STK在北斗卫星导航系统教学中的应用
时间：2020-12-09 20:00:41 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
[摘 要] 针对北斗卫星导航系统教学需求，引入STK软件，制作了北斗卫星空间星座、星下点轨迹、卫星可见性、几何精度因子等仿真场景，使抽象的北斗知识点以直观的方式展示出来。教学实践表明，STK的应用促进了学员对教学内容的理解，激发了学员的学习热情，取得了良好的教学效果。
[关键词]北斗卫星导航系统；教学实践；STK软件
[中图分类号] G642；P228 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）07-0055-04
○、引言
20世纪70年代以来，美国和苏联相继启动了各自的卫星导航定位计划，美国发展了全球定位系统GPS，苏联发展了全球导航卫星系统GLONASS[1]。卫星导航技术的迅猛发展已使其成为拓展人类活动、促进社会发展的重要空间基础设施。20世纪80年代初，我国就开始积极探索适合我国国情的卫星导航系统，并在2000年初步建成北斗卫星导航试验系统，这标志着中国成为继美、俄之后世界上第三个拥有自主导航系统的国家。从2004年开始，我国就开始筹建第二代卫星导航系统，按照先区域、后全球的总体建设思路，我国于2012年12月建成了导航信号覆盖中国及周边地区的北斗卫星导航区域系统。满星座的北斗卫星导航系统将在2020年完成，届时北斗卫星导航系统将可以实现全球的卫星导航、定位和授时功能[2][3][4]。
在北斗卫星导航系统教学中，经常遇到北斗卫星星座、星下点轨迹、卫星可见性、几何精度因子等许多复杂抽象的概念。如果仅依赖于教员课堂语言描述结合板书的教学方法，由于不能直观地展示卫星空间运动状况和定位结果，学员会感到理解困难，甚至产生厌学情绪。随着计算机和信息技术等高新技术的飞速发展，计算机仿真技术在全球范围内得到迅速推动，并在航天、航空、地面战场模拟以及其他复杂任务分析中发挥着越来越重要的作用。美国Analytical Graphics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，该软件具有强大的卫星仿真功能，已经广泛应用于航天器轨道预报、战场模拟、测控系统、天体力学等多个领域[5][6][7][8][9]。为了改善教学效果，提高教学质量，近年来笔者将该软件引入北斗卫星导航系统教学中，制作了许多形象生动的三维场景，把适合于动态演示的内容利用图形或视频等形式直观地展示出来，并通过软件操作实践，极大地激发了学员学习的热情，调动了学员学习的积极性。
一、STK软件及其功能
STK是先进的商用现货（COTS）分析和可視化工具，它可以支持航天、防御和情报任务。利用它可以快速方便地分析复杂任务，获得易于理解的图表和文本形式的分析结果，以确定最佳的解决方案。STK软件起初多用于卫星轨道分析，随着软件的不断升级（目前已经推出了10.0版），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。STK软件基本界面如图1所示。
STK提供分析引擎用于计算数据，并可显示多种形式的二维地图。STK可视化模块为STK和其他附加模块提供领先的三维显示环境。STK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提供了附加分析模块，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和其他附加模块提供领先的三维显示环境。
STK基本版的主要功能如下。
1.分析能力——以复杂的数学算法迅速准确地计算出卫星任意时刻的位置、姿态，评估陆地、海洋、空中和空间对象间的复杂关系，以及卫星或地面站传感器的覆盖区域。
2.生成轨道/弹道星历——STK可以快速而准确地确定卫星在任意时刻的位置。STK提供卫星轨道生成向导，指引用户建立常见的轨道类型，如地球同步、临界倾角、太阳同步、重复轨道等。
3.可见性分析——计算场景中任意对象间的访问时间并在二维地图窗口动画显示，计算结果为图表或文字报告，可在对象间增加几何约束条件，如传感器的可视范围、地基或天基系统最小仰角、方位角和可视距离等限制。
4.传感器分析——传感器可以附加在任何空基或地基对象上，用于可见性分析的精确计算，传感器覆盖区域的变化会动态地显示在二维地图窗口中。
5.姿态分析——STK提供标准姿态定义，或从外部输入姿态文件（标准四元数姿态文件），为计算姿态运动对其他参数的影响提供多种分析手段。
6.可视化的计算结果——STK在二维地图窗口可以显示所有以时间为单位的信息，多个窗口可以分别以不同的投影方式和坐标系显示，可以向前、向后或实时地显示任务场景的动态变化：空基或地基对象的位置、传感器覆盖区域、可见情况、光照条件、恒星/行星位置等。
7.全面的数据报告——STK提供全面的图表和文字报告总结关键信息，包含上百种数据，用户可以为一个对象或一组对象定制图表和报告。所有报告均以工业标准格式输出，可以输出到常用的电子制表软件中。
8.多种操作平台——在多种操作系统均可使用，包括Windows 2000、Windows NT、Windows XP、Linux和大多数主要的包括SGI、Sun、IBM、DEC和HP的UNIX平台。
二、STK北斗教学实例
（一）北斗卫星导航系统空间星座和星下点轨迹模拟
北斗卫星导航系统由5颗中轨地球静止轨道（GEO）卫星、3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星、27颗中圆地球轨道（MEO）卫星组成。以往在讲授北斗卫星导航系统星座组成时，由于缺乏直观的表现手段，教员只能利用单调的语言去描绘，无法形象地向学员们介绍北斗卫星导航系统的空间星座。因此，学员很难直观地认识北斗星座的组成情况，理解北斗卫星导航系统星座结构特点，更无法深刻掌握北斗卫星导航系统星下点轨迹和星座的动态运行情况。
