基于STK的衛星導航原理與應用課程教學方法研究

王爾申， 岳孝東， 李　軒， 邵清亮， 王　璐

(沈陽航空航天大學 電子信息工程學院， 遼寧 沈陽　110136)

?

基于STK的衛星導航原理與應用課程教學方法研究

王爾申， 岳孝東， 李軒， 邵清亮， 王璐

(沈陽航空航天大學 電子信息工程學院， 遼寧 沈陽110136)

在衛星導航原理與應用理論教學中引入衛星工具包STK輔助課程教學，對衛星導航原理與應用課程中的空間坐標系統、衛星軌道、衛星導航星座以及星間鏈路等知識點進行仿真。該仿真教學方法的實踐證明，這一教學改革注重將仿真技術與專業課程教學相結合，提高了學生在衛星導航專業技術方面的實踐創新能力，取得了良好的教學效果。

衛星導航原理； 仿真教學方法； 實踐教學； 衛星工具包(STK)

全球衛星導航系統(GNSS)采用天基無線電定位技術，可全天候、高精度地為全球范圍的用戶提供定位、測速以及授時等服務，在民用和軍用領域(如航空、航海、地面交通、武器系統、精密測量、農業耕作、個人導航等方面)得到了廣泛的應用[1-2]。沈陽航空航天大學電子信息工程學院致力于培養有特色的航空航天電子專業人才，將“衛星導航原理與應用”列為特色專業課程。該課程包含難度比較大的理論知識，如二體問題的運動規律、空間坐標系統、星地空間幾何、受攝運動、衛星軌道、信號調制與解調、擴頻理論、導航信號的捕獲與跟蹤等內容[3-7]。但是目前在課程教學中，學生對比較抽象的課程內容不易理解，學習效率不高，教學效果不甚理想。

為此，筆者在課程教學中引入衛星工具包(satellitetoolkit，STK)軟件，研究和實踐仿真教學方法在專業教學中的應用，利用該軟件的建模仿真功能構建衛星導航空間坐標系統、軌道理論等知識點的仿真教學案例，增加教學內容的可視性，調動了學生的學習積極性。

1　衛星導航原理與應用課程分析

“衛星導航原理與應用”課程內容廣泛，包括導航星座、信號傳輸、衛星導航與慣性導航的組合導航、多系統組合導航、增強技術等[8-9]，其具體特點如下：

(1) 衛星導航涉及到多個專業學科的理論基礎，但工科電專業的學生普遍缺乏天體力學方面的知識，尤其是復雜的地球坐標系以及基于二體問題的軌道參數方面的知識。

(2) 課程各章節在教學內容上是連貫的，但在知識模塊上又有一定的獨立性，無論是時空參考系、衛星導航信號、接收機理論，還是定位原理以及誤差分析等內容，涉及到的公式、算法較多，比較枯燥，不容易理解。

(3) 衛星導航技術本身是一門理論和工程兼備的專業課程，要使衛星導航技術相關專業的學生具有較強的研究能力,學生需要掌握實用的仿真工具，提高實踐能力和創新能力，以便能勝任更多的探索性、研究性工作。

2　衛星工具包STK仿真軟件

STK是美國AnalyticalGraphics公司開發的一款在航天領域處于領先地位的商業分析軟件。STK的主要功能包括通信和雷達等分析、生成軌道、可見性分析、可視化計算結果、全面的數據報告。另外，STK提供二維、三維場景及圖形等多媒體直觀的展示功能[10-12]。STK輔助“衛星導航原理與應用”教學有以下3方面優勢。

(1) 增加課程的可視性。STK能增強課程使用多媒體的演示效果，尤其是涉及到大量的空間幾何方面的內容時，可將抽象的內容可視化，給學生理解衛星導航系統中空間坐標系統、衛星軌道等知識點提供了支撐。

(2) 增加課程的實踐環節。以往的教學中大多是學生在被動地接受知識；而借助STK，學生可親自操作軟件完成衛星導航系統星座構建等仿真。通過對較難理解的內容仿真，可提高學生對理論知識的理解能力以及學習的積極性。

(3) 為學生擴展知識提供支撐。衛星導航技術是不斷發展和更新的，通過在課程教學中引入STK，使學生掌握了一種新的衛星導航技術學習的仿真軟件，為學生課后擴展知識的學習提供條件支持，有利于學生開展探索性實驗工作。

3　STK在輔助課程教學中的應用案例

“衛星導航原理與應用”課程中關于空間坐標系、衛星軌道、定位原理等內容是理解和掌握衛星導航技術的基礎。筆者在傳統的授課方式基礎上引入STK，通過其三維模擬、仿真分析功能，對需要空間想象來理解的坐標系、較難理解的衛星軌道及導航星座等知識逐一演示，極大地加深了學生對衛星導航系統知識的理解。

3.1衛星軌道及星下點軌跡仿真

GNSS衛星導航系統中應用到多種軌道衛星。我國的BDS空間星座由5顆地球靜止同步軌道衛星(GEO)、27顆中地球軌道衛星(MEO)和3顆傾斜地球同步軌道衛星(IGSO)組成。STK的引入使得衛星軌道可視化、便于理解，并且對空間運行的衛星在地面可視時間及可視范圍內都能給出清晰的仿真。STK提供了3種創建衛星軌道的方式，即軌道向導、衛星數據庫和定義軌道參數。無論使用哪一種方式，都能讓使用者方便創建不同類型的衛星軌道。

圖1是不同軌道衛星示意圖，其中有地球靜止軌道衛星(GEO)、傾斜同步軌道衛星(IGSO)和中軌道衛星(MEO)。通過空間坐標系可方便地計算衛星在坐標系中的空間位置及速度矢量，如表1和表2所示。

表1中為3顆不同軌道衛星當前時刻下的空間位置信息，表2中為3顆不同軌道衛星當前時刻下的速度矢量。

圖1　不同軌道衛星示意圖

衛星x/kmy/kmz/kmMEO5028.1827-19014.6202-19796.7677GEO28856.012930746.0916-41.6804IGSO8512.1029-37526.751117241.8219

表2　J2000坐標系下衛星的速度矢量

基于開普勒參數對BDS星座中的衛星軌道描述，根據軌道6參數確定軌道的空間位置。STK的仿真提供了高精度地球引力勢、大氣阻力以及太陽光壓模型。設定仿真時間為2015年5月19日04：00到2015年5月20日04：00共24h(UTC時)，使用Walker星座生成BDS的仿真星座。BDS星座衛星的星下點運行軌跡如圖2所示。

由圖2可看出，3顆傾斜地球同步軌道衛星星下點軌道為“8”字形(圖2中綠色虛線)，在對中國大陸區域增強覆蓋的同時，也可以克服高緯度地區始終是低仰角的問題。27顆MEO在3個中軌道上運行覆蓋全球。

圖2　BDS衛星星下點軌跡

3.2導航星座衛星的可見性仿真

根據衛星導航定位原理，地面接收機用戶最少接收到4顆衛星信號才可進行定位，但實際上，由于空間幾何精度(GDOP)的影響，用戶在只接收到4顆衛星信號的情況下并不能獲得良好的定位精度。因此，分析地面用戶接收機實時可見衛星的位置、數目及其幾何構形是了解GNSS系統定位原理和定位精度的重要內容。STK通過三維仿真可直觀地展現出來。圖3表示的是位于北京的地面站在某一時刻對北斗衛星導航系統(BDS)的實時可見性。圖中地球圖案上的藍色點表示北京站，與該點由線段相連的衛星表示當前的可見衛星。

3.3導航系統星間鏈路性能仿真

導航系統衛星星座的星間鏈路(ISL)是指星間傳輸鏈路，這是以往的衛星導航課程沒有涉及的內容，也是最近幾年提出的新的前沿技術。在星間鏈路的支持下實現自主導航，能夠減少地面測控站的布設數量，降低地面站至衛星的信息注入頻度，并能增強系統的抗干擾、抗摧毀能力。因此，星間鏈路是衛星導航系統實現自主運行的一項關鍵技術。由于導航系統衛星的軌道高度較高，衛星之間的距離、方位角、俯仰角等變化劇烈，給星間鏈路系統的設計帶來很大困難。因此，有必要對星間鏈路的幾何特性進行分析和仿真。星間鏈路特性參數包括鏈路長度、方位角以及高度角等，STK具有的鏈路分析模塊可對其性能參數進行仿真分析。圖4給出了仿真得到的星間鏈路長度參數。

圖3　北京站對BDS星座衛星可見性

圖4　MEO121與MEO112、MEO119鏈路長度

圖4表示北斗衛星導航系統(BDS)的中軌道衛星MEO121和MEO112及MEO119衛星的鏈路長度。本次仿真時間為UTC時間的一天(24h)。如圖4所示，MEO121與MEO112的星間鏈路在仿真時間內持續有效，而與MEO119則因星座運行時兩衛星間的角度變化存在中斷。

4　結語

將仿真教學方法引入課程教學中，采用STK衛星工具包設計教學仿真案例輔助課程教學得到了良好的教學效果。實踐證明：STK的引入和仿真案例的設計，提高了學生學習的積極性，使學生對衛星導航理論知識掌握得更加扎實，對衛星導航領域的前沿技術有了一定的認識，進而為學生未來從事GNSS衛星導航以及我國北斗衛星導航定位的專業技術工作奠定較好的理論基礎和實踐創新能力。

References)

[1]KaplanE,HegartyC.UnderstandingGPS:PrinciplesandApplications[M].2nded.USA:ArtechHouseInc,2006:239-264.

[2] 皮亦鳴，李晉，曹宗杰,等.《衛星導航定位》專業課程教學改革[J].實驗科學與技術，2013,11(4)：198-200.

[3] 逯亮清，吳美平.《導航定位技術》課程教學實踐與思考[J].高等教育研究學報，2009,32(2)：68-69,74.

[4] 孫佳龍，郭淑艷，焦明連，等.衛星定位與導航教學的改革與實踐[J].測繪科學，2013,38(5)：190-192.

[5] 孫淑光.面向行業需求實現區別化教學：衛星導航技術課程教學內容與方法探索研究[J].武漢大學學報：理學版，2012,58(增刊2)：101-103.

[6] 郭淑艷，孫佳龍.《衛星定位與導航》教學研究與探索[J].北京測繪，2012(5)：96-99.

[7] 皮亦鳴，李晉，曹宗杰，等.衛星定位導航原理的實驗課程設計與實踐[J].實驗科學與技術，2012，10(5)：96-98.

[8] 李天松，周海燕，蔡成林.北斗導航與物聯網的聯合實驗室建設[J].實驗技術與管理，2013，30(6)：158-162.

[9] 中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統公開服務性能規范1.0版[S].北京：中國衛星導航系統管理辦公室，2013.

[10] 張文昭，高健.STK衛星仿真軟件在天體力學教學中的應用[J].實驗技術與管理，2013，30(2)：118-121.

[11] 雷浩，廉保旺，何偉，等.STK北斗二代衛星導航系統在亞太地區DOP值仿真分析[J].火力與指揮控制，2014,39(6)：52-55.

[12] 馮永新，張澤陽，范增，等.基于STK/X的航天器懸停應用仿真技術[J].火力與指揮控制，2014,39(9)：156-159.

ResearchofteachingmethodsinPrincipleandApplicationofSatelliteNavigationcoursebasedonSTK

WangErshen,YueXiaodong,LiXuan,ShaoQingliang,WangLu

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,ShenyangAerospaceUniversity,Shenyang110136,China)

Thesatellitetoolkit(STK)simulationsoftwareisusedasanauxiliaryteachingtoolinthecourseteachingofPrinciplesandApplicationsofSatelliteNavigation.BasedonSTKtheknowledgemodulesofspatialcoordinatereference,satelliteorbit,thesatellitenavigationconstellationandinter-satellitelinkaresimulated.Theteachingandpracticehaveprovedthattheteachingreformforcombiningsimulationtechnologywithprofessionalcoursesenhancesthestudents'innovativeabilityandpracticalabilityofsatellitenavigationprofessionaltechnique.Andtheteachingmethodsattainthegoodteachingeffect.

satellitenavigationprinciple;simulationteachingmethod;practicalteaching;satellitetoolkit(STK)

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.033

2015- 10- 08修改日期：2015- 12- 17

遼寧省教學改革研究項目(UPRP20140236)；沈陽航空航天大學教學改革研究項目(YJS2014-14，20130008)

王爾申(1980—)，男，遼寧遼陽，博士，副教授，研究方向為衛星導航理論與教學.

E-mail：wanges_2016@126.com

V249.31;G642.4

A

1002-4956(2016)5- 0129- 03