基于STK_Matlab的共形相控陣對衛(wèi)星可見性分析

武昭希，吳 濤，吳海洲，孔永飛，史鵬程

(1.中國電子科技集團(tuán)公司 第54研究所，石家莊 050081; 2.中國人民解放軍61768部隊(duì)，海南 三亞 572099)

0 引言

近年來，我國航天事業(yè)迅猛發(fā)展，在軌運(yùn)行的衛(wèi)星越來越多，根據(jù)celestrak網(wǎng)站提供的太空衛(wèi)星數(shù)據(jù)，截至2022年11月20日，中國在軌運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到三百多顆，包括高分、風(fēng)云、北斗、遙感、環(huán)境、海洋、實(shí)踐、試驗(yàn)、資源等系列衛(wèi)星。近年來中國衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入密集期，預(yù)計(jì)十四五末地面測控網(wǎng)要應(yīng)對600～800顆在軌重要價(jià)值衛(wèi)星、成千上萬顆低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星的測控管理需求，這給測控領(lǐng)域提出了更高的要求，現(xiàn)有航天地面測控資源恐難以滿足未來龐大的測控需求[1]。

衛(wèi)星測控主要是完成對衛(wèi)星狀態(tài)的監(jiān)控，近年來我國大力發(fā)展衛(wèi)星測控技術(shù)[2]。隨著我國在軌運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量的不斷增多，在軌衛(wèi)星測控面臨諸多挑戰(zhàn)。第一，在我國大力發(fā)展航天事業(yè)的背景下，當(dāng)前有限的航天測控資源難以滿足其帶來的海量測控需求[3]；第二，我國需要實(shí)現(xiàn)多衛(wèi)星的同時(shí)測控與管理，并且要提升衛(wèi)星測控的覆蓋性與時(shí)效性，因此衛(wèi)星測控管理在內(nèi)容和技術(shù)難度方面都逐步加大[4]，對于精確度和波束切換的頻度也提出了更高的要求。

為了滿足對全空域下同時(shí)出現(xiàn)的多個(gè)衛(wèi)星目標(biāo)覆蓋，傳統(tǒng)的拋物面天線體制已不再適應(yīng)航天測控地面系統(tǒng)的需求，如今相控陣體制逐漸占據(jù)主流應(yīng)用，其中在全空域多目標(biāo)需求下球面共形相控陣占據(jù)獨(dú)特優(yōu)勢[5]?；诂F(xiàn)有測控設(shè)備資源，有效利用基于共形相控陣的全空域多目標(biāo)測控系統(tǒng)的波束資源變得越來越重要。

為了設(shè)計(jì)對球面共形相控陣測控系統(tǒng)的波束資源調(diào)度模型，基于現(xiàn)有的球面共形相控陣測控模型，利用Matlab編程控制STK的仿真方法，分析衛(wèi)星對子陣面的可視情況，可作為相控陣陣面資源的合理分配的前期準(zhǔn)備工作。

本文以目前中國在軌運(yùn)行衛(wèi)星為研究對象，研究實(shí)現(xiàn)了一種基于STK與Matlab互聯(lián)的球面共形相控陣模型對衛(wèi)星可見性仿真分析計(jì)算方法，該方法可直接使用Matlab控制命令快速構(gòu)建衛(wèi)星運(yùn)行場景，并能夠提取STK衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab進(jìn)行進(jìn)一步球面陣仿真，分析其可見性，為地面測控系統(tǒng)波束資源調(diào)度的設(shè)計(jì)提供參考。

1 地面站共形陣列布陣模型

1.1 地面站地點(diǎn)

地面站的站址選擇要考慮諸多因素，如地理位置、站址環(huán)境、視野范圍、電磁干擾、地質(zhì)和氣象條件等，還要進(jìn)行實(shí)地勘察和收測，最后選定最佳站址。

假定以石家莊某地區(qū)為地面站所在點(diǎn)，站址經(jīng)度37.920 047 269 6°，緯度114.594 100 447 3°，高度41.76。

1.2 共形陣列布陣模型

目前合適的陣列結(jié)構(gòu)多數(shù)都是半球形狀的，總體上分為三類：

1)多個(gè)平面子陣拼成的半球面陣列，文獻(xiàn)[6]提出了頂部截面為金字塔形狀的多面拼陣模型，并給出了全空域覆蓋下的最小化的陣面掃描角δ以及陣面傾角α的計(jì)算過程，且將天線共形在車體架構(gòu)上。它的優(yōu)點(diǎn)是掃描范圍覆蓋全空域，與球體形狀的陣列相比，平面陣技術(shù)更加成熟，且工程建設(shè)的實(shí)現(xiàn)難度和運(yùn)行維護(hù)的復(fù)雜度都較低。但多面拼陣也有其局限性，比如要考慮空域的掃描范圍和相控陣天線掃描帶來的柵瓣，這都和布陣方式緊密相關(guān)；在同一時(shí)刻，僅有一個(gè)陣面來合成單個(gè)波束，即使理論上可以實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋，但隨著波束滑動(dòng)，在陣面轉(zhuǎn)接處波束寬度會變大，并且增益也會發(fā)生一些波動(dòng)[6]。

2)球面共形陣列，它的天線單元放置位置構(gòu)成一個(gè)具有半球形狀的表面，每個(gè)陣元的法線方向不同，能夠?qū)崿F(xiàn)全空域的掃描覆蓋，且與多面拼陣相比，球面共形陣列所需的陣元數(shù)量能夠減少約20%，展現(xiàn)出更大的瞬時(shí)帶寬，具有更低的極化和失配損耗[7]，單純就它的這些優(yōu)點(diǎn)而言，理論上是地面站的最佳選擇。但實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中，球面共形陣列要逼近球形就需要非常多的子陣數(shù)量，同時(shí)需要更多的陣元數(shù)量與通道數(shù)量，其波束形成的算法變復(fù)雜[8]，波束形成網(wǎng)絡(luò)的制造和組裝也比平面陣列困難得多，對生產(chǎn)工藝的要求也大幅提高，因此造價(jià)自然也更加昂貴。因而在實(shí)際情況下大型球面相控陣并未得到廣泛應(yīng)用。

3)單平面相控陣，主要依靠伺服系統(tǒng)的機(jī)械控制其方位和俯仰。平面相控陣的優(yōu)點(diǎn)主要有波束快速掃描、波束形狀捷變等，但是當(dāng)掃描角度變大時(shí)不能很好地控制波束寬度，其會不可避免的增大，且增益也會隨之減小。并且波束在轉(zhuǎn)向上不如電波束靈活。

本文采用多平面拼陣和球面共形陣設(shè)計(jì)相結(jié)合的辦法，保持整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在局部為平面而整體為球體，通過使用平面子陣構(gòu)造天線陣列，然后再組裝成半球體。該模型中共有134個(gè)小子陣面，分成八層，從上到下每層的小子陣數(shù)量為1、4、10、16、21、25、28和29，每個(gè)小子陣的陣元使用數(shù)量為3×3，單個(gè)陣元及安裝間隙之和的長度為0.05米，即小子陣形狀為邊長0.15米的正方形，子陣之間的間隔取0.01米，根據(jù)橢球幾何關(guān)系，正方形子陣的四個(gè)頂點(diǎn)均內(nèi)接于光滑的半橢球體內(nèi)，沿Y軸方向作投影后，最外側(cè)小子陣的頂點(diǎn)內(nèi)接于光滑的半橢球形內(nèi)，橢球的長軸為1.1米，短軸為1米，如圖1所示。

圖1 共形相控陣模型

以上的參數(shù)設(shè)置是為了使陣列在全空域范圍內(nèi)增益平滑，因而讓子陣均勻分布，并且子陣的間距也有效抑制了柵瓣。也可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整參數(shù)改變布陣，比如可以通過增加短軸長度來使橢球拉高，進(jìn)而改變每層子陣的傾角，或者為了讓球陣整體降低仰角提高增益，可以將共形陣的下方一層或幾層調(diào)整為垂直，并與上一層的陣面下邊沿相連，呈半橢球加柱面陣的結(jié)構(gòu)，也可以達(dá)到目的[9]。

2 可見性計(jì)算原理

2.1 坐標(biāo)系定義與轉(zhuǎn)換

地心慣性坐標(biāo)系(ECI，earth-centered intertial frame)以地心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，z軸沿著地球自轉(zhuǎn)軸指向協(xié)議地級，x軸位于赤道平面內(nèi)，并指向春分點(diǎn)，y軸符合右手笛卡爾坐標(biāo)系。ECI坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸用上標(biāo)i表示為xi，yi，zi。

地心地固坐標(biāo)系(ECEF，earth-centered-earth-fixed frame)坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球地心，z軸與地軸平行指向北極點(diǎn)，與ECI坐標(biāo)系不同的是ECEF坐標(biāo)系隨地球同步旋轉(zhuǎn)，x軸指向赤道與格林尼治子午線的交點(diǎn)，y軸在赤道平面上與x軸和z軸構(gòu)成右手笛卡爾坐標(biāo)系。ECEF坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸用上標(biāo)e表示為Xe，Ye，Ze。ECI和ECEF坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 ECI與ECEF坐標(biāo)系

東北天坐標(biāo)系(ENU，east-north-up frame),假設(shè)地球表面一點(diǎn)P，ENU坐標(biāo)系原點(diǎn)就是P點(diǎn)，過P點(diǎn)作一平面與地球橢球面相切，在該面取正北方向?yàn)閥軸，x軸指向正東，z軸指向法線方向。

要將ECEF坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到ENU坐標(biāo)系,首先是將ECEF坐標(biāo)系繞z軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為λ+π/2，旋轉(zhuǎn)矩陣為：

(1)

然后再繞x軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為π/2-φ，旋轉(zhuǎn)矩陣為：

(2)

所以從ECEF坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到ENU坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

Re2t=R2R1=

(3)

在共形相控陣測控系統(tǒng)中，主要參考以下兩種坐標(biāo)系：一種是以地面站站心為基準(zhǔn)的站心直角坐標(biāo)系與站心極坐標(biāo)系，一種是以陣列陣面為基準(zhǔn)的視線直角坐標(biāo)系和其極坐標(biāo)系。

本文在共形陣中所使用的站心坐標(biāo)系即為東北天坐標(biāo)系ENU，如圖3。其中，r為目標(biāo)到原點(diǎn)的距離；θ和φ分別為目標(biāo)在站心直角坐標(biāo)系中的俯仰角和方位角。

圖3 站心坐標(biāo)系

站心直角坐標(biāo)系(x,y,z)與站心極坐標(biāo)系(r,θ,φ)的關(guān)系如下：

(4)

(5)

類比以上，視線直角坐標(biāo)系與視線極坐標(biāo)系用(x0,y0,z0)與(r0,θ0,φ0)表示。站心坐標(biāo)系的x-y面與全空域掃描范圍的水平面重合，視線坐標(biāo)系的x0-y0面與各個(gè)子陣面重合。因目標(biāo)符合在遠(yuǎn)場條件下，所有坐標(biāo)系原點(diǎn)視為同一點(diǎn)。

將站心坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)就可以將站心坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到視線坐標(biāo)系：站心坐標(biāo)系的x-y面先繞z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度為該陣面所處的方位角β，再繞y軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度為陣面傾角α，即得到該陣面所對應(yīng)的x0-y0面。

旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

(6)

得：

(7)

(8)

綜上，由式(6)～(8)，以及陣面傾角α、方位角β及波束指向，就可得到對應(yīng)指向在視線坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

2.2 衛(wèi)星位置計(jì)算

在ECI坐標(biāo)系下，衛(wèi)星位置的計(jì)算公式為：

(9)

(9)

(10)

式中，w為近地點(diǎn)幅角，Ω為升交點(diǎn)赤經(jīng)，i為軌道傾角。

2.3 地面站對衛(wèi)星可見性計(jì)算

地面站可見范圍如圖4所示。

圖4 地面站可見范圍示意圖

(11)

當(dāng)多顆衛(wèi)星同時(shí)運(yùn)動(dòng)，若衛(wèi)星在空間上能夠滿足式(11)，則衛(wèi)星可見。同時(shí)滿足式(11)的衛(wèi)星顆數(shù)，即為該時(shí)刻地面站可視的衛(wèi)星數(shù)量。

(12)

式(12)中，N為同時(shí)看到的衛(wèi)星顆數(shù)，因衛(wèi)星運(yùn)行和地球自轉(zhuǎn)，N隨著時(shí)刻變化而變化，對可見星取交集便可得到N。

由上可知，根據(jù)式(9)可得到所有衛(wèi)星的位置矢量，根據(jù)式(12)便能得到地面站同時(shí)可見的衛(wèi)星數(shù)目。

2.4 共形陣面可見性判定

共形相控陣的起作用陣元數(shù)量會隨著來波方向變化而變化，因?yàn)橐紤]全空域掃描時(shí)子陣間遮擋效應(yīng)以及平面子陣的增益要求，因此在共形數(shù)字波束形成中，天線單元方向圖應(yīng)在未起作用的陣元處置零。本文所采用的共形陣面作用判定步驟如下：

1)根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到目標(biāo)衛(wèi)星的位置方向，即站心極坐標(biāo)系下的方位角φ與俯仰角θ。

2)仿真計(jì)算布陣模型各子陣陣面傾角α和在站心直角坐標(biāo)系中所處的方位角β。

3)再次進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。先通過式(5)將站心極坐標(biāo)系坐標(biāo)(r,θ,φ)轉(zhuǎn)換到站心直角坐標(biāo)系坐標(biāo)(x,y,z)，再由式(6)的旋轉(zhuǎn)矩陣得到式(7)中的視線直角坐標(biāo)系坐標(biāo)(x0,y0,z0)，最后通過式(8)得到各衛(wèi)星對應(yīng)于各子陣視線極坐標(biāo)系下的方位角φ0與俯仰角θ0。

4)設(shè)定最大掃描角θmax，為了使平面子陣達(dá)到增益要求，通常取不超過60°。當(dāng)θ0≥θmax時(shí)，各陣元起作用，否則陣元增益置零。

舉例某時(shí)刻某個(gè)衛(wèi)星位置方向在站心極坐標(biāo)系中的方位角0°，俯仰角30°，子陣平面最大掃描角θmax取60°，判定效果如圖5所示，黑色部分為該衛(wèi)星來波方向下起作用的陣元。

圖5 對某可見衛(wèi)星子陣作用判定效果圖

在全空域的范圍內(nèi)考慮遮擋判定下，通過沿來波方向作投影的圖5 (b)可以看出，投影面內(nèi)各子陣邊沿?zé)o重疊，相互之間無遮擋，參與作用的陣元之間沒有出現(xiàn)間隔遺漏，證明在全空域范圍內(nèi)的作用判定方法可行有效。

3 STK與Matlab互聯(lián)仿真

3.1 STK與Matlab簡介

現(xiàn)如今越來越成熟的衛(wèi)星仿真工具包(STK，satellite tool kit)由美國分析圖形有限公司(AGI,analytical graphics, inc.)公司發(fā)明，它是一款在航天工業(yè)領(lǐng)域用于全過程仿真的商業(yè)分析軟件，它的仿真場景具有可視化，動(dòng)態(tài)化的特點(diǎn)，并可提供詳細(xì)準(zhǔn)確的文字、圖表報(bào)告等多種分析結(jié)果，并且具有強(qiáng)大的分析、圖形支持和大量數(shù)據(jù)參數(shù)輸出功能。對于衛(wèi)星的可見性分析等方面有著廣泛應(yīng)用，在時(shí)域和空域都能提供極其準(zhǔn)確的專業(yè)分析。STK還具備成熟的互操作性，如和matlab軟件的互聯(lián)[11-13]。Matlab是目前在工程應(yīng)用和數(shù)據(jù)計(jì)算方面最成熟的仿真分析軟件，其具有先進(jìn)的模塊化的分析功能和數(shù)學(xué)計(jì)算功能。STK只能單步點(diǎn)擊操作，在數(shù)據(jù)量大時(shí)，需要多次的重復(fù)操作。兩款軟件互聯(lián)能夠顯著提高STK的計(jì)算分析能力，讓兩款軟件優(yōu)勢互補(bǔ)，功能融合，從而極大地拓寬STK的應(yīng)用范圍[14]。

由上可知STK在場景建模方面存在一定的局限性，因而本文以我國某地地面測控站分析為例，利用Matlab和STK互聯(lián)實(shí)現(xiàn)STK自動(dòng)生成可視化場景和仿真數(shù)據(jù)的自動(dòng)導(dǎo)出，對目標(biāo)衛(wèi)星的分布及可視情況進(jìn)行仿真[14]。與單一STK建模相比，增加了Matlab的編程控制，大量數(shù)據(jù)能夠循環(huán)計(jì)算，并且可以在Matlab中對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，使得仿真分析更加便捷靈活。

3.2 衛(wèi)星軌道分布

衛(wèi)星星歷用來描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的位置和速度，它隨時(shí)間變化，也叫兩行軌道數(shù)據(jù)(TLE,two-line orbital element)[17]。

通過celestrak網(wǎng)站查詢中國所有成功發(fā)射過的衛(wèi)星，通過查看其運(yùn)行狀態(tài)可以得到中國目前在軌運(yùn)行的366顆衛(wèi)星的兩行軌道數(shù)據(jù)。

整理獲取的TLE數(shù)據(jù)，通過Matlab程序處理，將其導(dǎo)入STK場景中，就可以建立衛(wèi)星軌道模型。

3.3 STK與Matlab互聯(lián)仿真流程

STK和Matlab互聯(lián)可以通過connector模塊或者com口形式進(jìn)行信息互通，com是微軟公司提出的一種組件技術(shù)，它定義了對象在單個(gè)應(yīng)用程序內(nèi)部或多個(gè)應(yīng)用程序之間的行為方式。

com客戶端是任何代碼或?qū)ο螳@取指向com服務(wù)器的指針，并通過調(diào)用其接口的方法來使用其服務(wù)。com服務(wù)器是向客戶端提供服務(wù)的任何對象;這些服務(wù)采用com接口實(shí)現(xiàn)的形式，可由任何能夠獲取指向服務(wù)器對象上某個(gè)接口的指針的客戶端調(diào)用。此外，com還提供一種機(jī)制，允許進(jìn)程內(nèi)服務(wù)器(DLL)在代理項(xiàng) EXE 進(jìn)程中運(yùn)行，從而獲得能夠在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上運(yùn)行進(jìn)程的優(yōu)勢。

本文使用com的方法進(jìn)行連接。Matlab編程代碼通過com口控制STK，建立仿真場景，設(shè)置場景參數(shù)，并以1.1節(jié)中確定經(jīng)度緯維度高度的固定地面站為觀測中心，導(dǎo)入衛(wèi)星TLE數(shù)據(jù)并循環(huán)創(chuàng)建衛(wèi)星，進(jìn)行可見性分析及其它場景數(shù)據(jù)處理，計(jì)算并獲取access數(shù)據(jù)，最后結(jié)合布陣仿真子陣可見性。程序流程圖如圖6所示。

圖6 STK與Matlab仿真流程圖

1)獲取運(yùn)行中的STK實(shí)例句柄，然后使STK與Matlab建立連接，代碼如下：

uiapp=actxGetRunningServe(‘STK11.application’);

root=uiapp.Personality2;

2)創(chuàng)建場景。如果未發(fā)現(xiàn)場景，則新建一個(gè);如果發(fā)現(xiàn)打開的場景，彈出窗口詢問是否保存關(guān)閉并根據(jù)設(shè)定的場景時(shí)間、步長參數(shù)重建一個(gè)場景，主要代碼如下：

scenario.SetTimePeriod(strBegTime,strEndTime);

scenario.Epoch = strBegTime;

root.ExecuteCommand('Animate * Reset');

3)讀取TLE的.txt文件，指定轉(zhuǎn)換的衛(wèi)星NORAD編號，循環(huán)讀取軌道根數(shù)，并處理名字，核心代碼如下：

tmpTLE.Name=[char(strName)'_'char(vecTLELine2(2))];

tmpTLE.Code=str2double(vecTLELine2(2));

tmpTLE.Line1=strTLELine1;

tmpTLE.Line2=strTLELine2;

4)循環(huán)創(chuàng)建衛(wèi)星。根據(jù)讀取處理的TLE數(shù)據(jù)，利用“SetState”命令循環(huán)創(chuàng)建衛(wèi)星，該指令可以為STK的目標(biāo)設(shè)置軌道、軌跡、路徑，應(yīng)用廣泛。核心代碼如下：

tmpSat=root.CurrentScenario.Children.New('eSatellite',char(strProSat));

strCommendTLE=['SetState*/Satellite/'char(strProSat)'TLE"'char(tmpStarTLE.Line1)'""'char(tmpStarTLE.Line2) '"'];

root.ExecuteCommand(strCommendTLE);

propagator = tmpSat.Propagator;

5) 添加地面站和傳感器并設(shè)置參數(shù)，利用“AssignGeodetic”指令設(shè)置地面站經(jīng)緯高，代碼如下：

fac.Position.AssignGeodetic(37.920 047 269 6,114.594 100 447 3,41.76);

6)利用“ComputeAccess()”函數(shù)，循環(huán)計(jì)算所有衛(wèi)星的全天時(shí)刻可見性數(shù)據(jù)，代碼如下：

access = sensor.GetAccessToObject(tmpSat);

access.ComputeAccess();

7)利用“DataProviders”函數(shù)獲取可見性數(shù)據(jù)，并存入Matlab元胞數(shù)組中，代碼如下：

accessAER=access.DataProviders.Item(‘AERData’).Group.Item(‘Default’).Exec(scenario.StartTime, scenario.StopTime, 1);

accessaer=cell2mat(accessAER.DataSets.GetDataSetByName('Duration').GetValues);

8)進(jìn)行共形相控陣的布陣模型仿真，具體參數(shù)詳見1.2節(jié)；

9)判定各個(gè)子陣面是否起作用，衛(wèi)星位置在子陣面的視線坐標(biāo)系下俯仰角大于30°時(shí)，子陣起作用。

10)統(tǒng)計(jì)各子陣面可見衛(wèi)星數(shù)量，儲存數(shù)據(jù)，用作分析。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 單子陣對衛(wèi)星可見性分析

以單子陣可見衛(wèi)星最多時(shí)刻為例。在STK中可以直觀的看到衛(wèi)星的位置分布，只保留顯示該時(shí)刻可見衛(wèi)星。圖7為STK中可視衛(wèi)星最多時(shí)刻的在軌衛(wèi)星分布的3D圖，圖8為該時(shí)刻在軌可視衛(wèi)星的2D圖。

圖7 中國在軌衛(wèi)星3D圖

圖8 中國在軌衛(wèi)星2D圖

該時(shí)刻地面站可見衛(wèi)星69個(gè)，其可見星NORAD編號如表1所示。

表1 地面站可見衛(wèi)星NORAD編號

在該時(shí)刻，地面站共形球面陣各個(gè)子陣的可見衛(wèi)星數(shù)量如圖9所示。

圖9 各子陣可見衛(wèi)星數(shù)量

圖9統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：在偏離子陣面法線0～60角度衛(wèi)星可見的情況下，可見星數(shù)量呈現(xiàn)出以子陣編號3、10、23、42、64、91、120為中心的峰值，其中以23號子陣所見衛(wèi)星數(shù)量最多，達(dá)到59顆。

4.2 全子陣對衛(wèi)星全天時(shí)刻可見性分析

同4.1，仿真并統(tǒng)計(jì)全天所有時(shí)刻球陣整體可見星數(shù)量，結(jié)果顯示可見星數(shù)量在全天時(shí)段內(nèi)分布較為平均，最少59顆，最多72顆，多數(shù)時(shí)間在65顆左右。然后仿真并統(tǒng)計(jì)全天所有時(shí)刻各子陣的可見衛(wèi)星數(shù)量，在此以0時(shí)，3時(shí)，6時(shí)，9時(shí)四個(gè)時(shí)刻的單子陣可見星統(tǒng)計(jì)結(jié)果為例，如圖10～13所示。

圖10 0時(shí)各子陣可見衛(wèi)星數(shù)量

圖11 3時(shí)各子陣可見衛(wèi)星數(shù)量

圖12 6時(shí)各子陣可見衛(wèi)星數(shù)量

圖13 9時(shí)各子陣可見衛(wèi)星數(shù)量

在偏離子陣面法線0～60角度范圍內(nèi)衛(wèi)星可見的情況下，全天時(shí)段各子陣可見星數(shù)量的柱線圖分布近乎相同，都呈現(xiàn)出以子陣編號3、10、23、42、64、91、120為中心的峰值。

4.3 地面站測控需求分析

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)分析，針對衛(wèi)星的測控需求，在可見星數(shù)量最多的時(shí)刻，地面站球面共形陣最多需要合成72個(gè)波束，單子陣最多需要合成59個(gè)波束；其中以編號3、10、23、42、64、91、120的子陣波束資源需求量最大。這幾個(gè)子陣都在球陣的南部，說明可見衛(wèi)星的分布在以地面站為中心的正南方向較為集中。

5 結(jié)束語

共形相控陣波束資源分配對于全空域多目標(biāo)測控系統(tǒng)意義重大，對共形相控陣的衛(wèi)星可見性分析可為其提供需求依據(jù)。STK與Matlab聯(lián)合仿真能夠使兩款軟件的優(yōu)點(diǎn)融合，使得大量數(shù)據(jù)計(jì)算可以自動(dòng)化完成，并能針對特定布陣進(jìn)行地面站的可見性計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確、快捷的互聯(lián)式仿真分析。通過Matlab與STK的互聯(lián)仿真，完成了對基于球面共形陣的地面站衛(wèi)星可見性分析，得出了中國在軌衛(wèi)星對于地面站的全時(shí)段分布情況和各子陣的波束需求，為共形相控陣波束資源調(diào)度設(shè)計(jì)提供參考。

本文研究尚有可拓展部分，一是只分析了球面共形陣對衛(wèi)星可見的數(shù)量需求，可根據(jù)現(xiàn)有結(jié)果，繼續(xù)按功能分類統(tǒng)計(jì)各個(gè)系列衛(wèi)星的分布情況、按軌道高度不同的衛(wèi)星的分布情況，以及特定測控任務(wù)的衛(wèi)星分布情況；二是僅分析了單站衛(wèi)星可見性，可以此為基礎(chǔ)拓展研究衛(wèi)星可見性和站址的關(guān)系，以及和布站數(shù)量，布站形式的有關(guān)問題，作為下一步工作研究方向。