STK在测控系统与测控网课程教学中的应用

2015-04-28王天祥李晓波张宝玲

中国教育技术装备 2015年12期

◆王天祥李晓波张宝玲

作者：王天祥，装备学院讲师，研究方向为航天测控技术；李晓波、张宝玲，装备学院副教授，研究方向为航天测控技术（101416）。

1 前言

测控系统与测控网课程是航天测控专业的专业基础课，主要是面向测控工程专业学员从整体上介绍什么是测控系统、测控系统组成、功能、坐标、时统、轨道，以及国内外测控系统情况等。随着教学的发展，探索合适的教学手段来增强课堂教学的效果，特别是对诸如坐标系、测控设备覆盖范围、测控设备对航天器跟踪展示、测控设备天线运转状态、测控网络布局、测控网对目标的覆盖、天地链路通信性能、航天器轨道、航天器姿态、星下点轨迹等内容的讲授，不仅要求授课教师能用语言结合黑板画图的方式生动形象地表达出来，同时也要求学生有较强的空间想象能力，且这种方式不能直观地展示测控设备和航天器的运动情况。因此，学生对所学课程会有抽象、枯燥、不易接受的感觉。

为了激发学生的学习兴趣，以更生动、形象地展示教学内容，便于学生理解，笔者将美国分析图形有限公司（Analytical Graphics Inc，AGI）开发的卫星仿真工具包（Satellite Tool Kit，STK）引入课堂教学中，用二、三维可视化的方式将课堂教学中抽象、枯燥的内容展示出来，从而使得一些用语言难以表述清楚的知识轻松地为学员接受和理解，在课堂教学中起到事半功倍的效果，取得良好的教学效果。

图1 坐标系显示设置及可视化效果

2 STK简介

STK是AGI公司推出的一款用于航天产业设计和分析的专业卫星分析工具软件，它支持航天任务周期的全过程，包括概念、需求、设计、制造、测试、发射、运行和应用等。起初多用于卫星轨道分析，最初的应用集中在航天、情报、雷达、电子对抗、导弹防御等方面。但随着软件的不断升级，其应用也得到进一步的深入，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[1-2]。

利用该软件可以快速方便地分析复杂的陆地、海洋、航空及航天任务。它提供了逼真的二、三维可视化动态场景以及精确的图表、报告等多种分析结果，辅助确定最佳解决方案。在航天飞行实验任务的系统分析、测试发射以及在轨运行等各个环节中得到广泛应用，对卫星的各种性能仿真提供了极大的便利[2]。

STK还为用户提供了强大的二次开发接口服务，主要有两种：一是STK/Connect模块方式[3]，该模块能够使用户在客户/服务器环境下与STK连接，利用TCP/IP或UNTX Domain Sockets实现与STK之间的数据传输；二是STKX组件方式[4]，从6.0版本开始，STK以ActiveX控件形式为二次开发用户提供了一套COM组件，它允许开发人员将STK仿真环境和数据分析引擎无缝地集成到开发的应用程序中。

3 STK在测控系统概论教学中的应用

下面以几个典型例子介绍STK在测控系统概论课程教学中的应用。

坐标系模拟测控系统最基本任务是确定飞行器在空间的位置，位置的描述是通过坐标系来实现，而实际应用中又有测量坐标系、发射坐标系、大地坐标系、天球坐标系、飞行器本体坐标系等。因此，在测控任务中会根据对象的不同而采用不同的坐标系统。一般来说，这些概念比较抽象、枯燥，在讲解时学员对这些概念很难有直观印象，理解起来也比较困难。

而STK提供了常用的坐标类型（如地理坐标、球坐标、直角坐标等）和坐标系（如Fixed、J2000、B1950、TEME of Epoch、TEME of Data等），还提供了建立自定义坐标系的功能，方便用户实现个性需求。在利用STK进行坐标系可视化显示时，先设置显示东、西、南、北和太阳方向矢量，然后只需要在对象的3D Graphics的vector中选择要显示的坐标系，即可在三维界面中看到坐标系显示效果及坐标轴的指向与东、西、南、北和太阳方向矢量的关系，如图1所示。此外，可以根据需要对坐标系绘制位置，是否显示坐标轴名称、颜色、箭头形状等进行控制。

航天器轨道、姿态演化过程摸拟课程教学中对航天器在轨运动演化模拟主要包括位置和姿态的模拟。STK包含复杂的数学算法，可以快速而准确地确定卫星在任意时刻的位置。STK为航天器轨道演化模拟提供了多达11种类型的轨道预报器，分别是TwoBody、J2Perturbation、J4Perturbation、HPOP、SGP4、LOP、StkExternal、PODS、SPICE、Astrogator、RealTime[5]。前九种主要用于非实时数据的轨道设置；Astrogator主要用于航天器机动模拟；RealTime主要用于外部实时数据驱动卫星运动，常用于开发卫星在轨运行仿真系统。这些轨道预报器能够模拟考虑不同摄动影响下航天器在轨运行演化情况，使用人员只需要进行简单的设置即可实现。图2所示为初始位置相同的两颗航天器分别采用TwoBody、J4Perturbation预报器运行一段时间后位置差异效果。

此外，STK提供了常见轨道类型航天器轨道生成向导，指引用户建立常见的轨道类型如地球同步轨道、太阳同步轨道等。另外，STK也提供了Standard、Real Time、Multi Segment三种姿态定义选项，其中Standard又提供了24种选项，为计算姿态运动对其他参数的影响提供多种分析手段。通过简单的设置，STK即可产生航天器在轨运行信息（包括位置、速度、姿态、链路信息等），完全能够满足教学要求。

图2 相同初始位置航天器不同轨道预报器运行效果

航天测控站模拟航天测控站模拟主要是模拟测控站（船）类别的运动特征以及测控设备（雷达、USB、光学设备）的跟踪能力和性能。

1）航天测控站模拟。航天测控站主要有陆地固定站、车载活动站、测量船、天基站（即中继卫星），主要是模拟其运动特征。在STK中，可以通过在场景中加载地形、地貌、道路信息、地物模型文件，添加Facility、GroundVehicle、Ship、Satellite对象，并设置其属性（如位置参数、模型参数等），分别实现对固定站、车载活动站、测量船、天基站的模拟，在教学过程中为学员提供逼真的三维模拟环境。

2）测控设备模拟。测控站的主要设备有雷达、USB、遥测设备和光学设备。在课程教学中，需要给学员演示测控站所属设备分布情况、设备跟踪测量能力范围、天线指向、波束范围、天线转动、发送/接收信号状态等。

在STK中，对设备跟踪测量范围、设备分布、天线转动、波束范围等的可视化可以通过添加Sensor对象并对其属性进行设置实现，设备跟踪测量范围可视化模拟效果见图 3。

对于不同的测控设备，如雷达、USB、遥测设备、光学设备和星载测控设备，可以通过设置STK中Receiver、Transmitter、Radar对象的属性，如传输功率、频率、天线类型、数据速率调制类型或制式和编码技术等实现模拟。

图3 利用Sensor实现对设备跟踪测量范围二、三维可视化模拟效果

利用其RF环境影响模型提供的完整的环境模型（包括雨衰模型：Crane 1982，Crane 1985，CCIR 1983，ITU-R P.618模型；大气气体的吸收影响；太阳和地球无线频率的干扰），可以实现环境对设备工作的影响。

天地测控链路模拟测控系统通过天地无线电测控信道的测控链路实现遥测、遥控和跟踪功能，其输出链路中接收机接收功率、接收天线增益、接收载噪功率谱密度等是主要关心的内容。而接收机接收功率等又受测控信号在空间传播路径、大气吸收、大气折射及雨衰等影响。这些在实际中又是看不见摸不着的，很难模拟出来。STK的Communications及其组件Comm System具有对通信链路性能及其抗干扰性能的仿真功能[6]，并能提供相应的分析结果，在使用时只需要设置相应的属性信息，就能很方便地实现测控链路的模拟。如图4是某地面站发射信号、低轨卫星接收信号的上行测控链路性能模拟仿真效果。