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    基于STK和MATLAB互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統及方法技術方案
    
                            
    技術編號：44491942 閱讀：5 留言：0更新日期：2025-03-04 17:57
    
                        
    
                        
    
                            
                            本發明專利技術公開了一種基于STK和MATLAB互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統及方法，所述系統通過Matlab將STKX組件以ActiveX控件形式集成顯示在GUI界面，利用STK豐富的二次開發接口與良好的展示功能，實現星座軌道部署查詢、繞飛軌道設計與軌道維持、掠飛軌道設計功能模塊的分析與顯示。本發明專利技術能實現星座巡檢軌道設計仿真分析，對星座巡檢軌道設計可視化具有重要的實用價值。
    
                            
                            
    


    
                            

                            
    【技術實現步驟摘要】
    
                                
    本專利技術屬于可視化仿真，特別是一種基于stk和matlab互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統及方法。

    技術介紹
    1、隨著航天科技的迅速發展，航天發射任務日益頻繁，特別是星座概念的提出，其可以通過一次發射任務實現多個衛星的部署?？臻g碎片也隨即增多，這導致太空環境日益復雜。所以需要一套可靠的星座巡檢軌道設計可視化方法，定期對星座進行巡檢，以保障星座能在安全的環境下工作。
    2、目前針對星座巡檢軌道設計可視化方法問題，國內外有許多工具和軟件，大致可總結為三類：第一類為商業軟件，例如stk(satellite?tool?kit)和gmat(general?missionanalysis?tool)。stk是由agi公司開發的一款綜合性仿真和分析軟件，廣泛用于航空航天、國防、通信等領域。它能夠模擬和分析各種復雜的系統，包括衛星軌道、傳感器覆蓋、通信鏈路等，并提供三維和二維可視化模塊用于分析計算展示。gmat是由nasa開發的開源軟件，功能類似于stk，這種方式難以實現特定任務的計算分析和展示。第二類是利用編程軟件進行計算分析展示，在計算分析領域應用比較廣泛的是matlab，matlab是由美國mathworks公司出品的商業數學軟件，其擁有強大的數值計算和算法處理能力，其自帶豐富的工具箱具有強大可視化功能，廣泛應用于數據分析、無線通信、深度學習、圖像處理與計算機視覺、信號處理、量化金融與風險管理、機器人，控制系統等領域，這種方式成本高，效率低。第三類是對特定航天任務進行專門軟件開發，這種方式成本高，不具有廣泛使用性。
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    技術實現思路
    1、本專利技術的目的在于針對上述現有技術存在的問題，提供一種基于stk和matlab互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統及方法。
    2、實現本專利技術目的的技術解決方案為：一方面，提供了一種基于stk和matlab互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統，所述系統通過matlab將stkx組件以activex控件形式集成顯示在gui界面，利用stk實現星座軌道部署查詢、繞飛軌道設計與軌道維持、掠飛軌道設計功能模塊的分析與顯示。
    3、進一步地，所述系統包括主界面、軌道部署查詢模塊、繞飛軌道設計與軌道維持模塊，以及掠飛軌道設計模塊；
    4、所述主界面，用于展示基于stkx組件的星座衛星分類的2d/3d場景展示，并用于提供各模塊的進入端口；
    5、所述軌道部署查詢模塊，用于展示星座各軌道面的部署情況；
    6、所述繞飛軌道設計與軌道維持模塊，用于實現對所需星座衛星巡檢的繞飛軌道設計與軌道維持燃耗計算，并評估軌道維持效果；
    7、所述掠飛軌道設計模塊，用于實現對任一軌道面的所需星座衛星巡檢的掠飛軌道設計，并展示掠飛監測效果。
    8、進一步地，所述繞飛軌道設計與軌道維持模塊通過繞飛軌道設計算法輸出繞飛軌道設計結果；
    9、所述繞飛軌道設計算法，基于cw方程，根據載荷功能需求設計繞飛軌道，具體包括：
    10、步驟3.1，設置輸入參數，包括目標星、仿真時間、繞飛半徑、閾值和控制周期；根據輸入的目標星名稱向stk?engine查詢請求，獲取目標星句柄，結合讀取出的目標軌道六根數，計算繞飛星的絕對軌道信息，向stk?engine發起衛星創建請求，建立繞飛星對象；
    11、步驟3.2，在自然漂移階段，當主星軌道為近圓軌道時，通過理論推導，獲得cw方程幅值-相位的極坐標形式：
    12、
    13、式中，x(t)、y(t)、z(t)，分別為t時刻繞飛星相對位置矢量和相對速度矢量，n為目標星平均角速度，rx和rz分別為徑向和法向運動的振幅，lx和ly分別為徑向和航跡運動中心的偏離值，αx和αz分別為徑向和法向初始相位；
    14、其中，x0、y0、z0，分別為初始時刻繞飛星相對位置矢量和相對速度矢量；
    15、考慮構型的對稱性，與繞飛半徑r，獲得繞飛軌道設計約束條件：
    16、
    17、步驟3.3，根據輸入的目標星名稱向stk?engine查詢請求，讀取目標星六根數并計算出平均軌道角速度，之后根據步驟3.2的方式計算獲得繞飛星相對軌道位置速度矢量參數；
    18、步驟3.4，將繞飛星從相對坐標系轉為絕對坐標系。
    19、進一步地，所述繞飛軌道設計與軌道維持模塊通過軌道維持算法維持燃耗；所述軌道維持算法具體包括：
    20、步驟4.1，根據輸入的控制周期、閾值和仿真時間，計算分析時段內的維持次數，調用stk?engine的軌道預報模塊，獲得分析時段內的目標星與繞飛星的軌道數據，并根據坐標轉換關系，將繞飛星的絕對軌道根數轉換為roe參數；
    21、步驟4.2，控制策略為：自然漂移階段與控制飛行階段交替進行，繞飛星飛行一個自然飛行周期后，計算與參考軌道的偏差量，在控制周期內在進行軌道修正，根據脈沖解析解，計算切向脈沖與法向脈沖大小與作用時間；
    22、步驟4.3，儲存自然漂移與軌道維持兩條件下繞飛星的軌道數據，重復上述步驟4.1至步驟4.2，直至時間超出分析時段；
    23、步驟4.4，繪制繞飛星軌跡，并展示繞飛星軌道根數和脈沖大小。
    24、進一步地，步驟4.2具體包括：由相對動力學特性，將軌道維持問題解耦為軌道面外矢量修正和軌道面內軌道修正；
    25、脈沖對于相對軌道根數的影響如下式所示：
    26、
    27、式中，a是參考軌道長半軸，δδαk表示構型參數，uk表示脈沖實施時參考軌道的平均緯度幅角，δvr、δvt和δvn分別表示徑向脈沖、跡向脈沖和法向脈沖；
    28、(1)軌道面內軌道修正采用三次切向脈沖進行修正，其控制解為：
    29、
    30、式中，t為繞飛星軌道周期，δa、δe和δλ分別為相對軌道長半軸、相對軌道偏心率和相對經度幅角，δaman、δeman和δλman為構型偏置目標參數，δvt1、δvt2和δvt3分別為三次切向脈沖大??；
    31、所述三次切向脈沖機動對應的緯度幅角um1、um2和um3如下：
    32、
    33、式中，分別為δeman的分量，δex、δey分別為δe的分量；
    34、(2)軌道面外矢量修正采用單次法向脈沖δvn進行修正，其控制解為：
    35、
    36、式中，δδix為相對軌道傾角δδi的分量；
    37、所述法向脈沖對應的緯度幅角un如下：
    38、
    39、式中，δδix、δδiy為相對軌道傾角δδi的分量；
    40、進一步地，所述構型偏置目標參數δaman、δeman分別為：
    41、δaman＝-7γsin(2i)δδix
    42、
    43、
    44、式中，δδix為相對軌道傾角δδi的分量，i為軌道傾角，γ為常數系數，和為標稱相對偏心率δenom的分量，為相對偏心率向量幅角維本文檔來自技高網...
                            
    
                            
    【技術保護點】
    
                                
    1.一種基于STK和MATLAB互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統，其特征在于，所述系統通過Matlab將STKX組件以ActiveX控件形式集成顯示在GUI界面，利用STK實現星座軌道部署查詢、繞飛軌道設計與軌道維持、掠飛軌道設計功能模塊的分析與顯示。
    2.根據權利要求1所述的基于STK和MATLAB互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統，其特征在于，所述系統包括主界面、軌道部署查詢模塊、繞飛軌道設計與軌道維持模塊，以及掠飛軌道設計模塊；
    3.基于權利要求1所述的基于STK和MATLAB互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統，其特征在于，所述繞飛軌道設計與軌道維持模塊通過繞飛軌道設計算法輸出繞飛軌道設計結果；
    4.基于權利要求3所述的基于STK和MATLAB互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統，其特征在于，所述繞飛軌道設計與軌道維持模塊通過軌道維持算法維持燃耗；所述軌道維持算法具體包括：
    5.基于權利要求4所述的基于STK和MATLAB互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統，其特征在于，步驟4.2具體包括：由相對動力學特性，將軌道維持問題解耦為軌道面外矢量修正和軌道面內軌道修正；
    6.根據權利要求5所述的基于STK和MATLAB互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統，其特征在于，所述構型偏置目標參數δaman、δeman分別為：
    7.根據權利要求1所述的基于STK和MATLAB互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統，其特征在于，所述掠飛軌道設計模塊通過掠飛算法獲取最優的掠飛軌道，輸出掠飛軌道設計參數；所述掠飛算法包括：
    8.根據權利要求7所述的基于STK和MATLAB互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統，其特征在于，步驟7.4中所述離散遞推模型，具體為：
    9.基于權利要求7所述的基于STK和MATLAB互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統，其特征在于，步驟7.5中目標函數為：
    10.根據權利要求1至9任意一項所述的基于STK和MATLAB互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統的可視化方法，其特征在于，所述方法包括：
    ...
                            
    
                            
    【技術特征摘要】
    
                                
    1.一種基于stk和matlab互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統，其特征在于，所述系統通過matlab將stkx組件以activex控件形式集成顯示在gui界面，利用stk實現星座軌道部署查詢、繞飛軌道設計與軌道維持、掠飛軌道設計功能模塊的分析與顯示。
    2.根據權利要求1所述的基于stk和matlab互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統，其特征在于，所述系統包括主界面、軌道部署查詢模塊、繞飛軌道設計與軌道維持模塊，以及掠飛軌道設計模塊；
    3.基于權利要求1所述的基于stk和matlab互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統，其特征在于，所述繞飛軌道設計與軌道維持模塊通過繞飛軌道設計算法輸出繞飛軌道設計結果；
    4.基于權利要求3所述的基于stk和matlab互聯的星座巡檢軌道設計與可視化系統，其特征在于，所述繞飛軌道設計與軌道維持模塊通過軌道維持算法維持燃耗；所述軌道維持算法具體包括：
    5.基于權利要求4所述的基于stk和matlab互聯的星座巡檢軌道設計與...
                            
    
                            
    【專利技術屬性】
    
                                技術研發人員：陳丹鶴，史明軒，王書航，楊志鴻，何敬源，
    
        申請(專利權)人：南京理工大學，
    
        類型：發明
    
        國別省市：
    
                            
    
                            
                        
    
                    
    
                    
                    
                     
                
    
                
                
    
                    
    
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