卫星工具集分析软件
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. p1 Q# G4 m E1、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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D2 Q; |" D% S |4 e1 m+ b2 d7 h/ @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。 I7 E4 r; ~) \0 q s
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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。2 J1 [. s' {$ T3 g, w5 V M0 F
5 b9 i6 o$ f3 `# ESTK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。) D, O- W" T* ^ o% U
5 `7 F7 P8 H" {& g4 k8 {3 B2 t2005年4月,Analytical Graphics研发出STK/Professionl(STK/PRO),是最新的卫星工具集专业版。. Y" u/ }" i @" p7 ]
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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。$ U$ n$ ]4 i0 C N' y$ l: A
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STK/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。
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3 a. T6 F8 g0 r0 B6 n4 O- p0 y2、STK/PRO主要功能$ v' e# T8 [4 g8 \1 L9 t* X. A
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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。0 ^% ?% s# g W G- i7 L+ A; d
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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;: V* W# o2 l$ ^' p0 u5 e( z: j
1 r/ W. Z8 Q( r(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;
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(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;) t% q- p# b5 K5 o. l; ]6 |
- Y0 X1 m& M2 S& j(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;& c& J- v( y8 ?: ^; [- u& R
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(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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(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;' u* p* R0 @7 O: @
' S& A1 y! \1 o* x4 L1 n. `- D(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;% G$ V7 T, I8 }7 t1 r9 t0 B
/ |( X v0 ]7 x4 v K+ t(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。+ w$ q7 C! E3 O; S* z5 I3 w! |
5 }9 G) d5 ^! v6 |* @8 GSTK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 t6 q4 v6 n. }4 ~3 v(9)图像保存:可将图像结果保存为BMP位图或AVI动画;. j7 A( F* L) C
9 b" K# O0 M) D% P) q(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。% O% s% G( k1 H, j |. n; K$ I
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3、STK/PRO特性6 w. P+ S! [6 t2 m4 ]/ J2 ?
, D6 p# U2 T" a2 ^, W(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;
+ C, u1 i0 d' m& x: y @/ m1 D
- m# j4 O- t+ d6 s3 j(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;! B9 ?5 b7 {: e, r9 Z1 y( z5 F' s
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(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;8 B: ^( ^5 W! p2 |* N Q% l! I
9 y. K$ ~4 p: b& l* E8 p(4)长期轨道预报(LOP):精确预报数月或数年的卫星轨道;3 [7 \! h) Y' _
& T) ?/ I3 G1 }2 ~(5)寿命工具(Lifetime):评估低轨卫星在轨保持圈数;. z0 P0 B. ]4 O$ a% B1 g7 a2 |
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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;6 R K& e# N) r7 F( _$ k
n9 H2 O/ E$ K( p3 D(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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(8)姿态仿真和指向:定义飞行器姿态,包括19种姿态定义;& ^5 q8 t# e6 a7 |
- u* m( Q! M6 ` d! M$ o9 B(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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4、STK模块; {, n" j! ?9 ?8 D# Y
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(1)基本模块。
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(2)分析模块。
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2 _ Q% R5 L2 H( F0 j/ L(3)综合数据模块。
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, i) u1 K0 Q/ m3 [(4)扩展与接口。
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M- y9 k; x0 H1 `. [AGI卫星星历2 B0 f0 h1 b7 s
$ s3 `) a# ~; ~( F( I1、AGI卫星星历
0 Q% {8 p/ x$ s( T2 Z/ e( ^+ `( c7 H2 r! H
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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AGI卫星星历为太空实时跟踪技术奠定了基础。
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3 c& n" d% b4 Z# O& I& _- L4 w, j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。
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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》。! [; Z' r+ e# K) B" w
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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。 t" R1 v, U8 I
/ I8 s7 e/ k2 e L2 k; AAGI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6 I5 L* R$ q8 ?' e. @
1 W$ Q$ p+ W+ |: L3 iAGI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。, z2 l0 I" ?0 U+ d! O, L
0 F1 z" f$ \ c8 d- W! |+ s1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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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。1 J/ `- ?) E8 R( s' u7 z8 u5 T7 \4 r1 Z0 g
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AGI的测试:6 S4 m' r# u ?3 I8 F* Q: K
+ ^, o3 Q( }8 G" J1 N A
(1)时间:2007年1月11日到1月12日。: v8 B% W. x) Y5 T+ v: D
# X, j3 s0 b3 @; M0 N“风云”1C被攻击前5分钟的情况。/ c9 O; `6 [+ q8 z& v" o
) P' L3 e! v5 h& Y0 H4 p“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 u' [& A% [1 A O/ ?
+ y+ [( [9 i' M) ^; D& H9 R( VASAT攻击前AGI文件的画面,五分钟后攻击,“风云”1C被攻击。8 |* d4 M4 s; I/ F* u
; k5 c5 |9 [1 ^(2)时间:2007年6月15日8 _. z+ q5 J8 }! i6 A- a* o
6 D* q P; j$ P$ O/ j7 y% D2 QAGI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。. ], U1 a" z4 t5 H' J+ C K) E
2 ]8 N, h8 T( s; K: d4 x: q9 j
狮子座宇宙站轨道(绿色)与碎片云(红色)。2 U9 k6 N$ I3 s. m
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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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% t. e8 z* @4 P! C1 DSATCAT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。
( F) n( O, `3 `) |& w" J. g+ g( q3 z- J2 ~% y' b9 E$ @
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。& ?4 F3 b# b2 R5 W
9 x( T! p# T* g8 }: c a8 Y+ W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。
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“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。1 W7 f+ z4 q7 J& {" e
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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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5 R. `. H3 C, u6 X8 m% G9 ?. fNORAD跟踪系统
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+ ~; V2 ~4 H% `1 W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。
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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。8 F, f/ j9 G# [( O0 N+ V$ T, M
" q* [9 q* x- b/ s& m Y. X$ ]
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。. v3 B: f% `( k7 Y# r2 A. Z1 G( Q7 N
9 p$ a, |8 N; K( i& c8 \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6 o; Q8 |& y$ q2 q! b
/ F( a+ y* E1 g5 ^! ^+ 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。1 j% k0 c; W5 ^# `1 M( h* j. u0 ?+ d
. z; s5 q- ]; I1 _8 ^% ^Orbitron由波兰年轻卫星专家塞巴斯蒂昂·斯托福(Sebastian Stoff)研究发明。
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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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6 c+ E% Q; ?- i" b+ l5 g0 W, b) n( c(1)可同时追踪2000颗卫星,精确坐标定位;! m- ~. @; G q* d5 B. x" ^. f4 _6 R
; U4 n8 Y! t# s(2)全屏显示及简报模式显示;/ G8 I- v) C) g& z
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(3)功能先进的卫星时间预测、卫星轨迹搜寻;1 p1 J# _0 v7 x1 M7 s4 ^
1 D& V2 d5 r6 E! f(4)可以通过NTP服务器校正电脑内部时钟;
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7 ?. y9 z9 v8 n9 G" Y- T+ U4 j(5)可以通过互联网更新星历数据(支持ZIP压缩格式);
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" G+ Q4 Y" Z5 }1 ?4 k' a9 \(6)可控制无线电台及卫星天线跟踪器;/ v1 W! k4 U, G; z0 b! g: ?9 n6 N
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(7)内置一个屏幕保护程序;
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! Z0 M* D' i2 W9 e0 _2、Orbitron特性( E' ]# B' C" O8 `( p- p
9 Z7 i; Y+ M7 y+ P" Q6 p/ B(1)NORAD的SGP4/SDP4预测模型;
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: `" G2 a) V) T. V) K% [(2)能从TLE文件下载20000颗卫星;
, O9 c; @/ `1 x( h4 V$ i2 Z, n7 k# X
% n( a! x- ~, A( ?% s4 e(3)能同时追踪全部卫星;
4 F. i9 _' M4 f" E4 q$ i% l, D0 T3 A B7 q" k( K
(4)追踪太阳和月亮;8 a, f( z0 o+ y% I6 S- z" `6 i% C3 d5 _
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(5)卫星轨道运行信息;5 Q* G. Q9 Z6 J5 [
* h$ n: Y& V: A7 p3 k* Z(6)全球城市数据库;
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(7)卫星频率数据库;
) x. i4 \# n0 X3 H) @3 ~5 I! h
: T" z2 E" z: C9 Q$ I(8)雷达扫描卫星;
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1 U( x) `$ t/ @' A. u# Y7 N(9)支持多国语言;
1 n3 Q5 Y1 V. \6 ~/ y' g. @# X, |1 G7 p
(10)支持来自640*480的荧屏协议;
* }! B( B2 C* Z2 W7 G8 Y2 T* R* r. T- s' O
(11)即时的模态/模拟模态(释放时间控制);
! B% k8 z- h* ^; L3 F( `* b: q l! D- N. K- [
(12)先进的卫星轨迹搜寻引擎;;
; R! F* O% C. K& H0 E9 R$ F- H$ [+ p" a6 K% _, U
(13)英特网TLE updater,经由HTTP;$ n- B/ ?7 E# ?" a' ?
6 K- ~& m( R6 a(14)转子/无线电操纵(内建的或支持使用者)。* E8 k6 E6 m! l3 Q, r
" F$ w8 B, j4 \
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 ~2 m- l7 J6 i. c6 I, c; y) ?/ ?4 H6 H3 b" s. _9 h
3、Orbitron应用: c( x W; Z8 } e, \6 u
' r, E6 A) X. ?4 P
2006年10月29日0时20分鑫诺2号卫星发射。
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. f% A2 _+ J' I u* I$ C2 g* {) b _8 |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。
3 v: |9 t# z/ w$ U9 e# o0 |* W
2006年11月18日鑫诺2号的运行报告。7 `5 B- l: Z; Q. Y( h& _" ^9 X
7 t5 W7 h6 U+ H2 q2006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。+ `' a, G2 ?, @" o5 _
+ E# |: ? ]+ C(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。
- n9 [' Q+ z" v/ V2 k
/ m% L; R; M. d( ?11月19日21:31:17时的鑫诺2号卫星轨道参数。
2 \! n/ G& A% R, G5 ]+ @
6 S8 d+ X. p. M& X; b' ?: ] ]11月19日21:31:17时的鑫诺2号卫星轨道读图参数。5 k$ }* S% t- x7 `+ }% a! r3 e+ T
7 b+ m0 U' d: w/ G(2)11月19日21:32:48时开启雷达扫描。# p' `+ G. p) g
- V: H$ j% h/ [11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。 y# ]: a5 M' ]+ I& } _7 o
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ODTK轨道仿真器( `) y2 P1 j8 N V, ~7 m
# `; @5 ]% N) A8 d% t0 g& X
ODTK(Orbit Determination Tool Kit)轨道仿真器软件是卫星跟踪系统。5 h' N O" `- g; P; g8 @& _
7 X: C9 U8 v1 e" j/ s
ODTK是一个跟踪数据仿真器,为卫星轨道运行提供分析支持。
: a5 M5 H8 {1 R+ A+ d+ Y
2 { ~+ O; T! w: zODTK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。
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( i/ E9 V% u( a0 @6 l1、ODTK功能:
% w Z5 M9 O! p P. [% v, n: Q+ s" j3 _5 f% u
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。4 J3 n) V* _$ _$ W' F2 d1 c1 `; s/ t
* _& F/ q! S2 s3 E" O/ O
ODTK系统能处理符合准确度需求的模拟跟踪数据。
& N8 s5 ]0 d% l
$ B9 B; o+ b5 U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。) Z. [ K0 l Q) X. u* o- r/ P
- i- P' J* \3 w2 UODTK可同时计算、模拟一颗或式颗卫星轨道及相关参数。
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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;. {% e- I2 R" O" ]& R) P
" @, l- F5 J6 x# v跟踪偏差和卫星位置;
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矫正卫星的校准参数;
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! {3 |% @" l1 {$ l( C `卫星运动的太空环境影响;% N# }2 S9 e) f2 ]
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全球定位测量卫星轨道和时间;
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全球定位测量卫星监视时间;0 d+ r2 o( A% I5 s6 ~$ P
7 P: m" C3 F: T* Q7 g9 x! v E. |ODTK是卫星追踪系统的完全的软件解决方案。; T$ o* \7 G% u) K
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+ e' ~0 y; l# K/ K9 b: ~
$ F3 H. ~' z2 r2 A: \9 u. C1 {" F
StarCalc星图
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! Y9 A, o- T4 X/ M5 A& @StarCalc星图是俄罗斯克麦罗沃市的亚历山大E.Zfavalishin发明的。
& V9 q8 W$ A4 F% o
8 X0 G6 A4 M& m0 h2 o& H. r: h- mStarCalc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。
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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。' L6 b" Q8 m v/ f( W1 @ T
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StarCalc星图功能, I7 `3 c! l; r) M" a
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1、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;
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& I% G; w* J* S3 |+ i2、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;
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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;
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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;
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2 W3 z, K) C0 n" t* ?+ \& \& C5、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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