STK在北斗卫星导航系统教学中的应用

李厚朴 边少锋 于成金 苏伟斌

[摘 要] 针对北斗卫星导航系统教学需求，引入STK软件，制作了北斗卫星空间星座、星下点轨迹、卫星可见性、几何精度因子等仿真场景，使抽象的北斗知识点以直观的方式展示出来。教学实践表明，STK的应用促进了学员对教学内容的理解，激发了学员的学习热情，取得了良好的教学效果。

[关键词]北斗卫星导航系统；教学实践；STK软件

[中图分类号] G642；P228 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）07-0055-04

○、引言

20世纪70年代以来，美国和苏联相继启动了各自的卫星导航定位计划，美国发展了全球定位系统GPS，苏联发展了全球导航卫星系统GLONASS[1]。卫星导航技术的迅猛发展已使其成为拓展人类活动、促进社会发展的重要空间基础设施。20世纪80年代初，我国就开始积极探索适合我国国情的卫星导航系统，并在2000年初步建成北斗卫星导航试验系统，这标志着中国成为继美、俄之后世界上第三个拥有自主导航系统的国家。从2004年开始，我国就开始筹建第二代卫星导航系统，按照先区域、后全球的总体建设思路，我国于2012年12月建成了导航信号覆盖中国及周边地区的北斗卫星导航区域系统。满星座的北斗卫星导航系统将在2020年完成，届时北斗卫星导航系统将可以实现全球的卫星导航、定位和授时功能[2][3][4]。

在北斗卫星导航系统教学中，经常遇到北斗卫星星座、星下点轨迹、卫星可见性、几何精度因子等许多复杂抽象的概念。如果仅依赖于教员课堂语言描述结合板书的教学方法，由于不能直观地展示卫星空间运动状况和定位结果，学员会感到理解困难，甚至产生厌学情绪。随着计算机和信息技术等高新技术的飞速发展，计算机仿真技术在全球范围内得到迅速推动，并在航天、航空、地面战场模拟以及其他复杂任务分析中发挥着越来越重要的作用。美国Analytical Graphics公司开发的Satellite Tool Kit卫星工具包软件，简称STK，是一款在航天工业领域中处于绝对领先地位的商品化分析软件，该软件具有强大的卫星仿真功能，已经广泛应用于航天器轨道预报、战场模拟、测控系统、天体力学等多个领域[5][6][7][8][9]。为了改善教学效果，提高教学质量，近年来笔者将该软件引入北斗卫星导航系统教学中，制作了许多形象生动的三维场景，把适合于动态演示的内容利用图形或视频等形式直观地展示出来，并通过软件操作实践，极大地激发了学员学习的热情，调动了学员学习的积极性。

一、STK软件及其功能

STK是先进的商用现货（COTS）分析和可視化工具，它可以支持航天、防御和情报任务。利用它可以快速方便地分析复杂任务，获得易于理解的图表和文本形式的分析结果，以确定最佳的解决方案。STK软件起初多用于卫星轨道分析，随着软件的不断升级（目前已经推出了10.0版），其应用也得到了进一步深入。STK现已逐渐扩展成为分析和执行陆、海、空、天、电（磁）任务的专业仿真平台。STK软件基本界面如图1所示。

STK提供分析引擎用于计算数据，并可显示多种形式的二维地图。STK可视化模块为STK和其他附加模块提供领先的三维显示环境。STK基本模块的核心能力是产生位置和姿态数据、获取时间、传感器覆盖分析。STK专业版扩展了STK的基本分析能力，包括附加的姿态定义、轨道预报算法、坐标类型和坐标系统、传感器类型、高级的约束条件定义，以及卫星、城市、地面站和恒星数据库。对于特定的分析任务，STK提供了附加分析模块，可以解决通信分析、雷达分析、覆盖分析、轨道机动、精确定轨、实时操作等问题。另外，STK还有三维可视化模块，为STK和其他附加模块提供领先的三维显示环境。

STK基本版的主要功能如下。

1.分析能力——以复杂的数学算法迅速准确地计算出卫星任意时刻的位置、姿态，评估陆地、海洋、空中和空间对象间的复杂关系，以及卫星或地面站传感器的覆盖区域。

2.生成轨道/弹道星历——STK可以快速而准确地确定卫星在任意时刻的位置。STK提供卫星轨道生成向导，指引用户建立常见的轨道类型，如地球同步、临界倾角、太阳同步、重复轨道等。

3.可见性分析——计算场景中任意对象间的访问时间并在二维地图窗口动画显示，计算结果为图表或文字报告，可在对象间增加几何约束条件，如传感器的可视范围、地基或天基系统最小仰角、方位角和可视距离等限制。

4.传感器分析——传感器可以附加在任何空基或地基对象上，用于可见性分析的精确计算，传感器覆盖区域的变化会动态地显示在二维地图窗口中。

5.姿态分析——STK提供标准姿态定义，或从外部输入姿态文件（标准四元数姿态文件），为计算姿态运动对其他参数的影响提供多种分析手段。

6.可视化的计算结果——STK在二维地图窗口可以显示所有以时间为单位的信息，多个窗口可以分别以不同的投影方式和坐标系显示，可以向前、向后或实时地显示任务场景的动态变化：空基或地基对象的位置、传感器覆盖区域、可见情况、光照条件、恒星/行星位置等。

7.全面的数据报告——STK提供全面的图表和文字报告总结关键信息，包含上百种数据，用户可以为一个对象或一组对象定制图表和报告。所有报告均以工业标准格式输出，可以输出到常用的电子制表软件中。

8.多种操作平台——在多种操作系统均可使用，包括Windows 2000、Windows NT、Windows XP、Linux和大多数主要的包括SGI、Sun、IBM、DEC和HP的UNIX平台。

二、STK北斗教学实例

（一）北斗卫星导航系统空间星座和星下点轨迹模拟

北斗卫星导航系统由5颗中轨地球静止轨道（GEO）卫星、3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星、27颗中圆地球轨道（MEO）卫星组成。以往在讲授北斗卫星导航系统星座组成时，由于缺乏直观的表现手段，教员只能利用单调的语言去描绘，无法形象地向学员们介绍北斗卫星导航系统的空间星座。因此，学员很难直观地认识北斗星座的组成情况，理解北斗卫星导航系统星座结构特点，更无法深刻掌握北斗卫星导航系统星下点轨迹和星座的动态运行情况。

在实验过程中为了清晰地向学员展示北斗卫星导航系统的星座组成和结构，根据北斗卫星导航系统的星座结构特点，在STK10.0中可以非常方便地设置卫星轨道参数，进而利用Walker命令构建北斗卫星导航系统空间星座。以北斗MEO卫星为例，其轨道高度为21500km，轨道倾角为55度，回归周期为7天13圈，相位从Walker27/3/9星座中选择，第一轨道面升交点赤经为0度，设置过程如图2所示。

利用STK建立的北斗卫星导航系统空间星座和星下点轨迹运行场景如图3和图4所示。

由图3和图4可以看出，北斗卫星导航系统有7个轨道面，其中有1个GEO卫星轨道面，3个MEO卫星轨道面和3个IGSO卫星轨道面。北斗卫星导航系统采用的倾斜地球同步轨道卫星，其星下点轨迹有为“8”字形，可以实现对中国区域的卫星信号增强。利用北斗卫星导航系统空间星座和星下点轨迹在STK中的可视化表达，能够为学员掌握北斗卫星导航系统轨道特点提供有力帮助。

在完成北斗卫星导航系统空间星座的基础上，可以利用STK的动画录制功能对二维、三维画面在指定历元内进行动画场景录制，将北斗卫星导航系统的卫星在空间的运行以及星下点轨迹的动态过程进行视频展示。与以往的教学过程中相比，这种以图片、视频等形式的教学能给予学员感性的认识，便于学员理解学习内容，能提高学员学习北斗卫星导航系统的热情，激发学员学习北斗卫星导航系统的兴趣。

（二）北斗卫星导航系统定位性能仿真分析

卫星可见性、几何精度因子GDOP是评价卫星导航定位性能的主要指标。以往在讲解北斗卫星导航系统定位性能时主要采用定量说明，这样的效果不够理想，说服力不够强。借助STK的Coverage Definition和Figure of Merit模块可以定义覆盖范围和评估覆盖资源的覆盖品质参数，给出定位性能指标的可视化表达，这非常有助于学员深刻理解北斗卫星导航系统的不同区域的定位性能差异。

在STK中构建如下仿真场景，仿真时间为2016年1月13日04：00-2016年1月14日04：00，卫星截止高度角取为10°，利用基于STK10.0的Coverage Definition模块，可以定义覆盖区域，并将区域划分为等间隔的格网，再利用Figure Of Merit模块计算出每个网格特定的覆盖品质因子，从而得到当前卫星星座观测周期内该区域的可见卫星数、GDOP值动态变化过程。

北斗卫星导航系统在中国区域内的卫星可见性如图5所示。

由图5可以看出，北斗卫星导航系统在中国区域内的可见卫星数最少可见星数为14颗，最多可见星数为20颗。卫星导航系统实现定位的首要条件是同一时间定位点可见卫星数达到4颗以上。因此，北斗卫星导航系统完全满足中国区域内用户的定位需求。

为了对不同城市的卫星可见性进行比较，还可以利用STK软件中的Report工具得到不同城市的卫星可见性，选取北京、昆明、漠河、武汉、拉萨、乌鲁木齐、曾母暗沙等7个地面站，将各站点的卫星可见性随时间变化的情况如图6所示。

由图6可以看出，北斗卫星导航系统在所选取的7个地面站中，整体的平均可见星数在15颗左右，而曾母暗沙地面站平均可见卫星数最多，达16.5颗左右，漠河地面站的平均可见卫星数最少，约为12.5颗左右，对比两地的可见星数的变化情况，可以明显看出，由于其纬度差异可见卫星数量相差接近4颗。

北斗区域卫星导航系统在中国区域内的GDOP值分布如图7所示。

由图7可以看出，北斗卫星导航系统在中国区域内的GDOP值在1.0-2.5之间，由此我们可以看出，北斗卫星导航系统在中国区域具备良好的卫星几何分布。

为了对单个城市的GDOP值进行观察，还可以利用STK10.0中的栅格检查器Grid Inspector工具得到单个城市的GDOP值，这里以武汉地面站为例，分析武汉地面站的GDOP值随时间变化的情况具体如图8所示。

结合图8进行的统计分析表明，武汉GDOP值最小值为1.30，最大值为2.35，平均值为1.72，具备良好的卫星几何分布。

在具体教学过程中，学员通过利用STK进行上述操作实践，能够更加深刻理解北斗卫星导航系统的定位性能，这使得枯燥的原理知识变得生动有趣，提高了课堂教学效果。让学员在实践中学习，可以提高学员学习的积极性和主动性。在学员自己动手对北斗卫星导航系统的性能分析过程中，教员可以引导学员自行对仿真的数据进行分析和总结，以提高学员的探索能力，促进学员更深入地学习知识，最终达到预期的教学目的。

三、结束语

将STK软件引入北斗卫星导航系统教学中，通过制作北斗卫星空间星座、星下点轨迹、卫星可见性、几何精度因子等仿真场景，可以使抽象的教学内容变得形象直观，为学员感观地理解和掌握北斗卫星导航系统教学难点提供非常有效的手段。同时，这还让学员掌握了一个强大的专业工具软件，锻炼了学员的实践操作能力，取得了良好的教学效果。STK软件在教学中的应用有效地改善了北斗卫星导航的教学效果，值得在相关教学实践中推廣应用。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 李黎，龙四春，张金平，等. GPS原理与应用课程教学改革探讨[J]. 当代教育理论与实践，2014（5）：118-119.

[2] 边少锋，纪兵，李厚朴. 卫星导航系统概论：第二版[M]. 北京：测绘出版社，2016.

[3] 杨元喜. 北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J]. 测绘学报，2010（1）：1-6.

[4] 王坚，张安兵. 卫星定位原理与应用[M]. 北京：测绘出版社，2017.

[5] 杨颖，王琦. STK在计算机仿真中的应用[M]. 北京：国防工业出版社，2005.

[6] 杜玉萍，陆君. STK在航天器轨道预报仿真系统中的应用[J]. 光电技术应用，2015（4）：62-65.

[7] 王天祥，李晓波，张宝玲. STK在测控系统与测控网课程教学中的应用[J]. 中国教育技术装备，2015（12）：23-25.

[8] 张文昭，高健. STK卫星仿真软件在天体力学教学中的应用[J]. 实验技术与管理，2013（2）：118-121.

[9] 王伟玮，夏文龙，周渊平.基于STK/X的战场模拟仿真系统[J]. 计算机系统应用，2015（5）：74-78.

[责任编辑：陈 明]