STK轨道机动模块(Astrogator)介绍.docx

《STK轨道机动模块(Astrogator)介绍.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《STK轨道机动模块(Astrogator)介绍.docx（20页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、STK轨道机动模块(Astrogator)介绍STK轨道机动模块(Astrogator)介绍李云飞blithelihttpdocsj/doc/fa088b3e5727a5e9856a6143.南京大学天文系/上海航天技术研究院STK模块中，轨道机动模块Astrogator最为常用了，尤其对于轨道设计任务，本模块是必不可少的。本文根据STK帮助文档中的讲明，扼要的阐述Astrogator模块的使用，以便给读者一个大概的印象和简单的引导；具体，详细以及更深化的使用还是请读者参阅英文的帮助文档。笔者使用的是STK8.1版本。1前言当往场景中添加卫星对象后，在卫星的属性页(PropertiesBrow

2、ser)中，Basic/Orbit中的Propagator下拉菜单中选择Astrogator即可出现如下界面。图表1Astrogator属性页面见图表1，此界面用来定义卫星进行一系列轨道机动，称为任务控制序列MCS(MissionControlSequence)。通常我们设计一颗卫星进行一系列的轨道机动都是一段一段动作连接而成的。例如，首先给定卫星的初始状态轨道根数，卫星的构造和推进剂质量等，然后在地球J2,J4项引力模型下无动力的运动一段时间可以设定一定的结束条件，如运行到远地点时，接着发动机进行一定时间的点火可定义发动机的推力，比冲以及推力的矢量方向等，最后再在地球J2项引力模型下无动力运

3、行一定的时间。诸如上述的问题，在STK/AstrogatorMCS中能够分成四段，分别为初始状态段(InitialState),轨道外推段(Propagate),发动机工作段(Maveuver)以及再次的轨道外推段。上述段数根据顺序排列，STK每计算完一段后，保存各种状态量，并作为下一段的初始值，接着计算下一段，直至结束。目前STK8.1有13种段数可供选择，都在MCS中定义，其各工具按钮的定义见图表2。在进行某颗卫星的轨道机动任务设计时，点击“插入新的段(InsertSegment)按钮插入新的段，并根据本人设定的任务顺序不断的插入新段，点击相应的段，则会在右侧出现该段的详细属性设置选项。假

4、设所有段的属性设置选项都已经设置好，则点击“运行整个任务段按钮，STK就会根据顺序计算所有的段。至此，此卫星的轨道计算完成。在MCS界面的下方的按钮“Results，是用来设定某一详细段的“计算目的(calculationobjects)的。比方，选中某一轨道外推段，然后点击“Results，在出现页面中选中某一计算目的假设为轨道偏心率，则意味着在此段结束时，会计算轨道偏心率。此选项的主要作用后面会提及到。下面介绍各段的功能及其属性设置选项的定义。图表2MCS各工具按钮的讲明2段(Segment)的讲明点击“插入新的段(InsertSegment)按钮这会出现“SegmentSelection

5、页面，此页面有12种段，还有一种段，称为“自动序列(AutomaticSequence)，是在MCS界面中的“自动序列阅读器中设置的。2.1初始状态段(InitialState)此段用来设置卫星的初始状态量，通常在整个任务序列中首位。在其右侧的属性页面中，选择不同的坐标系(Coord.System)以及轨道参数类型(Coordinatetype)可设定某一历元时刻的初始状态。可以用下方的“InitialStateTool选项按钮来设定初始状态，它能够从文件中读取某一初始状态当然可以把当前的初始轨道参数存储起来。点击“SatelliteProperties按钮可设定卫星初始的质量状况，如推进剂质

6、量，构造质量等。2.2轨道外推段(Propagate)此段用来将卫星的轨道根据选定的力模型进行轨道外推计算与HPOP类似。在其右侧的属性页面中，“Propagator按钮用来选择卫星进行轨道外推计算的力模型，在力模型的选择页面中，可以选择本人定义的力模型，见“轨道机动组件阅读器(AstrogatorComponentBrowser)部分的讲明。另外一个比拟重要的选项就是卫星轨道外推的停止条件“StoppingConditions。点击“Insert按钮可添加多个停止条件。实际运行计算时，当其中任一停止条件知足时就执行相应的停止条件对应的序列(Sequence)，见图表3。STK提供的默认停止条

7、件通常为：轨道外推计算一定时间，轨道到达远地点，某一历元时刻停止等等，可以由“轨道机动组件阅读器来设定本人的停止条件。选中特定的停止条件文件，则在下方的菜单里出现对应的选项。需要值得注意的是，对应不同的停止条件文件，有的按钮为灰色的，即对当前的停止条件文件不可用。下面扼要解释一部分按钮的作用。1)“Sequence：点击此按钮选择相应的自动序列见“自动序列讲明，当停止条件知足时，会执行此自动序列，系统默以为“STOP，即此轨道外推段停止，进行下一段的计算。若想某一停止条件知足时执行另一系列的机动任务，则可点击此按钮选择本人设定的某一“自动序列见其讲明。但执行完本人设定的“自动序列后，STK并不

8、退出此轨道外推段，会继续进行轨道外推计算，直到某一停止条件知足，然后再执行那个停止条件对应的“自动序列。因而要此轨道外推段停止并转入下一段的计算，则必须保证某一停止条件文件对应的“Sequence中的自动序列为“STOP或者其自动序列内部含有“STOP。图表3轨道外推段的停止条件2“UserCalcObject：用户自定义计算目的；此按钮通常用于用户自定义停止条件。例如，设定某一停止条件为卫星的地心纬度为60度：首先点击“Insert按钮选择“UserSelect，然后点击此“UserCalcObject按钮，在打开的“UserCalculatedObjectselection中选择“Geod

9、etic下的“Latitude，然后在“Trip栏目中设定为60度，见图表3。3“Constraints：约束条件。对应停止条件的约束条件，也即当某一停止条件知足时，必须先知足其对应的约束条件。约束条件的用户自定义可通过“轨道机动组件阅读器来设定。4“ConditionInheritedbyAutomaticSequences：但此选项被选中时，这意味着此停止条件在此轨道外推段中的所有停止条件对应的“自动序列中都有效。比方，当另一停止条件知足时，并且进入其对应的自动序列，在自动序列的计算经过中，假如本停止条件知足，则会立即跳转到此停止条件对应的“自动序列。2.3发动机工作段“Maneuver此

10、段用来设定发动机点火进行轨道机动的。通过下拉菜单有两种模型可选，一种为“瞬时冲量模型(Impulsive)，另一种为“有限推力模型(Finite)。选择不同的发动机模型，则其对应的菜单栏设定不同。1“瞬时冲量模型(Impulsive)：此模型根据设定速度增加的方向“Attitude选项中设定，给卫星某一速度增加矢量，此经过为瞬时的，即以为发动机点火时间为0；同时在发动机“Engine选项中设定相应的发动机模型可通过“轨道机动组件阅读器自定义发动机，如推力，比冲等，若选中“UpdateMassBasedonFuelUsage，则会根据发动机模型，由设定的速度增加大小计算燃料的消耗量。2“有限推力

11、模型(Finite)：此模型会多了个“Propagator选项，详细设置同“轨道外推段设置。意味着在选定的轨道外推计算的力模型下，同时加上发动机的推力进行轨道外推计算。此段的停止条件同“轨道外推段的停止条件。通常为轨道外推一定的时间，即发动机工作一定的时间就停止，随即转入下段的计算。3“SeedFinitefromImpulsive：通常我们在进行轨道机动时，首先由理论得知某一发动机的瞬时速度增加量，则我们可先通过瞬时冲量模型设定速度增加量，并设置好对应的发动机模型，然后点击此“SeedFinitefromImpulsive按钮，则发动机模型会自动变成为有限推力模型，同时在停止条件的发动机点火

12、时间处会自动出现理论上对应速度增量的发动机点火时间。这样我们就不用手动计算发动机点火的时间了。此功能会在后面的“目的序列序列中非常有用，由于应用“微分改正法进行的非线性方程的求解对自变量初值选取的要求比拟高，而给定理论上的最优值作为初值无疑是一个好的选择。2.4发射段“Launch此段为模拟火箭发射段。给定地面上某一发射点，以及入轨点的参数，假设从地面垂直起飞，经过光滑的弹道飞行直到入轨点知足。由于发射点和入轨点参数都是在地固坐标系中给出的，因而此段通常用来模拟不同发射时刻和入轨参数对实际轨道任务的影响。2.5跟随段“Follow此段设定卫星跟随另一个目的物体的。通过“Leader按钮可选择场

13、景中的另一个目的物体，通过选择跟随开场的时间和跟随结束的时间，在跟随经过中，卫星相对其“Leader目的物体的体轴坐标系中保持相对的位置不变，在分离时刻，此卫星继承其跟随目的物体的轨道根数。此段经常用来设置从某一飞行器分离出去的子飞行器。在未分离前，子飞行器就可用“Follow段，这样，在分离的时刻，我们就不用手动设置子飞行器的初始轨道根数了，而是直接继承分离时刻母飞行器的轨道根数。2.6保持段“Hold此段设定卫星从某一时刻起相对选定的坐标系保持静止不动。与跟随段不同的是，此段是指卫星相对某一选定的坐标保持相对静止。也就是讲，从保持段开场，首先计算此时卫星相对选定坐标系的位置姿态可以保持不变

14、，其后，此卫星就保持此相对位置不变。在跟随段中，无论之前段的轨道根数怎样，一旦进入跟随段，则卫星的轨道根数立即变得和被跟随目的物体的轨道根数一致，分离的霎时卫星的轨道根数和被跟随目的物体的轨道根数一致；而在保持段中，一旦进入保持段，则卫星保持在初始时刻相对选定坐标系的位置不变，直至分离，分离时刻卫星的轨道根数通过选定的坐标系下的相对位置在分离时刻计算得到。2.7更新段“Update此段用来更新卫星的燃料质量，构造质量等等。通常用于某一飞行器释放子飞行器，或者和另一飞行器对接后质量的变化情况。由于质量变化会引起发动机有限推力点火的时间，因而，此段通常是必不可少的。2.8序列段“Sequence此

15、段用来组织包含一系列的段，其包含的段可为任一段类型。在实际运行中，STK会根据序列段里的顺序计算里面的各段。我们能够设置整个序列段计算的次数，当次数设置大于1，实际上就构成了一个循环。循环结束后，能够选择将序列段的初始状态或者末状态传递到下一段。2.9反序列段“BackwardSequence与序列段类似，此段用来包含一系列的段，实际运行时，根据其内部段的顺序挨个执行。唯一不同的是，在运行每一段的经过中，都是根据时间相反的方向进行。例如，对于发动机工作段，若设定的速度增加量，则实际运行为速度减少量；对于轨道外推段，会反向积分卫星的轨道。“发射段不可用，“初始状态段和“更新状态段保持原来的含义。

16、此段通常用来设计当已知某一状态，来反推之前的状态或者一系列的轨道机动。2.10目的序列段此段有些类似“序列段，其包含一系列的段。不同的是它能够根据设定的目的和自变量，利用微分改正法DifferentialCorrection，自动调整设定的自变量的值，直至设定的约束量知足。对于轨道机动任务来讲，目的序列段是最重要的了。扼要来讲完成某一目的序列段遵循的顺序：首先，在目的序列段中根据卫星机动顺序添加各段，然后设定每段的属性参数；其次，选中目的序列段，在其右方会出现目的序列段的参数设置选项，点击“Profiles中的“New按钮添加目的文件两种类型，见图表4右侧，可添加多个目的文件。当运行目的序列时

17、，STK会根据目的文件的顺序一个一个的执行目的文件。当执行“搜索文件时，会根据搜索文件中的设置，调整控制变量自变量，直至约束量知足。当执行“段配置文件时，会根据段配置文件中的设置改变相应段的设置。运行完所有的目的文件后，也就计算完成了目的序列中所有的段。图表4目的序列段2.10.1目的文件Profiles由上面简介能够得知，目的文件是目的序列段的核心内容，它控制着目的序列段的运行方式。目的文件有两种类型，一种为搜索文件SearchProfiles,另一种为段配置文件SegmentConfigurationprofiles，见图表4右侧，其中“DifferentialCorrector为搜索文件

18、，其余六种皆为段配置文件。a)搜索文件SearchProfiles此文件分为两种，一种为微分改正法DifferentialCorrector,另一种为用户自定义插件Plugin。此处仅介绍微分改正法，用户自定义插件需要本人编程提供插件，比拟复杂，这里暂不介绍。当点击“New按钮添加搜索文件后，选中搜索文件，点击“Properties可打开此搜索文件的属性设置页，见图表5。在“Variables页面中设置自变量ControlParameters和等式约束量EqualityConstraints。其中自变量的设置是在各段中设置的。例如在目的序列段中的发动机工作段中，若选定瞬时冲量模型Impulsi

19、ve，则在速度增量DeltaVMagnitude旁出现“标志，鼠标左键点击，则在上面会出现标志，表示着此变量将被作为搜索文件中的自变量，并且会出如今搜索文件属性页面中的“Variables中，作为自变量“ControlParameters，见图表5。也就是讲目的序列段中所有的段，只要有参数旁出现标志，就意味着那个参数能够设定为微分改正的自变量。至于等式约束量，其设定是由段的“Results选项设定的。例如，目的序列段中的轨道外推段Propagate1，见图表4左侧。假如我们想让轨道外推段Propagate1结束时知足轨道高度为300km和平均轨道偏心率为0.01，那么，首先选中Propagat

20、e1，然后点击下方的“Results来设置轨道外推段Propagate1结束时需要计算的“计算目的，在弹出的页面中选择轨道高度和平均轨道偏心率，这两项就会在等式约束量中出现，在“DesiredValue中分别设定300km和0.01，见图表5。用此方法能够设定目的序列段中的任意段对应的“计算目的，并可作为等式约束量。需要注意的是，无论是自变量还是等式约束量，只要当“Use选项对应的方框选中后，对应的量才真正有效，见图表5。图表5微分改正属性页由上可知，当添加一个目的序列段的搜索文件时，首先需要设定自变量，然后根据任务需要，设定对应段的“计算目的，并作为等式约束量，那么在实际运行中，在执行搜索文

21、件时，利用微分改正法，不断的搜索新的自变量，以知足等式约束量，显然这是一个循环计算的经过，最后，假如算法收敛，则对应的目的序列段的计算完成，自变量为收敛后的值，但从外表上看，各自变量的值仍为原来的初值，只要当点击“ApplyChanges见图表4左图右上侧，收敛后的值才会替代自变量初始设置的值。由于微分改正法利用约束量对自变量的偏导数信息，因而偏导数的计算正确与否影响着算法的收敛性，而计算偏导数所需要的自变量步长由“Perturbation所决定，见图表5。因而在实际应用中，对应不同的自变量，读者需要本人设定适宜的自变量步长以用于偏导数的计算，至于什么样的步长为适宜的全靠读者本人对轨道力学把握

22、的深浅了，假如算法不收敛，能够尝试设置不同的步长重新计算。b)段配置文件SegmentConfigurationprofiles此种文件有六种，见图表4右图。常用的有“ChangeManeuvertype，当运行此配置文件时，则将其设定的发动机工作段变为有限推力段。2.11返回段“Return此段用来返回到其父段2.12停止段“Stop此段用来终止其父段的运行，进而转入其父段的下一段。若此段没有父段，则整个MCS运行结束。2.13自动序列段“AutomaticSequence此段类似序列段，包含一系列的段可为任何段类型。需要注意的是，此段并不是通过点击“Insert按钮添加的，而是通过点击“自

23、动序列阅读器AutomaticSequenceBrowser来建立一系列的段的。在轨道外推段中已经介绍到，“自动序列段仅仅在轨道外推段中的停止条件中才能添加。因而，从这个方面，我们能够看到，自动序列段实际上类似于一个子程序，但某一停止条件知足时，其对应的自动序列段若不为STOP的话就会执行，自动序列段执行完毕后返回到轨道外推中继续计算，直到另一停止条件知足，进而又触发其对应的自动序列段的执行。3关于段的一些讲明STK/Astrogator中的MCS界面让我们能够轻松的以界面编程形式实现对飞行器进行轨道机动任务的设置，复杂的飞行任务规划并不是根据时间顺序执行的，有可能设计到知足约束的最优化计算，

24、也有可能知足一定的条件进而进行一系列一样的轨道机动。所有的这些都能够通过MCS中各段的互相组合而实现。从程序语言上来理解各段，自动序列段就相当于一个子程序，当知足一定的停止条件时，某一自动序列段被执行，就相当于不断的调用某子程序；而目的段用搜索文件来不断寻找自变量以求知足一定的约束，就相当于“DOWhile语句，只要当约束条件知足了，此目的段才能结束。4轨道机动组件阅读器(AstrogatorComponentBrowser)在前面的叙述中提到，我们能够自定义轨道外推的力模型，可以以自定义发动机的类型，或者自定义“计算目的，所有的这一切都在轨道机动组件里AstrogatorComponent定义，其打开方式为：选中菜单栏“View，在下拉菜单中选中“AstrogatorBrower，即可打开轨道机动组件阅读器。见图表6。文档视界STK轨道机动模块(Astrogator)介绍STK轨道机动模块(Astrogator)介绍