卫星工具集分析软件
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- s+ F/ O! r, c( `% d5 z1、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。
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; L, o" W+ O5 i0 m3 x. m1 F1 ?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。
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STK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。
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6 F+ { W/ |) t' W" USTK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。" G6 e1 Q/ x9 [* G
. `! L2 |) u9 i2005年4月,Analytical Graphics研发出STK/Professionl(STK/PRO),是最新的卫星工具集专业版。( |; l6 s* G7 j1 g f# ~
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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。! v p; g7 q: ]0 K
/ a7 J7 k1 R, B, i( `1 s* kSTK/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。 p& W, f j$ v l
, l% G1 ^! x" S6 w# q k- 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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(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;1 G# [4 l0 f' ?: v9 K
" X0 H7 R7 y: y0 I(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;- j' T+ ?" B: {8 g& Y z
! s- s5 C1 {! K+ X(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;3 e/ i2 t0 i9 ?( a( K6 v' \, A8 C2 n
, \0 k, x; _; g(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;5 S8 Z+ ^. @' ]3 E
- v% U! v$ I, L(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;
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& J+ ~3 x0 W+ [+ p6 j( ~3 [3 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;
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7 F3 t) s# u6 P2 ~5 s- z0 @(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;; W8 V9 I6 f; C$ g
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(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。
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: F _$ [5 f8 Z& `2 c: s OSTK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;
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(9)图像保存:可将图像结果保存为BMP位图或AVI动画;/ J& t9 W& i; W7 X Y0 B
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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 ]# E3 b- g: a& h; [+ W
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3、STK/PRO特性* j3 z4 j% l* o5 a: ]( M/ n0 N
f$ U( e; l; q) Q" i, ~(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;* ^: W2 j/ {+ A" H5 m- s
$ \& }% Y9 U* V" y) E3 {(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;
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8 \ U M5 X- z* x M(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;
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7 g. ]+ ?3 E2 B l) a1 W5 A(4)长期轨道预报(LOP):精确预报数月或数年的卫星轨道;( D. A, b( j5 U+ P' {' {
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(5)寿命工具(Lifetime):评估低轨卫星在轨保持圈数;
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(6)区域目标:可定义N边形区域,用于地面区域链路计算; w+ k; M% m5 v4 _
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(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;, M# v: @" G' d& t0 y3 x) H& \
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(8)姿态仿真和指向:定义飞行器姿态,包括19种姿态定义;4 \5 R, G5 H' |! Z' \
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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。0 b3 Q0 O. [ ?0 j
+ {# ~7 {2 C) m" }/ |0 G. L4、STK模块5 B- s; ^! B! p
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(1)基本模块。4 s _! i7 L+ F! l
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(2)分析模块。+ }/ ` h, C" F3 F3 k
4 Z3 @, c) `! g5 s, I) r% f1 _, A1 W(3)综合数据模块。6 r3 I! `$ x3 y0 _5 o4 g5 s
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(4)扩展与接口。/ U; K3 `4 g! ]" D
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) M+ z" _9 _) v( G& b& N' hAGI卫星星历5 m+ U, T, p/ Y3 q9 K6 K
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1、AGI卫星星历7 [5 `3 `' I0 ]6 l* H
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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。' B- h& F' j. A4 X
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AGI卫星星历为太空实时跟踪技术奠定了基础。
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+ z. r9 m5 j: h4 ~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。4 e' F" X& Z4 w$ Q- p
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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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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。
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7 g0 e: c/ Q. sAGI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。. G) R/ Z% M; U7 _, h
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2、AGI软件应用
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$ a+ v; d9 {9 O6 nAGI软件应用举例,从技术的角度对AGI软件会有很好的了解。( o) C* f+ I) S" y
) w5 }8 v- q/ I' s" E. W. H2007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。
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' r' [" ?+ n/ l% m0 ]3 s/ r1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。) k! [# W$ W/ a1 F, M$ Y( E9 Q6 V- R
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1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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8 c, H! {, q& J8 c(1)时间:2007年1月11日到1月12日。
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“风云”1C被攻击前5分钟的情况。
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“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。# N" Q+ }) H4 Y8 G: |7 a, A) d3 J
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ASAT攻击前AGI文件的画面,五分钟后攻击,“风云”1C被攻击。
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) z0 V; L% y+ \2 ~& R9 f' V(2)时间:2007年6月15日$ X3 T! {3 T& q% M- E. w
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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。
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. N; @" Q6 O7 s狮子座宇宙站轨道(绿色)与碎片云(红色)。
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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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SATCAT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。4 s* G0 t1 c( \4 e* L+ t1 [' _
( G% e3 [, i6 Y' K9 m: @8 n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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' ?/ \" P% m s4 G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。. I; A0 o. o6 ^8 K
z" E3 A" d: t/ p" I8 l" W“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。2 e" Q7 v1 ^9 q4 U7 m
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2007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。
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. C; _8 d( o. A5 F& I, mNORAD跟踪系统
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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。1 z6 J* O/ p& n6 I: t7 N J/ Y4 ] C
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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)。
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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。
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1996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。
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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。
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Orbitron卫星运行轨道计算软件) h t6 C( O. J$ ]2 s- t% p
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Orbitron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。
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Orbitron由波兰年轻卫星专家塞巴斯蒂昂·斯托福(Sebastian Stoff)研究发明。. A) ~$ O6 d. f
( V9 _: z% F5 d9 `( g" Y B9 {Orbitron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。
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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。
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1、Orbitron主要功能
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(1)可同时追踪2000颗卫星,精确坐标定位;7 |/ P1 P; q) S$ X0 j
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(2)全屏显示及简报模式显示;
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(3)功能先进的卫星时间预测、卫星轨迹搜寻;
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(4)可以通过NTP服务器校正电脑内部时钟;
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(5)可以通过互联网更新星历数据(支持ZIP压缩格式);! _2 G# j5 m( N$ q( p' ]
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(6)可控制无线电台及卫星天线跟踪器;
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' I4 F; `' J2 O% P0 I" b(7)内置一个屏幕保护程序;# e8 }" i8 {& }1 I) d( \
* j p2 x. Q4 ~, N2、Orbitron特性/ l. T+ n& }: A' T' `7 M3 X3 B: o
# m, o" p' G" {% r/ L$ t) V(1)NORAD的SGP4/SDP4预测模型;
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(2)能从TLE文件下载20000颗卫星;1 J! R3 x5 {1 f" [! i/ i/ a
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(3)能同时追踪全部卫星;
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(4)追踪太阳和月亮;2 z! o1 Q! J; ]/ M. x
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(5)卫星轨道运行信息;
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( M8 {% i) N. b) E( A(6)全球城市数据库;2 m( @7 `' q- N; v( A4 b5 Q
$ z- I0 Q! e f; t0 G/ R(7)卫星频率数据库;% p$ z3 L4 q6 t/ l, ^
$ E+ E2 T* s1 a" E(8)雷达扫描卫星;
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(9)支持多国语言;" V, c3 u! E, R& |+ S
5 K3 A6 B o# f1 o' }
(10)支持来自640*480的荧屏协议;6 {- ?8 R% @9 q2 C
' |, s5 |1 i7 F% x9 o: g* b! f5 \* C(11)即时的模态/模拟模态(释放时间控制);! y& b$ h' i7 @; m- A" ]
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(12)先进的卫星轨迹搜寻引擎;;
" B+ S$ J3 [: I) b& ^
" y+ i( ^! S8 H(13)英特网TLE updater,经由HTTP;; W* u1 X. u# o, ?& M! b' C
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(14)转子/无线电操纵(内建的或支持使用者)。) e0 p$ `5 ^( A6 r
; f5 `9 [5 i3 u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。8 H; d+ R$ s; n& L z( J$ i
" S+ M1 I* P3 ~+ m3、Orbitron应用* i. k5 K! f3 H x
* d: Q" `; O/ w3 \) U3 G
2006年10月29日0时20分鑫诺2号卫星发射。
7 R5 r5 [: ^" l% K" \+ Y. p
' T; @' G5 [: z) R11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。+ w7 P2 w! c! g
8 R: `4 n# e, `: e2006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。
: S- Z0 q* |8 {$ t/ M7 C6 ]7 E& H5 H% q/ I% f( w" e7 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。
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11月19日21:31:17时的鑫诺2号卫星轨道参数。
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11月19日21:31:17时的鑫诺2号卫星轨道读图参数。1 |. p) {0 H& l% t6 H
. ^, \/ G# \% B% n/ |(2)11月19日21:32:48时开启雷达扫描。
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. W8 y# D0 X5 s# l; |8 C11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。2 R" K. w$ q# h
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ODTK轨道仿真器
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ODTK(Orbit Determination Tool Kit)轨道仿真器软件是卫星跟踪系统。
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; f# T# F' m+ ^4 oODTK是一个跟踪数据仿真器,为卫星轨道运行提供分析支持。) q% E1 M& ^& z
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ODTK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。- \; T, E/ o% N3 ]9 o" e* u3 t
/ Q! ~5 K. {; ^$ ]' X- O7 l1、ODTK功能:9 x* M3 R, y* h% E4 `/ |. ~. w
2 ?3 Q3 d0 h1 t# V5 o6 V* C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。
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ODTK系统能处理符合准确度需求的模拟跟踪数据。
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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。5 H X( r9 w% ]& ~
% a. A) ^7 ^$ E" h
ODTK可同时计算、模拟一颗或式颗卫星轨道及相关参数。4 B+ g4 x6 S' p9 F
v( D+ ~; J6 `" M3 `2 u
2、ODTK软件能处理卫星跟踪数据,提供轨道和相关的参:
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卫星轨道的误差;2 z5 e4 L; F2 h; l
. }( s9 s. i I# w& |0 N3 S跟踪偏差和卫星位置;
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矫正卫星的校准参数;. y# w. \' M) u" W" z/ _: g+ S2 N
, B3 \) \. X$ O卫星运动的太空环境影响;3 m" x9 K/ e* I: S* U: X
" g+ F7 p+ q; ~0 `4 V \' w全球定位测量卫星轨道和时间;$ Y( {- }5 y0 @- l7 T, }- k
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全球定位测量卫星监视时间;5 Q; o# X; n3 i7 X2 F* D0 f
& z0 h! B M2 Y4 N# K# L: P
ODTK是卫星追踪系统的完全的软件解决方案。- M$ R7 v! A- d
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& H/ Q8 ?. ] [" fStarCalc星图
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) ]7 h" L0 F$ N5 _! ^) f1 MStarCalc星图是俄罗斯克麦罗沃市的亚历山大E.Zfavalishin发明的。
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StarCalc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。- ~% @) @& ^$ C, K
& U0 s: P5 m1 l) gStarCalc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。1 g5 U: m1 `& t7 ?$ u- l
* K! Y* O0 D+ ?: K T5 o! {* A- E5 a% y5 E6 d! S- B' H5 m' g
2 _' R! {' O5 Q, }! W+ }- lStarCalc星图功能
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! V f) y$ l4 O1、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;! D+ ^$ [0 e2 C4 `/ \6 I
6 ~$ Y1 y4 R2 {3 T2、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;- e9 ] P$ l# m0 Y
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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;6 R8 y; x# d# u. I& A9 N$ T& A
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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;+ ~. c4 {- O& ~& G! U3 U/ c
& n( `0 |* z1 Y* ~5、数据精确:StarCalc专用的SAO和Tycho2星表的数据下载,能精确计算。4 \( f) j# W$ c1 c6 S
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