◆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控技術(shù)（101416）。

1 前言

測控系統(tǒng)與測控網(wǎng)課程是航天測控專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要是面向測控工程專業(yè)學(xué)員從整體上介紹什么是測控系統(tǒng)、測控系統(tǒng)組成、功能、坐標(biāo)、時統(tǒng)、軌道，以及國內(nèi)外測控系統(tǒng)情況等。隨著教學(xué)的發(fā)展，探索合適的教學(xué)手段來增強(qiáng)課堂教學(xué)的效果，特別是對諸如坐標(biāo)系、測控設(shè)備覆蓋范圍、測控設(shè)備對航天器跟蹤展示、測控設(shè)備天線運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、測控網(wǎng)絡(luò)布局、測控網(wǎng)對目標(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言結(jié)合黑板畫圖的方式生動形象地表達(dá)出來，同時也要求學(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控設(shè)備和航天器的運(yùn)動情況。因此，學(xué)生對所學(xué)課程會有抽象、枯燥、不易接受的感覺。

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以更生動、形象地展示教學(xué)內(nèi)容，便于學(xué)生理解，筆者將美國分析圖形有限公司（Analytical Graphics Inc，AGI）開發(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，從而使得一些用語言難以表述清楚的知識輕松地為學(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簡介

STK是AGI公司推出的一款用于航天產(chǎn)業(yè)設(shè)計和分析的專業(yè)衛(wèi)星分析工具軟件，它支持航天任務(wù)周期的全過程，包括概念、需求、設(shè)計、制造、測試、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、雷達(dá)、電子對抗、導(dǎo)彈防御等方面。但隨著軟件的不斷升級，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[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、三維可視化動態(tài)場景以及精確的圖表、報告等多種分析結(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、測試發(fā)射以及在軌運(yùn)行等各個環(huán)節(jié)中得到廣泛應(yīng)用，對衛(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版本開始，STK以ActiveX控件形式為二次開發(fā)用戶提供了一套COM組件，它允許開發(fā)人員將STK仿真環(huán)境和數(shù)據(jù)分析引擎無縫地集成到開發(fā)的應(yīng)用程序中。

3 STK在測控系統(tǒng)概論教學(xué)中的應(yīng)用

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

坐標(biāo)系模擬 測控系統(tǒng)最基本任務(wù)是確定飛行器在空間的位置，位置的描述是通過坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)，而實(shí)際應(yīng)用中又有測量坐標(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，在測控任務(wù)中會根據(jù)對象的不同而采用不同的坐標(biāo)系統(tǒng)。一般來說，這些概念比較抽象、枯燥，在講解時學(xué)員對這些概念很難有直觀印象，理解起來也比較困難。

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)個性需求。在利用STK進(jìn)行坐標(biāo)系可視化顯示時，先設(shè)置顯示東、西、南、北和太陽方向矢量，然后只需要在對象的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、北和太陽方向矢量的關(guān)系，如圖1所示。此外，可以根據(jù)需要對坐標(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)演化過程摸擬 課程教學(xué)中對航天器在軌運(yùn)動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)時數(shù)據(jù)的軌道設(shè)置；Astrogator主要用于航天器機(jī)動模擬；RealTime主要用于外部實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動衛(wèi)星運(yùn)動，常用于開發(fā)衛(wèi)星在軌運(yùn)行仿真系統(tǒng)。這些軌道預(yù)報器能夠模擬考慮不同攝動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)報器運(yùn)行一段時間后位置差異效果。

此外，STK提供了常見軌道類型航天器軌道生成向?qū)?，指引用戶建立常見的軌道類型如地球同步軌道、太陽同步軌道等。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)，為計算姿態(tài)運(yùn)動對其他參數(shù)的影響提供多種分析手段。通過簡單的設(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)報器運(yùn)行效果

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

1）航天測控站模擬。航天測控站主要有陸地固定站、車載活動站、測量船、天基站（即中繼衛(wèi)星），主要是模擬其運(yùn)動特征。在STK中，可以通過在場景中加載地形、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)對固定站、車載活動站、測量船、天基站的模擬，在教學(xué)過程中為學(xué)員提供逼真的三維模擬環(huán)境。

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

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

對于不同的測控設(shè)備，如雷達(dá)、USB、遙測設(shè)備、光學(xué)設(shè)備和星載測控設(shè)備，可以通過設(shè)置STK中Receiver、Transmitter、Radar對象的屬性，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)對設(shè)備跟蹤測量范圍二、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；太陽和地球無線頻率的干擾），可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境對設(shè)備工作的影響。

天地測控鏈路模擬 測控系統(tǒng)通過天地?zé)o線電測控信道的測控鏈路實(shí)現(xiàn)遙測、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)接收功率等又受測控信號在空間傳播路徑、大氣吸收、大氣折射及雨衰等影響。這些在實(shí)際中又是看不見摸不著的，很難模擬出來。STK的Communications及其組件Comm System具有對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)測控鏈路的模擬。如圖4是某地面站發(fā)射信號、低軌衛(wèi)星接收信號的上行測控鏈路性能模擬仿真效果。

圖4 實(shí)時鏈路性能動態(tài)顯示效果

通過以上分析可以看出，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、生動地展示測控系統(tǒng)與測控網(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

將STK軟件應(yīng)用于測控系統(tǒng)與測控網(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，STK的引入，使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課程內(nèi)容的同時，掌握了一個有效的專業(yè)工具軟件，得到學(xué)生的認(rèn)可?！?/p>

[1]紀(jì)兵,邊少鋒.STK軟件在衛(wèi)星導(dǎo)航原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2008(4):245.

[2]楊穎,王琦.STK在計算機(jī)仿真中的應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

[3]黃潔,黨同心,趙擁軍.VC和STK集成的途徑及其在仿真中的應(yīng)用[J].計算機(jī)仿真,2007(1):291-294.

[4]陳波,張剛,王娜,等.基于STKX組件的視景仿真關(guān)鍵技術(shù)[J].計算機(jī)工程,2011(19):261-263.

[5]陳希軍,李仁.基于STK的衛(wèi)星飛行軌跡仿真技術(shù)[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008(3):339-343.

[6]高秀娥,魏秀參.STKX組件技術(shù)在星地鏈路中的仿真模式研究[J].信息技術(shù),2012(2):13-16.