中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 STK 的 TDRSS 星间链路仿真 郑俐* （北京邮电大学计算机科学与技术学院，北京 100876） 摘要：跟踪和数据中继卫星(TDRS)是转发地球站对中、低轨道航天器的跟踪、遥控信息和 转发航天器发回地面站数据的通信卫星。TDRS 位于地球同步轨道上，对中、低轨道的用户 航天器的轨道覆盖率很高，是跟踪和数据中继卫星系统的核心单元。本文使用 STK 软件构 建单颗 TDRS 与低轨道用户航天器之间的星间链路仿真场景，并利用 STK 软件的强大的数 据仿真、分析功能来分析星间链路特性，将仿真结果以二维图表的形式显示。最后还简单介 绍了 STK/Comm 模块在星间链路天线建模中的应用。 关键词： 跟踪与数据中继卫星系统；STK；仿真；星间链路 中图分类号：TN927 Simulation of inner-satellites links in TDRSS Based on STK (Department of Computer Science and Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876) Zheng Li Abstract: Tracking and Data Relay Satellite (TDRS) is a communication satellite which can be used to transmit the tracking and telecontrol information from earth station to MEO (middle earth orbit) and LEO (low earth orbit) spacecraft and transmit the data from spacecraft to earth station. TDRS located in GEO (geosynchronous orbit), can make high cover radio of MEO and LEO, and TDRS is the core part of the tracking and data relay satellite system. In this paper, a simulation scenario of the ISL (inner-satellite link) between a TDRS and a LEO spacecraft is established by STK software, and the characteristics of the ISL is simulated by STK because of its strongly data simulation and analysis capacity. The result of the simulation is displayed by planar table or graph. At last, a simple description for the application of STK/Comm module in ISL antenna modeling is given. Key words: Tracking and Data Relay Satellite System; STK; Simulation; Inner-Satellite Link 0 引言 STK 软件的全称是 Satellite Tool Kit(卫星仿真工具包)，是由美国 AGI 公司开发，并在 航天工业领先的商品化分析软件[1]。STK 作为一种通用的卫星设计工具包，具有非常强大的 验证和演示功能。STK 可以快速方便地分析复杂的陆、海、空、天任务，并提供易于理解 的图表和文本形式的分析结果，用于确定最佳解决方案。 跟踪与数据中继卫星系统 TDRSS 是一个利用同步卫星和地面中心站，为中、低轨道的 航天器与航天器之间、航天器与地面站之间提供高覆盖率数据中继、连续跟踪与轨道测控的 测控通信系统[2]。 TDRSS 以其能大幅度地覆盖和转发地面站对中、低轨道航天器的跟踪测控信号， 并对中、低轨道航天器发回地面的数据、图像、语音等信息进行实时、连续的中继等优势， 逐渐成为深空探测中的关键组成部分。TDRSS 的主要应用主要在以下几个方面：①跟踪和 测定中、低轨道卫星；②为对地观测卫星实时转发遥感、遥测数据；③承担航天飞机和载人 飞船的通信和数据传输中继业务；④满足军事特殊需要。 美国与俄罗斯的跟踪与数据中继卫星已经组网运行，现正在发展后续系统。我国从上世 作者简介：郑俐（1987），女，学生，计算机网络与仿真. E-mail: zhenglilinda@126.com - 1 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 纪 80 年代初期就开始跟踪 TDRSS 这一新技术，并在“九五”期间开展了一系列的预研工作， 到目前为止已取得了一定的成果[3]。 1 TDRSS 的链路 TDRSS 一般由空间段（中继卫星星座）、地面段（地面终端）和用户航天器（中继卫 星系统的服务对象）三个主要部分组成。系统的空间段一般为配置于静止轨道上的一颗或多 颗中继卫星；地面段主要指中继卫星系统的地面测控终端站，是天地信息汇集和交换中心； TDRSS 的主要用户是进入中、低轨道的各类航天器，尤其是要求高轨道覆盖率的载人航天 器和高数据传输速率的用户航天器。 中继卫星系统的链路分为前向链路与返回链路，前向链路（Forward Link，FWL）包括 中继卫星至用户航天器、地球站经中继卫星至用户航天器等连通链路；返回链路（Return Link，RL）包括用户航天器至中继卫星、用户航天器至中继卫星至地球站等连通链路。前 向、返向链路都包括星间链路和馈电链路两部分。馈电链路的两端是中继卫星和地面站，与 传统通信卫星的上/下行链路类似；星间链路的两端是中继卫星和用户航天器，为中继卫星 通信链路所特有[4]。 整个 TDRSS 的工作过程，首先就要求中继星与用户航天器之间链路连接起来，即需要 先建立星间链路。 2 卫星的空间轨道参数 卫星主要有六个轨道参数来确定卫星轨道的大小、形状、轨道方位及卫星在轨道上的位 置。这六个轨道参数可分为三类： a) 两个轨道参数确定轨道大小和形状 这两个参数是相互关联的，第一个参数定义之后第二个参数也被确定。 主要对应 关系如下： 轨道长半轴（semimajor axis） —— 偏心率（eccentricity） 远地点半径（apogee radius） —— 近地点半径（perigee radius） 远地点高度（apogee altitude）—— 近地点高度（perigee altitude） 回归周期（period ） —— 偏心率 （eccentricity） 每日轨道圈数(mean motion) —— 偏心率 （eccentricity） b) 三个轨道参数确定轨道的方位 三个轨道位置参数分别是： 轨道倾角（Inclination）：轨道平面与赤道平面夹角。 升交点赤经（Right Ascension or Longitude of the Ascending Node，RAAN）： 赤道平面春分点向右与升交点夹角。 近地点幅角（Argument of Perigee）：升交点与近地点夹角。 c) 一个参数确定卫星在轨道上的位置 卫星位置参数为以下参数之一：真近点角（True Anomaly）、平近点角（Mean Anomaly）、偏近地点角（Eccentric Anomaly）、升交角距（Argument of Latitude）、 过升交点时间（Time Past Ascending Node）和过近地点时间（Time Past Perigee）。 本文只考察单颗TDRS卫星与低轨用户星之间的星间链路情形，在文中用以仿真的数据 来源于美国“TDRS-6”卫星和美国“长曲棍球（Lacrosse2）”卫星。两颗卫星的空间轨道参数 - 2 - 

中国科技论文在线 如表1所示： http://www.paper.edu.cn 表 1 TDRS-6 卫星与 Lacrosse-2 卫星的轨道参数 Tab. 1 The orbit parameters of TDRS-6 and Lacrosse-2 中继卫星 TDRS-6 低轨用户星 Lacrosse-2 0.000469100 317.435700 deg 8.985800 deg 59.823700 deg 70.488700 deg 0.000700000 265.728600 deg 67.981000 deg 290.847100 deg 94.271300 deg 轨道参数 轨道偏心率 近地点幅角 轨道倾角 升交点赤经 平近点角 每日轨道圈数 1.002820310 revs/day 14.761158200 revs/day 3 建立仿真场景 场景建立的步骤如下： （1） 新建一个空白场景“ISLScen”，在属性浏览器中双击打开场景属性设置页，设 置Basic类中的“Time Period”属性页如下： start period : 20 Sep 2007 12:00:00.000 UTCG. end period : 21 Sep 2007 12:00:00.000 UTCG. Epoch : 20 Sep 2007 12:00:00.000 UTCG. Basic类中其余的参数采用默认值。 （2） 向场景中添加卫星对象。可以在卫星“Basic”属性页面“Orbit”栏中手动输入表1 中的卫星轨道参数，也可以通过“Satellite From TLE File”，直接载入.tle文件获得所需要 的星历数据。2行卫星星历数据是目前通用的一种星历数据格式，每颗卫星的2行数据由 3行组成，文件是由北美防空司令部根据其空间目标监测网获得的跟踪数据产生的。 在场景中直接载入.tle文件的具体步骤如下：首先在工具栏“Insert”下拉菜单中选择 “Satellite from TLE File”；然后在打开的页面中，单击“Two Line Element Set”编辑框右侧 的“…”按钮；最后选择需要载入得文件，单击“Open”按钮，选择所需要的卫星星历数据 后，单击“OK”按钮，即可在STK场景中添加一个新的卫星对象。 载入的两颗卫星分别被命名为：TDRS6和Lacrosse2，其两行星历数据为： Lacrosse 2 1 21147U 91017A 09068.72953965 0.00000050 00000-0 72183-5 0 06 2 21147 67.9810 290.8471 0007000 265.7286 94.2713 14.76115820 03 TDRS 6 1 22314U 93003B 09073.24101756 .00000088 00000-0 10000-3 0 4403 2 22314 8.9858 59.8237 0004691 317.4357 70.4887 1.00282031 59236 4 可见性数据分析 当基本场景建设完成后，利用 STK 提供的 Access 分析功能，建立两颗卫星之间的访问 关系，得到 TDRS-6 与 Lacrosse-2 之间的可见时间间隔等报告，具体结果见表 2。 - 3 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 表 2 TDRS-6 与 Lacrosse-2 之间的访问时间报告 Tab. 2 The Report of the Access Time between TDRS-6 and Lacrosse-2 Access （访问次数） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Start Time (UTCG) （访问开始时间） 20 Sep 2007 12:00:00.000 20 Sep 2007 13:24:09.802 20 Sep 2007 15:01:43.600 20 Sep 2007 17:11:51.986 20 Sep 2007 18:58:19.653 20 Sep 2007 20:39:14.233 20 Sep 2007 22:18:40.799 20 Sep 2007 23:57:29.813 21 Sep 2007 01:35:51.838 21 Sep 2007 05:26:43.505 21 Sep 2007 07:11:13.867 21 Sep 2007 08:51:41.648 21 Sep 2007 10:30:57.933 Min Duration Stop Time (UTCG) （访问结束时间） 20 Sep 2007 12:47:56.630 20 Sep 2007 14:42:12.652 20 Sep 2007 16:42:05.790 20 Sep 2007 18:20:19.914 20 Sep 2007 19:59:00.310 20 Sep 2007 21:38:07.288 20 Sep 2007 23:18:10.263 21 Sep 2007 01:00:59.947 21 Sep 2007 04:54:21.723 21 Sep 2007 06:32:32.679 21 Sep 2007 08:11:14.782 21 Sep 2007 09:50:29.044 21 Sep 2007 11:30:52.037 （最小时间窗口长 20 Sep 2007 12:00:00.000 20 Sep 2007 12:47:56.630 度） Max Duration （最大时间窗口长 21 Sep 2007 01:35:51.838 21 Sep 2007 04:54:21.723 度） Duration (sec) （访问时间间隔） 2876.630 4682.850 6022.190 4107.928 3640.657 3533.056 3569.463 3810.134 11909.885 3949.173 3600.915 3527.396 3594.104 2876.630 11909.885 Mean Duration（平均时间窗口长度） Total Duration（总的时间窗口长度） 在卫星对象可见性分析中，除了可以查看可见时间窗口数据，还可以查看 AER 数据（包 括（方位角、仰角、斜距）。此外，还能够定义卫星对象的约束条件，如最小/大方位角、 最小/大仰角等，以满足不同卫星应用环境条件的需要。 4524.952 58824.381 卫星与卫星之间能够通信的基本前提是两颗卫星之间是可见的。中继卫星与低轨用户星 之间可通信，是指在某时刻，要求低轨用户星与中继卫星之间的连线与地球没有交点，即两 者可见。 TDRS 与中低轨道用户航天器之间的星间链路的特性可以用中继卫星与用户航天器之 间的时间窗口个数、平均时间窗口长度、最大和最小的时间窗口长度等参数描述[5]。根据上 述数据可得，在指定时间段内两颗卫星之间可访问总时间占时间段的 68%左右。用户航天 器的轨道参数，如轨道高度、轨道倾角等，如果发生变化，会对 TDRS 和用户航天器之间的 可见性产生影响。这个结论可以通过在 STK 场景中设定不同轨道参数的用户航天器得出的 仿真结果得到验证，具体的仿真过程与场景“ISLScen”中类似，在此不一一赘述。 5 星间链路的天线建模 中继卫星和用户航天器的轨道间链路天线的相互捕获是星间链路建立的基础，是确保中 继卫星和用户航天器通信服务的关键。星间链路建立有两个重要方面：一方面是完成轨道间 链路目标的捕获及跟踪，即天线的角度跟踪；另一方面是完成前向和返向通信链路信号的捕 获及跟踪。 STK软件中的STK/Comm通信分析模块能够精确模拟各种类型的接收机和发射机，它们 可以附属于多种STK对象上，如卫星、地面站、遥感器等。普通的天线类型如抛物面、螺旋、 - 4 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn ITU、多波束天线等都可以建模，还可输入SATSOFT（原名CPLAN）或ITU GIMROC天线 方向图。使用STK卫星轨道机动几何引擎与定义的接受机和发射机属性结合，就可以完成链 路分析[6]。 卫星通信系统中的天线采用的都是定向天线。建立定向天线模型的步骤是：对于发射天 线来说，确定天线视轴与接收机位置之间的夹角，从天线主瓣峰值增益开始，从中减去任意 给定偏角方向的增益之差额，确定该偏角增益后，将该增益与发射机功率相加，即可计算有 效辐射频率（在接收机方面）；对于接收天线，确定天线视轴与发射机位置之间的夹角，确 定增益在该偏角方向的减少量，从视轴增益中减去它，然后将余下的增益与到达接收机位置 的来波频率相加，即可确定接收功率。 发射机和接收机主要的建模方式有三种：simple、Medium和Complex。这三种方式在 “Transmitter”对象属性页面中的“Type”下拉列表中可选。 简单源发射机模型在STK中可设置的主要参数如下： 传输频率（Frequency） 有效辐射功率（EIRP） 信号调制样式（Modulation Type） 数据速率（Data Rate） 对于其他类型发射机模型来说，还有其他更多的天线参数可设置，以复杂源发射机模型 中的抛物面天线（Parabolic）为例，主要参数有：天线口径（Diameter）、天线效率（Antenna Efficiency）、旁瓣增益（Backlobe Gain）等。 简单接收机模型在STK中可设置的主要参数如下： 接收增益/噪声温度(G/T) 频率（Frequency） 带宽（Bandwidth） 在复杂源发射机模型中除天线参数可设置外，还可以另外设置系统温度（System Temperature）。 发射机和接收机模型设置完毕后，就可以通过STK在发射机对象和接收机对象之间建立 连接关系，之后就可以通过报告或图表生成工具来进行数据分析了。 6 结论 STK 作为优秀的航天分析软件，具有强大的计算能力、逼真的图形显示、可靠的数据 报告等特性，在卫星仿真中具有广泛的用途。本文利用 STK 仿真的方法，实现了一个具体 的 TDRSS 星间链路过程仿真，并得到了卫星可见性数据仿真结果。此外，本文还简单介绍 了天线建模的步骤和方法，以及在 STK 软件中 STK/Comm 模块在天线建模中的应用。 [参考文献] (References) [1] 周辉，郑海昕，许定根. 空间通信技术[M]. 北京：国防工业出版社，2010. [2] 杨颖，王琦. STK 在计算机仿真中的应用[M]. 北京：国防工业出版社，2005. [3] 冯贵年，于志坚. 跟踪与数据中继卫星系统的现状和发展[J]. 中国航天，2004，1:16~19. [4] 胡丹，闫忠文. 用户星高度对中继卫星星间链路的性能影响[J]. 中国空间科学技术，2008，6:56~63. [5] 方炎申，顾中舜，陈英武. 中继卫星与用户航天器之间星际链路的研究[J]. 计算机工程与设计，2005， [6] 姚大雷，汶德胜，林守惠，等（et al）. STK 及其在通信卫星链路仿真中的应用[J]. 科学技术与工程， 26(8):2064~2066. 2007，7(11):2700~2702. - 5 -