STK軟件及其在衛星導航系統中的應用*

于燕婷

(海軍工程大學　武漢　430033)

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STK軟件及其在衛星導航系統中的應用*

于燕婷

(海軍工程大學武漢430033)

摘要介紹了STK軟件的主要功能，并對國內外主要的衛星導航系統GPS、GLONASS、GALILEO、IRNSS、QZSS以及北斗二號二期系統星座進行仿真，制作了空間運行場景和地面軌跡動態視頻，直觀反映出各個系統的空間組成及其差異。

關鍵詞STK軟件; 衛星導航; 星座仿真

Class NumberTP391

1引言

隨著衛星導航技術的不斷發展，人們的衛星導航定位需求也在不斷增長。為了滿足這種需求關系，繼三大全球衛星導航系統之后，我國自主研發的北斗全球衛星導航系統也正在加緊組網建設中。目前，我國已經擁有由14顆衛星組成的區域衛星導航系統，可為我國本土和周邊地區提供高精度的導航定位服務[1～3]。

STK全稱為Satellite Tool Kit(衛星工具包)，是廣泛應用于航天、航空領域并可以快速方便地分析各種復雜任務的一種計算機仿真軟件。利用STK對衛星導航系統定位性能進行仿真分析，國內外學者進行了大量的研究，取得了一批顯著的成果[4～6]，但對于如何利用該軟件進行衛星導航系統特別是北斗衛星導航系統做仿真研究甚少。隨著北斗衛星導航系統的快速發展，特別是2012年12月北斗二號一期的開通運行，利用STK對國內外主要衛星導航系統進行星座仿真，對于掌握各系統的空間組成及差異、開展教學科研工作具有重要參考意義。

2STK簡介

美國Analytical Graphics公司(以下簡稱AGI公司)開發的Satellite Tool Kit衛星工具包軟件，簡稱STK，是一款在航天工業領域中處于絕對領先地位的商品化分析軟件。其基本模塊的核心能力是產生位置和姿態數據、獲取時間、傳感器覆蓋分析。STK專業版擴展了STK的基本分析能力，包括附加的姿態定義、軌道預報算法、坐標類型和坐標系統、傳感器類型、高級的約束條件定義，以及衛星、城市、地面站和恒星數據庫。對于特定的分析任務，STK提供附加分析模塊，可以解決通信分析、雷達分析、覆蓋分析、軌道機動、精確定軌、實時操作等問題。另外，STK還有三維可視化模塊，為STK和其它附加模塊提供領先的三維顯示環境[7～8]。

STK軟件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，其應用也得到了進一步深入，STK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。

3衛星仿真場景的建立及動畫制作

STK軟件強大的仿真能力，使得它在衛星導航通信領域具有廣泛應用，如建立場景、星座仿真、鏈路分析、覆蓋分析等。利用STK 8.0軟件，模擬北斗雙星系統對地面站北京“訪問”的基本場景，步驟如下：

1)打開STK 8.0，設置示例場景Basic類Time period和Animation屬性頁中的參數。

2)添加兩個同步衛星對象，將其命名為“Beidou1”和“Beidou2”，分別位于地球東經80°、東經140°上空。

3)添加地面站(城市)對象“北京”，設置Basic屬性下Position。

4) 添加一個星座對象“Constellation1”, 打開其屬性對話框，并選擇過濾框將Available Objects(可用對象)中的兩個星座對象移至Assigned Objects(指定對象)中。

5)加入鏈路對象“Chain1”，打開其基礎定義屬性頁，選擇過濾框將“Constellation1”和北京站加入到Assigned Objects。

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

7)添加覆蓋品質參數對象，在對象瀏覽器中選擇覆蓋定義對象“CovDef”，然后向場景中添加新的覆蓋品質參數對象，改名為FOM。

圖1　全部場景對象

同時，打開二維、三維圖形的屬性窗口，點擊“Soft VTR”界面，對錄制文件保存路徑、名稱、格式等進行設置，點擊Start按鈕開始動畫錄制，點擊Reset按鈕結束錄制。利用STK的動畫錄制功能，可以實現三維、二維畫面在指定歷元內進行動畫場景錄制，直觀觀察到衛星的空間運行狀態。

4國內外主要衛星導航系統星座仿真

目前的全球衛星導航系統GNSS(Global Navigation Satellite System，GNSS)主要包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO系統，區域系統有北斗二號一期系統、印度的IRNSS、日本的QZSS系統[9～11]，這些衛星導航系統以其定位精度高、速度快、可靠性高等優點，成為當代重要的導航方式之一。

4.1GPS星座仿真

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

根據上述場景建立的方法，打開STK軟件，在空白場景中添加一顆衛星“Satellite1”并命名為“GPS”，進行軌道參數設置，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軌道面上的24顆衛星組成， 21顆為工作衛星，3顆為在軌備份衛星。三個軌道面的升交點赤經相差120°，軌道傾角為64.8°，軌道高度約19100km，衛星在軌運行周期約11小時15分鐘。每個軌道平面內8顆衛星均勻分布，衛星之間的緯度差為45°，兩個軌道平面之間的衛星的緯度相差15°。24顆衛星構成的星座可以保證地球上99%的范圍內能夠同時觀測到5顆衛星。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個軌道上的30顆中等高度軌道衛星(MEO)構成，每條軌道衛星個數10(9顆工作，1顆備用)，衛星分布軌道面數3，軌道傾斜角56°，軌道高度24000km，運行周期14小時4分鐘，衛星壽命20年，衛星重量625kg，電量供應1.5kw。GALILEO 星座仿真如圖4所示。

圖4　GALILEO星座仿真

4.4北斗二號一期星座仿真

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

4.4.1IGSO星座仿真

IGSO衛星的軌道高度為35786km，軌道傾角為55°，分布在三個軌道面內，升交點赤經相差120°，其中三顆衛星的星下點軌跡重合，交叉點經度為東經118°，其余兩顆衛星星下點軌跡重合，交叉點經度為東經95°。對IGSO星座仿真步驟如下：

1)建立三顆衛星分布在三個軌道平面，升交點赤經相差120°，參數設置如圖5所示。

圖5　軌道參數設置

2)添加兩顆衛星，星下點軌跡重合，交叉點經度為東經95°。要保持衛星運動在同一軌道面，其升交點赤經Ω保持不變，改變近地點角距w，將星下點軌跡移動到指定位置。

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

圖6　I1軌道參數設置

圖7　I4軌道參數設置

4.4.2GEO星座仿真

GEO衛星的軌道高度為35786km，分別定點于東經58.75°、80°、110.5°、140°和160°，設置相對比較簡單，下面以第一顆GEO衛星為例對這類衛星的建立做說明，如圖8所示。

圖8　G1軌道參數

同理，修改節點經度(Lon.Ascn.Node)即可得到余下四顆衛星的星座仿真情況，北斗二號一期中5顆GEO星座建立完畢。

4.4.3MEO星座仿真

4顆MEO衛星軌道高度為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，第一軌道面升交點赤經為0°。

MEO基準衛星軌道參數如圖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衛星。

圖9　MEO基準衛星軌道參數

至此，北斗二號一期的三類衛星全部建立完畢了，綜合場景如圖10所示。

圖10　北斗二號一期星座仿真

5結語

北斗衛星導航系統目前仍處于建設階段，本文利用STK提供了強大的衛星仿真平臺對國內外主要衛星導航系統星座進行了仿真，并生成一系列二維、三維星座運行圖形，使學員直觀、形象地理解國外全球主要衛星導航系統及北斗衛星導航系統空間星座構成和運行狀況;同時，運用STK仿真分析可以生成的一些報告、圖表，研究人員可以掌握不同區域、不同參數、不同方案下北斗系統的定位性能，對于高校教學和研究具有指導和參考意義。

參 考 文 獻

[1] 郁聰沖.北斗衛星導航系統定位精度及可用性仿真分析研究[D].武漢:海軍工程大學,2012.

[2] 段慧娟.北斗衛星導航系統定位性能研究[D].武漢:海軍工程大學,2009.

[3]郁聰沖,邊少鋒.現階段北斗衛星導航系統可用性分析[J].海洋測繪,2012,32(5):74-76.

[4] 潛成勝.多星座組合衛星導航系統仿真分析[D].南昌:江西理工大學,2014.

[5] 韓雪峰,張海忠,鄭廣偉.區域衛星導航系統覆蓋性能分析[J].測繪與空間地理信息,2014,37(3):148-152.

[6] 胡自全,何秀鳳.組合GNSS系統可見衛星分析[J].全球定位系統,2015,40(3):1-5.

[7] 張植輝.基于STK的北斗衛星導航系統星座仿真和定位性能分析[D].武漢:海軍工程大學,2014.

[8] 張海忠,劉雪瑞.基于STK的北斗區域系統GDOP仿真分析[J].海洋測繪,2013,33(5):31-33.

[9] 屈亭,皮亦鳴,曹宗杰.基于STK/Matlab的GPS衛星可見性仿真分析[J].科學技術與工程,2009,13(9):3920-3923.

[10] 高晉寧,方源敏,楊展藝等.基于STK的GLONASS系統與GPSDOP值的仿真分析[J].科學技術與工程,2011,11(15):3384-3392.

[11] 郭斐,張小紅,于興旺等.基于STK軟件的GALILEO系統仿真與分析[J].測繪信息與工程,2009,34(3):3-6.

收稿日期：2016年1月13日,修回日期：2016年2月14日

基金項目：國家自然科學基金項目(編號：41274013；41471387)資助。

作者簡介：于燕婷，女，碩士研究生，講師，研究方向：信號采集及處理。

中圖分類號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