称以及区域四点的经度和纬度,并在STK上显
图2系统仿真流程图
示。
设定好区域后,可选择用户关心的卫星来生成对该区域
3.1卫星数据库实现
的访问报告,可按照国家、侦察类型以及单个卫星来选择,选
系统运行后的数据库为一个空数据库,通过点击运行界
择的卫星自动组出一个星座,并和该区域组成一个链路,由
面的“卫星数据库”菜单,弹出卫星数据库的对话框,可以添
加卫星,作为例子,系统添加了三颗卫星,参数如表2所示。
表2卫星数据库信息列表
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卫星数据库的操作界面如图3所示。
图3卫星数据库操作界面
该界面包括一个卫星信息的列表,可以显示数据库中
所有的卫星信息,可以通过点击列表下面的“添加”、“删除”
和“修改”按钮来执行相应的操作;查询功能可实现按国家和
按侦察类型查询,首先在查询类型中选择“按国家查询”或
“按侦察类型查询”,然后在查询内容中输入国家名或侦察类
型名,点击“查询”即可在列表中显示出要查询的卫星。
3.2 STK仿真实现
系统仿真的参数如下:
仿真时问:120分钟(2006—7—24 09:53:51.30~2006
—
7—24 11:53:51.30);
卫星参数:如表2所示;
区域名称:Area;
区域位置(区域的四个顶点经纬度)如表3所示。
表3 区域位置设置
系统界面的“STK演示”菜单主要完成打开STK、建立场
景或载入已存在的场景、载人数据库中的卫星、保存场景、关
闭场景、退出STK功能。
当完成卫星数据库的工作后,首先通过点击“STK演示”
菜单中的子菜单“打开STK”来通过VC和STK/Connect模块
的接口来打开STK,然后点击“建立场景”子菜单来建立一个
场景,此时要设置仿真时间,仿真中设置仿真时间为120分
钟,设置仿真时间后通过“载入卫星”子菜单来载人数据库中
的卫星,此时设置卫星轨道、星下点轨迹以及覆盖情形均为
不可见。
系统运行界面的“设置”菜单项包括两个子菜单:“区域
设置”和“卫星选择显示”。“区域设置”主要是来设置所关
心的区域坐标位置,所采用的方法是设置区域四个顶点的经
纬度。“卫星选择显示”主要是来选择所关心的卫星进行显
示,可以通过国家、侦察类型来选择,并可显示所选择的卫
星,也可单独选择一颗卫星来显示,仿真中以按国家来选择,
以美国为例,点击“OK”即可在STK界面上显示所选卫星的
轨道、星下点轨迹以及覆盖轨迹
“卫星选择显示”界面如图4所示。
图4卫星选择显示操作界面
STK的二维显示界面如图5所示。
图5 STK二维显示界面
STK二维界面显示了所选的美国卫星Satl和Sat2的星
下点轨迹和覆盖情形,并显示了所设定的区域Area,图中情
形为Satl卫星正访问该区域,界面左下角时间为系统实时时
间,为UTCG时间,加上AtJ,时即转为北京时间。
3.3访问报告生成
首先选择所关心的卫星,可以按照国家。侦察类型以及
单独选择,仿真中按国家选择美国的卫星来生成对所设定区
域的访问报告。
访问报告的生成通过建立卫星星座和链路来完成,首先
把所选的卫星组成一个卫星星座,再把该星座和所设置的区
域组成一个链路,通过链路来生成星座对区域的访问情况。
一
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报告,以访问报告为例,如图6所示。
3.4结果分析
由生成的报告可以看出卫星对
特定区域的访问和非访问情况,报告
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中访问的起始和结束时间采用的是
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格林尼治时间(UTCG),转化为北京
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时间时加上八个小时即可。从报告
图6访问报告
中可以清晰的看到卫星对该区域的
具体访问情况,包括起始结束时间、
单击“报告生成”菜单,即弹出“选择访问卫星”的操作
访问时间、访问的卫星名称等。本例
界面,选择好卫星,单击“OK”,即可生成访问报告和非访问
中的访问情况如表4所示。
表4仿真中卫星对区域的访问情况
通过该报告可以进行卫星侦察预报,本例仿真时间设
53:51.30),从生成的报告中可以确定区域在该段时间内的
置为120分钟(2006—7—24 09:53:51.30—2006—7—24 11:
安全时段,如表5所示。
表5区域安全时段
从该表中可以看出在设置的120分钟内有四个安全时
[3]Phillip S Clark.Russian iffth generation photoreeonnaissanee satel—
段,每个时段的安全时间不同,针对不同的工作需求可在不
lites[J].Journal of the British Interplanetary Society,1999,52
同的安全时段完成,例如某个任务的时间需要一个小时,则
(4):133—150.
只能选择在2006.7.24的10:28:22.83到11:48:17.04这一
[4] 秦大国,陈星.STK及其在卫星组网仿真演示中的应用研究
时间段内施行。
[J].指挥技术学院学报,Aug 2001,12(4):66—69.
[5]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:科学出版
4结束语
社,2003.
系统通过建立侦察卫星数据库,基于STK的强大显示分
[6]杨颖.王琦STK在计算机仿真中的应用[M].jE京:国防工业
出版社,2005.
析功能,把侦察卫星的运行以二维、三维的形式展现出来,实
时的显示卫星轨道、星下点轨迹以及卫星传感器的对地覆盖
[作者简介]
情形。
代明鑫(1981一),男(汉族),山东聊城人,国防科
通过设定区域位置,选择访问卫星,基于STK的报告生
技大学电子科学与工程学院硕士研究生,研究方向:
成功能来生成卫星对区域的访问情形,对区域的卫星侦察进
电子系统建模仿真与评估;
行预警,具有很大的应用价值。
王雪松(1972一),男(汉族),内蒙古包头人,教授,
博导,研究方向为雷达极化信息处理、信号处理与目
参考文献:
标识别、电子战系统仿真;
[1] 王永刚,刘玉文.军事卫星及应用概论[M].北京:国防工业
张文明(1972一),男(汉族),湖南人,博士,副教授,硕士生导师,电
出版社,2003.
子学会高级会员。研究方向为:雷达数据处理、综合电子战系统建模
[2] 闻新,陈勃红.国外军事侦察卫星的发展状况[J].现代防御 与仿真、卫星导航系统等领域的研究工作和随机信号分析与处理的
技术,Aug 2001,29(4):5—8. 教学工作。
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