摘 要 立足测控系统与测控网课程课堂教学需求，引入AGI STK仿真软件，从而使坐标系、航天器轨道和姿态演化过程、航天测控站设备性能、测控链路等抽象、枯燥的课堂教学内容以形象、直观的方式展示出来，通过教学实践，取得很好的教学效果。
关键词 测控系统与测控网；卫星仿真工具包；仿真平台
中图分类号：TP391.9 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）12-0023-03
Application of STK in TT&C System and Network Classroom Teaching//WANG Tianxiang， LI Xiaobo， ZHANG Baoling
Abstract In the paper， with the TT&C system and network classroom teaching needs， The STK is introduced to realize the simulation of the coordination system， spacecraft orbit and attitude， TT&C station， TT&C link， etc. So the abstract and dull teaching contents are displayed by the visual intuitive way. It is proved through practice that effects of teaching can be improved by this means.
Key words TT&C system and network； satellite tool kit； simulation platform
1 前言
测控系统与测控网课程是航天测控专业的专业基础课，主要是面向测控工程专业学员从整体上介绍什么是测控系统、测控系统组成、功能、坐标、时统、轨道，以及国内外测控系统情况等。随着教学的发展，探索合适的教学手段来增强课堂教学的效果，特别是对诸如坐标系、测控设备覆盖范围、测控设备对航天器跟踪展示、测控设备天线运转状态、测控网络布局、测控网对目标的覆盖、天地链路通信性能、航天器轨道、航天器姿态、星下点轨迹等内容的讲授，不仅要求授课教师能用语言结合黑板画图的方式生动形象地表达出来，同时也要求学生有较强的空间想象能力，且这种方式不能直观地展示测控设备和航天器的运动情况。因此，学生对所学课程会有抽象、枯燥、不易接受的感觉。
为了激发学生的学习兴趣，以更生动、形象地展示教学内容，便于学生理解，笔者将美国分析图形有限公司（Analytical Graphics Inc，AGI）开发的卫星仿真工具包（Satellite Tool Kit，STK）引入课堂教学中，用二、三维可视化的方式将课堂教学中抽象、枯燥的内容展示出来，从而使得一些用语言难以表述清楚的知识轻松地为学员接受和理解，在课堂教学中起到事半功倍的效果，取得良好的教学效果。
2 STK简介
STK是AGI公司推出的一款用于航天产业设计和分析的专业卫星分析工具软件，它支持航天任务周期的全过程，包括概念、需求、设计、制造、测试、发射、运行和应用等。起初多用于卫星轨道分析，最初的应用集中在航天、情报、雷达、电子对抗、导弹防御等方面。但随着软件的不断升级，其应用也得到进一步的深入，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[1-2]。
利用该软件可以快速方便地分析复杂的陆地、海洋、航空及航天任务。它提供了逼真的二、三维可视化动态场景以及精确的图表、报告等多种分析结果，辅助确定最佳解决方案。在航天飞行实验任务的系统分析、测试发射以及在轨运行等各个环节中得到广泛应用，对卫星的各种性能仿真提供了极大的便利[2]。
STK还为用户提供了强大的二次开发接口服务，主要有两种：一是STK/Connect模块方式[3]，该模块能够使用户在客户/服务器环境下与STK连接，利用TCP/IP或UNTX Domain Sockets实现与STK之间的数据传输；二是STKX组件方式[4]，从6.0版本开始，STK以ActiveX控件形式为二次开发用户提供了一套COM组件，它允许开发人员将STK仿真环境和数据分析引擎无缝地集成到开发的应用程序中。
3 STK在测控系统概论教学中的应用
下面以几个典型例子介绍STK在测控系统概论课程教学中的应用。
坐标系模拟 测控系统最基本任务是确定飞行器在空间的位置，位置的描述是通过坐标系来实现，而实际应用中又有测量坐标系、发射坐标系、大地坐标系、天球坐标系、飞行器本体坐标系等。因此，在测控任务中会根据对象的不同而采用不同的坐标系统。一般来说，这些概念比较抽象、枯燥，在讲解时学员对这些概念很难有直观印象，理解起来也比较困难。
而STK提供了常用的坐标类型（如地理坐标、球坐标、直角坐标等）和坐标系（如Fixed、J2000、B1950、TEME of Epoch、TEME of Data等），还提供了建立自定义坐标系的功能，方便用户实现个性需求。在利用STK进行坐标系可视化显示时，先设置显示东、西、南、北和太阳方向矢量，然后只需要在对象的3D Graphics的vector中选择要显示的坐标系，即可在三维界面中看到坐标系显示效果及坐标轴的指向与东、西、南、北和太阳方向矢量的关系，如图1所示。此外，可以根据需要对坐标系绘制位置，是否显示坐标轴名称、颜色、箭头形状等进行控制。
航天器轨道、姿态演化过程摸拟 课程教学中对航天器在轨运动演化模拟主要包括位置和姿态的模拟。STK包含复杂的数学算法，可以快速而准确地确定卫星在任意时刻的位置。STK为航天器轨道演化模拟提供了多达11种类型的轨道预报器，分别是TwoBody、J2Perturbation、J4Perturbation、HPOP、SGP4、LOP、StkExternal、PODS、SPICE、Astrogator、RealTime[5]。前九种主要用于非实时数据的轨道设置；Astrogator主要用于航天器机动模拟；RealTime主要用于外部实时数据驱动卫星运动，常用于开发卫星在轨运行仿真系统。这些轨道预报器能够模拟考虑不同摄动影响下航天器在轨运行演化情况，使用人员只需要进行简单的设置即可实现。图2所示为初始位置相同的两颗航天器分别采用TwoBody、J4Perturbation预报器运行一段时间后位置差异效果。