基于STK软件的北斗导航卫星轨道模拟

张大力

（黑龙江第一测绘工程院，黑龙江 哈尔滨150025）

随着计算机和信息技术等高新技术的飞速发展，计算机仿真技术也正在全球范围内得到迅速的推广与应用，并在航空、航天、地面战场模拟及其他复杂任务分析中发挥着越来越重要的作用。从世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”升空，到GPS成为世界上第一个成熟、可供全民使用的全球卫星定位导航系统，再到我国初步建成北斗卫星导航系统，在诸多航天活动中，对卫星的仿真分析是必不可少的环节，利用飞行可视化仿真技术，可以直观地看到飞行器飞行的轨迹和姿态变化以及与飞行器任务有关的其它状态，辅助分析任务的可行性，选择正确的设计方案和参数。STK是美国Analytical Graphics公司开发的可快速方便分析复杂的陆地、海洋、航空及航天任务，并提供逼真的三维可视化动态场景以及精确的图表和文本形式的分析结果。北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，北斗卫星导航系统由空间星座、地面控制和用户终端三大部分组成［1］。我国在卫星仿真分析技术上与国外存在明显的差距。卫星分析与仿真的研究在国内仍然处于起步阶段，对导航卫星进行运行轨道、可见性、覆盖品质等仿真模拟具有重要的意义。

1 STK简介

STK的 全 称 是Satellite Tool Kit（卫 星 工 具箱），是由美国Analytical Graphics公司开发研制的一款在航天工业领域最为领先的商业化分析软件［2－3］，广泛应用于美国的航天机构，其主要功能为：

1）分析能力：可快速准确地计算出卫星任意时刻的位置和姿态，评估空间对象与陆、海、空之间的复杂关系，以及卫星或地面站遥感器的覆盖区域。

2）生成轨道：可快速地生成卫星轨道，也可通过输入卫星参数创建卫星轨道

3）卫星数据库：提供几乎所有卫星的轨道参数，可通过卫星数据库方便快速地添加卫星。

4）可见性分析：计算空间对象间的访问时间并在二维地图窗口中动画显示。

5）遥感器分析：可将各类型的遥感器附加在航天器或地面站上，用于可见性分析的精确计算。

6）姿态分析：提供标准姿态定义，可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它参数的影响提供多种分析手段。

7）可视化的计算结果：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。

8）全面的数据报告：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。

2 完整北斗星座仿真

北斗卫星导航系统的空间星座由35颗卫星组成，包括5颗地球静止轨道（GEO）卫星和30颗非地球静止轨道（Non－GEO）卫星。5颗GEO卫星分别位于东经58．75°、80°、110．5°、140°和160°。30颗非地球静止轨道（Non－GEO）卫星由27颗中圆地球轨道（MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成。其中，27颗MEO卫星均匀分布在3个轨道面上，每个轨道面9颗卫星，卫星轨道高度21 500 k m，轨道倾角55°；IGSO卫星均匀分布在3个倾斜同步轨道面上，轨道高度36 000 k m，轨道倾角55°3颗IGSO卫星星下点轨迹重合 交叉点经度为东经118°，相位差120°。地面控制部分由主控站、注入站和监测站等多个地面站构成。用户段包括北斗导航系统用户终端和与其他卫星导航系统兼容的终端。

首先打开STK软件，新建一个Scenario（场景），修改场景命名，并设置场景的仿真时间；利用轨道生成向导，创建5颗地球静止轨道GEO卫星，分别命名为GEO1～GEO5，由于地球静止轨道星下点轨迹是一个点，所以在2D窗口中GEO卫星静止不动，没有轨迹；通过对象创建向导依次创建3颗倾斜地球同步轨道IGSO卫星，分别命名为IGSO1～IGSO5；创建27颗中圆地球轨道MEO卫星，北斗卫星导航系统的27颗MEO卫星分布在3个轨道面上，每个轨道面上有9颗卫星。最终仿真北斗卫星导航系统的星座分布三维视图、星下点轨迹二维投影，分别如图1、图2所示。

图1 北斗系统的仿真三维视图

图2 北斗系统星下点轨迹二维投影

3 北斗卫星轨道仿真

基于所构建的仿真环境，利用STK可以模拟计算出卫星任意时刻的位置、姿态，同时可将卫星的轨道信息以报告或图表形式输出，本节以IGSO1卫星和GEO1卫星为例。因数据量较大，本文只列出模拟 时 段 内1 Jun 2014 12 00 00．000到1 Jun 2014 12：09：00．000之间10个历元的报告，IGSO1卫星的经纬度以及高度随时间变化数据如表1所示

GEO1卫星的在J2000坐标系的坐标及速度值如图3所示。

表1 模拟时段内前10个历元IGSO1卫星的坐标及速度

图3 GEO1卫星的在J2000坐标系的坐标及速度值图表

4 可见性分析

利用STK提供Access功能可以分析卫星相对于某一地面站点的进出场时间、地面站跟踪卫星的信息，STK的链路分析功能可以分析地面站可捕获的卫星数目。分别在漠河、喀什、成都、上海、三亚5个地点选取地面站，用于下文可见性的仿真分析。

4．1 计算星座可见性

选成都地面站，从3D和2D图形窗口中也可以观测到卫星的可见性，如图4、图5所示。

在2D窗口中可以看到卫星的地面运行轨迹，可见部分由黄色粗线进行标示。从3D图形中可以看到卫星的在轨运行状态，当地面站能可见卫星时，卫星和地面站之间有一条线进行连接，当卫星的可见对地面站消失时，两者之间连线消失。通过2D和3D图形显示，可以直观形象地看到地面站对北斗系统的可见性。

图4 地面站捕获卫星3D效果图

图5 地面站捕获卫星2D效果图

4．2 可见卫星数目分析

将北斗星座和上海地面站添加至链路，上海地面站的可视卫星数目如图6所示。

图6 上海地面站可见卫星数目

从图6中可以看出上海地面站最少可接收北斗卫星导航系统中的14颗卫星，最多20颗。依次分析其他地面站可接收北斗卫星导航系统卫星数，获得数据如表2所示。

表2 地面站可接收北斗系统卫星数

5 覆盖分析

5．1 北斗星座对地面站覆盖分析

以所构建的仿真环境为基础，以三亚地面站为例，进行整个北斗星座中所有卫星对地面站的覆盖分析，分析报告如表3所示，限于篇幅只列出部分报告。其中Access Start和Access End分别表示卫星覆盖地面站的开始时间和结束时间，Duration则表示覆盖的持续时间，Asset Full Name中的卫星即为覆盖地面站的卫星。

5．2 导航精度分析

生成北斗系统对于伊春地面站的所有精度因子随时间变化图，如图7所示。

6 结束语

通过可见性分析报告可以发现北斗卫星导航系统具有很好的可见性，其中地面站接收到北斗卫星导航系统中的卫星较多，主要是因为北斗卫星导航系统空间星座中卫星数目较多。通过覆盖分析报告可以得出北斗导航系统具有良好的覆盖性，可以实现全球全天候覆盖。北斗导航系统能提供高精度定位 北斗系统的GDOP平均值较小 从北斗系统的GDOP随经度变化的图8中可以发现，我国及周边地区的GDOP明显小于其他地区，所以这一区域导航定位精度较高 同时在这一区域 北斗系统定位精度也高于其他系统，这主要是因为北斗系统的GEO和IGSO卫星可以提高区域导航性能。

表3 北斗星座对三亚地面站覆盖分析报告

图7 精度因子随时间变化

图8 GDOP值随经度的变化

［1］ 杨鑫春，李征航，吴云．北斗卫星导航系统的星座及XPL性能分析［J］．测绘学 报，2013，40（S）：69－72．

［2］ 荆帅．GNSS星座自主完好性监测与维持技术研究［D］．上海：上海交通大学，2013．

［3］ 杨颖，王琦．STK在计算机仿真中的应用［M］．北京：国防工业出版社，2013．

［4］ 郭斐，张小红，于兴旺，等．基于STK软件的GALILEO系统仿真与分析［J］．测绘信息与工程，2009，34（1）：3－6．

［5］ 韩雪峰，张海忠，郑广伟．区域卫星导航系统覆盖性能分析［J］．测 绘 与 空 间 地 理 信 息，2014，37（3）：149－150，152．

［6］ 田家磊，赵东明，张中凯，等．非球形引力位中J3项对轨道的影响及应用［J］．测绘工程，2014，23（1）：50－52．