高春雷

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，南京 211156）

基于STK的GPS系統(tǒng)仿真

高春雷

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，南京 211156）

本文通過(guò) STK的星座仿真能力對(duì) GPS 的軌道分布、地面站等進(jìn)行了仿真建模，可直觀理解GPS在空間的運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上通過(guò)分配其屬性約束，可對(duì) GPS 在特定點(diǎn)的可見(jiàn)性和覆蓋性等進(jìn)行了分析。

STK 軟件；GPS系統(tǒng)；仿真

STK（Satellite Tool Kit，衛(wèi)星仿真工具包） 是由美國(guó)的 AGI 公司開(kāi)發(fā)的一款先進(jìn)的專(zhuān)業(yè)衛(wèi)星分析工具軟件。通過(guò)其強(qiáng)大的分析能力可對(duì)地面和空間目標(biāo)進(jìn)行快速方便的仿真與分析。本文通過(guò) STK 強(qiáng)大的星座仿真能力對(duì) GPS 的軌道分布、地面站等進(jìn)行了仿真建模。在此基礎(chǔ)上通過(guò) STK 的對(duì)應(yīng)模塊進(jìn)行的仿真分析，可直接獲得易于理解的圖表和文本形式的分析結(jié)果。

1 GPS 軌道參數(shù)

GPS 衛(wèi)星圍繞地球軌道運(yùn)行，它的瞬時(shí)位置可以通過(guò)衛(wèi)星的軌道參數(shù)確定，然后將軌道參數(shù)通過(guò)導(dǎo)航電文的形式向外發(fā)送，用戶接收機(jī)接收到這些軌道參數(shù)后，就可以自行解算出衛(wèi)星的瞬時(shí)位置。

對(duì) GPS 衛(wèi)星星座的仿真的關(guān)鍵就是確定 GPS 衛(wèi)星的六個(gè)軌道參數(shù)，即開(kāi)普勒軌道參數(shù)，這個(gè)六軌道參數(shù)分別是：

2 星座仿真

STK 軟件是使用面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)，其最高級(jí)別的子對(duì)象就是場(chǎng)景（Scenario） 。場(chǎng)景就相當(dāng)于一個(gè)容器，它包含其他具有某種相互關(guān)系的子對(duì)象。利用 STK 軟件可以方便地建立仿真場(chǎng)景，并且可以直觀地將各種物體導(dǎo)入場(chǎng)景中。

建立衛(wèi)星星座仿真場(chǎng)景，我們有三種方法。第一種方法是直接利用 STK 軟件中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)加載我們所需要的衛(wèi)星星座數(shù)據(jù)；第二種方法是利用 Orbit Wizard（軌道向?qū)В┻@個(gè)功能，直接在里面設(shè)置衛(wèi)星軌道的參數(shù)并且生成衛(wèi)星對(duì)象；最后一種方法是用 2行星歷數(shù)據(jù)格式進(jìn)行導(dǎo)入。本文用 Orbit Wizard 來(lái)生成衛(wèi)星對(duì)象。

GPS衛(wèi)星星座是由24顆衛(wèi)星組成，分布在6個(gè)軌道面內(nèi)，每個(gè)軌道面上分布有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對(duì)于地球赤道面的傾角平均為55°，各軌道平面升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60°，軌道平均高度約為20200km。根據(jù)這些數(shù)據(jù)我們可以對(duì)衛(wèi)星對(duì)象參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。通過(guò)第二種方法進(jìn)行仿真，首先啟動(dòng)STK軟件，創(chuàng)建一個(gè)場(chǎng)景，通過(guò)STK軟件的Orbit Wizard（軌道向?qū)В﹣?lái)對(duì)衛(wèi)星對(duì)象進(jìn)行生成，打開(kāi)Orbit Wizard窗口，我們可以看到許多關(guān)于衛(wèi)星軌道上的設(shè)置，將軌道的類(lèi)型選擇為Circular（即圓形軌道），軌道傾角設(shè)置為55°以及將衛(wèi)星高度設(shè)置為20200km。此時(shí)，在對(duì)象窗口看到剛添加的衛(wèi)星。不同軌道特性的衛(wèi)星具有不同的星下點(diǎn)軌跡，依次建立24顆衛(wèi)星。

衛(wèi)星與地球在任一時(shí)刻的連線與地球表面相交于一點(diǎn)，我們稱(chēng)之為衛(wèi)星是在該時(shí)刻下的星下點(diǎn)（Subsatellite Point），各個(gè)時(shí)刻下的星下點(diǎn)連線則稱(chēng)為衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡。不同軌道特性的衛(wèi)星具有不同的星下點(diǎn)軌跡。為了使用戶更加直觀的觀察航天任務(wù)的運(yùn)行過(guò)程，STK軟件提供了三維和二維可視化功能，在建立完GPS衛(wèi)星星座場(chǎng)景后，我們可以在圖形窗口中分別看到三維和二維的GPS衛(wèi)星變化。三維窗口展示了GPS衛(wèi)星與地球的空間幾何關(guān)系，二維窗口描繪了GPS衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡。此外可通過(guò)STK軟件提供的開(kāi)始、加速、減速等按鈕以動(dòng)態(tài)的形式觀察GPS衛(wèi)星星座變化。

3 小結(jié)

本文通過(guò) STK對(duì) GPS 進(jìn)行了星座仿真，可直觀了解GPS在空間的運(yùn)行狀況及其軌跡，對(duì)理解GPS的運(yùn)行具有一定意義。

［1］劉建業(yè)等.導(dǎo)航系統(tǒng)理論與應(yīng)用［M］.西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010（03）.

［2］楊穎，王琦.STK在計(jì)算機(jī)仿真中的應(yīng)用［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，2005（01）.

［3］張彩娟.STK及其在衛(wèi)星系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用［A］.無(wú)線電通信技術(shù)，2007，33（04）：1003-3114.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.118

高春雷（1985-），男，江蘇啟東人，碩士研究生，講師，研究方向：民航電子電氣方向。