STK在測控系統與測控網課程教學中的應用

◆王天祥 李曉波 張寶玲

作者：王天祥，裝備學院講師，研究方向為航天測控技術；李曉波、張寶玲，裝備學院副教授，研究方向為航天測控技術（101416）。

1 前言

測控系統與測控網課程是航天測控專業的專業基礎課，主要是面向測控工程專業學員從整體上介紹什么是測控系統、測控系統組成、功能、坐標、時統、軌道，以及國內外測控系統情況等。隨著教學的發展，探索合適的教學手段來增強課堂教學的效果，特別是對諸如坐標系、測控設備覆蓋范圍、測控設備對航天器跟蹤展示、測控設備天線運轉狀態、測控網絡布局、測控網對目標的覆蓋、天地鏈路通信性能、航天器軌道、航天器姿態、星下點軌跡等內容的講授，不僅要求授課教師能用語言結合黑板畫圖的方式生動形象地表達出來，同時也要求學生有較強的空間想象能力，且這種方式不能直觀地展示測控設備和航天器的運動情況。因此，學生對所學課程會有抽象、枯燥、不易接受的感覺。

為了激發學生的學習興趣，以更生動、形象地展示教學內容，便于學生理解，筆者將美國分析圖形有限公司（Analytical Graphics Inc，AGI）開發的衛星仿真工具包（Satellite Tool Kit，STK）引入課堂教學中，用二、三維可視化的方式將課堂教學中抽象、枯燥的內容展示出來，從而使得一些用語言難以表述清楚的知識輕松地為學員接受和理解，在課堂教學中起到事半功倍的效果，取得良好的教學效果。

圖1 坐標系顯示設置及可視化效果

2 STK簡介

STK是AGI公司推出的一款用于航天產業設計和分析的專業衛星分析工具軟件，它支持航天任務周期的全過程，包括概念、需求、設計、制造、測試、發射、運行和應用等。起初多用于衛星軌道分析，最初的應用集中在航天、情報、雷達、電子對抗、導彈防御等方面。但隨著軟件的不斷升級，其應用也得到進一步的深入，現已逐漸擴展成為分析和執行陸、海、空、天、電（磁）任務的專業仿真平臺[1-2]。

利用該軟件可以快速方便地分析復雜的陸地、海洋、航空及航天任務。它提供了逼真的二、三維可視化動態場景以及精確的圖表、報告等多種分析結果，輔助確定最佳解決方案。在航天飛行實驗任務的系統分析、測試發射以及在軌運行等各個環節中得到廣泛應用，對衛星的各種性能仿真提供了極大的便利[2]。

STK還為用戶提供了強大的二次開發接口服務，主要有兩種：一是STK/Connect模塊方式[3]，該模塊能夠使用戶在客戶/服務器環境下與STK連接，利用TCP/IP或UNTX Domain Sockets實現與STK之間的數據傳輸；二是STKX組件方式[4]，從6.0版本開始，STK以ActiveX控件形式為二次開發用戶提供了一套COM組件，它允許開發人員將STK仿真環境和數據分析引擎無縫地集成到開發的應用程序中。

3 STK在測控系統概論教學中的應用

下面以幾個典型例子介紹STK在測控系統概論課程教學中的應用。

坐標系模擬 測控系統最基本任務是確定飛行器在空間的位置，位置的描述是通過坐標系來實現，而實際應用中又有測量坐標系、發射坐標系、大地坐標系、天球坐標系、飛行器本體坐標系等。因此，在測控任務中會根據對象的不同而采用不同的坐標系統。一般來說，這些概念比較抽象、枯燥，在講解時學員對這些概念很難有直觀印象，理解起來也比較困難。

而STK提供了常用的坐標類型（如地理坐標、球坐標、直角坐標等）和坐標系（如Fixed、J2000、B1950、TEME of Epoch、TEME of Data等），還提供了建立自定義坐標系的功能，方便用戶實現個性需求。在利用STK進行坐標系可視化顯示時，先設置顯示東、西、南、北和太陽方向矢量，然后只需要在對象的3D Graphics的vector中選擇要顯示的坐標系，即可在三維界面中看到坐標系顯示效果及坐標軸的指向與東、西、南、北和太陽方向矢量的關系，如圖1所示。此外，可以根據需要對坐標系繪制位置，是否顯示坐標軸名稱、顏色、箭頭形狀等進行控制。

航天器軌道、姿態演化過程摸擬 課程教學中對航天器在軌運動演化模擬主要包括位置和姿態的模擬。STK包含復雜的數學算法，可以快速而準確地確定衛星在任意時刻的位置。STK為航天器軌道演化模擬提供了多達11種類型的軌道預報器，分別是TwoBody、J2Perturbation、J4Perturbation、HPOP、SGP4、LOP、StkExternal、PODS、SPICE、Astrogator、RealTime[5]。前九種主要用于非實時數據的軌道設置；Astrogator主要用于航天器機動模擬；RealTime主要用于外部實時數據驅動衛星運動，常用于開發衛星在軌運行仿真系統。這些軌道預報器能夠模擬考慮不同攝動影響下航天器在軌運行演化情況，使用人員只需要進行簡單的設置即可實現。圖2所示為初始位置相同的兩顆航天器分別采用TwoBody、J4Perturbation預報器運行一段時間后位置差異效果。

此外，STK提供了常見軌道類型航天器軌道生成向導，指引用戶建立常見的軌道類型如地球同步軌道、太陽同步軌道等。另外，STK也提供了Standard、Real Time、Multi Segment三種姿態定義選項，其中Standard又提供了24種選項，為計算姿態運動對其他參數的影響提供多種分析手段。通過簡單的設置，STK即可產生航天器在軌運行信息（包括位置、速度、姿態、鏈路信息等），完全能夠滿足教學要求。

圖2 相同初始位置航天器不同軌道預報器運行效果

航天測控站模擬 航天測控站模擬主要是模擬測控站（船）類別的運動特征以及測控設備（雷達、USB、光學設備）的跟蹤能力和性能。

1）航天測控站模擬。航天測控站主要有陸地固定站、車載活動站、測量船、天基站（即中繼衛星），主要是模擬其運動特征。在STK中，可以通過在場景中加載地形、地貌、道路信息、地物模型文件，添加Facility、GroundVehicle、Ship、Satellite對象，并設置其屬性（如位置參數、模型參數等），分別實現對固定站、車載活動站、測量船、天基站的模擬，在教學過程中為學員提供逼真的三維模擬環境。

2）測控設備模擬。測控站的主要設備有雷達、USB、遙測設備和光學設備。在課程教學中，需要給學員演示測控站所屬設備分布情況、設備跟蹤測量能力范圍、天線指向、波束范圍、天線轉動、發送/接收信號狀態等。

在STK中，對設備跟蹤測量范圍、設備分布、天線轉動、波束范圍等的可視化可以通過添加Sensor對象并對其屬性進行設置實現，設備跟蹤測量范圍可視化模擬效果見圖 3。

對于不同的測控設備，如雷達、USB、遙測設備、光學設備和星載測控設備，可以通過設置STK中Receiver、Transmitter、Radar對象的屬性，如傳輸功率、頻率、天線類型、數據速率調制類型或制式和編碼技術等實現模擬。

圖3 利用Sensor實現對設備跟蹤測量范圍二、三維可視化模擬效果

利用其RF環境影響模型提供的完整的環境模型（包括雨衰模型：Crane 1982，Crane 1985，CCIR 1983，ITU-R P.618模型；大氣氣體的吸收影響；太陽和地球無線頻率的干擾），可以實現環境對設備工作的影響。

天地測控鏈路模擬 測控系統通過天地無線電測控信道的測控鏈路實現遙測、遙控和跟蹤功能，其輸出鏈路中接收機接收功率、接收天線增益、接收載噪功率譜密度等是主要關心的內容。而接收機接收功率等又受測控信號在空間傳播路徑、大氣吸收、大氣折射及雨衰等影響。這些在實際中又是看不見摸不著的，很難模擬出來。STK的Communications及其組件Comm System具有對通信鏈路性能及其抗干擾性能的仿真功能[6]，并能提供相應的分析結果，在使用時只需要設置相應的屬性信息，就能很方便地實現測控鏈路的模擬。如圖4是某地面站發射信號、低軌衛星接收信號的上行測控鏈路性能模擬仿真效果。

圖4 實時鏈路性能動態顯示效果

通過以上分析可以看出，利用STK能夠很方便地以二、三維可視化以及圖表方式向學員形象、直觀、生動地展示測控系統與測控網課程課堂教學中抽象、枯燥的內容，使學員更容易理解課堂內容。

4 結語

將STK軟件應用于測控系統與測控網課程的課堂教學，增加了教學內容的可視性，使抽象的內容形象化、直觀化，學習不再抽象、枯燥，激發了學生的學習興趣。同時，STK的引入，使學生在學習專業課程內容的同時，掌握了一個有效的專業工具軟件，得到學生的認可?！?/p>

[1]紀兵,邊少鋒.STK軟件在衛星導航原理課程教學中的應用[J].科技創新導報,2008(4):245.

[2]楊穎,王琦.STK在計算機仿真中的應用[M].北京:國防工業出版社,2005.

[3]黃潔,黨同心,趙擁軍.VC和STK集成的途徑及其在仿真中的應用[J].計算機仿真,2007(1):291-294.

[4]陳波,張剛,王娜,等.基于STKX組件的視景仿真關鍵技術[J].計算機工程,2011(19):261-263.

[5]陳希軍,李仁.基于STK的衛星飛行軌跡仿真技術[J].哈爾濱商業大學學報:自然科學版,2008(3):339-343.

[6]高秀娥,魏秀參.STKX組件技術在星地鏈路中的仿真模式研究[J].信息技術,2012(2):13-16.