基于STK二次开发的链路测控仿真

2015-12-18丁学勇崔津华

电子科技 2015年6期

丁学勇，崔津华

(西安电子科技大学电子信息攻防对抗与仿真重点实验室，陕西西安 710071)

STK(Satellite Tool Kit)是航天领域系统分析可视化工具，可用于航天任务整个周期包括概念、需求、设计、制造、测试、发射、运行和应用等，其可支援、防御和情报任务。卫星仿真软件在军事任务中体现出越来越多的优势，比如有较真实的3D和2D场景显示、集成化的仿真模块等，其分析仿真结果被大量实验证实，应用领域广泛［1］。

1 STK二次开发仿真模型的建立算法

利用STK提供的高级可视化模块、姿态可视化、轨道机动分析、覆盖分析、链路分析、雷达分析、分布式交互仿真等模块化工具，能够快速开发解决方案。将STK提供的二维和三维引擎STKX作为COM组件嵌入在用户软件中［2－5］，再利用 STK提供组合命令与STK/X进行命令交互，用 STK提供的函数 Execute Command(CString str)向STK/X发送交互命令，交互命令［6－7］可以在 STK 安装目录 X:/STK9/Help/connectCmds.chm中查找到。引擎交互模型如图1所示。

图1 应用程序与STK引擎交互模型

VC与STK引擎的数据交互，主要提供用户应用程序与STK/X COM组件间建立数据交互链接。STK/X组件提供了数据驱动的接口，可动态实时地根据数据来显示卫星模型的各种状态，使用STK/VO组件，按照组件的接口程序实现数据接收和发送，并实时显示在STK提供的3D和2D引擎上。

(1)VC向STK/X传送数据接口。VC向STK/X发送数据，主要利用STK/X提供的agstkxapplication类中的函数ExecuteCommand()，根据需要，将命令和数据按照STK的命令格式组成字符串，作为 Execute Command()的参数执行。

(2)STK/X向VC传递数据接口。为获取卫星在轨运行的实时数据信息，需加入STK/X控件的消息函数OnAnimUdate(double TimeEpSec)，其函数中的参数TimeEpSec为当前历元。

1.1 测控几何计算方法

地面站与空间飞行器间的几何关系如图2所示，空间飞行器在地球上的投影为星下点K。

图2 仰角距离几何示意图

测控地面站到空间飞行器间距离为d;地球半径为Re;地面测控站仰角为E;卫星俯角为α，地面站T坐标(x1，y1，z1)，空间飞行器 S 坐标(x2，y2，z2)，则距离d、仰角E、卫星俯角α计算公式为

设地面站的经纬度分别为θL、φL;空间航天器星下点K的经纬度分别为 θS、φS;其地星夹角为 θ，则有关系

方位角A的计算与地面站和航天器星下点的相对位置有关，对于北半球地面站，卫星在南偏东

在计算距离、仰角和方位角时，涉及到航天器星下点轨迹的计算，相关公式为:星下点纬度

其中，i为航天器轨道的倾角;μ表示轨道面内升交点与航天器之间的夹角。星下点经度

其中，Ω为升交点赤经;S(t)为Greenwich平恒星时。

1.2 测控链路计算方法

(1)链路余量计算。设上行链路为地－星链路，下行链路为星－地链路。地面站的发射功率Pt，发射增益Gt，信道的码速率Rb，自由空间的损耗Lfs，发射设备的损耗Lt，大气损耗和极化损耗为L∑，接受方G/T值Gt/R，波尔兹曼常数K，接收设备损耗为Lr，单位码元的信噪比为Eb/N0，那么链路余量M的计算公式为

M=Pt+Gt－Rb－Lfs－L∑+K+Gtr－Lr－Eb/N0(11)式中所有的参数单位均为 dB，波尔兹曼常数 K≡228.6 dBJ/K，地面测控发射设备损耗和空间飞行器接收设备损耗根据经验值设定，大气损耗与链路的频率大小有关，单位码元信噪比Eb/N0与发射/接收调制方式和误码率相关。自由空间的损耗Lfs可通过下式得到Lfs=20log(4πR/λ) (12)式中，R为通信最远距离;λ为通信时的波长。

(2)仿真模型中参数设置。利用STK的Access模块可以生成Access报告，设置好地面测控站发射机的发射功率和频率，空间飞行器的接收机设置好接收门限。

地面站需设置好地面站名字、地面站所在的地理坐标经纬度和高度、地面站测控天线的仰角、地面站发射天线载波频率、天线发射功率及天线接收门限值，具体设置如图3所示。