卫星仿真工具包STK在遥感卫星仿真中的应用

卫星仿真工具包STK在遥感卫星仿真中的应用

李骁    邹峥嵘

摘要:卫星仿真工具包(STK)广泛应用于航天工业领域.可快速、准确的实现遥感卫星的仿真。本文通过应用实例从光照条件分析、可见性分析及地面覆盖分析等几个方面论述了其在遥感卫星仿真中的应用。
关键词:STK   遥感卫星   仿真

1 引言

遥感技术经过50年的发展, 以卫星为主要平台的航天遥感技术已经广泛应用于资源勘查、环境监测、军事侦察等领域。随着遥感技术的在社会经济发展中的作用日益重要, 遥感任务也更加繁多和复杂。在这种背景下.对遥感卫星的仿真正发挥着越来越重要的作用。
卫星仿真工具包Satellite nd Kit(STK)是美国Analytical Graphics公司开发的一款在航天工业领域中处于绝对领先地位的商品化分析软件。它支持航天任务周期的全过程,可快速、准确地实现遥感卫星的仿真分析并可提供易于解释的分析结果的图表和文本。使用STK进行遥感卫星仿真,可迅速的得到仿真结果,避免复杂的编程与计算,且仿真结果直观、简洁、明了。

2 STK的主要功能

分析能力:用户使用STK可以快速准确地计算出卫星在任意时刻的位置和姿态,评估航天器与太空、陆地、还有和天空中目标之间的相互关系。计算卫星或地面站上传感器的覆盖区域。

计算轨道和弹道:STK提供了多种数学算法(二体运动,J2,J4,MSGP4,星历表)计算卫星在任意时刻的位置。STK同时提供了卫星轨道生成向导.可以指引用户快速建立常见的轨道类型的各种卫星。
卫星数据库:sTK提供了由最新的NORAD 2行数据组成的卫星数据库,该数据库中有超过10000个卫星的轨道参数。方便用户快速添加各国的已知卫星。
可见性分析:STK可以计算场景中任意对象对于其他对象的访问时间,并在以二维和三维的窗口动画显示.同时提供图表或文字报告。STK可以在对象问增加几何约束条件,如传感器可视范围、地面站最小仰角、探测距离等等。
传感器分析:STK可以在任意对象上添加传感器.用于可见性分析的精确计算和覆盖分析。STK提供多种传感器类型(简单圆锥、复杂圆锥、矩形、半功率,SAR、用户自定义)
以满足用户的不同需求。

姿态分析:STK生成标准的姿态剖面以及外部姿态四元组文件。提供了分析姿态运动和对不同STK计算出的参数影响的方法。
可视化结果:STK允许以不同投影方式和坐标系显示分析结果。可向前、向后或实时显示分析对象的动态变化。
提供详细的数据报告:STK的特征之一就是提供一组标准的报告和图标来总结关键信息。所有报考均可以以工业标准格式导出到常用的电子表格中。
接口定制:STK允许用户利用Microsoft Component Object Model(COM)来方便地与其他支持COM操作应用程序集成。

3遥感卫星仿真分析应用实例

本文以MODIS平台的Terra卫星、Aqua卫星与长沙市中南大学的卫星接收站为例,实现STK的仿真分析功能。首先建立新场景.随后从STK的数据库中添加卫星对象Terra和Aqua。然后从数据库中添加城市Changsha。同时考虑到中南大学周围环境的影响。在Changsha对象中加入约束条件最小观测角5deg。

3.1 遥感卫星的光照条件分析

阳光照射地球时.在地球背向太阳的一面将产生阴影,卫星飞进地影后将不受太阳照射。由于目前大部分遥感传感器都是基于可见光的.因此装载此类传感器的遥感卫星在地影中飞行时无法获取地面信息。除此外, 光照情况还影响卫星上太阳能电池的供电情况。因此在遥感卫星仿真中需要考虑卫星的光照条件。使用STK可以直观的对卫星的光照条件进行分析。在本次实例中, 将卫星的轨迹中加人光照属性, 即可直观的显示卫星的光照条件。

3.2 遥感卫星对地面站的可见性分析

对于地面接收站而言, 只有当卫星进人地面站的可见范围时,才可以实现卫星与地面站之间的通讯,从而达到接收卫星数据的目的。使用STK软件可以方便的分析对象之间的可见情况。
本次实例中对地面对象Changsha使用Access功能即可建立起卫星与Changsha之同的可见性连接。连接建立后,STK会用二维图形和三维图形直观的显示对象之问的连接情况。在三维图形中,当卫星运行到地面站可见的范围时,会出现一条连接卫星与地面站的直线(图1)。当卫星与地面站不可见时,连线会消失。在二维图形中。卫星对地面站可见的区域的轨迹以高亮显示。


在显示直观图形的同时,STK生成了一个可见性分析报告,用于储存和显示卫星对地面站详细的可见性数据。Terra卫星对长沙的可见性分析结果如表1所示:


3.3 遥感卫星对地球表面的覆盖分析

对遥感卫星而言,卫星上搭载的各类传感器对地面的覆盖能力无疑是至关重要的。传感器的覆盖范围和重访周期直接制约着遥感卫星的对地观测的能力。利用STK的覆盖分析模块,可以分析单个卫星或星座对地球表面的全局或区域的覆盖情况。在进行覆盖分析时。STK不仅可以提供详尽的分析报告和图表,还能对覆盖的变化进行同步仿真.而且还会允分考虑所有对象的访问约束,避免计算误差。


在本次实例中,以Terra和Aqua卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪MODIS对中国大陆在一天内的覆盖为例来实现STK的覆盖分析功能。在原有场景基础上,对卫星Terra和Aqua添加MODIS传感器(图2)。然后添加覆盖对象PRCMainland。并建立起覆盖对象与卫星的传感器的关联。考虑MODIS传感器中部分波段是在可见光范围,因此需要加入限制光照的限制条件。
最后利用Computer Accesses功能计算覆盖情况.以及创建覆盖分析报告、分析图表、覆盖品质分析报告。


4结束语

由上述仿真实例可以看出, 通过在STK中建立仿真场景。利用STK的显示分析功能.可以将遥感卫星的运行轨道、对接收站的可见性情况、传感器的覆盖效果以二维和三维的形式直观的展现.并生成详尽的数据报告。基于STK的遥感卫星仿真对遥感卫星的轨道设计、遥感任务规划以及教学演示有很大的应用价值。
参考文献:
[1]杨颖,王琦.STK在计算机仿真中的应用[H].北京:国防工业出版社.2005.
[2]代明鑫,等.基于STK的侦察卫星预警系统设计与仿真[J].计算机仿真。2007,24(11):8—12.

[3]张占月,等.基于STK的航天任务仿真方案分析[J].装甲指挥技术学院学报,2006,17(1):48—51.



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