STK软件及其在卫星导航系统中的应用*

于燕婷

(海军工程大学　武汉　430033)



STK软件及其在卫星导航系统中的应用*

于燕婷

(海军工程大学武汉430033)

摘要介绍了STK软件的主要功能，并对国内外主要的卫星导航系统GPS、GLONASS、GALILEO、IRNSS、QZSS以及北斗二号二期系统星座进行仿真，制作了空间运行场景和地面轨迹动态视频，直观反映出各个系统的空间组成及其差异。

关键词STK软件; 卫星导航; 星座仿真

Class NumberTP391

1引言

随着卫星导航技术的不断发展，人们的卫星导航定位需求也在不断增长。为了满足这种需求关系，继三大全球卫星导航系统之后，我国自主研发的北斗全球卫星导航系统也正在加紧组网建设中。目前，我国已经拥有由14颗卫星组成的区域卫星导航系统，可为我国本土和周边地区提供高精度的导航定位服务[1～3]。

STK全称为Satellite Tool Kit(卫星工具包)，是广泛应用于航天、航空领域并可以快速方便地分析各种复杂任务的一种计算机仿真软件。利用STK对卫星导航系统定位性能进行仿真分析，国内外学者进行了大量的研究，取得了一批显著的成果[4～6]，但对于如何利用该软件进行卫星导航系统特别是北斗卫星导航系统做仿真研究甚少。随着北斗卫星导航系统的快速发展，特别是2012年12月北斗二号一期的开通运行，利用STK对国内外主要卫星导航系统进行星座仿真，对于掌握各系统的空间组成及差异、开展教学科研工作具有重要参考意义。

2STK简介

美国Analytical Graphics公司(以下简称AGI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。其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和其它附加模块提供领先的三维显示环境[7～8]。

STK软件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。

3卫星仿真场景的建立及动画制作

STK软件强大的仿真能力，使得它在卫星导航通信领域具有广泛应用，如建立场景、星座仿真、链路分析、覆盖分析等。利用STK 8.0软件，模拟北斗双星系统对地面站北京“访问”的基本场景，步骤如下：

1)打开STK 8.0，设置示例场景Basic类Time period和Animation属性页中的参数。

2)添加两个同步卫星对象，将其命名为“Beidou1”和“Beidou2”，分别位于地球东经80°、东经140°上空。

3)添加地面站(城市)对象“北京”，设置Basic属性下Position。

4) 添加一个星座对象“Constellation1”, 打开其属性对话框，并选择过滤框将Available Objects(可用对象)中的两个星座对象移至Assigned Objects(指定对象)中。

5)加入链路对象“Chain1”，打开其基础定义属性页，选择过滤框将“Constellation1”和北京站加入到Assigned Objects。

6)添加覆盖定义对象“Coverage Definition”，在其Basic属性下定义栅格Grid Definition

7)添加覆盖品质参数对象，在对象浏览器中选择覆盖定义对象“CovDef”，然后向场景中添加新的覆盖品质参数对象，改名为FOM。

图1　全部场景对象

同时，打开二维、三维图形的属性窗口，点击“Soft VTR”界面，对录制文件保存路径、名称、格式等进行设置，点击Start按钮开始动画录制，点击Reset按钮结束录制。利用STK的动画录制功能，可以实现三维、二维画面在指定历元内进行动画场景录制，直观观察到卫星的空间运行状态。

4国内外主要卫星导航系统星座仿真

目前的全球卫星导航系统GNSS(Global Navigation Satellite System，GNSS)主要包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO系统，区域系统有北斗二号一期系统、印度的IRNSS、日本的QZSS系统[9～11]，这些卫星导航系统以其定位精度高、速度快、可靠性高等优点，成为当代重要的导航方式之一。

4.1GPS星座仿真

GPS由空间星座、地面控制部分和用户设备三部分组成，由24颗卫星构成，分布在6个地心轨道平面内，沿赤道以60°间隔均匀分布，相对于赤道面的倾斜角额定55°，轨道半径大约为26600km。

根据上述场景建立的方法，打开STK软件，在空白场景中添加一颗卫星“Satellite1”并命名为“GPS”，进行轨道参数设置，建立GPS星座，如图2所示。

图2　GPS星座仿真

4.2GLONASS星座仿真

完整的GLONASS空间星座由分布在三个轨道面上的24颗卫星组成， 21颗为工作卫星，3颗为在轨备份卫星。三个轨道面的升交点赤经相差120°，轨道倾角为64.8°，轨道高度约19100km，卫星在轨运行周期约11小时15分钟。每个轨道平面内8颗卫星均匀分布，卫星之间的纬度差为45°，两个轨道平面之间的卫星的纬度相差15°。24颗卫星构成的星座可以保证地球上99%的范围内能够同时观测到5颗卫星。GLONASS星座仿真如图3所示。

图3　GLONASS星座仿真

4.3GALILEO星座仿真

GALILEO由分布在3个轨道上的30颗中等高度轨道卫星(MEO)构成，每条轨道卫星个数10(9颗工作，1颗备用)，卫星分布轨道面数3，轨道倾斜角56°，轨道高度24000km，运行周期14小时4分钟，卫星寿命20年，卫星重量625kg，电量供应1.5kw。GALILEO 星座仿真如图4所示。

图4　GALILEO星座仿真

4.4北斗二号一期星座仿真

北斗卫星导航系统由三类卫星星座组成，分别是5颗地球静止同步轨道卫星(GEO)、5颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)和4颗中轨道卫星(MEO)。

4.4.1IGSO星座仿真

IGSO卫星的轨道高度为35786km，轨道倾角为55°，分布在三个轨道面内，升交点赤经相差120°，其中三颗卫星的星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118°，其余两颗卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东经95°。对IGSO星座仿真步骤如下：

1)建立三颗卫星分布在三个轨道平面，升交点赤经相差120°，参数设置如图5所示。

图5　轨道参数设置

2)添加两颗卫星，星下点轨迹重合，交叉点经度为东经95°。要保持卫星运动在同一轨道面，其升交点赤经Ω保持不变，改变近地点角距w，将星下点轨迹移动到指定位置。

3)在对象浏览器中复制第一颗卫星I1，粘贴得到一颗与I1在同一位置的卫星，修改近地点角距直到星下点轨迹交叉点位于东经95°为止，如图6、7所示。同理，建立第五颗IGSO卫星。

图6　I1轨道参数设置

图7　I4轨道参数设置

4.4.2GEO星座仿真

GEO卫星的轨道高度为35786km，分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°，设置相对比较简单，下面以第一颗GEO卫星为例对这类卫星的建立做说明，如图8所示。

图8　G1轨道参数

同理，修改节点经度(Lon.Ascn.Node)即可得到余下四颗卫星的星座仿真情况，北斗二号一期中5颗GEO星座建立完毕。

4.4.3MEO星座仿真

4颗MEO卫星轨道高度为21500km，轨道倾角为55°，回归周期为7天13圈，相位从Walker24/3/1星座中选择，第一轨道面升交点赤经为0°。

MEO基准卫星轨道参数如图9所示，利用Walker星座理论生成，从Walker24/3/8星座中选择第一轨道面3、4相位、第二轨道面7、8相位，其余的全部删除，得到所需的4颗MEO卫星。

图9　MEO基准卫星轨道参数

至此，北斗二号一期的三类卫星全部建立完毕了，综合场景如图10所示。

图10　北斗二号一期星座仿真

5结语

北斗卫星导航系统目前仍处于建设阶段，本文利用STK提供了强大的卫星仿真平台对国内外主要卫星导航系统星座进行了仿真，并生成一系列二维、三维星座运行图形，使学员直观、形象地理解国外全球主要卫星导航系统及北斗卫星导航系统空间星座构成和运行状况;同时，运用STK仿真分析可以生成的一些报告、图表，研究人员可以掌握不同区域、不同参数、不同方案下北斗系统的定位性能，对于高校教学和研究具有指导和参考意义。

参 考 文 献

[1] 郁聪冲.北斗卫星导航系统定位精度及可用性仿真分析研究[D].武汉:海军工程大学,2012.

[2] 段慧娟.北斗卫星导航系统定位性能研究[D].武汉:海军工程大学,2009.

[3]郁聪冲,边少锋.现阶段北斗卫星导航系统可用性分析[J].海洋测绘,2012,32(5):74-76.

[4] 潜成胜.多星座组合卫星导航系统仿真分析[D].南昌:江西理工大学,2014.

[5] 韩雪峰,张海忠,郑广伟.区域卫星导航系统覆盖性能分析[J].测绘与空间地理信息,2014,37(3):148-152.

[6] 胡自全,何秀凤.组合GNSS系统可见卫星分析[J].全球定位系统,2015,40(3):1-5.

[7] 张植辉.基于STK的北斗卫星导航系统星座仿真和定位性能分析[D].武汉:海军工程大学,2014.

[8] 张海忠,刘雪瑞.基于STK的北斗区域系统GDOP仿真分析[J].海洋测绘,2013,33(5):31-33.

[9] 屈亭,皮亦鸣,曹宗杰.基于STK/Matlab的GPS卫星可见性仿真分析[J].科学技术与工程,2009,13(9):3920-3923.

[10] 高晋宁,方源敏,杨展艺等.基于STK的GLONASS系统与GPSDOP值的仿真分析[J].科学技术与工程,2011,11(15):3384-3392.

[11] 郭斐,张小红,于兴旺等.基于STK软件的GALILEO系统仿真与分析[J].测绘信息与工程,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

基金项目：国家自然科学基金项目(编号：41274013；41471387)资助。

作者简介：于燕婷，女，硕士研究生，讲师，研究方向：信号采集及处理。

中图分类号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