基于STK和MATLAB联合仿真的卫星轨道生成方法和生成器技术

本发明专利技术公开了一种基于STK和MATLAB联合仿真的卫星轨道生成方法和生成器，包括创建仿真场景、创建运载体、解算目标卫星星历、创建目标卫星、导出导航数据五个主要步骤，其中解算目标卫星星历采用根据卫星轨道高度、卫星在相机视场中出现的方位与运动方向等仿真参数要求自动得到目标卫星星历。本发明专利技术可完成任意导航卫星轨道的设定、自动解算与自动导入工作，实现基于STK的轨道生成。本发明专利技术基于STK/Connect链接模块，借助MATLAB程序指令自动完成STK场景创建、运载体与目标卫星创建和参数设置、导航数据导出等工作，解算快速、准确、程序化、可靠性高，为实现光学导航算法的大规模自动连续仿真提供了便利。仿真提供了便利。仿真提供了便利。

【技术实现步骤摘要】
基于STK和MATLAB联合仿真的卫星轨道生成方法和生成器


[0001]本专利技术属于航天器轨道动力学仿真
，涉及一种基于STK和MATLAB联合仿真的卫星轨道生成方法和生成器。

技术介绍

[0002]光学导航方法利用运载体携带的光学敏感器在轨获取地理标志物或星历已知的导航目标源(如地球边缘、行星、小行星、恒星等)的光学图像，通过图像处理从中提取导航目标源的方向信息(如星光角距、视线矢量等)，经导航算法获得运载体在参考坐标系中的位置、速度等导航参数，是一种相对成熟的导航方法，光学导航原理见图1。
[0003]近地卫星主要为微小卫星或立方星，分布在高度500到2000千米的轨道。这些分布密集的卫星能够作为光学导航过程中优秀的信息源。相比于恒星目标，人造卫星与运载体之间相对距离有限，其位置信息可通过星历数据计算，为精确定位提供了可行性。同时，相比于地理标志物、日、月、行星等目标物，未来近地卫星数量众多、分布广泛，能够有效保证观测数据的连续性。
[0004]开发基于近地空间卫星的新型光学导航算法需要进行大量的仿真工作，生成可观测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于STK和MATLAB联合仿真的卫星轨道生成方法，其特征在于：其包括以下步骤：S1，创建仿真场景创建指定名称的仿真场景，并设置场景参数，参数包括：场景起止时间、场景历元、场景动画时间和步长；S2，创建运载体创建指定名称的运载体，并设置其参数，参数包括：飞行起始时刻、起止经纬度、高度、速度、加速度；设置光学相机固联在运载体质心，成为运载体相机，控制视场形状、半顶角、视场大小与偏转范围；创建星座用于收纳低轨目标卫星星座；创建运载体相机和星座之间的链路；将运载体、运载体相机、星座添加到链路中；S3，获取目标卫星星历S31，给出坐标系之间的转换矩阵，坐标系包括：惯性坐标系、地球坐标系、北东地地理坐标系、载体坐标系和相机坐标系；S32，得到目标卫星在相机坐标系下相对于运载体的距离和位置矢量S33，得到目标卫星在惯性坐标系下的位置和速度S331，得到目标卫星在相机坐标系下的位置矢量和单位速度方向矢量根据目标卫星在相机坐标系下相对于运载体的的位置矢量，和运载体在相机坐标系下到地心的位置矢量，得到目标卫星在相机坐标系下到地心的位置矢量设目标卫星在相机坐标系下的速度设目标卫星在相机坐标系下的速度分解为垂直速度和水平速度其中与相机的xoy平面垂直，为在相机xoy平面的投影，则有：其中，φ为目标卫星在运载体相机视场中出现的方向、η为目标卫星速度矢量在相机坐标系xoy平面的投影与目标卫星方向的夹角；为目标卫星在相机坐标系下的速度的单位速度方向矢量，表示各分量之间的方向性关系，其各分量为设的模值为1，则参考式(8)可求得和的值，待求解的为值，待求解的为求解步骤如下：由于卫星的运行轨道为圆轨道，故有：进而有：代入各向量的分量值得：
其中，为在z轴方向的分量。得到后，通过归一化可得到的值，即的单位速度方向矢量；S332，得到目标卫星在地球坐标系下的位置矢量和速度；根据目标卫星在相机坐标系下的位置矢量r
sc
和单位速度方向矢量得到地球坐标系下位置矢量r
se
和单位速度方向矢量速度目标卫星在相机坐标系下速度的模值为则有：其中，为目标卫星在地球坐标系下的速度；目标卫星在惯性系下速度的模值可由公式(14)得到：其中，GM为地心引力常数，其值为398600.44
×
109m3/s2，R+h为目标卫星距地心的距离。由于地球的自转，根据矢量绝对导数与相对导数的关系：其中，和分别表示惯性坐标系和地球坐标系下的速度，ω
ie
为地球的自转角速度，R+h为目标卫星距地心的距离，ω
ie
×
(R+h)为地球自转产生的牵连速度；根据式(15)，有：其中，为目标卫星在惯性坐标系下的速度；联立(13)、(14)和(16)式可得到的值，进而得到的值；S333，将地球坐标系下的位置矢量和速度转换到惯性坐标系下：S34，得到不同导航工况下的目标卫星星历根据单星时序可见、多星可见、和单星多次观测三类导航工况，分别利用步骤S32和步骤S33得到目标卫星星历；S4，创建目标卫星创建目标卫星，并将步骤S3得到的目标卫星星历导入STK中；S5，导出导航数据在完成目标卫星的创建和目标卫星星历的导入工作后，STK即可导出所需的导航数据。2.根据权利要求1所述的基于STK和MATLAB联合仿真的卫星轨道生成方法，其特征在于所述步骤S32得到目标卫星在相机坐标系下相对于运载体的距离和位置矢量，具体为：
目标卫星相对于运载体的位置矢量坐标表示为则有：其中，ψ为运载体相机视场的半顶角，d为待求解的目标卫星到运载体的距离，φ为目标卫星在相机视场中出现的方向；基于运载体的经纬高信息，得到运载体在地球坐标系下的坐标为基于步骤S31给出的转换矩阵将地球坐标系下的坐标转换到相机坐标系下得位置矢量r
ac
，则有：其中，r
sc
为相机坐标系下目标卫星到地心的位置矢量，r
ac
为相机坐标系下运载体到地心的位置矢量，为目标卫星相对于运载体的位置矢量在相机坐标系下的坐标；根据几何关系，有：|r
sc
|
‑
h
‑
R＝0 (7)其中|r
sc
|为r
sc
的模值，有h为目标卫星的轨道高度，R为地球半径；根据式(7)利用牛顿法可求得d的近似解，再代入(4)式得到目标卫星相对于运载体的位置矢量在相...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾祥远，刘天赐，杨心语，杜华军，郭宇飞，杨皓安，
申请(专利权)人：北京航天自动控制研究所，
类型：发明
国别省市：