卫星工具集分析软件
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; l+ e8 K5 P1 h1、卫星工具集(STK,Satellite Tool Kit),由美国Analytical Graphics公司开发的航天分析软件。
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卫星工具集分为基本版、专业版、三维显示、高级三维显示四类。" Y& w9 y# r9 ?, ]3 H0 ~; I
0 r3 I( V# m' m9 k6 }8 [STK的功能是产生位置和姿态数据、获取时间、遥感器覆盖分析。, ?& j) x" R( p3 X5 w+ {
2 h& o( U$ P( Y8 VSTK支持飞行体周期的全过程,包括概念、需求、设计、制造、测试、发射、运行和应用等。7 C3 j4 n6 M1 M1 m0 |0 }% j
; q% `" H3 U0 FSTK是先进的实时(COTS)分析和可视化工具,可以进行航天、卫星等飞行体仿真;可以应用于航天、防御和情报任务;可以快速方便地分析飞行体,获得易于理解的图表和文本形式的分析结果,以确定飞行体的各项参数。% m# P9 S5 s; z1 ^9 y9 m
# P! B0 Y, j1 e$ G: C4 l2005年4月,Analytical Graphics研发出STK/Professionl(STK/PRO),是最新的卫星工具集专业版。' x2 }+ Q. S9 w; a
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STK/PRO提供分析引擎用于计算数据、可显示多种形式的二维图像,显示卫星、运载火箭、太空垃圾等目标。STK还有三维可视化模块,提供三维显示。
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2 ~; Q/ ~; y+ D/ nSTK/PRO包括:附加的轨道预报算法、姿态定义、坐标类型和坐标系统、遥感器类型、高级的约束条件定义,以及卫星等数据库。对于特定的分析任务,STK提供了附加分析模块,可以解决通信分析、雷达分析、覆盖分析、轨道机动、精确定轨、实时操作等。" N4 W7 y, j/ l8 P1 \# H$ G
+ c) B3 f( W8 t: ~! s) f5 x5 f, V2、STK/PRO主要功能
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STK专业版是高级航天分析工具,计算分析附加数据库、轨道预报、姿态调整、坐标类型和坐标系以及遥感器的定义等。
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) `7 e7 K- i5 r* v( e P(1)计算分析:以复杂的数学算法迅速准确地计算出卫星任意时刻的位置、姿态,评估陆地、海洋、空中和卫星等太空飞行体间的复杂关系,以及卫星或地面站遥感的覆盖区域;
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(2)生成星历表:根据计算结果,自动生成轨道/弹道星历表——STK星历表;
) \5 t: u" ?2 M# g* H# t* B4 _ |7 \
(3)精确定位:STK复杂的数学算法,可以快速而准确地确定卫星在任意时刻的位置;) A0 |9 P+ q: {7 {
" q) f {; B7 _: A
(4)生成向导:STK提供卫星轨道生成向导,建立常见的轨道类型如:地球同步、临界倾角、太阳同步、莫尼亚、重复轨道等;
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6 _( o, N% l% W' X(5)可见性分析:计算任意对象间的访问时间并在二维地图窗口动画显示,计算结果为图表或文字报告。可在对象间增加几何约束条件,如遥感器的可视范围、地基或天基系统最小仰角、方位角和可视距离;
, r7 P2 Z! F7 f* e/ h! W1 ^; X1 H1 J- _& v5 H) s7 r. W
(6)遥感器分析:遥感器可以附加在任何空基或地基对象上,用于可见性分析的精确计算。遥感器覆盖区域的变化动态地显示在二维地图窗口,包括多种遥感器类型,如复杂圆弧、半功率、矩形、扫摆、用户定义;0 D( M2 ~/ D6 i" s/ A
% Z. O( f7 q. M2 O$ ~8 p8 k4 M
(7)姿态分析:STK提供标准姿态定义,或从外部输入姿态文件(标准四远数姿态文件),为计算姿态运动对其它参数的影响提供多种分析手段;: \0 n0 v1 a- `0 t1 r: v2 W
9 A9 s3 Z" {& J2 Z4 Q& f7 n(8)计算图像:STK在二维地图窗口可以显示所有以时间为单位的信息,多个窗口可以分别以不同的投影方式和坐标系显示。* f) C' o/ w; R4 f4 W9 B* N
% ?" O! g S6 O3 J3 r: i+ X& q2 ISTK可以向前、向后或实时地显示任务场景的动态变化:空基或地基对象的位置、遥感器覆盖区域、可见情况、光照条件、恒星/行行位置;
2 [* E6 K9 j6 q5 f. H
& f3 l5 Z: @: c' n g: g* f$ B(9)图像保存:可将图像结果保存为BMP位图或AVI动画;4 M) D9 T) n: b" C8 _' u
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(10)数据报告:STK提供全面的图表和文字报告总结关键信息,包含上百种数据,可以为一个对象对一组对象定制图表和报告。所有报告均以工业标准格式输出,可以输出到常用的电子制表软件中。0 `! `/ o1 L" z9 T* P
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3、STK/PRO特性
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(1)内容丰富的数据库:包括三个附加数据库,城市数据库/地面站数据库/恒星数据库;
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; T$ ]9 E" {# M& e" w(2)用于可见性分析的约束定义:超过20个约束条件定义飞行器、遥感器、地面站和其它对象之间的可见性,增强用户的分析性能;9 V* m7 [# F k; E$ s4 d
" F6 s% J" ]* E# Y1 P(3)高精度轨道预报(HPOP):应用高保真力学模型生成不同轨道卫星的星历表,包括:圆轨道、椭圆轨道、抛物线轨道、双曲线轨道,有效范围从地球表面直到月球;1 g5 J- q8 J* T
4 y- P0 l2 i* F(4)长期轨道预报(LOP):精确预报数月或数年的卫星轨道;/ [3 X) N& ?/ r8 X, ^
1 {% Q }1 j1 j/ ?" N, f" s(5)寿命工具(Lifetime):评估低轨卫星在轨保持圈数;
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K( k9 ?* h5 M" v( G5 X# {(6)区域目标:可定义N边形区域,用于地面区域链路计算;
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9 Z- R' }" C( j! \) r(7)附加坐标类型和系统:以不同的方式表现卫星的位置和速度信息;
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7 F" Y0 U9 e$ ~8 }; C6 S(8)姿态仿真和指向:定义飞行器姿态,包括19种姿态定义;8 D1 X% ^, t% D$ |! @: A) w
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(9)多种遥感器类型:增加了简单圆弧以外的5种遥感器类型:复杂圆弧、半功率、矩形、SAR、自定义。
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/ p4 B" u2 i- [1 i4、STK模块
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& ^% O$ z- ]0 V2 H) v(1)基本模块。3 L1 k" d- f4 y0 k& N
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(2)分析模块。4 Y, ]6 f$ o: c0 Y
% A+ E3 H# I$ a# X* v! r$ R(3)综合数据模块。
6 o: d4 c( @5 `& ^* j6 L- M7 p. C- e+ r3 w2 ]
(4)扩展与接口。3 ?: H. u: u! ?) C$ \4 g/ r' j1 d1 c
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2 g2 m& B3 {1 a. t& O0 U4 vAGI卫星星历$ y( e; f/ V- }; j
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1、AGI卫星星历
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AGI由卫星星历和卫星跟踪软件组成。卫星星历和卫星跟踪软件功能强大,是目前应用最广的卫星跟踪、定位、预测工具。AGI卫星星历和卫星跟踪软件成为其他卫星星历和卫星跟踪软件的理论、技术基础。
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( s$ J, A9 P5 o- [) E( `AGI卫星星历为太空实时跟踪技术奠定了基础。
, e2 ^$ ~/ z' I9 y; [( L- L
& v3 l# v3 n3 D0 T发明AGI卫星星历和跟踪软件的是美国的汤姆斯·肖恩(T.S.Thomax Sean Kelso)教授。5 v4 {& b6 j% O
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汤姆斯·肖恩1976年毕业于美国空军BS学院,在密苏里-哥伦比亚大学MBA,博士学位论题是《关于地球同步轨道旋转与轨道谐振效果的调查》,博士学位论文题目是:《实时目标跟踪环境》。
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! R3 g( Z4 o: _6 @. [4 T3 \0 f% z) `汤姆斯·肖恩在分析卫星图形方面有深入的研究;在卫星轨道技巧、卫星跟踪模型和软件有专长;在技术分析,包括轨道分析方面成绩突出。他曾参加美国的“猎鹰计划”、哥伦比亚意外事件调查等。他是美国空军技术学会航空学和宇航学(AIAA)教授、曾任空军上校。; V0 i1 Y1 s! n' j4 \ O. c
1 P J( I0 N( h3 ?! |/ x9 @AGI卫星跟踪软件经由卫星工具集(STK)提供超过30000个太空目标,是跟踪、预测、防卫的强大软件。
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2、AGI软件应用/ c7 @7 b+ D% F
, l- P; U1 X$ B+ ]
AGI软件应用举例,从技术的角度对AGI软件会有很好的了解。
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2007年1月18日,美国政府确认中国用了一颗反卫星(ASAT)导弹在一次武器测试中摧毁一颗报废的气象卫星,被摧毁卫星的残骸碎片已经散布在低地球轨道上,会威胁到其他卫星的安全运转,成为历史上最大的产生碎片的事件,重新引发在空间武器化上的争论。+ s) |* D$ o3 s5 s: @; K
9 _+ P$ u: u$ s8 @9 ^1月23日中国政府宣布:2007年1月12日清晨,中国以发射导弹的方式,成功摧毁退役卫星——“风云”1C卫星。这次试验在距离地面800KM的高空进行。
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& o+ t0 T: n7 F; n" |+ A X1月19日,AGI利用AGI卫星星历对中国ASAT和“风云”1C残骸碎片的计算、定位、预测报告。
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AGI的测试:
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(1)时间:2007年1月11日到1月12日。7 { e- M& M( M' R, l
( Q7 f! x* ]& {1 e
“风云”1C被攻击前5分钟的情况。
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( P7 j! q- `2 Z8 I9 ?“风云”1C轨道用红色显示、西昌卫星发射中心(XICHANG)的位置用白字显示、其他的碎片用绿色显示,可看到碎片云在轨道的分布情况。4 L7 j5 `! c/ M( N9 S N/ ^2 v' ]
$ t! L4 Y. d: ]6 R6 V' h' KASAT攻击前AGI文件的画面,五分钟后攻击,“风云”1C被攻击。8 C! S* v' o, z$ f
6 _+ r; o' D- }, U(2)时间:2007年6月15日
0 `, g# r9 S" ?; E7 _8 m
( [ q% a! @0 ~AGI估计:“风云”1C卫星1CM以上轨道碎片超过35000片。碎片云在高度200~4000KM之间,碎片云包围地球。4 s8 v4 S( { {$ H5 q$ j X0 B9 o
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狮子座宇宙站轨道(绿色)与碎片云(红色)。
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1 E5 k& d8 K* u! s& j碎片带正逐渐地变宽、分散,如不用颜色区分,碎片和卫星很不容易分清。
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& d; o" a# g$ b. Q QSATCAT是一项分析表示,2007年1月12日,在地球轨道中有1893个可能跟踪的ASAT大碎片列入碎片目录。
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8 i8 M |1 |/ A. Q1 o; o+ F尽管国际宇宙站尽量回避,但美国和俄国maneuvered国际宇宙站2月2日报告,明确地避免来自“风云”1C的一个碎片。
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+ L: N, X4 a. O/ O. p0 U一般卫星的碎片会相对地短命;少数达十年之久,并保持在轨道中运行。& K. |/ t( u) u0 Y
0 E# Y4 F4 o- @' k0 E1 L2 j9 p
“风云”1C的碎片目录模型显示:6%的碎片(108块)将会在十年之内坠落;82%将会从现在起保持在轨道中100年。“风云”1C的多数的碎片将会保持长达数世纪之久。
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8 Z! }; w% y6 v5 P8 J- A' y2007年6月15日止,“风云”1C的碎片又有22个从目录中消失;正式被编入目录的只有1804个。碎片的消失以轨道衰退来表示。' V& P9 Y: V4 E: G/ R" C
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NORAD跟踪系统
' ?. G5 B) }% I8 O8 |5 Y0 }
: W6 K4 Z$ S6 Y* C) p w- {1 ~位于科罗位多州的北美联合防空司令部(NORAD,The North American Aerospace Defense Command),又称为北美航空太空防卫司令部,总部位于美国科罗拉多州的彼得森(Peterson)空军基地,成立于1957年9月。
0 s0 H9 Q/ O1 B' ^* |- b4 X) m( N
NORAD按地理位置把北美大陆划分成美国大陆、加拿大和阿拉斯加三个大防空区,各有一个防空司令部:美国阿拉斯加防空司令部(ANR)、美国大陆防空司令部(CONR)和加拿大防空司令部(CANR)。& K8 f+ G2 Y2 m u
2 E1 B; |! _( X! q5 h" N0 n4 Q" }北美大陆的联合防卫起源于1940年。1958年5月,美国和加拿大签定了NORAD的协议,确定了美加北美空中联合防卫。
1 ]5 Z" }. G, Y; ^% M5 {) P' x# U
0 g. J# g6 z# h: D9 J1996年3月,NORAD重新定义为:空中和太空防卫和控制,提供导弹预警和空间监视,扩大、提高了NOARD的任务。2006年5月的NORAD协议又增加了海上防务任务。% l, @! o( m; b; R E8 e# `
0 y4 |$ ]; T' m6 w. Z
NORAD跟踪系统能计算、跟踪、预测所有卫星和太空移动目标。鑫诺二号卫星定位失败的消息,就是NORAD根据运行轨道计算软件计算出来,首先发布消息的。
; g7 C$ _# d7 Q0 P H
?% |/ A" N- p/ zOrbitron卫星运行轨道计算软件
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; n/ F2 a7 u8 HOrbitron卫星运行轨道计算软件能监视所有卫星、航天器和太阳系内天体。只要在Orbitron卫星卫星运行轨道计算软件输入相关卫星参数,所有几十项卫星运行参数一目了然,包括刚刚发射升空,进入轨道的卫视。 a7 ?9 x; Y1 E! A
! O0 m1 p" f/ n1 B# r
Orbitron由波兰年轻卫星专家塞巴斯蒂昂·斯托福(Sebastian Stoff)研究发明。: o+ D/ t% P1 ]$ G
) u( w. `, U% p; p! ?$ F5 Z0 y0 qOrbitron软件已经被气象专家、卫星通信、UFO研究和天文爱好者广泛采用,免费向全球各国卫星、天文、气象专家提供服务、使用。
+ d* g$ D& v9 W. }+ t8 T$ @ p% Z* T* D# J& ?. c. [- \
Orbitron软件可用实时或模拟方式显示在任意时刻卫星与地球的相对位置。Orbitron是此类软件中最容易使用和功能最可大的软件之一。: ^: N* n+ F( d, s& @
2 V" ]* _- h5 ^, W1 E1、Orbitron主要功能4 H. `9 {' N) \' ^6 x
8 Z0 J3 _* o& _(1)可同时追踪2000颗卫星,精确坐标定位;% y1 q$ B {. [% c
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(2)全屏显示及简报模式显示;) B0 Q! m3 \& q. _& ^ K4 x
8 @; E1 h3 _2 N) m7 X+ @
(3)功能先进的卫星时间预测、卫星轨迹搜寻;, f. Y @0 c# G$ e" z
8 j$ b1 R ?2 P(4)可以通过NTP服务器校正电脑内部时钟;" X8 u9 D/ f5 X
; f5 _& ^/ J; \' i4 X(5)可以通过互联网更新星历数据(支持ZIP压缩格式);. @/ _$ V: C% W$ |3 L. K
% a. B. O+ y+ r- M8 ^$ c' u1 G
(6)可控制无线电台及卫星天线跟踪器;
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(7)内置一个屏幕保护程序;
2 R. [0 a. G. s0 B( | w% c3 [( E6 b9 R, q
2、Orbitron特性: C R! R$ }2 f' V8 h5 I; O Z
! t+ r5 n0 O7 J+ s7 _' ^7 o5 [
(1)NORAD的SGP4/SDP4预测模型;8 b$ m) H* G) J% H
8 Q& Z# y8 `+ X% b/ Q& O/ p) y
(2)能从TLE文件下载20000颗卫星;
( t7 C5 o5 U0 k. |2 R* p* s; N% J/ V( p) d+ N
(3)能同时追踪全部卫星;! ]3 l+ L/ H7 J* g G/ l% S, F; k- ^
" ~2 Y+ P2 U, a* b- `' R(4)追踪太阳和月亮;
6 L# ] \2 r4 R
, @: i# A! s4 u/ ], t(5)卫星轨道运行信息;
" ?8 u9 V" b: u |& M3 b/ x# n' g( p" v* @% x3 c y: A
(6)全球城市数据库;3 F* C5 L5 Z9 g7 m; }% n
4 u4 Q0 A% l; e
(7)卫星频率数据库;5 N F6 x2 Y: k% `- D
6 D" }! n/ B* n; Z0 \% e
(8)雷达扫描卫星;8 S9 ]0 Q. q) {0 R! ?2 I1 O( H
; }' M- c1 S/ d5 B
(9)支持多国语言; t9 F% a) a: p' D4 k: [
& g+ ~* u/ }& U9 Z(10)支持来自640*480的荧屏协议;4 G" x" ?/ W4 P
! T4 {1 W, _/ v) y$ U+ u1 k
(11)即时的模态/模拟模态(释放时间控制);
* G3 r$ B) E1 v) k7 Q# |! p; P( e5 h1 b: {) I1 `
(12)先进的卫星轨迹搜寻引擎;;
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(13)英特网TLE updater,经由HTTP;- T0 F; ~ W2 b* d% ]7 a" w2 ?% S
: N+ N: g1 C( _0 O! i
(14)转子/无线电操纵(内建的或支持使用者)。
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为了追踪卫星软件精确地工作,应定期更新TLE资料。对于绕轨道运行的卫星(高度少于500千米)TLE数据的低点应该几天更新一次;对于比较高的轨道,每几星期更新TLE。以保证时间同步、卫星位置的精确坐标,尽可能接近真正的时间、轨道的定位和预测。$ N8 z) I/ ^4 B7 U; Q: o9 a
# z* t0 y B6 w/ |3、Orbitron应用: N' g m" A* ^. p7 c
" v$ R# t1 ]1 S/ H Y0 C2006年10月29日0时20分鑫诺2号卫星发射。
: d7 ]' B* x9 x0 h& W* m
7 r* h, r% k4 P: {11月7日,鑫诺2号发射升空第10天。太阳能主电池板没有打开,部分天线亦未能打开,全功能通信控制指令不能正常执行。
1 W8 O6 Y8 f5 n. w
" t/ K& Y5 T% g( |: I: O3 U4 }2006年11月18日鑫诺2号的运行报告。
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2006年11月19日,卫星经过20天的飞行,仍在预定轨道东经92.2°附近。Orbitron可帮助我们观察鑫诺2号卫星在预定轨道的运行情况。1 L: \, P+ Q8 i0 u8 I3 A2 F2 V# w
1 [# ?3 c& q' i+ _1 b S- t4 w7 v5 s6 s
(1)2006年11月19日21时,启动Orbitron。Orbitron定位在中国北京计算、观测鑫诺2号卫星。6 Q5 D! P6 o, ^7 W! r6 O- z3 g
' M, R$ b: @! _+ A0 K
11月19日21:31:17时的鑫诺2号卫星轨道参数。# d8 r0 B; o5 x
b* L) c" y2 e/ p" \- l
11月19日21:31:17时的鑫诺2号卫星轨道读图参数。
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! o3 d+ z9 Q* D5 k" N; n. O% d% I(2)11月19日21:32:48时开启雷达扫描。
) t' v% L/ Q( c8 A- c6 y: Y) D, Y
/ s( y! o6 s, b1 d2 u11月19日21:32:48时的雷达扫描图:鑫诺2号卫星与月球、太阳的关系参数。& H8 d' {' v Z5 N- ~
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ODTK轨道仿真器
& F- X0 b8 a/ c/ S% N( m0 {) _$ Q$ Y6 I2 I( F* x; D
ODTK(Orbit Determination Tool Kit)轨道仿真器软件是卫星跟踪系统。
4 m) f" T4 i. r: m4 J/ V; X3 R
: Z, ~8 A4 _; H6 s, O9 v) xODTK是一个跟踪数据仿真器,为卫星轨道运行提供分析支持。 |0 J# J2 _9 Q
8 Z* R" E& s; mODTK是模拟跟踪数据系统,可综合分析和分散分析、蒙地卡罗分析。ODTK能为卫星控制提供服务,包括轨道参数、星历预测、偏差校准等。ODTK系统可进行参数分析、工作的最佳化、碰撞的可能性的计算。
) K9 g* @: l: ?, ?7 M0 z( m1 v8 c2 a8 G2 t
1、ODTK功能:$ w) L3 j) N) k5 k3 J {/ y) ?
4 G: [4 w7 L. A# y( ?6 A为卫星地球站控制中心和操作员追踪卫星,处理操作跟踪数据,预测卫星定位和速度。
) [2 r& B# H5 h( ? ^
8 u e" k* f- `, X, eODTK系统能处理符合准确度需求的模拟跟踪数据。
1 Y/ ?/ U. j& t# ^5 e8 |2 n( @: R5 g
9 A# x( Z7 Y. x& Y5 l" Z卫星地球站控制中心和操作员通过蒙地卡罗分析,有效了解正确的预测轨道。! ~- W( U+ R8 @# z/ p
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ODTK可同时计算、模拟一颗或式颗卫星轨道及相关参数。
7 u# X: ]$ j" r6 |9 E+ E; m* n# {: Q$ f& y$ n) C$ G
2、ODTK软件能处理卫星跟踪数据,提供轨道和相关的参:
; H( o' l3 }/ T! m, D7 e; s, b6 C ]; J
卫星轨道的误差;& V" }" W8 T( U, S" x: l
% z1 L7 {$ L8 [$ Z# h$ M- G跟踪偏差和卫星位置;+ S! P& @2 A- H1 f6 E
9 m( m1 X* L4 [
矫正卫星的校准参数;
1 L- _9 D2 f# x9 e0 ]4 B0 H4 n
! ]0 L- k" P- w* c9 P卫星运动的太空环境影响;
3 u9 M6 Z4 B# C6 y7 v3 z2 E0 s
4 g$ O- ^" E* _* e5 W5 R; N: o全球定位测量卫星轨道和时间;
; h5 a5 ~7 A. ^( |% s, E
! e3 Z, S0 r+ F) U全球定位测量卫星监视时间;
1 L( \& I6 E, `& B# Z" p' l1 h% P# j9 e( R, U2 R& s
ODTK是卫星追踪系统的完全的软件解决方案。; b! Q: m9 S! q1 W. m# ?
8 P2 a, X' t4 ~
4 q$ B3 T( {* W5 ]9 p# i
% p6 Y0 @& H0 `" B4 RStarCalc星图
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StarCalc星图是俄罗斯克麦罗沃市的亚历山大E.Zfavalishin发明的。# w" |" B- w( h5 n! g
9 x7 Y! t8 w& Q! a- g+ xStarCalc星图是软件程序形式的星图,主要是用于天文、卫星、航天器、天体探索。StarCalc的常用版本是5.72版。( u7 a' b- X; p' I, x: i
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StarCalc星图能计算星历表,轨道显示;能计算和显示天体、卫星位置;能显示地球上各点所看到的星空星球位置;能以全面、半天球或自动定制的大小缩放显示;能旋转角度、截图。
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7 y& F6 Q9 M) l1 e% Q2 Y- e2 l: K! D& X8 m! b
StarCalc星图功能, f! k, V( Z2 _8 P" h8 k
# l T' H, p& O: H0 ]% k1、延展性:星图基于共通的“Plugin StarCalc”介面,可以新增星表等模组作为星图程序的外挂程序;) h. A ?5 ]% O0 F! a
& `$ f# q% E, f# B/ G* e/ z. ^- _
2、简单快速:简单快速的演算法,几分之一秒口计算出星空的状态;9 K. k: a& _2 d. Z
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3、技术先进:利用所见即所得技术(WYSIWYG technology,What You See Is What You Get),显示任何星空的放大区域;7 J2 a( A- U) W% P
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4、功能扩大:可以使用SAO星表和Tycho2星表的数据;通过不断扩充的PLUGIN程序接口提供了更多的功能;# u9 V$ z( w: t+ N' h1 s( y; t
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5、数据精确:StarCalc专用的SAO和Tycho2星表的数据下载,能精确计算。
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