王天祥++李曉波++張寶玲

摘 要 立足測控系統(tǒng)與測控網(wǎng)課程課堂教學(xué)需求，引入AGI STK仿真軟件，從而使坐標(biāo)系、航天器軌道和姿態(tài)演化過程、航天測控站設(shè)備性能、測控鏈路等抽象、枯燥的課堂教學(xué)內(nèi)容以形象、直觀的方式展示出來，通過教學(xué)實(shí)踐，取得很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 測控系統(tǒng)與測控網(wǎng)；衛(wèi)星仿真工具包；仿真平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2015）12-0023-03

Application of STK in TT&C System and Network Classroom Teaching//WANG Tianxiang， LI Xiaobo， ZHANG Baoling

Abstract In the paper， with the TT&C system and network classroom teaching needs， The STK is introduced to realize the simulation of the coordination system， spacecraft orbit and attitude， TT&C station， TT&C link， etc. So the abstract and dull teaching contents are displayed by the visual intuitive way. It is proved through practice that effects of teaching can be improved by this means.

Key words TT&C system and network； satellite tool kit； simulation platform

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(shí)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(dòng)形象地表達(dá)出來，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控設(shè)備和航天器的運(yùn)動(dòng)情況。因此，學(xué)生對所學(xué)課程會(huì)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(dòng)、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(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。

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(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)周期的全過程，包括概念、需求、設(shè)計(jì)、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(bào)、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(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(gè)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(huì)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(shí)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(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(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(jì)算姿態(tài)運(yùn)動(dòng)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。

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(dòng)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(dòng)站、測量船、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(dòng)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(dòng)、發(fā)送/接收信號(hào)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(dòng)、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。

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(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(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)的上行測控鏈路性能模擬仿真效果。

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(dòng)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(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。

參考文獻(xiàn)

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