STK中的姿态设置与矢量几何工具
北京天问空间科技有限公司
二〇一四年四月
前言
本课程的主要内容
一、姿态设置二、矢量几何工具
一、姿态设置
一、姿态设置
1、标准（Standard）模式2、实时（Real Time）模式3、多段（Multi Segment）模式
一、姿态设置
1、标准（Standard）模式
1）基本（Basic）类型
2）目标指向（Target Pointing）类型3）预置姿态文件（Precomputed）类型
321
一、姿态设置
）基本（Basic）类型——STK预定义姿态类型
1）Nadir alignment with ECI velocity constraint
Z轴指向天底，X轴由惯性速度方向约束（在天底方向与惯性速度方向确定的平面内）。
1一、姿态设置
2）Nadir alignment with ECF velocity constraint
Z轴指向天底，X轴由固连速度方向约束（在天底方向与固连速度方向确定的平面内）。
一、姿态设置
3）Nadir alignment with orbit normal constraint
Z轴指向天底，X轴由轨道面法向约束（在天底方向与轨道面法向确定的平面内）。
一、姿态设置
4）Nadir alignment with Sun constraint
Z轴指向天底，X轴由太阳方向约束（在天底方向与太阳方向确定的平面内）。
一、姿态设置
5）ECF velocity alignment with radial constraint
X轴指向固连速度方向，Z轴由天顶方向约束（在固连方向与天顶方向确定的平面内）。
一、姿态设置
6）ECF velocity alignment with nadir constraint
X轴指向固连速度方向，Z轴由天底方向约束（在固连方向与天底方向确定的平面内）。
一、姿态设置
7）ECI velocity alignment with nadir constraint
X轴指向惯性速度方向，Z轴由天底方向约束（在惯性速度方向与天底方向确定的平面内）。
一、姿态设置
8）ECI velocity alignment with Sun constraint
X轴指向惯性速度方向，Z轴由太阳方向约束（在惯性速度方向与太阳方向确定的平面内）。
一、姿态设置
9）Sun alignment with nadir constraint
X轴指向太阳方向，Z轴由天底方向约束（在太阳方向与天底方向确定的平面内）。
一、姿态设置
10）Sun alignment with ecliptic normal constraint
X轴指向太阳方向，Z轴由黄道面法向约束（在太阳方向与黄道面法向确定的平面内）。
一、姿态设置
11）Sun alignment with ECI Z axis constraintSun
X轴指向太阳方向，Z轴由地心惯性系Z轴方向约束（在太阳方向与地心惯性系Z轴方向确定的平面内）。
一、姿态设置
12）Sun alignment with Z in orbit planeX轴指向太阳方向，Z轴在轨道面内。
一、姿态设置
13）Inertially fixed惯性姿态保持。
一、姿态设置
14）Spinning自旋。
一、姿态设置
15）Spin about nadir自旋轴指向天底。
一、姿态设置
16）Spin about Sun vector自旋轴指向太阳方向。
一、姿态设置
17）Precessing spin进动自旋。
一、姿态设置
18）Fixed in Axes与给定坐标系固连。
一、姿态设置
19）Aligned and Constrained自定义指向方向与约束方向。
一、姿态设置
1、标准（Standard）模式
1）基本（Basic）类型
2）目标指向（Target Pointing）类型3）预置姿态文件（Precomputed）类型
321
一、姿态设置
2）目标指向（Target Pointing）类型
1）指定指向的目标体
一、姿态设置
2）目标指向（Target Pointing）类型
2）设置指向轴、设置约束轴和约束方向
一、姿态设置
2）目标指向（Target Pointing）类型
3）设置基本姿态和指向姿态的切换时间
一、姿态设置
2）目标指向（Target Pointing）类型
4）设置指向姿态的时间段
一、姿态设置
2）目标指向（Target Pointing）类型
一、姿态设置
1、标准（Standard）模式
1）基本（Basic）类型
2）目标指向（Target Pointing）类型3）预置姿态文件（Precomputed）类型
321
一、姿态设置
3）预置姿态文件（Precomputed）类型
可实现各类特殊姿态的设置，很重要。
一、姿态设置
3）预置姿态文件（Precomputed）类型
stk.v.8.0
BEGIN Attitude
NumberOfAttitudePoints 100
ScenarioEpoch 1 Jul 2007 12:00:00.000000000BlockingFactor 20InterpolationOrder 1CentralBody Earth
CoordinateSystem Custom HaiNan_axis Facility/HaiNan_PointSequence 321AttitudeTimeEulerAngles
0.0000 0.000 0.000 0.0005.0000 -5.000 0.000 0.000…..
500.0000 -90.000 0.000 0.000END Attitude
数据类型
数据
关键字
一、姿态设置
关键字
stk.v.10.0BEGINAttitude
版本号开始标志
必须必须
ENDAttitudeScenarioEpochCentralBodyCoordinateAxes
结束标志
指定姿态数据历元指定中心天体指定坐标系
必须
可选，缺省值是场景历元可选，缺省值是地球可选，缺省值是ICRF坐标系
CoordinateAxesEpochInterpolationMethodInterpolationOrderNumberOfAttitudePointsAttitudeDeviations RapidBlockingFactor
指定坐标系历元插值方法
插值阶数
读取的最大姿态数据时间点数
适应高动态数据
指定加载新数据时预留的内存
指定时间格式指定坐标旋转顺序
在基本姿态上叠加姿态变化
坐标系需要指定历元时必选可选，缺省拉格朗日插值可选，缺省值是1必须可选可选
TimeFormatSequenceFileDisposition
可选
需要指定时必须可选，唯一值AddTo
一、姿态设置
数据类型
1）AttitudeTimeEulerAngles（欧拉角）
参考坐标系绕旋转过程中的“当前轴”转动至体坐标系。2）AttitudeTimeYPRAngles （YPR角）
参考坐标系绕原参考坐标系轴转动至体坐标系。
3）AttitudeTimeECIVector（地心惯性系单位矢量）
体坐标系X轴指向单位矢量方向，Z轴由天底方向约束。4）AttitudeTimeECFVector（地心固连系单位矢量）
体坐标系X轴指向单位矢量方向，Z轴由天底方向约束。5）AttitudeTimeQuaternions （四元数—第四位是标量分量）6）AttitudeTimeQuatScalarFirst （四元数—第一位是标量分量）7）AttitudeTimeQuatAngVels （四元数和角速度）8）AttitudeTimeDCM（方向余弦阵）
一、姿态设置
数据区
1）AttitudeTimeEulerAngles（欧拉角）
采用这种数据类型时，之前须指定关键字Sequence的取值。
Sequence有12种取值：121, 123, 131, 132, 212, 213, 231, 232, 312, 313, 321，323，其中1、2、3分别与X、Y、Z轴对应，缺省为313 。例如，213对应旋转次序为依次绕Y、X、Z旋转，旋转角度值分别为数据区中的2、3、4列。
Sequence 213AttitudeTimeEulerAngles
TY（2）X（1）Z（3）0.0000 0.000 0.000 0.0005.0000 30.000 0.000 0.00010.0000 60.000 0.000 0.00015.0000 90.000 0.000 0.00020.0000 120.000 0.000 0.00025.0000 150.000 0.000 0.000
一、姿态设置
数据区
2）AttitudeTimeYPRAngles （YPR角）
采用这种数据类型时，之前同样须指定关键字Sequence的取值。
Sequence同样有6种取值：RPY，RYP，PYR，PRY，YRP，YPR，其中R（Roll）、Y（Yaw）、P（Pitch）分别与X、Y、Z轴对应，缺省为YPR。与欧拉角不同在于，数据区中的数据列顺序固定为绕Z、Y、X轴旋转的角度。
Sequence PRYAttitudeTimeEulerAngles
TZ（Y）Y（P）X（R）0.0000 0.000 0.000 0.0005.0000 30.000 0.000 0.00010.0000 60.000 0.000 0.00015.0000 90.000 0.000 0.00020.0000 120.000 0.000 0.00025.0000 150.000 0.000 0.000
一、姿态设置
例子：采用读入姿态文件的方式，建立飞船返回调姿过程
1）生成飞船返回调姿过程姿态数据（Attitude_AddTo.a）
2）选择飞船姿态为标准模式中，读入外部预定义姿态文件的方式，并选择生成的姿态文件。
一、姿态设置
2、实时（Real Time）模式
用于外部连接数据驱动
3、多段（Multi Segment）模式
按照时间分段，每一段依然是标准模式中的姿态设置
二、矢量几何工具
二、矢量几何工具
为什么要用矢量几何工具（Vector Geometry Tool ）？
通过添加和设置矢量、平面、夹角、坐标系等几何量，可以获得更丰富的几何关系分析，或对实际任务中更复杂的几何关系进行描述。
二、矢量几何工具
进入方式
二、矢量几何工具
进入方式
二、矢量几何工具
进入方式
二、矢量几何工具
可复制、修改、删除可复制、不可修改和删除不可复制、修改、删除
创建矢量创建坐标轴创建夹角创建坐标系创建点创建平面
二、矢量几何工具
创建矢量
1）Angle Rate（角度变化率）
矢量垂直于定义角度的平面。须选定一个定义好的角度。2）Apoapsis （远地点）
矢量由天体中心指向远地点。须指定中心天体、参考点和轨道根数类型，其中轨道根数类型包括瞬时根数、Brouwer-Lyddane 平根和Kozai平根。3）Fixed at Epoch （参考矢量在给定历元时刻的指向）
矢量为给定历元时刻的参考矢量方向。须指定历元时刻和参考矢量。4）Coning（圆锥旋转）
指定参考矢量和旋转轴矢量，以及历元时间、起止角度、旋转速率和旋转模式，参考矢量绕
旋转轴矢量旋转。
二、矢量几何工具
5）Cross Product （矢量叉乘）
两个参考矢量叉乘得到的矢量。须指定两个参考矢量。6）Custom Script （自定义）
通过Matlab、VB等外部函数自定义相对于给定参考坐标系的几何量。7）Derivative （导数）
指定的参考坐标系中的参考矢量导数。须指定参考坐标系和参考矢量。
8）Displacement （连线方式）
指定矢量起点和终点。9）Eccentricity （偏心率矢量）
矢量指向偏心率矢量方向（近地点方向）。须指定中心天体、参考点和轨道根数类型。
二、矢量几何工具
10）Fixed in Axes （固连于坐标系）
固连于指定的参考坐标系，须指定参考坐标系和矢量在参考坐标系中的单位矢量坐标。
11）Force Model（受力方向）
矢量指向指定的受力方向，如中心引力方向、大气阻力方向等。
12）Intersection （平面交线）
矢量指向两平面的交线方向。
13）Line of Nodes （交点线）
中心天体惯性坐标系Z轴与航天器瞬时轨道面法向的叉乘。须指定中心天体、参考点和轨道根数类型。
14）Model Attachment （模型关联）
矢量指向与三维模型关联。
二、矢量几何工具
15）Orbit Ang Mom（轨道角动量）
矢量为轨道角动量矢量。须指定中心天体、航天器和轨道根数类型。
16）Orbit Normal （轨道面法向）
矢量为轨道面法向单位矢量。须指定参考坐标系和矢量在参考坐标系中的单位矢量坐标。
17）Periapsis （近地点方向）
矢量指向近地点方向。须指定中心天体、参考点和轨道根数类型。
18）Projection （投影）
参考矢量在参考平面上的投影。须指定参考矢量和参考平面。
19）Reflection （反射）
指定的入射矢量在指定的反射平面上的反射矢量。须指定入射矢量和反射平面，其
中反射平面通过平面的法矢量确定。
二、矢量几何工具
20）Scaled （缩放）
缩放给定的参考矢量。
21）To Star （指向星体）
矢量指向已建立的某个星体。须指定事先建立好的星体。
二、矢量几何工具
创建坐标轴
1）Angular Offset （角度偏置）
由参考坐标系绕指定旋转轴旋转指定的角度值。须指定参考坐标系、旋转轴和旋转角度。
2）Fixed at Epoch（历元时刻固化）
指定历元时刻、原坐标系和参考坐标系，建立的坐标系将保持历元时刻原坐标系和参考坐标
系的相对关系不变。
3）B-Plane （B平面）
矢量指向已建立的某个星体。须指定事先建立好的星体。
4）Custom Script （自定义）
通过Matlab、VB等外部函数自定义相对于给定参考坐标系的坐标系。
5）From File （外部文件）
通过.a姿态文件确定坐标系。
二、矢量几何工具
6）Fixed in Axes （相对参考坐标系固定）
由参考坐标系绕坐标轴旋转指定的角度值。须指定参考坐标系、旋转方式、旋转次序和旋转角度。旋转方式包括：欧拉角、YPR角和四元数方式。
Euler （绕动轴转）
步骤一：确定旋转方案（次序、角度）步骤二：“翻译”（x~1；y~2；z~3）步骤三：对号入座
（输入旋转次序；按上下顺序依次输入各次旋转角度值）
二、矢量几何工具
6）Fixed in Axes （相对参考坐标系固定）
由参考坐标系绕坐标轴旋转指定的角度值。须指定参考坐标系、旋转方式、旋转次序和旋转角度。旋转方式包括：欧拉角、YPR角和四元数方式。
YPR （绕定轴转）
步骤一：确定旋转方案（次序、角度）步骤二：“翻译”（x~R；y~P；z~Y）步骤三：对号入座
（输入旋转次序；按名称输入各次旋转角度值）
二、矢量几何工具
7）Aligned and Constrained （指定指向轴和约束轴）
由体坐标系按照指定的指向轴和约束轴确定的坐标系。须指定指向轴、约束轴和对应的体坐标系轴。
8）Model Attachment（模型关联）
坐标系与模型关联。
9）Spinning（自旋）
由参考坐标系绕给定轴自旋得到。须指定历元、参考坐标系、自旋轴、自选速度。
10）Trajectory （轨道坐标系）
指定中心天体和航天器，基于轨道定义的坐标系，包括RIC、VNC、VVLH、LVLH等。地球轨道坐标系基本都已含在预定义坐标系中。
二、矢量几何工具
创建夹角
1）Between Vectors （矢量间夹角）
须指定两个矢量。
2）Between Planes （平面间夹角）
须指定两个平面。
3）Dihedral Angle （二面角的平面角）
由两个参考矢量和旋转轴构成的二面角的平面角。须指定起始矢量、终止矢量和旋转轴矢量。
4）Rotation （旋转）
两个参考坐标系间最小旋转角度。须指定两个参考坐标系。
5）To Plane （相对平面）
矢量相对平面的夹角。须指定参考矢量和参考平面。
二、矢量几何工具
创建坐标系
1）Assembled （组合）
指定原点与指定坐标轴的组合。
2）Surface（地面点坐标系）
由指定位置地面点的北天东坐标系按照给定旋转角度得到。须指定地面点坐标及旋转角度。
二、矢量几何工具
创建平面1）Normal（法向）
垂直与指定参考矢量。需要指定平面法矢量和参考矢量方向。参考矢量用于描述矩形平面的指向。
2）Quadrant （坐标系象限）
参考坐标系的指定坐标轴构成的平面。须指定参考坐标系和确定平面的两个坐标轴。
3）Trajectory （轨迹面）
参考点在参考坐标系中轨迹面。须指定参考点和参考坐标系。
4）Triad （三点确定平面）
由三个点确定平面。
二、矢量几何工具
例子：创建给定发射方位角（60度）的发射坐标系，用于建立火箭上升段弹道。
1）建立发射点
2）确定体坐标系到发射坐标系的坐标转换
选择欧拉角转化方式，由体坐标先绕X轴旋转-90度，再绕新Y轴旋转-60度。
二、矢量几何工具
3）按照STK可理解的语言建立发射坐标系的坐标轴
选择欧拉角转化方式，参考坐标轴为体坐标轴，旋转次序为121（或123），旋转角度按上下顺序分别为-90、-60、0。
二、矢量几何工具
4）通过组合发射点和建立的发射坐标轴得到发射坐标系
二、矢量几何工具
5）读入火箭弹道文件
注意关键字：CoordinateSystemCustom 坐标系名Facility/测站名称
二、矢量几何工具
6）读入火箭姿态文件
注意关键字：CoordinateAxesCustom 坐标轴名Facility/测站名称
二、矢量几何工具
请批评指正
