STK基础教程.doc

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STK基础教程

Byappe1943

西安交通大学

目录

目录

1STK软件简介 1

1.1STK软件简介 1

1.2STK软件发展历程 2

1.3安装STK软件 2

1.4STK软件的功能模块 2

1.4.1先进的分析模块（AMM） 2

1.4.2Connect模块 2

1.4.3高精度轨道生成函数（HPOP） 3

1.4.4长周期轨道预测器（LOP） 3

1.4.5生命周期 3

1.4.6地形 3

1.4.7高分辨率地图 3

1.5章节安排 4

2创建第一个STK场景 5

2.1引言 5

2.2创建场景 5

2.3创建对象 5

2.3.1创建地面站 6

2.3.2创建城市 6

2.3.3创建卫星 6

2.3.4创建传感器 7

2.4计算访问窗口 8

2.5约束条件下访问窗口的计算 8

2.5.1升交角（ElevationAngle）约束 8

2.5.2时间约束 8

2.6报告和图表 9

2.6.1纬度、经度和高度（LLAPosition） 9

2.6.2光照时间（LightingTimes） 9

2.73D动画演示 9

2.7.1设置地球3D属性 10

2.7.2设置传感器显示属性 10

3利用CommConstraints设计通信链路 12

3.1引言 12

3.2设置链路 12

3.3设置COMMCONSTRAINTS 16

3.3.1接收各向同性功率约束 17

3.3.2多普勒频移约束 18

3.3.3通量密度约束 18

3.3.4载波噪声比约束 18

3.3.5数字通信系统约束 19

3.3.6折射高度和距离约束 19

3.3.7系统噪声温度约束 22

3.4经常用到的C/NConstraints 23

4使用Comm模块对转发器建模 24

4.1概述 24

4.2环境设置 24

4.3定义Comm参数 26

4.4模拟转发器 28

4.5数字转发器 29

4.6比较链路性能 30

5利用STK分析雷达干扰 31

5.1概述 31

5.2场景设置 31

5.2.1添加一个地面设施和带有干扰雷达的飞机 31

5.2.2在地面设施中添加雷达 32

5.3雷达干扰报告 34

5.4设置约束条件 34

6使用地形和地貌数据 36

6.1概述 36

6.2将地形数据导入到场景中 36

6.3使用图像转换器（ImageConverter） 37

6.3.1创建3D图像纹理 37

6.3.2在2D窗口中显示图像纹理 40

6.4使用地形转换器（TerrainConverter） 41

6.4.1在3D图形窗口中显示 41

6.4.2在2D图形窗口中显示 42

6.5结论 42

7使用天线对象 43

7.1概述 43

7.2嵌入式天线vs.链接式天线 43

7.3创建场景 43

7.4添加地面设施和卫星 43

7.5在地面设施中添加天线和接收机 44

7.6在卫星上添加天线 45

7.7创建报告 45

8使用多路径对象 47

9使用飞机任务模块 52

9.1概述 52

9.2在3D图形窗口中定义任务 52

9.2.1环境设置 53

9.2.2选择飞机模型 54

9.2.3添加过程 55

9.3在属性里定义任务 57

9.3.1环境设置 57

9.3.2选择飞机对象 57

9.3.3过程定义 57

9.4使用目录 60

9.5地形跟踪 63

9.6使用阶段性能模块 66

9.6.1环境设置 66

9.6.2选择飞机模型 66

9.6.3定义性能模块 66

9.6.4增加阶段和过程 67

10在STK里使用矢量工具 71

10.1引言 71

10.2矢量图形 71

10.3显示矢量 72

10.4平面 74

10.5创建新的矢量 75

10.6姿态球 79

10.7创建和显示角度 81

10.8始终显示矢量 84

11使用STKX 86

11.1STKX与C++ 86

11.1.1创建工程 86

11.1.2将STKX添加到工具栏中 87

11.1.3向STKX发送指令 88

11.1.4为Map控件添加缩放功能 91

11.1.5响应STKX事件 92

11.1.6添加地图选择事件 94

11.1.7设置STKX属性 96

11.2STKX与C# 98

11.2.1创建工程 98

11.2.2将STKX控件添加到工具栏中 98

11.2.3向STKX发送指令 99

11.2.4为Map控件添加缩放功能 101

11.2.5响应STKX事件 102

11.2.6添加地图选择事件 104

11.2.7设置STKX属性 105

11.3STKX与Html 107

11.3.1向STKX传递指令 107

11.3.2为Map控件添加缩放功能 109

11.3.3响应STKX事件 109

11.3.4添加地图选择事件 110

11.3.5设置STKX属性 111

11.4STKX与Java 113

11.4.1利用J-Integra创建JavaCOM代码 113

11.4.2编译JIntegra输出java代码 114

11.4.3创建应用 115

11.4.4在窗口中添加STKX控件 116

11.4.5向STKX发送命令 117

11.4.6为Map控件添加缩放功能 118

11.4.7响应STKX事件 119

11.4.8添加地图选择事件 121

11.4.9设置STKX属性 122

11.5STKX与Matlab 122

11.5.1创建工程 123

11.5.2在表单中添加STKX控件 123

11.5.3向STKX发送指令 126

11.5.4为Map控件添加缩放功能 129

11.5.5响应STKX事件 131

11.5.6添加地图选择事件 133

11.5.7设置STKX属性 135

11.5.8添加Connect命令接口 139

11.6STKX与MFC 139

11.6.1创建工程 139

11.6.2将STKX控件添加到工具栏中 140

11.6.3向STKX发送指令 142

11.6.4为Map控件添加缩放功能 145

11.6.5响应STKX事件 146

11.6.6添加Map选择事件 148

11.6.7设置STKX属性 150

11.7STKX与VisualC++6.0 152

11.7.1创建工程 152

11.7.2在对话框中添加STKX控件 155

11.7.3向STKX发送指令 156

11.7.4为Map控件添加缩放功能 161

11.7.5响应STKX事件 162

11.7.6添加地图选择事件 166

11.7.7设置STKX属性 168

12AzEI方位角/仰角遮罩工具的使用 171

12.1设置环境 171

12.2制作BMSK文件 173

12.3利用BMSK限制访问 174

12.4在3D图形窗口中观察对象 174

13导弹建模工具箱的使用 177

13.1导弹建模工具箱介绍 177

13.2导弹防御系统功能介绍 181

13.3利用MFT规划导弹试验 183

13.3.1载入场景 183

13.3.2打开STK/Analyzer 184

13.3.3影响雷达跟踪时间的因素 185

13.3.4最优试验安排 192

13.4利用IFT评估末段杀伤概率 195

13.4.1载入场景 196

13.4.2打开STK/Analyzer 197

13.4.3作战管理系统时间延迟影响 198

13.4.4蒙特卡罗仿真 204

13.5利用MFT&IFT分析受保护区域 209

13.5.1载入场景 210

13.5.2设置目标位置网格 211

13.5.3打开STK/Analyzer 212

13.5.4设置拦截事件 213

13.5.5使用Analyzer宏 220

13.5.6其它注意事项 224

14Analyzer使用方法 226

14.1卫星覆盖能力分析 226

14.1.1载入场景 227

14.1.2打开STK/Analyzer 227

14.1.3计算卫星的覆盖能力 228

14.1.4轨道倾角对覆盖能力的影响 230

14.1.5RAAN对覆盖能力的影响 234

14.1.6高度对覆盖能力的影响 236

14.1.7轨道倾角和高度相互间的影响 239

14.1.8传感器对覆盖能力的影响 240

14.1.9最优化传感器参数 245

14.2卫星发射机参数对覆盖能力的影响 247

14.2.1载入场景 248

14.2.2打开STK/Analyzer 249

14.2.3计算覆盖统计数据 250

14.2.4功率对覆盖的影响 251

14.2.5频率对覆盖的影响 254

14.2.6数据传输速率对覆盖的影响 256

14.2.7功率及频率是否相互影响？

257

14.2.8最优发射机参数 259

15Astrogator使用方法 262

15.1最优真近点角 262

15.2发射错误 266

15.3飞向月球 271

附录1Matlab与STK互连 277

附录2STK图像转换器工作流程 282

附录3STK地形转换器工作流程 283

附录4视线的计算 284

附录5常用的STK指令 287

附录5NORAD双行轨道根数 289

EquationChapter1Section1

12AzEI方位角/仰角遮罩工具的使用

1STK软件简介

1.1STK软件简介

卫星工具软件STK（SatelliteToolKit，STK）是航天领域中先进的系统分析软件，由美国分析图形有限公司（AnalyticalGraphicsInc,AGI）研制，用于分析复杂的陆地、海洋、航空及航天任务。

它可提供逼真的2维、3维可视化动态场景以及精确的图表、报告等多种分析结果。

支持卫星寿命的全过程，在航天飞行任务的系统分析、设计制造，测试发射以及在轨运行等各个环节中都有广泛的应用，对于军事遥感卫星的战场监测、覆盖分析、打击效果评估等方面同样具有极大的应用潜力。

STK起初多用于卫星轨道分析，最初应用集中在航天、情报、雷达、电子对抗、导弹防御等方面。

但随着软件不断升级，其应用也得到进一步的深入，STK现已逐渐扩展成为分析和执行陆、海、控、天、电（磁）任务的专业仿真平台。

目前，世界上有超过450家大型公司、政府机构、研究和教育组织正在使用STK软件，专业用户超过3万人。

STK正在许多商业、政府和军事任务中发挥越来越重要的作用，成为业界最有影响力的航天软件之一。

STK基本模块的核心能力是生成位置和姿态数据、可见性及覆盖分析，其它基本分析能力包括附加的轨道预报算法、姿态定义、坐标类型和坐标系统、遥感器类型、高级的约束条件义，以及卫星、城市、地面站和恒星数据库。

对于特定的分析任务，STK还提供了附加模块，可以解决通信分析、雷达分析、覆盖分析、轨道机动、精确定轨、实时操作等问题。

STK具有以下的特点：

（1）强大的分析能力

以复杂的数学算法迅速准确地计算出卫星任意时刻的位置，姿态，评估陆地、海洋、空中和空间对象间的复杂关系，以及卫星或地面站遥感器的覆盖区域。

（2）生成轨道／弹道星历表

STK包含复杂的数学算法（二体，J2，J4，MSGP4，星历表），可以快速而准确地确定卫星在任意时刻的位置。

对于新手，STK提供卫星轨道生成向导，指引用户建立常见的轨道类型如：

地球同步、临界倾角、太阳同步、莫尼亚、重复轨道等。

STK还提供卫星数据库（数据源自北美防空司令部）．

（3）可见性分析

计算任意对象间的访问时间并在二维地图窗口动画显示，计算结果为图表或文字报告。

可在对象间增加几何约束条件，如遥感器的可视范围、地基或天基系统的最小仰角、方位角和可视距离。

（4）遥感器分析

遥感器可以附加在任何空基或地基对象上，用于可见性分析的精确计算。

遥感器覆盖区域的变化动态的显示在二维地图窗口，包括多种遥感器类型（复杂圆弧、半功率、矩形、扫摆、用户定义）。

（5）姿态分析

TK提供标准姿态定义，或从外部输入姿态文件（标准四元数姿态文件），为计算姿态运动对其他参数的影响提供多种分析手段。

（6）可视化的计算结果

STK在二维地图窗口可以显示所有以时间为单位的信息，多个窗口可以分别以不同的投影方式和坐标系显示。

可以向前、向后或实时的显示任务场景的动态变化；空基或地基对象的位置、遥感器覆盖区域、可见情况、光照条件，恒星／行星位置，可将结果保存为BMP位图或AVI动画。

（7）全面的数据报告

STK提供全面的图表和文字报告总结关键信息，包含上百种数据，用户可以为一个对象或一组对象定制图表和报告．所有报告均以工业标准格式输出，可以输出到常用的电子制表软件中。

（8）多平台

在多种操作系统均可使用，包括W'mdows95/98，WindowsNT以及最主要的UNIX平台：

SGI、Sun、IBM、DEC、HP。

1.2STK软件发展历程

1.3安装STK软件

1.4STK软件的功能模块

1.4.1先进的分析模块（AMM）

该模块提供了具有先进特征的软件，并且极大的扩展了STK的功能，这个模块可以满足施行各式各样的专业化的分析任务的卫星系统工程师的要求。

这些特征在5个区域提供了先进的功能：

恣态模拟和指向，传感器定义和限制，天文动力学，数据可视化和数据管理。

1.4.2Connect模块

1.4.3高精度轨道生成函数（HPOP）

该模块能为各式各样的地球卫星产生轨道，能够产生从地球表面到月球轨道等不同距离的圆、椭圆、抛物线和双曲线轨道。

HPOP包括现代的、影响一个地球的主要摄动的所有的高保真模型卫星：

点重力模型（JGM）、日／月点质量的重力影响、大气阻力、光压、春（秋）分点的运动、章动、自旋、质心变化等。

另外HPOP也考虑了三个基本天文时间系统的差别：

UTC（GMT）、TAI和TDT（ET）。

其中所有的输入和输出都用UTC来表示；TAI和TDT在内部使用来取得高精确度。

1.4.4长周期轨道预测器（LOP）

LOP提供长周期卫星轨道的预测，经常用于长周期的设计任务、燃料的计算和寿命结束时间的研究。

出于性能方面的原因，高精度计算卫星轨道的长周期变化是不切实际的，LOP开发了“可交参数”来计算加在轨道上的平均摄动影响。

该方法允许采用大的多轨时间长度，因此在保证相同的轨道参数的高保真度的前提下大大提高了计算速度。

用户输入轨道和卫星质量、地域和阻力系数后程序将会按1976标准大气来计算阻力影响。

另外，LOP在计算椭圆摄动时也考虑地球扁率的影响、声学的共振影响、日月重力和光压影响。

该模型是建立在NASA喷射推进实验室的运算法则基础上的。

1.4.5生命周期

生命周期是用来估计低轨卫星由于大气阻力而坠落前运行在轨道的时间。

该计算法则与LOP的计算法则是相似的，当然也有一些较大的差异。

首先，在计算阻力影响时采用更精确的大气模型；然而由于在地球的重力模型中不考虑地球生命周期的衰减，因此模型是明显的简化了。

它提供了较好的性能优势和较快的解析速度，用户输入轨道、卫星质量、地域和阻力系数后，程序将会按Jaccchia1971大气模型来计算大气影响。

另外，在计算轨道摄动时，生命周期考虑地球扁率、日月引力和太阳光压的影响。

该模型是建立在NASA的Langley研究中心的运算法则基础之上。

1.4.6地形

地形模块提供了全球精确的三维地形高度数据，从地球表面的任意点上对卫星的访问计算都可以通过地形模块开发的多维运算法则来完成。

对于VO用户来说，地形模块提供了地球的真实地貌的三维描述和对卫星访问的影响。

数据的精确度为30弧度秒/千米，在其压缩格式中，所有的数据要求400M的储存空间。

然而，数据可以直接从CD-ROM上读出，这些数据最初是由美国地质局根据地球上的一系列资源编辑而成的，它们现在己被收入的STK中。

1.4.7高分辨率地图

该模块包含全球全面的、高分辨率地图数据。

数据包括海岸线、河、湖和政治边界，其分辨率近似为1弧度秒或30米，在小的地理的区域上设想地面磁道和范围区域是理想的，其中合并了特殊的数据存取算法来支持局部性地图数据的快速可视化。

数据从1995中央情报局RWDB2数据库中提取并且其存储量为200MB左右。

它使用STK中的最佳性能来进行格式。

EquationChapter（Next）Section1

2创建第一个STK场景

2.1引言

本章创建了一个STK场景（Scenario），其2D和3D视图见图2-1。

图21STK卫星仿真场景

2.2创建场景

第一步，创建场景，具体操作过程如下：

（1）创建场景：

从菜单项选择File—New，或者从工具栏直接点击图标；

（2）保存场景：

菜单项选择File—Save，或者从工具栏直接点击图标。

提示：

创建单独的文件夹存放每个场景，文件夹的名字要相似于场景名字。

这样可以防止意外覆盖之前的工作。

这样就创建了一个新的场景，工作区间（workspace）会看到2D和3D视图。

此时可以利用鼠标改变3D视图中的视角：

按住鼠标左键可以改变视角，按住右键可以对视图进行缩放。

点击返回最初的视图。

2.3创建对象

创建场景后，下一步需要创建对象（object）。

2.3.1创建地面站

用户可以自己定义或者从数据库中创建地面站、发射场或者城镇的地理位置坐标。

1）手动创建

具体操作如下：

（1）选择Insert—New，打开对象对话框；

（2）双击图标，ObjectBrowser新出现一个名为Facility1的对象；

（3）选中Facility1，点击右键，选择Rename，将其命名为Perth；

（4）此时观察2D或者3D视图，会发现Perth的地理位置非常接近位于Pennsylvania州Exton镇的AGI公司总部，因此需要改变其位置；

（5）在ObjectBrowser选中Perth，点击，打开属性对话框；

（6）选中Basic—Position，Type类型选择为Geodetic；

（7）Latitude项改为-31.803；

（8）Longitude项改为115.885；

（9）Altitude项改为0.022；

（10）点击OK，进行保存。

此时Perth出现在澳大利亚的西南角。

2）自动创建：

从数据库中添加

STK中已经定义好了数百个地面设施对象。

下面利用数据库添加位于美国维吉尼亚州东海岸的Wallops地面站：

（1）选择Insert—FacilityfromDatabase；

（2）选中SiteName，输入Wallops；

（3）点击PerformSearch，会出现InsertFacility对话框，里面显示了名为Wallops对象的属性；

（4）选中Wallops。

下拉菜单CreationClass选择为Facility。

点击OK。

（5）点击Close，关闭FacilityDatabase对话框。

此时，Wallops出现在ObjectBrowser里面，在2D和3D视图中能够看到它的位置。

2.3.2创建城市

城市对象不能手动创建，只能从数据库中添加城市对象：

Insert—CityfromDatabase。

此处插入城市Beijing。

2.3.3创建卫星

STK提供了六种类型的运载工具对象：

卫星（Satellite），运载火箭（LaunchVehicle），导弹（Missile），飞机（Aircraft），舰船（Ship）和车辆（GroundVehicle）。

下面介绍如何创建卫星对象。

1）设定轨道参数

（1）点击Insert—New，打开Object对话框；

（2）双击图标，ObjectBrowser新出现了一个名为Satellite1的对象，同时出现了轨道设定向导对话框：

OrbitWizard；

提示：

如果OrbitWizard没有出现，右击ObjectBrowser中的Satellite1对象，选择SatelliteTools—OrbitWizard；

（3）在OrbitWizard中点击Next；

（4）从OrbitSelection下拉菜单中选择CriticallyInclined，点击Next；

（5）ApogeeAltitude输入15000km；远地点；

（6）PerigeeAltitude输入1500km，近地点；点击Next；

（7）点击Finish。

（8）在ObjectBrowser中右击Satellite1，重命名为MEO。

此时2D视图出现了MEO的星下点轨迹，3D视图中出现了MEO轨道。

OrbitWizard提供了一种简单的定义不同卫星轨道的方法。

2）动画工具

动画工具栏：

—开始—加速—减慢—暂停

—后退—前进—重置—反向运行

2.3.4创建传感器

STK可以创建光学和雷达传感器，天线，激光等。

在上面场景中在地面站中加入一个传感器，具体操作为：

（1）在ObjectBrowser中选中Wallops（一定要选中，否则第三步没有sensor图标）；

（2）选择Insert—New，打开Object对话框；

（3）双击图标，Wallops下会新出现一个名为sensor1的子对象；

（4）将sensor1重命名为NorthSensor，打开它的属性卡，在Basic选项卡里面选中Definition；

（5）下拉菜单SensorType选择SimpleConic，ConeAngle设置为45degrees；

（6）点击OK，关闭属性卡。

（7）Perth也创建一个传感器，将其命名为SouthSensor；

（8）打开SouthSensor的属性卡，选中Definition，下拉菜单SensorType选择SimpleConic，ConeAngle设置为45degrees；

（9）观察2D视图里面这两个传感器的观测范围；

（10）观察3D视图，转动地球，观察这两个观测器的圆锥形观测窗口；

（11）选中SouthSensor属性卡的Definition，将ConeAngle设置为60degrees，点击OK；

（12）在2D和3D视图中观察增大coneangle带来的影响。

2.4计算访问窗口

STK卫星工具箱（SatelliteToolKit）提供了一个非常重要的工具—Access。

下面介绍它的使用方法：

（1）在ObjectBrowser里选中MEO；

（2）点击图标，打开Access工具；

（3）在打开的Access页面里，点击Perth和Wallops左边的“