STK在測(cè)控系統(tǒng)與測(cè)控網(wǎng)課程教學(xué)中的應(yīng)用

◆王天祥 李曉波 張寶玲

作者：王天祥，裝備學(xué)院講師，研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控技術(shù)；李曉波、張寶玲，裝備學(xué)院副教授，研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控技術(shù)（101416）。

1 前言

測(cè)控系統(tǒng)與測(cè)控網(wǎng)課程是航天測(cè)控專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要是面向測(cè)控工程專業(yè)學(xué)員從整體上介紹什么是測(cè)控系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)組成、功能、坐標(biāo)、時(shí)統(tǒng)、軌道，以及國(guó)內(nèi)外測(cè)控系統(tǒng)情況等。隨著教學(xué)的發(fā)展，探索合適的教學(xué)手段來(lái)增強(qiáng)課堂教學(xué)的效果，特別是對(duì)諸如坐標(biāo)系、測(cè)控設(shè)備覆蓋范圍、測(cè)控設(shè)備對(duì)航天器跟蹤展示、測(cè)控設(shè)備天線運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、測(cè)控網(wǎng)絡(luò)布局、測(cè)控網(wǎng)對(duì)目標(biāo)的覆蓋、天地鏈路通信性能、航天器軌道、航天器姿態(tài)、星下點(diǎn)軌跡等內(nèi)容的講授，不僅要求授課教師能用語(yǔ)言結(jié)合黑板畫(huà)圖的方式生動(dòng)形象地表達(dá)出來(lái)，同時(shí)也要求學(xué)生有較強(qiáng)的空間想象能力，且這種方式不能直觀地展示測(cè)控設(shè)備和航天器的運(yùn)動(dòng)情況。因此，學(xué)生對(duì)所學(xué)課程會(huì)有抽象、枯燥、不易接受的感覺(jué)。

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以更生動(dòng)、形象地展示教學(xué)內(nèi)容，便于學(xué)生理解，筆者將美國(guó)分析圖形有限公司（Analytical Graphics Inc，AGI）開(kāi)發(fā)的衛(wèi)星仿真工具包（Satellite Tool Kit，STK）引入課堂教學(xué)中，用二、三維可視化的方式將課堂教學(xué)中抽象、枯燥的內(nèi)容展示出來(lái)，從而使得一些用語(yǔ)言難以表述清楚的知識(shí)輕松地為學(xué)員接受和理解，在課堂教學(xué)中起到事半功倍的效果，取得良好的教學(xué)效果。

圖1 坐標(biāo)系顯示設(shè)置及可視化效果

2 STK簡(jiǎn)介

STK是AGI公司推出的一款用于航天產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)和分析的專業(yè)衛(wèi)星分析工具軟件，它支持航天任務(wù)周期的全過(guò)程，包括概念、需求、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、發(fā)射、運(yùn)行和應(yīng)用等。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)用也得到進(jìn)一步的深入，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)[1-2]。

利用該軟件可以快速方便地分析復(fù)雜的陸地、海洋、航空及航天任務(wù)。它提供了逼真的二、三維可視化動(dòng)態(tài)場(chǎng)景以及精確的圖表、報(bào)告等多種分析結(jié)果，輔助確定最佳解決方案。在航天飛行實(shí)驗(yàn)任務(wù)的系統(tǒng)分析、測(cè)試發(fā)射以及在軌運(yùn)行等各個(gè)環(huán)節(jié)中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)衛(wèi)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(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)接口服務(wù)，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(wù)器環(huán)境下與STK連接，利用TCP/IP或UNTX Domain Sockets實(shí)現(xiàn)與STK之間的數(shù)據(jù)傳輸；二是STKX組件方式[4]，從6.0版本開(kāi)始，STK以ActiveX控件形式為二次開(kāi)發(fā)用戶提供了一套COM組件，它允許開(kāi)發(fā)人員將STK仿真環(huán)境和數(shù)據(jù)分析引擎無(wú)縫地集成到開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序中。

3 STK在測(cè)控系統(tǒng)概論教學(xué)中的應(yīng)用

下面以幾個(gè)典型例子介紹STK在測(cè)控系統(tǒng)概論課程教學(xué)中的應(yīng)用。

坐標(biāo)系模擬 測(cè)控系統(tǒng)最基本任務(wù)是確定飛行器在空間的位置，位置的描述是通過(guò)坐標(biāo)系來(lái)實(shí)現(xiàn)，而實(shí)際應(yīng)用中又有測(cè)量坐標(biāo)系、發(fā)射坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系、天球坐標(biāo)系、飛行器本體坐標(biāo)系等。因此，在測(cè)控任務(wù)中會(huì)根據(jù)對(duì)象的不同而采用不同的坐標(biāo)系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，這些概念比較抽象、枯燥，在講解時(shí)學(xué)員對(duì)這些概念很難有直觀印象，理解起來(lái)也比較困難。

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

航天器軌道、姿態(tài)演化過(guò)程摸擬 課程教學(xué)中對(duì)航天器在軌運(yùn)動(dòng)演化模擬主要包括位置和姿態(tài)的模擬。STK包含復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，可以快速而準(zhǔn)確地確定衛(wèi)星在任意時(shí)刻的位置。STK為航天器軌道演化模擬提供了多達(dá)11種類型的軌道預(yù)報(bào)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的軌道設(shè)置；Astrogator主要用于航天器機(jī)動(dòng)模擬；RealTime主要用于外部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，常用于開(kāi)發(fā)衛(wèi)星在軌運(yùn)行仿真系統(tǒng)。這些軌道預(yù)報(bào)器能夠模擬考慮不同攝動(dòng)影響下航天器在軌運(yùn)行演化情況，使用人員只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)。圖2所示為初始位置相同的兩顆航天器分別采用TwoBody、J4Perturbation預(yù)報(bào)器運(yùn)行一段時(shí)間后位置差異效果。

此外，STK提供了常見(jiàn)軌道類型航天器軌道生成向?qū)?，指引用戶建立常?jiàn)的軌道類型如地球同步軌道、太陽(yáng)同步軌道等。另外，STK也提供了Standard、Real Time、Multi Segment三種姿態(tài)定義選項(xiàng)，其中Standard又提供了24種選項(xiàng)，為計(jì)算姿態(tài)運(yùn)動(dòng)對(duì)其他參數(shù)的影響提供多種分析手段。通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置，STK即可產(chǎn)生航天器在軌運(yùn)行信息（包括位置、速度、姿態(tài)、鏈路信息等），完全能夠滿足教學(xué)要求。

圖2 相同初始位置航天器不同軌道預(yù)報(bào)器運(yùn)行效果

航天測(cè)控站模擬 航天測(cè)控站模擬主要是模擬測(cè)控站（船）類別的運(yùn)動(dòng)特征以及測(cè)控設(shè)備（雷達(dá)、USB、光學(xué)設(shè)備）的跟蹤能力和性能。

1）航天測(cè)控站模擬。航天測(cè)控站主要有陸地固定站、車載活動(dòng)站、測(cè)量船、天基站（即中繼衛(wèi)星），主要是模擬其運(yùn)動(dòng)特征。在STK中，可以通過(guò)在場(chǎng)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(duì)象，并設(shè)置其屬性（如位置參數(shù)、模型參數(shù)等），分別實(shí)現(xiàn)對(duì)固定站、車載活動(dòng)站、測(cè)量船、天基站的模擬，在教學(xué)過(guò)程中為學(xué)員提供逼真的三維模擬環(huán)境。

2）測(cè)控設(shè)備模擬。測(cè)控站的主要設(shè)備有雷達(dá)、USB、遙測(cè)設(shè)備和光學(xué)設(shè)備。在課程教學(xué)中，需要給學(xué)員演示測(cè)控站所屬設(shè)備分布情況、設(shè)備跟蹤測(cè)量能力范圍、天線指向、波束范圍、天線轉(zhuǎn)動(dòng)、發(fā)送/接收信號(hào)狀態(tài)等。

在STK中，對(duì)設(shè)備跟蹤測(cè)量范圍、設(shè)備分布、天線轉(zhuǎn)動(dòng)、波束范圍等的可視化可以通過(guò)添加Sensor對(duì)象并對(duì)其屬性進(jìn)行設(shè)置實(shí)現(xiàn)，設(shè)備跟蹤測(cè)量范圍可視化模擬效果見(jiàn)圖 3。

對(duì)于不同的測(cè)控設(shè)備，如雷達(dá)、USB、遙測(cè)設(shè)備、光學(xué)設(shè)備和星載測(cè)控設(shè)備，可以通過(guò)設(shè)置STK中Receiver、Transmitter、Radar對(duì)象的屬性，如傳輸功率、頻率、天線類型、數(shù)據(jù)速率調(diào)制類型或制式和編碼技術(shù)等實(shí)現(xiàn)模擬。

圖3 利用Sensor實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備跟蹤測(cè)量范圍二、三維可視化模擬效果

利用其RF環(huán)境影響模型提供的完整的環(huán)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(yáng)和地球無(wú)線頻率的干擾），可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境對(duì)設(shè)備工作的影響。

天地測(cè)控鏈路模擬 測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)天地?zé)o線電測(cè)控信道的測(cè)控鏈路實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控和跟蹤功能，其輸出鏈路中接收機(jī)接收功率、接收天線增益、接收載噪功率譜密度等是主要關(guān)心的內(nèi)容。而接收機(jī)接收功率等又受測(cè)控信號(hào)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(shí)際中又是看不見(jiàn)摸不著的，很難模擬出來(lái)。STK的Communications及其組件Comm System具有對(duì)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(yīng)的分析結(jié)果，在使用時(shí)只需要設(shè)置相應(yīng)的屬性信息，就能很方便地實(shí)現(xiàn)測(cè)控鏈路的模擬。如圖4是某地面站發(fā)射信號(hào)、低軌衛(wèi)星接收信號(hào)的上行測(cè)控鏈路性能模擬仿真效果。

圖4 實(shí)時(shí)鏈路性能動(dòng)態(tài)顯示效果

通過(guò)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?qū)W員形象、直觀、生動(dòng)地展示測(cè)控系統(tǒng)與測(cè)控網(wǎng)課程課堂教學(xué)中抽象、枯燥的內(nèi)容，使學(xué)員更容易理解課堂內(nèi)容。

4 結(jié)語(yǔ)

將STK軟件應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng)與測(cè)控網(wǎng)課程的課堂教學(xué)，增加了教學(xué)內(nèi)容的可視性，使抽象的內(nèi)容形象化、直觀化，學(xué)習(xí)不再抽象、枯燥，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，STK的引入，使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課程內(nèi)容的同時(shí)，掌握了一個(gè)有效的專業(yè)工具軟件，得到學(xué)生的認(rèn)可?！?/p>

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