基于STK的卫星导航原理与应用课程教学方法研究

王尔申， 岳孝东， 李　轩， 邵清亮， 王　璐

(沈阳航空航天大学 电子信息工程学院， 辽宁 沈阳　110136)



基于STK的卫星导航原理与应用课程教学方法研究

王尔申， 岳孝东， 李轩， 邵清亮， 王璐

(沈阳航空航天大学 电子信息工程学院， 辽宁 沈阳110136)

在卫星导航原理与应用理论教学中引入卫星工具包STK辅助课程教学，对卫星导航原理与应用课程中的空间坐标系统、卫星轨道、卫星导航星座以及星间链路等知识点进行仿真。该仿真教学方法的实践证明，这一教学改革注重将仿真技术与专业课程教学相结合，提高了学生在卫星导航专业技术方面的实践创新能力，取得了良好的教学效果。

卫星导航原理； 仿真教学方法； 实践教学； 卫星工具包(STK)

全球卫星导航系统(GNSS)采用天基无线电定位技术，可全天候、高精度地为全球范围的用户提供定位、测速以及授时等服务，在民用和军用领域(如航空、航海、地面交通、武器系统、精密测量、农业耕作、个人导航等方面)得到了广泛的应用[1-2]。沈阳航空航天大学电子信息工程学院致力于培养有特色的航空航天电子专业人才，将“卫星导航原理与应用”列为特色专业课程。该课程包含难度比较大的理论知识，如二体问题的运动规律、空间坐标系统、星地空间几何、受摄运动、卫星轨道、信号调制与解调、扩频理论、导航信号的捕获与跟踪等内容[3-7]。但是目前在课程教学中，学生对比较抽象的课程内容不易理解，学习效率不高，教学效果不甚理想。

为此，笔者在课程教学中引入卫星工具包(satellitetoolkit，STK)软件，研究和实践仿真教学方法在专业教学中的应用，利用该软件的建模仿真功能构建卫星导航空间坐标系统、轨道理论等知识点的仿真教学案例，增加教学内容的可视性，调动了学生的学习积极性。

1　卫星导航原理与应用课程分析

“卫星导航原理与应用”课程内容广泛，包括导航星座、信号传输、卫星导航与惯性导航的组合导航、多系统组合导航、增强技术等[8-9]，其具体特点如下：

(1) 卫星导航涉及到多个专业学科的理论基础，但工科电专业的学生普遍缺乏天体力学方面的知识，尤其是复杂的地球坐标系以及基于二体问题的轨道参数方面的知识。

(2) 课程各章节在教学内容上是连贯的，但在知识模块上又有一定的独立性，无论是时空参考系、卫星导航信号、接收机理论，还是定位原理以及误差分析等内容，涉及到的公式、算法较多，比较枯燥，不容易理解。

(3) 卫星导航技术本身是一门理论和工程兼备的专业课程，要使卫星导航技术相关专业的学生具有较强的研究能力,学生需要掌握实用的仿真工具，提高实践能力和创新能力，以便能胜任更多的探索性、研究性工作。

2　卫星工具包STK仿真软件

STK是美国AnalyticalGraphics公司开发的一款在航天领域处于领先地位的商业分析软件。STK的主要功能包括通信和雷达等分析、生成轨道、可见性分析、可视化计算结果、全面的数据报告。另外，STK提供二维、三维场景及图形等多媒体直观的展示功能[10-12]。STK辅助“卫星导航原理与应用”教学有以下3方面优势。

(1) 增加课程的可视性。STK能增强课程使用多媒体的演示效果，尤其是涉及到大量的空间几何方面的内容时，可将抽象的内容可视化，给学生理解卫星导航系统中空间坐标系统、卫星轨道等知识点提供了支撑。

(2) 增加课程的实践环节。以往的教学中大多是学生在被动地接受知识；而借助STK，学生可亲自操作软件完成卫星导航系统星座构建等仿真。通过对较难理解的内容仿真，可提高学生对理论知识的理解能力以及学习的积极性。

(3) 为学生扩展知识提供支撑。卫星导航技术是不断发展和更新的，通过在课程教学中引入STK，使学生掌握了一种新的卫星导航技术学习的仿真软件，为学生课后扩展知识的学习提供条件支持，有利于学生开展探索性实验工作。

3　STK在辅助课程教学中的应用案例

“卫星导航原理与应用”课程中关于空间坐标系、卫星轨道、定位原理等内容是理解和掌握卫星导航技术的基础。笔者在传统的授课方式基础上引入STK，通过其三维模拟、仿真分析功能，对需要空间想象来理解的坐标系、较难理解的卫星轨道及导航星座等知识逐一演示，极大地加深了学生对卫星导航系统知识的理解。

3.1卫星轨道及星下点轨迹仿真

GNSS卫星导航系统中应用到多种轨道卫星。我国的BDS空间星座由5颗地球静止同步轨道卫星(GEO)、27颗中地球轨道卫星(MEO)和3颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)组成。STK的引入使得卫星轨道可视化、便于理解，并且对空间运行的卫星在地面可视时间及可视范围内都能给出清晰的仿真。STK提供了3种创建卫星轨道的方式，即轨道向导、卫星数据库和定义轨道参数。无论使用哪一种方式，都能让使用者方便创建不同类型的卫星轨道。

图1是不同轨道卫星示意图，其中有地球静止轨道卫星(GEO)、倾斜同步轨道卫星(IGSO)和中轨道卫星(MEO)。通过空间坐标系可方便地计算卫星在坐标系中的空间位置及速度矢量，如表1和表2所示。

表1中为3颗不同轨道卫星当前时刻下的空间位置信息，表2中为3颗不同轨道卫星当前时刻下的速度矢量。

图1　不同轨道卫星示意图

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

表2　J2000坐标系下卫星的速度矢量

基于开普勒参数对BDS星座中的卫星轨道描述，根据轨道6参数确定轨道的空间位置。STK的仿真提供了高精度地球引力势、大气阻力以及太阳光压模型。设定仿真时间为2015年5月19日04：00到2015年5月20日04：00共24h(UTC时)，使用Walker星座生成BDS的仿真星座。BDS星座卫星的星下点运行轨迹如图2所示。

由图2可看出，3颗倾斜地球同步轨道卫星星下点轨道为“8”字形(图2中绿色虚线)，在对中国大陆区域增强覆盖的同时，也可以克服高纬度地区始终是低仰角的问题。27颗MEO在3个中轨道上运行覆盖全球。

图2　BDS卫星星下点轨迹

3.2导航星座卫星的可见性仿真

根据卫星导航定位原理，地面接收机用户最少接收到4颗卫星信号才可进行定位，但实际上，由于空间几何精度(GDOP)的影响，用户在只接收到4颗卫星信号的情况下并不能获得良好的定位精度。因此，分析地面用户接收机实时可见卫星的位置、数目及其几何构形是了解GNSS系统定位原理和定位精度的重要内容。STK通过三维仿真可直观地展现出来。图3表示的是位于北京的地面站在某一时刻对北斗卫星导航系统(BDS)的实时可见性。图中地球图案上的蓝色点表示北京站，与该点由线段相连的卫星表示当前的可见卫星。

3.3导航系统星间链路性能仿真

导航系统卫星星座的星间链路(ISL)是指星间传输链路，这是以往的卫星导航课程没有涉及的内容，也是最近几年提出的新的前沿技术。在星间链路的支持下实现自主导航，能够减少地面测控站的布设数量，降低地面站至卫星的信息注入频度，并能增强系统的抗干扰、抗摧毁能力。因此，星间链路是卫星导航系统实现自主运行的一项关键技术。由于导航系统卫星的轨道高度较高，卫星之间的距离、方位角、俯仰角等变化剧烈，给星间链路系统的设计带来很大困难。因此，有必要对星间链路的几何特性进行分析和仿真。星间链路特性参数包括链路长度、方位角以及高度角等，STK具有的链路分析模块可对其性能参数进行仿真分析。图4给出了仿真得到的星间链路长度参数。

图3　北京站对BDS星座卫星可见性

图4　MEO121与MEO112、MEO119链路长度

图4表示北斗卫星导航系统(BDS)的中轨道卫星MEO121和MEO112及MEO119卫星的链路长度。本次仿真时间为UTC时间的一天(24h)。如图4所示，MEO121与MEO112的星间链路在仿真时间内持续有效，而与MEO119则因星座运行时两卫星间的角度变化存在中断。

4　结语

将仿真教学方法引入课程教学中，采用STK卫星工具包设计教学仿真案例辅助课程教学得到了良好的教学效果。实践证明：STK的引入和仿真案例的设计，提高了学生学习的积极性，使学生对卫星导航理论知识掌握得更加扎实，对卫星导航领域的前沿技术有了一定的认识，进而为学生未来从事GNSS卫星导航以及我国北斗卫星导航定位的专业技术工作奠定较好的理论基础和实践创新能力。

References)

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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

辽宁省教学改革研究项目(UPRP20140236)；沈阳航空航天大学教学改革研究项目(YJS2014-14，20130008)

王尔申(1980—)，男，辽宁辽阳，博士，副教授，研究方向为卫星导航理论与教学.

E-mail：wanges_2016@126.com

V249.31;G642.4

A

1002-4956(2016)5- 0129- 03