基于多种软件平台的卫星动力学仿真研究

卫星工具包STK(SatelliteToolKit)只能对自身的模块化方案进行验证和演示。引入了三维建模技术和可视化技术,并基于STK和Matlab的无缝连接,研究建立卫星动力学仿真系统。该仿真系统采用建模软件LightWave建立卫星三维模型,利用STK/Matlab模块提供的接口功能,开发新的轨道与姿态控制模块,为用户定制的轨道与姿态控制方案提供仿真、验证和演示。     

白天空间目标可见光探测仿真研究

为了仿真研究白天对空间目标可见光探测相关技术,基于STK/X的相关技术和对大气辐射计算程序MONTRAN的整合,设计了白天空间目标可见光探测仿真平台,完成了目标亮度、目标轨道、大气和地面探测系统模型的建立和实现。以对某目标白天在长沙地区过境探测为例,估算了在一定角度下为了达到探测目的,探测系统消除杂光能力的大小要求,仿真分析结果与实际情况基本一致,表明仿真平台的有效性。通过该仿真平台的建立,为进一步研究白天对空间目标的可见光探测技术提供了帮助,为探测系统相关指标的设计提供了理论依据。     

航天器远程导引变轨方案设计数字化平台

卫星工具包STK(Satellite Tool Kit)具有强大的仿真演示功能,而设计能力不足.利用STK/X模块,进行VC 和STK的无缝连接,通过使用STK/Astrogator模块的轨道机动仿真功能和STK地图窗口、三维窗口的演示功能,实现集远程导引变轨方案的设计、修正、仿真、演示于一体的数字化平台.该平台实现了远程导引变轨方案设计的全数字化,快速化,并提供良好的图形用户界面、飞行方案的数据库管理和丰富的数据报表和图形,为变轨方案的优选、优化和验证提供基础.     

跟踪与数据中继卫星系统星座构形的仿真初探

本文概述了跟踪与数据中继卫星系统的定义与优越性,分析了影响我国数据中继卫星网星座构形的主要因素,提出利用卫星工具包(STK)软件实现仿真分析数据中继卫星网星座构形的方法与步骤,并设计了高、中、低三种轨道中继卫星与用户卫星之间的可见性分析仿真实验,最后,初步分析了仿真实验获得的数据,并根据仿真结果提出了我国跟踪与数据中继卫星系统星座构形的初步设想。     

地球静止轨道-低轨道最优异面转移方法

研究了轨道转移飞行器（orbital transfer vehicle, OTV）从地球静止轨道向低轨道的最优异面转移过程,提出了解析法和智能优化算法。在解析法中,完整地推导了最优转移轨道的求解方法,提出了最优转移轨道应满足的条件,并采用牛顿迭代法求解第1次速度脉冲应改变的轨道倾角。以离轨点位置、入轨点位置和转移时间为优化变量,采用遗传算法对最优转移过程进行求解,给出了遗传算法求解该优化问题的设计步骤,并将变轨过程在卫星工具包（satellite tool kit, STK）场景中进行了演示。仿真结果表明两种方法均能满足Lawden一阶最优必要条件。     

基于软件接口的卫星多领域建模与仿真研究

针对现代微小卫星多领域复杂系统的建模与仿真,研究了基于Matlab/Simulink、ADAMS、ModelSim、Pro/E以及STK等软件接口的小卫星多领域建模与仿真方法,建立了基于多仿真软件的微小卫星多领域建模与仿真平台的体系结构,分析了典型领域间的耦合关系。提出了基于ADAMS建立卫星动力学仿真模型的基本思路,完成了具有转动太阳帆板、反作用飞轮的多体卫星姿态动力学ADAMS仿真模型。设计了软件间的接口中间件,建立了小卫星耦合关系紧密的控制、机械、电子及电源等多领域耦合仿真模型。最后,针对小卫星大角度姿态机动控制模式进行了仿真,仿真结果验证了所提出的多领域建模方法的有效性和仿真平台的可行性。     

基于小波变换的卡尔曼滤波卫星授时方法

为了提高RNSS授时精度,提出了采用基于小波变换的卡尔曼滤波算法对用户时钟钟差,钟漂及老化率进行估计,预测出了用户时间与系统时间的差值并实时调整采样时刻的闭环授时方法.建立了用户时钟仿真模型和观测误差仿真模型,用STK软件辅助产生卫星的实时三维位置和速度,对提出的方法在某混合轨道导航系统下进行了仿真,结果表明所提出的方法有效地提高了授时精度,并保持较高的稳定度.     

空间机动目标跟踪的改进自适应IMM算法

针对使用模型似然函数比对传统交互多模型(interacting multiple model, IMM)算法模型转移概率实时修正存在奇异的问题, 基于所提修正函数给出一种改进自适应IMM算法。首先, 将白噪声模型与扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter, EKF)算法结合, 设计了非机动模型EKF1及机动模型EKF2作为IMM算法模型集。其次, 预报模型采用适应椭圆参考轨道的非线性相对轨道动力学方程以提高模型预报精度。最后, 分析了速率量测信息对减小机动目标跟踪峰值误差的作用。仿真结果表明, 改进的模型转移概率自适应IMM-EKF算法跟踪精度明显提高, 且优于比较的现有方法; 引入速率量测信息后, 最大峰值误差及估计精度得到了改善。     

数据链导弹节点移动性建模与仿真

在战场环境中通信节点多为移动节点,其移动性对数据链系统的通信性能有着显著影响,而OPNET等仿真软件中自带的节点移动方式并不能充分反映节点的轨道信息.针对这些问题,提出一种导弹节点移动性建模方法,利用STK轨道建模计算导弹飞行场景,通过建立节点移动的进程模型,在数据链仿真平台中实现导弹节点的移动性建模.仿真结果表明,导弹飞行过程中节点移动性对数据链通信性能具有显著影响,验证了所提移动性建模方法的有效性.     

基于Matlab/Simulink的永磁交流电动机仿真研究

在无刷直流电动机(BLDCM)和永磁同步电动机(PMSM)仿真研究中,通常采用不同的仿真模型.但是,两种电机结构相似,完全有可能用一个仿真模型统一起来.在对电机结构和反电势产生机理详细分析的基础上,引入一个反电势波形函数来拟合两种电机的反电势,建立了二者的统一仿真模型.当反电势波形系数较小时,反电势逼近梯形波,此时可仿真BLDCM;当波形系数较大时,反电势逼近正弦波,此时可仿真PMSM.与常规I仿真模型相比,统一的仿真模型应用更加方便,而且能较好地逼近反电势的实际波形.在Matlab/Simulink下的仿真结果表明,建立的仿真模型是可行的.     

卫星编队飞行碰撞预警策略仿真研究

针对近地圆轨道编队卫星碰撞预警问题,建立了仿真想定。提出了以拟最大瞬时碰撞概率为检测指标的碰撞预警策略,利用典型轨道仿真验证了策略的有效性。拟最大瞬时碰撞概率的计算,需要求解预警时间段内编队卫星间的最小距离和发生时刻。通过对距离平方的导数函数的分析,提出了一种变尺度直接逼近算法,用于寻找距离函数的极点,从而完成极小值的求解。对典型轨道的仿真结果显示：变尺度直接逼近算法能够完成距离函数最小值的求解。的研究成果将对卫星编队碰撞预警的工程化提供有益的参考。     

基于STK的信息作战态势三维可视化表现方法研究

为增强信息作战态势表现的精确性与透明性,提出了基于STK的信息作战态势三维可视化表现方法及其原型系统实现的技术方法。在介绍STK软件的相关概念基础上,针对信息作战态势三维可视化表现系统构建需求,提出了系统基本组成结构,并从STK三维场景文件高效率生成、与信息作战态势二维可视化表现系统的同步、大规模三维场景实时渲染效率等方面对系统涉及的关键技术进行了探讨,最后以某信息作战武器装备体系对抗仿真应用中信息作战三维态势可视化表现系统为例对该方法进行了验证,表明该方法的可行性。

Abstract：

For improving the precision and clarity of exhibition of information operation situation, the method of 3-D visualization based on STK was given. Based on the introduction of characteristic and function of STK, aiming at the requirement to build the system of 3-D visualization in exhibition of information operation situation, the architecture of 3-D exhibition system was put forward. In order to design and realize the 3-D exhibition system, key techniques were analyzed, including how to load a STK scenario efficiently, how to synchronize the 3-D exhibition system of information operation situation with the 2-D exhibition system of information operation situation, and how to render the large scale scenario in real time. Finally, the solution was applied to an exhibition system of information operation situation of weapon system-of-systems combat simulation to illustrate that the method could be used.     

基于微型核的双星编队实时仿真系统

为了测试微型核的实时软/硬件性能,利用两个微型核原理样机及dSAPCE实时仿真器构建了双星编队实时仿真验证系统。在实时系统构建的过程中,分别解决了两个微型核之间的时间同步、dSAPCE与微型核原理样机CAN总线双向数据转换以及dSAPCE实时串口数据如何驱动STK场景实时动画显示等问题。利用建立的实时仿真系统,进行了双星编队姿态协同控制算法仿真,仿真结果表明基于微型核的双星编队实时仿真验证系统的软/硬件的正确性。     

基于处理器在回路的卫星编队仿真验证系统

为了验证星载计算机的软/硬件性能,建立了以两个星载计算机为核心的卫星编队仿真验证系统。介绍了该系统的软、硬件构成,重点解决了动力学仿真机与星载计算机CAN总线双向数据传输、动力学仿真机以及星载计算机的进程同步、星载计算机的无线通信以及实时驱动STK场景动画显示等问题。在成功实现系统的基础上,进行了双星编队自主维持控制仿真。仿真结果校验了系统设计的合理性以及软硬件接口的正确性。

Abstract：

To verify the software and hardware performance of the on-board computer, a demonstration simulation system for formation flying satellites was established based on two on-board computers. The software and hardware architecture of the simulation system were introduced, and the key problems of the data communication between the dynamic simulation computers and the on-board computers via CAN bus, the synchronization of the dynamic simulation computers and the on-board computers, the wireless communication of the on-board computers, and the real-time visualization animation by driving STK were solved. Based on the developed processor-in-the-loop simulation system, the autonomous formation keeping control for dual satellites was performed. The simulation results demonstrate the validity of the simulation system and the correctness of the software and hardware interfaces.     

基于STK-RTI中间件的天地一体作战建模仿真研究

军事航天技术的发展对地面作战模式带来巨大的变革，开展天地一体作战建模仿真研究对未来军事斗争准备具有重要意义。在对卫星工具包STK(Satellite Tool Kit)特性及其功能模块分析的基础上，设计并实现了连接STK与高层体系结构HLA运行支撑框架RTI的中间件；基于STK-RTI中间件，建立了应用于天地一体作战建模仿真的集成环境。     

地月平动点拟周期轨道设计方法

地月平动点附近存在的大量拟周期轨道是一类用途广泛的轨道,其设计方法一直是研究的热点。为了克服使用圆形限制性三体模型设计任务轨道时缺乏摄动分析的不足,提出了改进的基于高精度星历模型和多步打靶法的设计方法。具体地,根据地月平动点拟周期轨道在瞬时平动点旋转坐标系中的特征,基于瞬时平动点的运动规律,结合多步打靶法,推导出了三维空间拟周期轨道拼接点的求解方法。仿真分析表明,所提的设计方法可以有效地设计出地月平动点拟周期轨道。     

卫星星敏感器视场建模与仿真研究

卫星在运行过程中,星敏感器视场若受到太阳光、月球反射光等杂散光影响,将会大大降低星敏感器指向精度。通过调用卫星工具包STK(SatelliteToolKit)高精度轨道预报模块与高级分析模块,利用STK\Matlab无缝接口与Matlab进行数据交互,建立了星敏感器视场分析模型,并完成了杂散光进入星敏感器视场可视化仿真。研究方法和仿真结果对于星敏感器的工程设计、提高星敏感器精度及准确性具有一定的借鉴意义。     

STK三维场景构建及优化方法研究

针对STK(Satellite Tool Kit)软件在军事任务可视化仿真领域中的广泛应用,为充分挖掘其显示潜能,重点解决了影响其三维场景构建的瓶颈问题,即三维场景数据格式的转换和数据的获取优化。在分析构建STK三维场景所需要素及其作用的基础上,分别对地形、地表纹理、三维模型和GIS等四类数据格式进行分析,并利用多种辅助软件,系统地提出了由较通用格式数据向STK所支持格式数据的转换方法,以及在对各类原始数据的获取和转换过程中出现的问题进行处理的优化方法。最后通过实例验证表明该数据格式转换方法和数据优化方法行之有效,三维场景显示效果逼真。