于燕婷

(海軍工程大學(xué)　武漢　430033)

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STK軟件及其在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用*

于燕婷

(海軍工程大學(xué)武漢430033)

摘要介紹了STK軟件的主要功能，并對(duì)國(guó)內(nèi)外主要的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS、GLONASS、GALILEO、IRNSS、QZSS以及北斗二號(hào)二期系統(tǒng)星座進(jìn)行仿真，制作了空間運(yùn)行場(chǎng)景和地面軌跡動(dòng)態(tài)視頻，直觀反映出各個(gè)系統(tǒng)的空間組成及其差異。

關(guān)鍵詞STK軟件; 衛(wèi)星導(dǎo)航; 星座仿真

Class NumberTP391

1引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的衛(wèi)星導(dǎo)航定位需求也在不斷增長(zhǎng)。為了滿足這種需求關(guān)系，繼三大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后，我國(guó)自主研發(fā)的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也正在加緊組網(wǎng)建設(shè)中。目前，我國(guó)已經(jīng)擁有由14顆衛(wèi)星組成的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可為我國(guó)本土和周邊地區(qū)提供高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)[1～3]。

STK全稱為Satellite Tool Kit(衛(wèi)星工具包)，是廣泛應(yīng)用于航天、航空領(lǐng)域并可以快速方便地分析各種復(fù)雜任務(wù)的一種計(jì)算機(jī)仿真軟件。利用STK對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位性能進(jìn)行仿真分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，取得了一批顯著的成果[4～6]，但對(duì)于如何利用該軟件進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特別是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)做仿真研究甚少。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，特別是2012年12月北斗二號(hào)一期的開(kāi)通運(yùn)行，利用STK對(duì)國(guó)內(nèi)外主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行星座仿真，對(duì)于掌握各系統(tǒng)的空間組成及差異、開(kāi)展教學(xué)科研工作具有重要參考意義。

2STK簡(jiǎn)介

美國(guó)Analytical Graphics公司(以下簡(jiǎn)稱AGI公司)開(kāi)發(fā)的Satellite Tool Kit衛(wèi)星工具包軟件，簡(jiǎn)稱STK，是一款在航天工業(yè)領(lǐng)域中處于絕對(duì)領(lǐng)先地位的商品化分析軟件。其基本模塊的核心能力是產(chǎn)生位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)、獲取時(shí)間、傳感器覆蓋分析。STK專業(yè)版擴(kuò)展了STK的基本分析能力，包括附加的姿態(tài)定義、軌道預(yù)報(bào)算法、坐標(biāo)類型和坐標(biāo)系統(tǒng)、傳感器類型、高級(jí)的約束條件定義，以及衛(wèi)星、城市、地面站和恒星數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于特定的分析任務(wù)，STK提供附加分析模塊，可以解決通信分析、雷達(dá)分析、覆蓋分析、軌道機(jī)動(dòng)、精確定軌、實(shí)時(shí)操作等問(wèn)題。另外，STK還有三維可視化模塊，為STK和其它附加模塊提供領(lǐng)先的三維顯示環(huán)境[7～8]。

STK軟件起初多用于衛(wèi)星軌道分析，最初的應(yīng)用集中在航天、情報(bào)、雷達(dá)、電子對(duì)抗、導(dǎo)彈防御等方面。但隨著軟件的不斷升級(jí)，其應(yīng)用也得到了進(jìn)一步深入，STK現(xiàn)已逐漸擴(kuò)展成為分析和執(zhí)行陸、海、空、天、電(磁)任務(wù)的專業(yè)仿真平臺(tái)。

3衛(wèi)星仿真場(chǎng)景的建立及動(dòng)畫(huà)制作

STK軟件強(qiáng)大的仿真能力，使得它在衛(wèi)星導(dǎo)航通信領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，如建立場(chǎng)景、星座仿真、鏈路分析、覆蓋分析等。利用STK 8.0軟件，模擬北斗雙星系統(tǒng)對(duì)地面站北京“訪問(wèn)”的基本場(chǎng)景，步驟如下：

1)打開(kāi)STK 8.0，設(shè)置示例場(chǎng)景Basic類Time period和Animation屬性頁(yè)中的參數(shù)。

2)添加兩個(gè)同步衛(wèi)星對(duì)象，將其命名為“Beidou1”和“Beidou2”，分別位于地球東經(jīng)80°、東經(jīng)140°上空。

3)添加地面站(城市)對(duì)象“北京”，設(shè)置Basic屬性下Position。

4) 添加一個(gè)星座對(duì)象“Constellation1”, 打開(kāi)其屬性對(duì)話框，并選擇過(guò)濾框?qū)vailable Objects(可用對(duì)象)中的兩個(gè)星座對(duì)象移至Assigned Objects(指定對(duì)象)中。

5)加入鏈路對(duì)象“Chain1”，打開(kāi)其基礎(chǔ)定義屬性頁(yè)，選擇過(guò)濾框?qū)ⅰ癈onstellation1”和北京站加入到Assigned Objects。

6)添加覆蓋定義對(duì)象“Coverage Definition”，在其Basic屬性下定義柵格Grid Definition

7)添加覆蓋品質(zhì)參數(shù)對(duì)象，在對(duì)象瀏覽器中選擇覆蓋定義對(duì)象“CovDef”，然后向場(chǎng)景中添加新的覆蓋品質(zhì)參數(shù)對(duì)象，改名為FOM。

圖1　全部場(chǎng)景對(duì)象

同時(shí)，打開(kāi)二維、三維圖形的屬性窗口，點(diǎn)擊“Soft VTR”界面，對(duì)錄制文件保存路徑、名稱、格式等進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊Start按鈕開(kāi)始動(dòng)畫(huà)錄制，點(diǎn)擊Reset按鈕結(jié)束錄制。利用STK的動(dòng)畫(huà)錄制功能，可以實(shí)現(xiàn)三維、二維畫(huà)面在指定歷元內(nèi)進(jìn)行動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景錄制，直觀觀察到衛(wèi)星的空間運(yùn)行狀態(tài)。

4國(guó)內(nèi)外主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座仿真

目前的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS(Global Navigation Satellite System，GNSS)主要包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO系統(tǒng)，區(qū)域系統(tǒng)有北斗二號(hào)一期系統(tǒng)、印度的IRNSS、日本的QZSS系統(tǒng)[9～11]，這些衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以其定位精度高、速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)代重要的導(dǎo)航方式之一。

4.1GPS星座仿真

GPS由空間星座、地面控制部分和用戶設(shè)備三部分組成，由24顆衛(wèi)星構(gòu)成，分布在6個(gè)地心軌道平面內(nèi)，沿赤道以60°間隔均勻分布，相對(duì)于赤道面的傾斜角額定55°，軌道半徑大約為26600km。

根據(jù)上述場(chǎng)景建立的方法，打開(kāi)STK軟件，在空白場(chǎng)景中添加一顆衛(wèi)星“Satellite1”并命名為“GPS”，進(jìn)行軌道參數(shù)設(shè)置，建立GPS星座，如圖2所示。

圖2　GPS星座仿真

4.2GLONASS星座仿真

完整的GLONASS空間星座由分布在三個(gè)軌道面上的24顆衛(wèi)星組成， 21顆為工作衛(wèi)星，3顆為在軌備份衛(wèi)星。三個(gè)軌道面的升交點(diǎn)赤經(jīng)相差120°，軌道傾角為64.8°，軌道高度約19100km，衛(wèi)星在軌運(yùn)行周期約11小時(shí)15分鐘。每個(gè)軌道平面內(nèi)8顆衛(wèi)星均勻分布，衛(wèi)星之間的緯度差為45°，兩個(gè)軌道平面之間的衛(wèi)星的緯度相差15°。24顆衛(wèi)星構(gòu)成的星座可以保證地球上99%的范圍內(nèi)能夠同時(shí)觀測(cè)到5顆衛(wèi)星。GLONASS星座仿真如圖3所示。

圖3　GLONASS星座仿真

4.3GALILEO星座仿真

GALILEO由分布在3個(gè)軌道上的30顆中等高度軌道衛(wèi)星(MEO)構(gòu)成，每條軌道衛(wèi)星個(gè)數(shù)10(9顆工作，1顆備用)，衛(wèi)星分布軌道面數(shù)3，軌道傾斜角56°，軌道高度24000km，運(yùn)行周期14小時(shí)4分鐘，衛(wèi)星壽命20年，衛(wèi)星重量625kg，電量供應(yīng)1.5kw。GALILEO 星座仿真如圖4所示。

圖4　GALILEO星座仿真

4.4北斗二號(hào)一期星座仿真

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由三類衛(wèi)星星座組成，分別是5顆地球靜止同步軌道衛(wèi)星(GEO)、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO)和4顆中軌道衛(wèi)星(MEO)。

4.4.1IGSO星座仿真

IGSO衛(wèi)星的軌道高度為35786km，軌道傾角為55°，分布在三個(gè)軌道面內(nèi)，升交點(diǎn)赤經(jīng)相差120°，其中三顆衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡重合，交叉點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)118°，其余兩顆衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡重合，交叉點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)95°。對(duì)IGSO星座仿真步驟如下：

1)建立三顆衛(wèi)星分布在三個(gè)軌道平面，升交點(diǎn)赤經(jīng)相差120°，參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5　軌道參數(shù)設(shè)置

2)添加兩顆衛(wèi)星，星下點(diǎn)軌跡重合，交叉點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)95°。要保持衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)在同一軌道面，其升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω保持不變，改變近地點(diǎn)角距w，將星下點(diǎn)軌跡移動(dòng)到指定位置。

3)在對(duì)象瀏覽器中復(fù)制第一顆衛(wèi)星I1，粘貼得到一顆與I1在同一位置的衛(wèi)星，修改近地點(diǎn)角距直到星下點(diǎn)軌跡交叉點(diǎn)位于東經(jīng)95°為止，如圖6、7所示。同理，建立第五顆IGSO衛(wèi)星。

圖6　I1軌道參數(shù)設(shè)置

圖7　I4軌道參數(shù)設(shè)置

4.4.2GEO星座仿真

GEO衛(wèi)星的軌道高度為35786km，分別定點(diǎn)于東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和160°，設(shè)置相對(duì)比較簡(jiǎn)單，下面以第一顆GEO衛(wèi)星為例對(duì)這類衛(wèi)星的建立做說(shuō)明，如圖8所示。

圖8　G1軌道參數(shù)

同理，修改節(jié)點(diǎn)經(jīng)度(Lon.Ascn.Node)即可得到余下四顆衛(wèi)星的星座仿真情況，北斗二號(hào)一期中5顆GEO星座建立完畢。

4.4.3MEO星座仿真

4顆MEO衛(wèi)星軌道高度為21500km，軌道傾角為55°，回歸周期為7天13圈，相位從Walker24/3/1星座中選擇，第一軌道面升交點(diǎn)赤經(jīng)為0°。

MEO基準(zhǔn)衛(wèi)星軌道參數(shù)如圖9所示，利用Walker星座理論生成，從Walker24/3/8星座中選擇第一軌道面3、4相位、第二軌道面7、8相位，其余的全部刪除，得到所需的4顆MEO衛(wèi)星。

圖9　MEO基準(zhǔn)衛(wèi)星軌道參數(shù)

至此，北斗二號(hào)一期的三類衛(wèi)星全部建立完畢了，綜合場(chǎng)景如圖10所示。

圖10　北斗二號(hào)一期星座仿真

5結(jié)語(yǔ)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前仍處于建設(shè)階段，本文利用STK提供了強(qiáng)大的衛(wèi)星仿真平臺(tái)對(duì)國(guó)內(nèi)外主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座進(jìn)行了仿真，并生成一系列二維、三維星座運(yùn)行圖形，使學(xué)員直觀、形象地理解國(guó)外全球主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間星座構(gòu)成和運(yùn)行狀況;同時(shí)，運(yùn)用STK仿真分析可以生成的一些報(bào)告、圖表，研究人員可以掌握不同區(qū)域、不同參數(shù)、不同方案下北斗系統(tǒng)的定位性能，對(duì)于高校教學(xué)和研究具有指導(dǎo)和參考意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期：2016年1月13日,修回日期：2016年2月14日

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：41274013；41471387)資助。

作者簡(jiǎn)介：于燕婷，女，碩士研究生，講師，研究方向：信號(hào)采集及處理。

中圖分類號(hào)TP391

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.016

STK Software and Its Application in Satellite Navigation Systems

YU Yanting

(Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractThe function of the STK software is introduced ,and the constellations of the major foreign and domestic satellite navigation systems such as GPS, GLONASS, GALILEO, IRNSS, QZSS, and domestic BeiDou-2 are simulated, and the dynamic videos of the orbital space scene and ground trace are obtained. So the space composition of the systems and the differences between them are visually reflected.

Key WordsSTK software, satellite navigation, constellation simulation