基于STK的北斗导航三维动画演示

-i-基于STK的北斗导航三维动画演示摘要利用三维动画对工程及科研项目等进行模拟仿真既可以满足工程和科研人员对项目任务的整体规划设计及方案确定的要求也便于人们从视觉上对项目有更好的了解和把握。在神舟系列飞船，探月工程，空间站的建立等航天项目中三维动画为设计人员提供参考并为各项目人员之间的交流提供了更好的工具。同时通过三维动画的演示，使得普通民众对复杂的航天项目的理解更加容易，有利于项目的推广和宣传。目前制作三维动画的软件很多，而本文使用在航空航天领域应用较多的数据分析与演示软件STK。STK的全称是SatelliteToolKit(卫星仿真工具包),由美国图形分析公司（AGI）研制，是航天领域中先进的系统分析软件,其强大的分析功能可用于分析复杂的陆、海、空及航天任务。同时STK的三维显示功能可进行陆、海、空、天、水下等任务的运动轨迹与姿态控制的3D动画视效分析模拟、实时监控、简报影片制作等，使人们对各种复杂的任务过程有更加直观的了解。本文利用STK完成三部分内容：动画制作，北斗和GPS可见性分析。基于STK的三维场景仿真功能完成“飞机飞行”动画制作。该动画主要演示了飞机从北京飞往上海过程中的通信细节。通过动画表示出飞机通信系统的大致工作过程。此外利用STK强大的数据分析功能，结合北斗（GPS）卫星，完成了北斗（GPS）卫星对飞行过程中飞机的可见性分析，为北斗（GPS）卫星对该点的导航性能提供参考。并为北斗和GPS在此过程中的导航性能比较提供数据。关键词：三维动画；仿真；STK；通用航空；北斗；GPS；可见性；导航-ii-ABSTRACTTheuseof3Danimationinengineeringandscientificresearchprojectssimulationcanmeetthescientificresearchpersonnel’srequirementsontheoverallplanninganddesignoftheprojecttasksandschemedetermination.ItalsofacilitatesabetterunderstandingandgraspoftheprojectFromthevision.ItProvidesreferencesfordesignersinprojectssuchastheShenzhouseriesofspacecraft,lunarexploration,theestablishmentofthespacestation,andalsoprovidesabettertoolforallprojectpersonneltocommunicate.3Danimationsmakeiteasyforthegeneralpublictounderstandcomplexaerospaceprojectsandcontrib-utetothepromotionandpublicityoftheprojects.Therearetoomanysoftwareforproducing3Danimations.ThethesisusestheSTKsoftwarewhichiswidelyusedinthefiledofaerospace.TheSTK,thatistheSatelliteToolKit,whichisdevelopedbytheAGI,isadvancedinthefieldofaerospacesystemanalysis.Itspowerfulanalysisfeaturescanbeusedfortheanalysisofcomplexland,sea,airandspacemissions.The3DdisplayfeaturesofSTKcanbeusedin3Danimationvisualeffectssimulation,real-timemonitoring,presentationsandvideoproductionetc.forland,sea,air,underwatertasks.TothebenefitofSTK,peoplehaveamoreintuitiveunderstandingofavarietyofcomplextasks’process.ThethesisusedSTKtocompletethreeassignments:animationcreation,softwaredesignandthevisibilityanalysisoftheBeiDou（GPS）.Utilizethe3Dscenesimulationcapabil-itiesofSTKtocompletetheanimation“AirplaneFlight”.ThisanimationshowsthemajoraircraftcommunicationdetailsfromBeijingtoShanghaiintheprocess.InadditionSTKusingpowerfuldataanalysiscapabilities,combinedwithCompass(GPS)satellites,visibilityanalysiscompletedCompass(GPS)satellitesontheaircraftduringtheflight,toprovideareferencefortheperformanceoftheBeidounavigation(GPS)satellitestothepoint.CompassandGPSnavigationandperformanceofthisprocessisprovidedinthedatacomparison.KeyWords：3Danimation;stimulation;STK;generalaviation;BeiDou；GPS;visi-bility；Navigation-1-1STK技术基础1.1STK简介STK(SatelliteToolKit)是由美国AnalyticalGraphics公司开发的卫星仿真工具包,是航天工业领先的商品化分析软件,它可以快速方便地分析复杂的陆、海、空、天任务,并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果,用于确定最佳解决方案。STK不但具有强大的数据仿真功能,还具有三维可视化模块(STK/VO),为STK和其它附加模块提供逼真的三维显示环境。STK主要功能STK提供分析引擎用于计算数据并可显示多种形式的二维、三维地图，显示卫星和其他对象如运载火箭、导弹、飞机、地面车辆、目标等。STK的三维可视化模块为STK和其他附加模块提供领先的三维显示环境。STK基本模块的核心能力是生成位置和姿态数据、可见性及遥控器的覆盖性分析。STK专业版扩展了STK的基本分析能力，包括附加的轨道预报算法、姿态定义、坐标类型和坐标系统、遥感器类型、高级的约束条件定义，以及卫星、城市、地面站和恒星数据库。[1]STK主要功能包括[1]分析能力：用户通过使用STK，可以快速而准确地计算卫星的位置和姿态，评估航天器与太空、陆地、海洋、和天空中的目标之间的相互关系，计算卫星传感器的覆盖区域。计算轨道和弹道：STK提供了多种分析和数值方法的模型（二体运动、J2、J4、SGP4、导入星历数据）在各种坐标系类型和系统中计算卫星位置数据。卫星数据库：STK在网站上提供了一个由最新的NORAD2行数据组成的卫星数据库，该数据中有超过了10000个物体的（在轨工作的、不工作卫星以及轨道碎片）轨道参数。可见性分析：STK可以计算在场景中任何类型的车辆、设施、目标和传感器对于其他对象（包括行星和恒星）的访问时间。为了简化可视线，这些可视区还可以被一些几何约束条件诸如传感器视场、地面或者空间的最小仰角、方位角和距离等限制。传感器分析：传感器的视场可以加入到地基和空基的STK对象中，这样在可视条件计算中有了更高的真实度。姿态分析：STK生成标准的姿态剖面以及外部姿态四元组件，提供了分析姿-2-态运动和对不同的STK计算出的参数影响的方法。可视化结果：STK允许在多种二维地图显示中察看所有与时间相关的信息。多种不同类型的地图可以同时显示。提供详尽的数据报告：STK的特性之一就是提供一组标准的报告和图表来概述关键信息。所有的报告都可以以工业标准格式导出到流行的电子表格工具中。接口定制：STK的PC用户可以利用STK所采用的MicrosoftComponentObjectModel（COM）来方便地与其他支持COM操作的应用程序集成，例如Mi-crosoftOffice。另外，STK的用户界面还可以被用户定义的HTML页面应用所定制。多种操作系统平台可选：STK有多种版本，可以运行在Windows2000、WindowsNT、WindowsXP、LINUX和大多数主要的包括SGI、Sun、IBM的UNIX平台。1.2STK动画制作技术目前有很多软件可以进行三维场景动画的制作，例如3DMax、Maya等。STK区别于这些软件的最大特点是就是其在航空航天任务分析仿真方面的应用。它可以对陆、海、空、天，电（磁）等任务场景进行逼真的仿真，尤其是在卫星轨道分析、情报、雷达、电子对抗、导弹防御等方面的应用是其他软件所远不及的。三维显示模块STK/VO提供了三维显示环境，能够以精确数据驱动。通过显示逼真的空间环境，空中与地面资源，各种不同的视点和辅助分析工具，提供了动态显示卫星姿态等的手段，通过在不同窗口显示对象的各个角度，方位指向，指向变化轨迹等，使人们直观理解复杂的航天任务。STK集成了很多的模块，各模块功能和内容设置已经相当成熟，在进行动画制作时我们只需根据自己的需要添加相应的模块和对象，搭建设计好的场景，再对相应的目标进行设置和参数修改，实现自身项目的目标。同时STK既可以进行真实的场景动画设计和数据分析也可以针对想要设计的动画进行单纯的场景搭建。在航空航天应用方面的动画制作，STK拥有绝对的优势。-3-2仿真动画制作该仿真动画主要是为了对北斗和GPS在飞机从北京飞往上海图中的可见性进行分析，因此，需要建立两个场景，分别对北斗和GPS进行仿真分析。其中，两个场景的地面布置一样，均为一条北京飞往上海的完整航线，而空中则分别是北斗星座和GPS星座。2.1地面布站地面布站如图1，其中两个白色的圈分别表示北京和上海塔台管制区，塔台命名为t_BJ和t_SH。橙色圈表示北京和上海进近管制区域，命名为app_BJ和app_SH。紫色和蓝色的圈是途径地点的甚高频（VHF）台的有效通信范围，其中VHF1由于故障，不能进行正常通信，并且假设周围没有可以替代的通信台站，故在VHF2和app_SH之间存在一片红色区域，飞机将无地面无线电通信台站可用。在此区域飞机便可利用GPS所独有的短报文功能与地面进行通信。Figure1地面布站-4-2.2北斗星座国内有不少学者对北斗系统的星座结构进行了详细的分析和研究，本文仿真的星座结构为５颗GEO卫星、3颗ＩＧＳＯ卫星和２７颗ＭＥＯ卫星，卫星的基本参数如表１所示。仿真星座如图2所示，蓝色为5颗GEO卫星轨道，三个红色轨道为三颗IGSO卫星轨道，浅蓝、黄色和紫色是MEO卫星轨道。卫星星下点轨迹如图3所示。形如８字形的红色线为３颗ＩＧＳＯ卫星的星下点轨迹；介于５５°Ｎ～５５°Ｓ之间的三条线为２７颗ＭＥＯ卫星的星下点轨迹。从轨迹图可以得到２７颗ＭＥＯ卫星可实现全球覆盖，５颗ＧＥＯ卫星基本可实现对中国大陆区域的五重增强覆盖，３颗ＩＧＳＯ卫星在对中国大陆区域增强的同时也可克服高纬度地区始终是低仰角的问题。Figure2北斗星座Figure3北斗卫星星下覆盖图-5-2.3GPS星座由于STK中含有了GPS的所有卫星的轨道信息，所以，GPS的星座可直接从STK数据库中加载，其轨道和卫星星下覆盖图如图3和图4。Table1轨道参数轨道参数GEOIGSOMEO