基于STK軟件的北斗導航衛星軌道模擬

張大力

（黑龍江第一測繪工程院，黑龍江 哈爾濱150025）

隨著計算機和信息技術等高新技術的飛速發展，計算機仿真技術也正在全球范圍內得到迅速的推廣與應用，并在航空、航天、地面戰場模擬及其他復雜任務分析中發揮著越來越重要的作用。從世界上第一顆人造地球衛星“斯普特尼克1號”升空，到GPS成為世界上第一個成熟、可供全民使用的全球衛星定位導航系統，再到我國初步建成北斗衛星導航系統，在諸多航天活動中，對衛星的仿真分析是必不可少的環節，利用飛行可視化仿真技術，可以直觀地看到飛行器飛行的軌跡和姿態變化以及與飛行器任務有關的其它狀態，輔助分析任務的可行性，選擇正確的設計方案和參數。STK是美國Analytical Graphics公司開發的可快速方便分析復雜的陸地、海洋、航空及航天任務，并提供逼真的三維可視化動態場景以及精確的圖表和文本形式的分析結果。北斗衛星導航系統是我國自主建設、獨立運行，并與世界其他衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航系統，北斗衛星導航系統由空間星座、地面控制和用戶終端三大部分組成［1］。我國在衛星仿真分析技術上與國外存在明顯的差距。衛星分析與仿真的研究在國內仍然處于起步階段，對導航衛星進行運行軌道、可見性、覆蓋品質等仿真模擬具有重要的意義。

1 STK簡介

STK的 全 稱 是Satellite Tool Kit（衛 星 工 具箱），是由美國Analytical Graphics公司開發研制的一款在航天工業領域最為領先的商業化分析軟件［2－3］，廣泛應用于美國的航天機構，其主要功能為：

1）分析能力：可快速準確地計算出衛星任意時刻的位置和姿態，評估空間對象與陸、海、空之間的復雜關系，以及衛星或地面站遙感器的覆蓋區域。

2）生成軌道：可快速地生成衛星軌道，也可通過輸入衛星參數創建衛星軌道

3）衛星數據庫：提供幾乎所有衛星的軌道參數，可通過衛星數據庫方便快速地添加衛星。

4）可見性分析：計算空間對象間的訪問時間并在二維地圖窗口中動畫顯示。

5）遙感器分析：可將各類型的遙感器附加在航天器或地面站上，用于可見性分析的精確計算。

6）姿態分析：提供標準姿態定義，可從外部輸入姿態文件（標準四元數姿態文件），為計算姿態運動對其它參數的影響提供多種分析手段。

7）可視化的計算結果：在二維地圖窗口可以顯示所有以時間為單位的信息，多個窗口可以分別以不同的投影方式和坐標系顯示。

8）全面的數據報告：提供全面的圖表和文字報告總結關鍵信息，包含上百種數據，用戶可以為一個對象或一組對象定制圖表和報告。

2 完整北斗星座仿真

北斗衛星導航系統的空間星座由35顆衛星組成，包括5顆地球靜止軌道（GEO）衛星和30顆非地球靜止軌道（Non－GEO）衛星。5顆GEO衛星分別位于東經58．75°、80°、110．5°、140°和160°。30顆非地球靜止軌道（Non－GEO）衛星由27顆中圓地球軌道（MEO）衛星和3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星組成。其中，27顆MEO衛星均勻分布在3個軌道面上，每個軌道面9顆衛星，衛星軌道高度21 500 k m，軌道傾角55°；IGSO衛星均勻分布在3個傾斜同步軌道面上，軌道高度36 000 k m，軌道傾角55°3顆IGSO衛星星下點軌跡重合 交叉點經度為東經118°，相位差120°。地面控制部分由主控站、注入站和監測站等多個地面站構成。用戶段包括北斗導航系統用戶終端和與其他衛星導航系統兼容的終端。

首先打開STK軟件，新建一個Scenario（場景），修改場景命名，并設置場景的仿真時間；利用軌道生成向導，創建5顆地球靜止軌道GEO衛星，分別命名為GEO1～GEO5，由于地球靜止軌道星下點軌跡是一個點，所以在2D窗口中GEO衛星靜止不動，沒有軌跡；通過對象創建向導依次創建3顆傾斜地球同步軌道IGSO衛星，分別命名為IGSO1～IGSO5；創建27顆中圓地球軌道MEO衛星，北斗衛星導航系統的27顆MEO衛星分布在3個軌道面上，每個軌道面上有9顆衛星。最終仿真北斗衛星導航系統的星座分布三維視圖、星下點軌跡二維投影，分別如圖1、圖2所示。

圖1 北斗系統的仿真三維視圖

圖2 北斗系統星下點軌跡二維投影

3 北斗衛星軌道仿真

基于所構建的仿真環境，利用STK可以模擬計算出衛星任意時刻的位置、姿態，同時可將衛星的軌道信息以報告或圖表形式輸出，本節以IGSO1衛星和GEO1衛星為例。因數據量較大，本文只列出模擬 時 段 內1 Jun 2014 12 00 00．000到1 Jun 2014 12：09：00．000之間10個歷元的報告，IGSO1衛星的經緯度以及高度隨時間變化數據如表1所示

GEO1衛星的在J2000坐標系的坐標及速度值如圖3所示。

表1 模擬時段內前10個歷元IGSO1衛星的坐標及速度

圖3 GEO1衛星的在J2000坐標系的坐標及速度值圖表

4 可見性分析

利用STK提供Access功能可以分析衛星相對于某一地面站點的進出場時間、地面站跟蹤衛星的信息，STK的鏈路分析功能可以分析地面站可捕獲的衛星數目。分別在漠河、喀什、成都、上海、三亞5個地點選取地面站，用于下文可見性的仿真分析。

4．1 計算星座可見性

選成都地面站，從3D和2D圖形窗口中也可以觀測到衛星的可見性，如圖4、圖5所示。

在2D窗口中可以看到衛星的地面運行軌跡，可見部分由黃色粗線進行標示。從3D圖形中可以看到衛星的在軌運行狀態，當地面站能可見衛星時，衛星和地面站之間有一條線進行連接，當衛星的可見對地面站消失時，兩者之間連線消失。通過2D和3D圖形顯示，可以直觀形象地看到地面站對北斗系統的可見性。

圖4 地面站捕獲衛星3D效果圖

圖5 地面站捕獲衛星2D效果圖

4．2 可見衛星數目分析

將北斗星座和上海地面站添加至鏈路，上海地面站的可視衛星數目如圖6所示。

圖6 上海地面站可見衛星數目

從圖6中可以看出上海地面站最少可接收北斗衛星導航系統中的14顆衛星，最多20顆。依次分析其他地面站可接收北斗衛星導航系統衛星數，獲得數據如表2所示。

表2 地面站可接收北斗系統衛星數

5 覆蓋分析

5．1 北斗星座對地面站覆蓋分析

以所構建的仿真環境為基礎，以三亞地面站為例，進行整個北斗星座中所有衛星對地面站的覆蓋分析，分析報告如表3所示，限于篇幅只列出部分報告。其中Access Start和Access End分別表示衛星覆蓋地面站的開始時間和結束時間，Duration則表示覆蓋的持續時間，Asset Full Name中的衛星即為覆蓋地面站的衛星。

5．2 導航精度分析

生成北斗系統對于伊春地面站的所有精度因子隨時間變化圖，如圖7所示。

6 結束語

通過可見性分析報告可以發現北斗衛星導航系統具有很好的可見性，其中地面站接收到北斗衛星導航系統中的衛星較多，主要是因為北斗衛星導航系統空間星座中衛星數目較多。通過覆蓋分析報告可以得出北斗導航系統具有良好的覆蓋性，可以實現全球全天候覆蓋。北斗導航系統能提供高精度定位 北斗系統的GDOP平均值較小 從北斗系統的GDOP隨經度變化的圖8中可以發現，我國及周邊地區的GDOP明顯小于其他地區，所以這一區域導航定位精度較高 同時在這一區域 北斗系統定位精度也高于其他系統，這主要是因為北斗系統的GEO和IGSO衛星可以提高區域導航性能。

表3 北斗星座對三亞地面站覆蓋分析報告

圖7 精度因子隨時間變化

圖8 GDOP值隨經度的變化

［1］ 楊鑫春，李征航，吳云．北斗衛星導航系統的星座及XPL性能分析［J］．測繪學 報，2013，40（S）：69－72．

［2］ 荊帥．GNSS星座自主完好性監測與維持技術研究［D］．上海：上海交通大學，2013．

［3］ 楊穎，王琦．STK在計算機仿真中的應用［M］．北京：國防工業出版社，2013．

［4］ 郭斐，張小紅，于興旺，等．基于STK軟件的GALILEO系統仿真與分析［J］．測繪信息與工程，2009，34（1）：3－6．

［5］ 韓雪峰，張海忠，鄭廣偉．區域衛星導航系統覆蓋性能分析［J］．測 繪 與 空 間 地 理 信 息，2014，37（3）：149－150，152．

［6］ 田家磊，趙東明，張中凱，等．非球形引力位中J3項對軌道的影響及應用［J］．測繪工程，2014，23（1）：50－52．