基于STK的混合星座性能仿真与分析

高静，刘小萌

1.河北劳动关系职业学院，河北石家庄050000

2.河北地质大学，河北石家庄050000

基于STK的混合星座性能仿真与分析

高静1*，刘小萌2

1.河北劳动关系职业学院，河北石家庄050000

2.河北地质大学，河北石家庄050000

为了扩大GEO卫星系统的覆盖范围，解决目前急需的极区通信问题，本文设计了大椭圆和地球同步轨道卫星的混合星座模型，对混合星座模型的覆盖和通信性能进行了仿真分析，实现了全球覆盖和极地与国土境内的连续通信，有效弥补了GEO星座的不足，研究结果对全球区域观测研究和通信星座设计有一定的参考价值。

混合星座；区域覆盖；STK仿真

近年来，无论从政治、经济还是军事的角度出发，许多国家和地区都希望建立扩大GEO卫星通信系统的覆盖范围［1，2］，解决目前急需的极区通信问题。与同步轨道系统相比，大椭圆轨道系统不存在高纬度地区仰角低的问题，通过合理选取HEO轨道参数可以覆盖高纬度地区及两极区域，有效弥补了GEO卫星的不足。因此，基于HEO［3］的混合星座设计和覆盖效能分析研究已成为研究热点。

在大多数情况下，单颗GEO卫星难以实现全球或两极区域的不间断通信、探测任务。而HEO卫星和GEO卫星组网工作，由于卫星的运动在时间和空间上遵循一定的规律，使得对目标区域的覆盖能够实现相互补充和衔接，有效解决GEO卫星通信中存在的高纬度地区仰角低的问题，扩大GEO卫星通信系统的覆盖范围，解决目前急需的极区通信问题［4，5］，为各种用户提供全球覆盖。混合星座能够更大程度地发挥卫星的作用，在全球性、时效性、连续性等方面具有单颗卫星无法比拟的优势。

卫星工具软件STK（Satellite Tool Kit）［6-8］是航天领域中先进的系统分析软件，由美国分析图形有限公司（AGI）［9］研制，用于分析复杂的陆地、海洋、航空及航天任务。它可提供逼真的2维、3维可视化动态场景以及精确的图表、报告等多种分析结果。支持卫星寿命的全过程，在航天飞行任务的系统分析、设计制造，测试发射以及在轨运行等各个环节中都有广泛的应用，对于军事遥感卫星的战场监测、覆盖分析、打击效果评估等方面同样具有极大的应用潜力。

为了扩大GEO卫星系统的覆盖范围，解决目前急需的极区通信问题，本文针对GEO卫星星座全球覆盖性能的不足，分析了HEO卫星的区域覆盖特点，结合GEO卫星星座优越的中低纬度覆盖性能和HEO卫星星座的高纬度和两极区域的优越覆盖性能，设计了能够实现全球覆盖和极区连续通信的HEO卫星和GEO卫星组网星座模型［10，11］，并运用STK工具针对星座模型进行了区域覆盖和通信性能的仿真分析［12］。该混合星座的设计和仿真过程，对星座设计的全球性、时效性和连续性等方面的考虑和研究具有一定的意义。

1　混合星座模型设计

1.1各轨道参数对卫星轨道性能的影响

确定卫星轨道需要六个参数，分别为半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经和真近点角，其中有2个参数即可决定轨道的大小以及形状，并且这两者之间是相互关联的，可以选择半长轴与偏心率、远地点半径与近地点半径、远地点高度与近地点高度等。这里我们选择半长轴（Semi major Axis）与偏心率（Eccentricity）的组合，半长轴可确定轨道的大小。而偏心率（简称）是椭圆两焦点间距离和长轴长度的比值，该参数的作用是用来描述轨道的形状：当偏心率=0时，轨道是圆形的；0＜偏心率＜1时，轨道是椭圆形的；偏心率=1时，轨道是抛物线。当确定了轨道的大小和形状以后，接着就需要通过设置下面的这3个参数来进行轨道平面位置的确定：

（1）轨道倾角（Inclination）：描述了卫星的运行轨道相对于赤道面的倾斜度，0°＜轨道倾角＜90°时，卫星轨道是顺行轨道，其运行的方向与地球的自转方向相同。反之当90°＜轨道倾角＜180°时，是逆行轨道。而轨道倾角=90°时，是极地轨道，轨道经过地球的南北极点。

（2）升交点赤径（RAAN）：定义为从春分点到升交点之间的地心角，升交点是卫星轨道从南向北运行的轨迹与赤道面的交点，其角度范围是0°～360°。

（3）近地点幅角（Argument of Perigee）：是近地点与升交点之间的地心角，以卫星运行方向为正。

最后一个卫星轨道参数真近点角（True Anomaly）描述了卫星在太空中的瞬时位置，是航天器在某个时刻与地球近地点之间的地心角，以航天器运动的方向为正。在确定卫星轨道的所有参数中，只有真近点角随时间变化而变化，其描述了卫星在运行时在其轨道上的瞬时位置。

要想保证设计的混合星座满足特定的需求，需要调整这6个参数才能达到需要的效果。

1.2星座模型设计

高轨道卫星包括地球同步轨道卫星和大椭圆轨道卫星，这两种轨道的卫星其运行轨道离地球表面的高度高，所能覆盖的区域广，而具有大倾斜角度的大椭圆轨道卫星能覆盖地球同步轨道卫星所不能覆盖的极地地区。因此，为了满足全球覆盖和极地与国土境内实现通信的需求，可以考虑将两种轨道卫星相结合，通过仿真验证该混合星座的全球覆盖能力和对地连续通信能力。设计过程中考虑一般通信仰角的设置角度15度。

首先，参考常用的标准轨道参数，确定大椭圆轨道卫星的6个轨道参数如下表所示。

表1　大椭圆轨道卫星参数表Table 1 Parameters of satellite in the large elliptical orbit

第二步，根据表1中选定的大椭圆轨道6参数，利用STK仿真出大椭圆轨道的2D和3D图。图1、图2分别为混合星座布局图。

图1　6颗MOLNYA轨道卫星平面分布图Fig.1 The distribution of satellites on 6 MOLNYAorbits

图2　4颗TUNDRA轨道卫星平面分布图Fig.2 The distribution of satellites on 4 TUNDRAorbits

第三步，利用STK仿真出大椭圆轨道的对地覆盖图，根据覆盖图可以分析出单一大椭圆轨道构成的星座对地覆盖情况。图3和图4分别为MOLNYA轨道卫星和TUNDRA轨道卫星构成的星座对地覆盖情况。

图3　（3+3）MOLNYA轨道卫星二维覆盖图Fig.3 2D coverage of satellites on（3+3）MOLNYAorbits

图4　（2+2）TUNDRA轨道卫星二维覆盖图Fig.4 2D coverage of satellites on（2+2）TUNDRAorbits

第四步，为了实现全球覆盖，可根据第三步中的大椭圆轨道卫星星座的覆盖情况，确定GEO轨道卫星应该设置的合适轨位。讨论得出地球同步轨道卫星的轨道6参数设置如下表所示。

表2　GEO轨道卫星参数表Table 2 GEO orbit satellite parameter table

最后，对以上四步确定的混合星座进行覆盖性能的仿真，以验证其全球覆盖性能。利用STK对两种混合星座进行覆盖性能仿真。

（1）仿真了5颗GEO卫星+三颗MOLNYA轨道卫星（覆盖北极）+三颗MOLNYA轨道卫星（覆盖南极）（15°通信仰角）的覆盖能力，图5为二维覆盖图。

图5　5 GEO+（3+3）MOLNYA的二维覆盖图Fig.5 2D coverage of 5 GEO+MOLNYA

图6　5 GEO+（2+2）TUNDRA二维覆盖图Fig.6 2D coverage of 5 GEO+TUNDRA

（2）仿真了5颗GEO卫星+二颗TUNDRA轨道卫星（覆盖北极）+二颗TUNDRA轨道卫星（覆盖南极）（15°通信仰角）的覆盖能力，图6为二维覆盖图。

2　仿真结果及分析

2.1GEO卫星和MOLNYA轨道卫星的仿真与分析

2.1.1覆盖性能利用STK中的Coverage definition对混合星座的覆盖性能进行仿真分析。Coverage definition可将覆盖情况以坐标曲线的方式进行展示，可以更直观更细化的分析混合星座在每个时刻的仿真性能。仿真图如下：

图7　混合星座24 h覆盖情况示意图Fig.7 The coverage of mixed constellation in 24 h

图8　混合星座在不同纬度点的覆盖层数Fig.8 Covering layers of mixed constellation at different latitudes

由图7可知，在24 h的仿真时长中，可以实现全时全球的覆盖。由图8可知，在全球纬度带中，混合星座在整个仿真时间段中，对每个纬度点的覆盖层数。红色表示某个纬度点的覆盖最少层数，蓝色表示某个纬度点的覆盖最多层数，绿色表示某个纬度点的覆盖的平均层数。

由以上仿真曲线图可知，与5颗GEO卫星组合后，三颗MOLNYA轨道卫星（覆盖北极）和三颗MOLNYA轨道卫星（覆盖南极）（15°的通信仰角）组成的混合星座可以很好的覆盖高纬度地区和两极区域，能够实现全时全球覆盖。

2.1.2通信性能为了验证混合星座是否具有良好的支持极地与国土境内的连续通信性能，本节选取极地中的某站和北京进行通信性能仿真实验。利用STK中的Chain对混合星座的通信性能进行仿真分析。Chain可将选定两地的通信情况以坐标曲线的方式进行展示，可以更直观更细化的分析混合星座在每个时刻的通信性能，从而得出两地是否能够实现连续通信的结论。仿真时间段为选为1 Jul 2015 12：00：00到2 Jul 2015 12：00：00，仿真图如下：

图9　混合星座对北京的通信情况Fig.9Communicationof mixedconstellationwithBeijing

图10　混合星座对极地某站的通信情况Fig.10Communicationof mixedconstellationwithpolarregion

表1　混合星座对选定目标的通信时长Table 3 The communication time of mixed constellation with the selected object

由表3可以看出，北京和极地某站通过MOLNYA4、MOLNYA5和MOLNYA6就可以实现24小时的实时连续通信。

通过覆盖仿真和通信仿真，可以看出GEO和MOLNYA构成的混合星座无论是在覆盖性能还是通信性能方面，都具有其优越性。

2.2GEO卫星和TUNDRA轨道卫星覆盖能力

2.2.1覆盖性能利用STK中的Coverage definition对混合星座的覆盖性能进行仿真分析。Coverage definition可将覆盖情况以坐标曲线的方式进行展示，可以更直观更细化的分析混合星座在每个时刻的仿真性能。仿真图如下：

图11　混合星座24 h覆盖情况示意图Fig.11ThecoverageofGEO+TUNDRAin24h

图12　混合星座在不同纬度点的覆盖层数Fig.12ThecoveringlayersofGEO+TUNDRAatdifferentlatitudes

由图11可知，在24 h的仿真时长中，在18：00和06：00两个时间段不能实现全球的覆盖。由图12可知，在全球纬度带中，混合星座在整个仿真时间段中，对每个纬度点的覆盖层数。红色表示某个纬度点的覆盖最少层数，蓝色表示某个纬度点的覆盖最多层数，绿色表示某个纬度点的覆盖的平均层数。

由以上仿真图可知，在通信仰角设置为15度时，此种混合星座不能够实现全时全球的覆盖。若对通信仰角没有具体限制，可以把通信仰角设置的足够小时，对该混合星座进行仿真，观察其全时全球覆盖性能。

图13　混合星座24 h覆盖情况Fig.13ThecoverageofGEO+TUNDRAsatellitesin24h

图14　混合星座在不同纬度点的覆盖层数Fig.14ThecoveringlayersofGEO+TUNDRAsatellitesatdifferentlatitudes

由图13可知，在24 h的仿真时长中，可以实现全时全球的覆盖。

由图14可知，在全球纬度带中，混合星座在整个仿真时间段中，对每个纬度点的覆盖层数。红色表示某个纬度点的覆盖最少层数，蓝色表示某个纬度点的覆盖最多层数，绿色表示某个纬度点的覆盖的平均层数。

由以上仿真图可知，若不考虑通信仰角，结合GEO的二颗TUNDRA轨道卫星（覆盖北极）和二颗TUNDRA轨道卫星（覆盖南极）组成的混合星座可以实现24 h的全球无缝覆盖。若考虑通信仰角的问题，则该混合星座便不能够满足全时全球的覆盖需求。

2.2.2通信性能为了验证混合星座是否具有良好的支持极地与国土境内的连续通信性能，本节选取极地中的某站和北京进行通信性能仿真实验。利用STK中的Chain对混合星座的通信性能进行仿真分析。Chain可将选定两地的通信情况以坐标曲线的方式进行展示，可以更直观更细化的分析混合星座在每个时刻的通信性能，从而得出两地是否能够实现连续通信的结论。仿真时间段为选为1 Jul 2015 12：00：00到2 Jul 2015 12：00：00，仿真图如下：

图15　混合星座对北京的通信情况Fig.15ThecommunicationofmixedconstellationwithBeijing

图16　混合星座对极地某站的通信情况Fig.16Thecommunicationofmixedconstellationwiththepolarregion

表4　混合星座对选定目标的通信时长表Table 4 the length of the communication for the selected target

由图15、图16和表4对照可以看出，北京和极地某站通过该混合星座不能够实现24 h的实时连续通信。

通过覆盖仿真和通信仿真，可以看出GEO和TUNDRA构成的混合星座无论是在覆盖性能还是通信性能方面，都有一定的局限性。

结合两种混合星座构型的覆盖性能和通信性能的仿真，可以看出GEO和MOLNYA组成的混合星座在实现全球覆盖和极区连续通信两方面具有明显的优势，不仅可以实现较高通信仰角的全球覆盖，而且可以保证极区与国土境内的连续通信，因此，应选择GEO和MOLNYA组成的混合星座作为满足覆盖和通信需求的最优选择。

3　结论

本文设计了大椭圆（HEO）与GEO构成的混合星座系统，利用STK对两种混合星座构型的覆盖性能和通信性能都进行了仿真分析。通过仿真结果可以看出，利用MOLNYA大椭圆轨道卫星和GEO卫星作为空间段，能够为各种用户提供全球覆盖，并且能够很好的实现极地与国土境内的连续通信。通过仿真选定的该混合星座系统结合了HEO卫星和GEO卫星的优势，通过HEO卫星合理配置解决南北极地区卫星覆盖问题，有效解决了GEO卫星通信中存在的高纬度地区无法实现全覆盖的问题，同时也实现了高纬度地区与国土境内的连续通信。

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Simulation and Analysis on the Performance of Mixed Constellation Based on STK

GAO Jing1*，LIU Xiao-meng2
1.Hebei Vocational College of Labour Relations，Shijiazhuang 050000，China
2.Hebei Geo University，Shijiazhuang 050000，China

In order to extend the coverage of the GEO satellite system and solve the communication problems in polar region，in this paper，we designed a constellation of the GEO and elliptical orbit.The related coverage performance and communication performance were simulated.The constellation had achieved global coverage and continuous communication between the polar region and the territory to make up for the lack of GEO effectively.The results provided valuable preference for study of regional observation and design of communication constellation.

Mixed constellation；region coverage；STK simulation

TN927

A

1000-2324（2016）05-0773-06

2016-03-24

2016-06-12

高静（1982-），女，讲师，工程硕士，主要从事计算机网络、通信等课程教学工作.E-mail：gaojing922@126.com