第一章绪论
1.1航天器系统仿真技术概述
航天器制造的过程中存在制造成本高、制造周期长、仿真环境难以搭建等问题，而利用航天器系统仿真技术可以大大改善航天器的研制过程。开发过程的早期阶段可以进行基于全数学模型的仿真，从而获得对系统性能更深入的了解，在不对任何硬件进行测试的情况下，就可以检测和消除设计上的缺陷。通过系统仿真，可以测试航天器设计的性能，确保能够满足所有需要。同时，系统仿真技术还可以作为一种评估工具，通过改变设计参数进行多次模拟，进而评估比较不同设计方案的优劣，确定最佳的设计方案。
系统仿真是一种特殊的仿真形式，它将不同的工程学科合并到一个系统模型中，并将该模型用于分析整个系统的行为。在航天器开发期间，人们会使用各种各样的仿真工具进行不同目的的仿真分析。例如，任务分析和轨道仿真、结构和热分析、姿态和控制仿真。虽然不同的仿真模拟中的许多系统细节是相似的，但是这些工具都不能建模和模拟整个系统。相比之下，系统仿真可以将许多方面集成到一个仿真中。因此，它包含不同系统方面之间的交互和影响及其相应的动态行为。
系统仿真的目的是预测或验证系统的动态行为，可以通过在计算机上运行显示真实系统的模型来实现。并不是所有的实际效果都可以包含在系统模型中，因此必须进行简化和抽象。为了评价卫星设计的系统性能，最重要的动力学行为是动力学和姿态行为、电气行为（电能的产生、分布和消耗）、热行为（温度分布）和通信行为。其中，航天器的动力学行为最好用微分方程表示系统状态随时间的变化。
航天器研制通常先进行全数字仿真，成功后再进行半物理仿真，这样不仅可以降低资金投入，还能避免重大风险。“工欲善其事，必先利其器”，为了解决实体航天器实验中的缺陷，方便研究人员实现低成本、高效率的卫星相关技术实验，国内外学者设计了一系列航天器仿真工具。航天系统仿真软件可以让研究人员借助一种操作简单、研究代价低的技术来模拟航天器及其载荷在仿真环境下的性能。
早期的航天任务仿真分析软件大多是由函数库和类库组成的程序包。但是，这些仿真工具都不能将计算结果直观地显示出来，只有大量的数据，不利于非专业人员的理解。21世纪以来，计算机图形化技术的发展为仿真注入了新的活力。除了大量的数据，仿真分析中还包含大量的图表，甚至接近真实的三维场景，可以更加直观地演示仿真过程。航天器设计的全过程都可以用软件进行逼真的再现，设计人员可以与仿真软件进行交互，进而得到最佳设计方案。
航天器系统仿真软件通常包括轨道计算、载荷模拟、星座构型、应用仿真等多个模块，需要具备如下功能。
（1）航天器轨道、姿态动力学与控制模型，支持执行机构及敏感器仿真，支持消初偏、对地定向、对日定向等典型控制模式。
（2）空间环境建模与仿真，支持大气、磁场、光压、三体、潮汐等摄动影响计算。
（3）导弹、飞机、轮船等多种陆海空目标运动模型，并设置天线、相机等载荷。
（4）支持第三方软件接口。
（5）具备三维可视化及二维可视化能力，能够直观地完成仿真场景的显示。
（6）通信、导航、遥感、攻防对抗等卫星应用功能仿真。
（7）支持卫星自主任务规划、网络化航天器应用等大规模智能星群的仿真。上述基础功能是航天器系统仿真软件必不可少的组成部分。目前，各研究机构研发的航天器系统仿真软件可以部分实现上述功能，但是还没有一个权威的、经过工程认证的航天器系统仿真工业软件。
1.2典型航天器系统仿真软件介绍
目前，美国分析图形（analyticalgraphics，AGI）公司开发的STK应用最为广泛。除此之外，还有美国宇航局戈达德航天飞行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）和私营企业合作伙伴组成的团队开发的通用任务分析工具（the general mission analysistool，GMAT）、Sampo Niskanen开发的火箭模型仿真软件OpenRocket、俄罗斯天文学家和Vladimir Romanyuk开发的太空模拟程序SpaceEngine。
1.2.1STK
STK支持对卫星全寿命周期的仿真，在航天飞行任务的功能定义、系统分析、设计、制造、测试、发射、在轨运行等各个环节中都有广泛的应用。STK在国际上广泛应用于航天器研制和生产，被美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、欧洲航天局（European Space Agency，ESA）在内的诸多航天单位使用，是航空航天、国防、电信等领域不可或缺的数字任务工程应用软件。开发人员在软件提供的开发库的基础上，可以方便地进行二次开发，从而避免大量重复性劳动、节约设计时间、提高设计效率。
1.2典型航天器系统仿真软件介绍
STK可以方便地对各类复杂场景下的任务进行仿真分析，并提供二维和三维的可视化演示。分析结果以精确的图表和文本形式给出，使后续的分析和解释工作更为直观，结果更为可靠，能够帮助用户快速完成飞行计划和任务分析，确定最佳解决方案。
STK具有精确的、基于物理学的建模环境，可以在真实的任务背景下分析平台和有效载荷。STK基于分析引擎进行数据计算，并且可以根据不同需要显示不同类型的二维或三维视图，以及各类天基或地基对象（包括卫星、运载火箭、地面车辆、目标等）。STK的基本能力是获取各类对象的状态信息（包括位置、速度、姿态数据）、时间信息，分析敏感器覆盖情况的能力。STK/Pro在基础版之上进一步扩展了分析能力，包括附加的轨道预报算法、姿态定义、坐标类型、坐标系统、遥感器类型、高级的约束条件定义，以及若干附加的数据库丨如高分辨率全球地形、图像、地图数据）。除此之外，STK专业版还添加了高级的天基平台和有效载荷系统建模，包括卫星和航天器任务的高级轨道设计和机动规划。对于有特定需求的分析任务，STK还提供了许多附加模块，可以解决航天器在轨运行（包括轨道机动、精密定轨等），以及航天器任务分析（如通信分析、覆盖分析）两方面的问题。除此之外，STK还具备三维动态演示能力，可以为STK及其附加模块提供髙级的三维演示平台。STK主要包括以下功能。
（1）数据计算与分析。通过复杂的数学算法快速准确地计算卫星在任意时刻的位置、姿态数据，分析陆地、海洋、空间不同对象间的复杂关系，以及卫星或地面站遥感器的覆盖区域。
（2）生成轨道/弹道数据。STK内置了复杂的算法，可以快速计算出航天器在任意时刻的位置数据。对于新用户，软件还提供了细致的向导服务，可以引导用户建立常见类型的轨道，如地球同步轨道、冻结轨道、太阳同步轨道、回归轨道等。
（3）可见性计算分析。计算不同对象之间的可见信息丨包括访问时间、覆盖区域等），并在二维窗口和三维窗口进行动态演示，通过图表或文字报告的形式给出分析结果。不同对象之间还可以增加几何约束条件，如敏感器的视场约束等。
（4）敏感器分析。STK可以将敏感器与其他对象关联，并且具备对敏感器覆盖情况的精确计算能力。二维地图窗口可以动态显示遥感器覆盖区域的变化，并支持多种遥感器类型，如复杂圆弧、半功率、矩形、扫摆、用户自定义。
（5）姿态分析能力。STK不仅内置了标准姿态的定义方式，还允许用户从外部导入姿态数据文件，为计算姿态运动对其他参数（如轨道参数和敏感器覆盖区域）的影响提供多种分析手段。
（6）STK可以在二维和三维窗口中以不同的坐标形式动态地演示对象的运行状态，包括天基或地基对象的位置、敏感器覆盖情况、光照条件，以及不同对象之间的可见情况等，并且按照时间可以前向、后向、实时显示状态变化的过程。任务场景还可以保存为bmp或者avi格式。
（7）强大的数据输出功能。STK可以生成上百种图表和文字报告，还可以自定义输出格式。分析人员可以为指定的某一个对象或一组对象自定义生成分析图表和总结报告。生成的报告全部按照工业标准格式输出，因此可以直接在常用的电子制表软件中进一步分析处理。
（8）多平台。STK可以在大部分主流的操作系统上使用，如Windows、Unix、Linuxo STK/Pro为航天领域的分析人员提供了高级的航天计算分析工具，如附加的数据库、轨道预报算法、姿态调整、坐标类型、坐标系、遥感器的定义。STK/Pro通过集成上述复杂功能解决许多具有挑战性的问题。STK/Pro增加了许多先进的新功能来应对卫星系统专家人员的需求。STK/Pro主要包括以下功能。
（1）扩展的数据库。包括城市、地面站、恒星三个附加的数据库。
（2）用于可见性分析的约束定义。提供超过20个约束条件来定义卫星、遥感器、地面站、城市和其他对象之间的可见性，增强用户的计算分析能力。
（3）高精度轨道预报（high-precisionorbit propagator，HPOP）算法。可以生成多种类型的卫星轨道数据，并且可以通过高保真力学模型生成不同类型轨道的星历表，包括各类圆锥曲线轨道（圆轨道、椭圆轨道、抛物线轨道、双曲线轨道）。轨道运动的有效范围从地球表面一直到月球。
（4）长期轨道预报（long-term orbit predictor，LOP）算法。考虑大气阻力摄动、等轴谐波的谐振影响、太阳和月球作为第三体的引力摄动，以及太阳辐射光压，精确预报数月或数年的卫星轨道。
（5）寿命工具。评估卫星轨道保持时间、衰退日期、运行总寿命，以及衰退轨道运行圈数。
（6）区域目标。通过定义TV多边形区域，计算地面区域链路。
（7）附加坐标类型和系统。用不同的形式表现卫星的位置和速度信息。
（8）姿态仿真和指向。提供飞行器姿态的定义，包括19种姿态定义。
（9）多种遥感器类型。除了简单圆弧形式，还提供其他5种遥感器类型，即复杂圆弧、半功率、矩形、合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR），以及用户自定义类型。
STK主要包括以下模块。
（1）三维演示模块VO。STK/VO提供了逼真的三维演示环境，允许用户导入不同航天器、敏感器模型，还可以添加各类空中和地面资源，通过提供不同的观察视角，方便用户直观地理解复杂的飞行过程和轨道特性。VO由STK产生的轨道、姿态等数据驱动，可以为分析人员提供灵活方便的交互式图像。
1.2典型航天器系统仿真软件介绍
（2）Astrogator轨道分析模块。STK/Astrogator提供了轨道机动和深空轨道设计优化功能。该模块允许用户定义轨道机动过程中涉及的各类模型参数（推力器模型、目标星历、姿态数据等），从而给出优化的机动方案。应用Astrogator分析轨道机动过程中的可见性，以及地面站覆盖情况，用户可以迅速准确地进行全局分析。分析人员为在轨运行的飞行器制定或执行轨道机动计划时，可以根据飞行过程中的数据，如发动机的定标参数、实际初始轨道信息，计算推力器启动和启动时刻数据。与STK/VO模块相结合，STK可以显示逼真的星际飞行任务的三维动画。组件浏览器和编辑器赋予用户自定义各类模型的能力，包括定义推力发动机模型、力学模型、轨道计算模型、坐标系统、中央天体、大气模型，以及其他太空任务分析模型。
（3）STK/MATLAB接口模块。通过STK与MATLAB的集成可以实现分析的自动化与可视化。STK与MATLAB之间有两种接口方式，一种是基于传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）通信的MexCoimect，另一种是通过硬件接口进行通信。接口方式的选择主要根据任务分析的具体需要。STK/MATLAB接口模块提供STK和MATLAB之间双向通信的功能。用户可以通过MATLAB命令在STK中创建各种类型的对象，并进行相关计算、生成报告，产生的数据可以导入MATLAB工作区进行计算分析。MATLAB用户还可以使用STK的二维和三维可视化功能演示相关数据，如位置姿态信息或天线增益模型等。
综上所述，STK是
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