基于STK的GPS系統仿真

高春雷

（南京航空航天大學金城學院，南京 211156）

基于STK的GPS系統仿真

高春雷

（南京航空航天大學金城學院，南京 211156）

本文通過 STK的星座仿真能力對 GPS 的軌道分布、地面站等進行了仿真建模，可直觀理解GPS在空間的運行。在此基礎上通過分配其屬性約束，可對 GPS 在特定點的可見性和覆蓋性等進行了分析。

STK 軟件；GPS系統；仿真

STK（Satellite Tool Kit，衛星仿真工具包） 是由美國的 AGI 公司開發的一款先進的專業衛星分析工具軟件。通過其強大的分析能力可對地面和空間目標進行快速方便的仿真與分析。本文通過 STK 強大的星座仿真能力對 GPS 的軌道分布、地面站等進行了仿真建模。在此基礎上通過 STK 的對應模塊進行的仿真分析，可直接獲得易于理解的圖表和文本形式的分析結果。

1 GPS 軌道參數

GPS 衛星圍繞地球軌道運行，它的瞬時位置可以通過衛星的軌道參數確定，然后將軌道參數通過導航電文的形式向外發送，用戶接收機接收到這些軌道參數后，就可以自行解算出衛星的瞬時位置。

對 GPS 衛星星座的仿真的關鍵就是確定 GPS 衛星的六個軌道參數，即開普勒軌道參數，這個六軌道參數分別是：

2 星座仿真

STK 軟件是使用面向對象的體系結構，其最高級別的子對象就是場景（Scenario） 。場景就相當于一個容器，它包含其他具有某種相互關系的子對象。利用 STK 軟件可以方便地建立仿真場景，并且可以直觀地將各種物體導入場景中。

建立衛星星座仿真場景，我們有三種方法。第一種方法是直接利用 STK 軟件中的衛星星歷數據庫來加載我們所需要的衛星星座數據；第二種方法是利用 Orbit Wizard（軌道向導）這個功能，直接在里面設置衛星軌道的參數并且生成衛星對象；最后一種方法是用 2行星歷數據格式進行導入。本文用 Orbit Wizard 來生成衛星對象。

GPS衛星星座是由24顆衛星組成，分布在6個軌道面內，每個軌道面上分布有4顆衛星。衛星軌道面相對于地球赤道面的傾角平均為55°，各軌道平面升交點的赤經相差60°，軌道平均高度約為20200km。根據這些數據我們可以對衛星對象參數進行設定。通過第二種方法進行仿真，首先啟動STK軟件，創建一個場景，通過STK軟件的Orbit Wizard（軌道向導）來對衛星對象進行生成，打開Orbit Wizard窗口，我們可以看到許多關于衛星軌道上的設置，將軌道的類型選擇為Circular（即圓形軌道），軌道傾角設置為55°以及將衛星高度設置為20200km。此時，在對象窗口看到剛添加的衛星。不同軌道特性的衛星具有不同的星下點軌跡，依次建立24顆衛星。

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

3 小結

本文通過 STK對 GPS 進行了星座仿真，可直觀了解GPS在空間的運行狀況及其軌跡，對理解GPS的運行具有一定意義。

［1］劉建業等.導航系統理論與應用［M］.西北工業大學出版社，2010（03）.

［2］楊穎，王琦.STK在計算機仿真中的應用［M］.國防工業出版社，2005（01）.

［3］張彩娟.STK及其在衛星系統仿真中的應用［A］.無線電通信技術，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。