大类项目5：“天津大学一号”卫星-卫星轨道认知与STK仿真–GNSS-X

STK软件安装

（STK）是一款美国的AGI公司推出的在航天领域处于领先地位的商业分析软件，能够支持航天任务的全过程，包括设计、测试、发射等等任务，对于一些航空航天，卫星载荷与数据处理大学的学生来说，这款软件是非常有必要的，不管是日常上课学习，还是以后工作都将接触这款软件。

它提供分析引擎用于计算数据、并且可以显示多种形式的二维地图，现实卫星和其他对象，如运载火箭，导弹，飞机等等。你可以利用该进行卫星时刻位置的分析，也可以生成卫星的轨道便于对卫星运行了解，帮助用户进行地球同步轨道、近地轨道等卫星分析。目前AGI已经在中国停运了相关软件，目前商业版最新的是6.0。使用者非美国公民时，软件启动会出现如下警告，选择“Continue Startup”。

STK软件的安装与操作介绍可以通过学校网站-北洋园PT::AGI Systems Tool Kit / STK 11.6自行下载。本内容仅做教学用途，建议学习之后卸载删除。

下面分享与介绍STK软件安装方式，具体参考了STK安装教程及STK软件使用方法。

简要流程

这里提供的是STK10.1.3RAR软件包。
将STK10.1.3RAR软件包文件通过“CTRL+C”点击蓝色字体便可自行下载。下载完后解压并打开“AGI Systems Tool Kit (STK) 10.1.3”目录后如图所示。

打开目录中install文件夹，右键以管理员身份运行。待其Extracting结束，会弹出安装界面。点击安装，并等待结束。默认会安装在“C:\Program Files (x86)\AGI”目录。
打开目录中patch文件夹，将AGI内文件夹及其子文件复制到“C:\Program Files (x86)\AGI”中，替换及合并原文件夹内容。
打开“patch/ProgramData/AGI/LicenseData”文件夹，将其中STK10.lic复制到“C:\ProgramData\AGI\LicenseData”中。
双击桌面“STK 10”快捷方式，软件启动并出现非美国公民警告，选择“Continue Startup”。当软件弹出如下界面表示软件安装成功，等待软件进入操作界面。

STK推荐教程

可以查看“C:\Program Files (x86)\AGI\STK 10\Help”中使用文档。
可以关注blitheli0926，具有CeleTrak与STK的介绍（ps：STK官网或需要科学上网）。
可以查看CSDN的教程，如STK软件使用方法。

卫星轨道预报及星历格式

卫星轨道参数一般包括：1）轨道六根数；2）历书星历；3）广播星历；4）精密星历；5）两行根数。

轨道六根数（STK支持）

轨道根数（或称轨道要素或轨道参数）是描述在牛顿运动定律和牛顿万有引力定律的作用下的天体或航天器，在其开普勒轨道上运动时，确定其轨道所必要的六个参数。由于运动的方式有许多种的参数表示法，依照选定的测量装置不同，对相同的轨道，有几种不同的方式来定义轨道根数。

传统上使用的轨道根数，是在开普勒和他的开普勒定律之后发展出来的，称为开普勒元素，主要有六个参数：

半长轴 $a$ ：椭圆轨道长轴的一半，有时可视作平均轨道半径。

离心率 $e$ ：为椭圆扁平程度的一种量度，定义是椭圆两焦点间的距离与长轴长度的比值，即 $e=\frac{\sqrt{a^2-b^2}}{a}$ 。

轨道倾角 $i$ ：行星轨道面对赤道面的倾角；在升交点处从赤道面逆时针方向量到行星轨道面的角度。

升交点黄经 $\Omega$ ：行星轨道升交点的黄道经度。

近日点辐角 $\omega$ ：从升交点沿行星运动轨道逆时针量到近地点的角度。【真实的卫星】在椭圆轨道上所转过的角度被称为真近点角（True Anomaly）。

在指定历元的平近点角 $M_0$ ：行星对应于 $t_0$ 时该的平近点角¹。

注：使用以上的轨道根数，可找出天体按开普勒轨道（即二体问题中的轨道）运行的位置，但在实际问题中，若天体所受的其他作用力不可忽略，便需加入这些摄动项来修正其位置。

历书星历（STK支持）

为了缩短卫星锁定时间，GPS接收机要利用历书、当地位置的时间来预报卫星运行状态。历书与星历都是表示卫星运行的参数。历书包括全部卫星的大概位置，用于卫星预报。

历书（Almanac）数据中各变量含义：

GPS卫星的历书（Almanac）包含在导航电文的第四和第五子桢中，可以看作是卫星星历参数的简化子集。其每12.5分钟广播一次，寿命为一周，可延长至6个月。GPS卫星历书用于计算任意时刻天空中任意卫星的概略位置。

ID: 卫星的PRN号，范围为1—31 
Health: 卫星健康状况，零为信号可用，非零为信号不可用 
Eccentricity: 轨道偏心率 
Time of Applicability(s): 历书的基准时间 
Orbital Inclination(rad): 轨道倾角 
Rate of Right Ascen(r/s): 升交点赤经变化率 
SQRT(A) (m 1/2): 轨道长半轴的平方根 
Right Ascen at Week(rad): 升交点赤经 
Argument of Perigee(rad): 近地点俯角 
Mean Anom(rad): 平均近点角 
Af0(s): 卫星时钟校正参数（钟差） 
Af1(s/s): 卫星时钟校正参数（钟速） 
week: GPS周数

广播星历

GPS接收机接收到广播星历（Broadcast Ephemeris）与历书（Almanac）两种导航信息。广播星历包含基本轨道参数及摄动改正量，由其确定的卫星位置精度高，可用于定位计算。历书仅提供基本轨道参数，精度低，可用于接收机快速捕捉卫星和预报。

星历只是当前接收机观测到的卫星的精确位置，用于定位。

广播星历采用 RINEX（Receiver INdependent EXchange format,与接收机无关的转换格式）格式，采用ssssdddf.yyt 这种8.3 的命名格式，其中²：

ssss	测站代号
ddd	年积日
f	一天内的文件序号，取值从0_9，AZ, 0 代表当天所有数据
yy	年份
t	文件类型，为下列字母中的一个：

O	观测值文件
N	GPS导航电文文件
M	气象数据文件
G	GLONASS导航电文文件
H	地球同步卫星GPS 有效载荷导航电文文件
C	钟文件

具体的可以参考博客。更为详细的还是看教材：《GPS测量与数据处理》（李征航黄劲松编著第三版）武汉大学出版社

精密星历

精密星历采用的 SP3 格式全称标准产品第三号（Standard Product #3）可参考博客。更为详细的还是看教材：《GPS测量与数据处理》（李征航黄劲松编著第三版）武汉大学出版社

两行根数（STK支持）

CelesTrak提供了近所有卫星的两行根数轨道参数。两行根数的格式说明见https://celestrak.org/NORAD/documentation/tle-fmt.php。

Data for each satellite consists of three lines in the following format:

AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
1 NNNNNU NNNNNAAA NNNNN.NNNNNNNN +.NNNNNNNN +NNNNN-N +NNNNN-N N NNNNN
2 NNNNN NNN.NNNN NNN.NNNN NNNNNNN NNN.NNNN NNN.NNNN NN.NNNNNNNNNNNNNN

Line 0 is a twenty-four character name (to be consistent with the name length in the NORAD SATCAT).

Lines 1 and 2 are the standard Two-Line Orbital Element Set Format identical to that used by NORAD and NASA. The format description is:

Line 1
Column	Description
01	Line Number of Element Data
03-07	Satellite Number
08	Classification (U=Unclassified)
10-11	International Designator (Last two digits of launch year)
12-14	International Designator (Launch number of the year)
15-17	International Designator (Piece of the launch)
19-20	Epoch Year (Last two digits of year)
21-32	Epoch (Day of the year and fractional portion of the day)
34-43	First Time Derivative of the Mean Motion
45-52	Second Time Derivative of Mean Motion (Leading decimal point assumed)
54-61	BSTAR drag term (Leading decimal point assumed)
63	Ephemeris type
65-68	Element number
69	Checksum (Modulo 10) (Letters, blanks, periods, plus signs = 0; minus signs = 1)

Line 2
Column	Description
01	Line Number of Element Data
03-07	Satellite Number
09-16	Inclination [Degrees]
18-25	Right Ascension of the Ascending Node [Degrees]
27-33	Eccentricity (Leading decimal point assumed)
35-42	Argument of Perigee [Degrees]
44-51	Mean Anomaly [Degrees]
53-63	Mean Motion [Revs per day]
64-68	Revolution number at epoch [Revs]
69	Checksum (Modulo 10)

All other columns are blank or fixed.

Example:

NOAA 14                 
1 23455U 94089A   97320.90946019  .00000140  00000-0  10191-3 0  2621
2 23455  99.0090 272.6745 0008546 223.1686 136.8816 14.11711747148495

STK使用教程

这里主要简单介绍一下项目初始化，地面站、低轨卫星及导航星的添加方式，卫星可见分析等内容。后续将补充通过STK进行观测条件约束形成掩星观测等过程。

初始化

当软件启动界面结束后，需选定项目；如果新建项目，需要设定项目名称、开始及结束时间。

界面介绍

STK 用户界面展示了STK软件经典的界面布局：

1. 深红色区域为项目管理菜单，长用来切换管理项目。其中有加号的图标（第五个）用来添加实体如卫星、地面站、传感器等等。
1. 蓝色区域为动画控制区域，可以调整动画时间与速率。
1. 紫色区域为对象树状管理区域，可以用来控制对象可视性及编辑对象属性。
1. 黄色区域为三维可视化窗口；天蓝色区域为二维可视化窗口。
1. 底部为动画时间窗口。

添加地面站

单击第一行菜单栏，第五个按钮，添加按钮，弹出下图界面。

1. 场景实物（Scenario Objects）中选择地点（Place）；
1. 选择方法（Select A Method）中选择城市数据库（From City Database）；
1. 在弹出对话框中输入城市名称如Tianjin（天津），点击搜索（Search），会在下面列出城市列表，选择正确的城市（或有同音名称城市），颜色可自己设置，然后单击插入（insert），并关闭。

在完成上述操作后，在左侧对象管理树状图中会有新加的城市；同时，会在2D及3维可视化窗口中出现城市新加标识。

另一种添加地面站的方式为第2.步操作，选择默认插入（Insert Default），然后右击左侧对象管理树状图中新加的城市，修改名称或者属性。

添加卫星轨道

这里首先介绍具有两行根数轨道参数的卫星轨道添加方式。

1. GNSS卫星星座

GNSS卫星星座的两行根数文件可以从本网站获得：GPS，当然也可以从Celestrak网站的“当前星历”获得；另外也可以通过space-track.org网站下载两行根数文件，如天和空间站根数，点击TLE获取最新根数文件。

这里列出一些卫星文件：

1. 导航卫星星座： GPS,BDS-1/-2/-3,GLO,GAL,GNSS；
1. 掩星卫星：全球掩星卫星,其中FORMOSAT-3为COSMIC-1，FORMOSAT 7为COSMIC-2, OSM-1为CICERO-GEOOPT, ARIRANG-5(KOMPSAT-5), METOP-A/-B/-C,PAZ,SAC-C,TSX,TDX及SPIRE的LEMUR-2系列卫星；
1. 反射卫星： CYGNSS。

当得到以txt或tle作为后缀的文件后，可以通过单击第一行菜单栏，第五个按钮，添加按钮添加卫星轨道。

1. 场景实物（Scenario Objects）中选择w卫星（Satellite）；
1. 选择方法（Select A Method）中选择来自两行根数（TLE）文件（From TLE File）；
1. 弹出选择文件对话框，选择下载好的GNSS卫星TLE文件，比如GPS星座TLE文件，弹出对话框。在对话框中会列出文件中的卫星列表，选择正确的卫星（或所有卫星），颜色可自己设置，然后单击插入（insert），并关闭。

在完成上述操作后，在左侧对象管理树状图中会有新加的卫星；同时，会在2D及3D可视化窗口中出现新加卫星标识。