2024年3月19日发(作者：)
基于STK的靶机测控通信链路建模仿真
唐玲;陶小鱼;曾纪;曾令昕;欧斌
【摘 要】In order to study the influence of target flight orbit and attitude
change on target measurement and control communication link receiving
level, based on theoretical analysis of the related parameters of the
receiving level, STK software is used for modeling and simulation.
Ephemeris files and attitude files are imported to build up the model for
orbit and attitude of the target drone. The accurate simulation scene is
established, and the simulation analysis also done. The antenna gain, free-
space loss, rain attenuation and other parameters could be calculated by
using the above modeling method, so as to acquire the accurate receiving
level of drone measurement-and-control uplink communication path, and
thus provide data support for the design and optimization of target
measurement-and-control communication link.%为研究靶机飞行轨道及姿态
变化对靶机测控通信链路接收电平的影响,在理论上分析与接收电平相关参数的基
础上,利用STK软件进行建模仿真.通过导入天线方向图对发射机/接收机建模,导入
星历文件和姿态文件对靶机的轨道及姿态建模,建立精确的仿真场景并进行仿真分
析.利用上述建模方法可以计算出天线增益、自由空间损耗、雨衰等参数,从而得到
精确的靶机测控上行通信链路的接收电平,为靶机测控通信链路的设计及优化提供
了一定的数据支持.
【期刊名称】《通信技术》
【年(卷),期】2017(050)011
【总页数】5页(P2478-2482)
【关键词】STK;靶机测控通信链路;轨道及姿态;天线方向图
【作 者】唐玲;陶小鱼;曾纪;曾令昕;欧斌
【作者单位】重庆金美通信有限责任公司,重庆 400030;重庆金美通信有限责任公
司,重庆 400030;重庆金美通信有限责任公司,重庆 400030;重庆金美通信有限责任
公司,重庆 400030;重庆金美通信有限责任公司,重庆 400030
【正文语种】中 文
【中图分类】TP391.9
随着电子测控技术的发展，包括无人机在内的各种飞行器在遥测、遥控中起着越来
越重要的作用。靶机测控通信系统用于建立靶机与地面站之间的无线传输链路，实
现地面控制站与靶机之间的数据收发，实现遥控、遥测和信息传输等功能。遥控是
指地面站对靶机飞行状态和设备状态的控制；遥测是指靶机将飞行状态和设备状态
参数汇报给地面站。靶机测控通信系统实现的遥测、遥控功能均是通过机地无线电
测控信道的测控链路实现的。为了使机地测控设备能统一协调工作，必须对机地测
控链路进行性能估算和分析。
测控链路性能不仅与靶机和地面测控设备的性能有关，而且与靶机飞行的轨道和姿
态有关。其中，靶机飞行的轨道和姿态会影响自由空间损耗和机载天线增益等性能
指标。卫星工具包STK（Satellite Tool Kit）是由AGI公司开发应用于航天领域
的商品化卫星系统分析软件，具有非常强大的验证和演示功能，可以快速方便地分
析复杂的陆、海、空、天任务[1]。STK不仅能够仿真靶机的轨道和姿态，而且能
够通过其Communication模块仿真靶机和地面测控设备的性能，从而实现对测
控链路性能的分析。
靶机测控通信链路主要包含地面站到靶机的上行链路和靶机到地面站的下行链路，
如图1所示。
测控链路的性能与发射机和接收机的性能以及空间损耗等因素有关。因此，链路设
计的目标就是根据机地测控设备的技术指标和任务中可能出现的损耗进行分析，保
证机地测控链路余量大于要求的设计值。
结合STK的通信分析模块，整个链路可由发射机、发射天线、信道、接收天线、
接收机组成。发射机完成信号产生至发射天线辐射信号的全部工作，接收机则完成
信号经接收天线以后的接收端的所有信号处理工作。
对于上行链路，靶机接收机输入端的载波功率C为：
其中，Pt、Gt、Gr分别为地面发射机发射功率、发射机天线增益和接收机天线增
益；LS为上行链路的自由空间损耗；Lother为上行链路的大气、降雨等其他传输
损耗；Lt、Lr分别为发射机和接收机的馈线损耗。
接收机输入端的噪声功率可表示为：
其中，K=-228.6 dBW/(Hz·K)，为波尔兹曼常数；T为接收机输入端等效噪声温
度；B为接收机带宽。
由式（1）、式（2）可得到接收信号的载噪比C/N：其中，为接收机的品质因素，
是表征接收机性能的一个基本参数。
在进行链路预算分析时，为了避免涉及接收机的带宽，也常用载波功率与噪声功率
谱密度比C/N0：
STK/Comm通信模块支持用户定义详细的发射机和接收机模型，并可以考虑复杂
的大气损耗、雨衰等难以精确解析建模的信号传输衰减效应。结合精确的飞机轨道
及姿态数据和天线数据，可实现详尽的通信链路分析，因此能对靶机测控通信链路
建模和仿真分析。本文主要根据飞行试验获取的飞机轨道及姿态数据和实测天线数
据仿真上行链路接收电平的变化情况，利用STK建立精确的通信链路模型。具体
地，需要做两部分工作：飞机轨道及姿态的确定和发射机/接收机建模。
2.1 飞机轨道的确定
STK允许用户通过外部文件输入航天器的轨道，外部星历数据（Ephemeris.e）文
件可以用来定义航天器的轨道[2]。星历文件通过指定航天器的位置速度信息来确
定航天器的轨道。
创建星历数据必须首先明确两个问题：
（1）数据格式：是笛卡尔坐标系的X、Y和Z值，还是经纬度和高程，或者是经
纬度和半径。
（2）数据的参考坐标系：是惯性坐标系还是固连坐标系，如果是惯性坐标系，还
要考虑是哪张惯性坐标系。
外部星历文件必须按照特定的格式编写，才能成为STK能够识别的数据文件。
STK提供的星历数据格式有多种，结合试验中获取的数据，采用
EphemerisLLATimePos格式，速度由STK通过利用Lagrange插值创建的位置
来自动生成。EphemerisLLATimePos采用大地坐标系的位置确定航天器的轨道。
数据格式：
为大地纬度、径度和地面高度，单位为度和米。将时间和位置数据按照STK规定
的格式分别生成.e文件，如图2所示。
2.2 飞机姿态确定
STK允许用户通过外部文件输入航天器的姿态，外部姿态数据（Attitude.a）文件
可以用来定义航天器的姿态[2]。姿态数据表示航天器的本体轴相对于参考坐标轴
的方向关系。创建姿态文件时，也需要首先明确两个问题：
（1）姿态的定义方式：欧拉角（Euler Angle）方式，还是航偏、俯仰、滚动角
（Yaw、Pitch、YPR）方式，还是四元素（Quaternion）方式，或者其他方式。
（2）姿态数据的参考坐标轴：是J2000惯性坐标轴，还是与地球固连的坐标轴，
或者像航天器速度和本地水平坐标轴（Vehicle Velocity，Local Horizontal，
VVLH）这样与轨道相关的坐标轴。
STK提供的姿态数据格式有多种，建模时采用AttitudeTimeYPRAngles生成姿态
文件。AttitudeTimeYPRAngles格式采用偏航（Yaw）、俯仰（Pitch）、滚动角
（Roll）角表示姿态数据，其数据格式为 的格式分别生成.a文件，如图3所示。 将生成的.e、.a文件导入STK即确定了飞机的轨道及姿态。 2.3 收发信机建模 利用通信模块进行链路性能分析用到的主要组件是接收机和发射机。通过这两个组 件不仅能够设置发射机的主要技术指标（如EIRP值）和接收机的主要技术指标 （如G/T值），而且能够设置接收天线和发射天线的主要技术指标，如天线方向 性图、工作频段、极化方式等。 工程中一般通过实测方向性图确定天线性能，并以此作为实际测控链路性能分析的 依据，故选择支持外部导入天线方向图数据的Complex Transmitter Model、 Complex Receiver Model。将收发信机的天线类型设置为External Antenna Pattern，即可导入外部实测方向性图文件[3]。STK提供的外部文件产生天线方向 性图的格式有多种，建模时采用PhiTheta格式。PhiTheta格式利用φ角和θ角 规定天线方向性图。其中，φ为围绕轴向方向旋转的角度，范围是0°～360°，轴 向方向为天线+Z轴；θ为偏离天线轴向方向的角度，范围是0°～180°。利用实测 天线方向性图生成的.txt文件，如图4所示。 实际中采用全向天线，在STK软件中将导入的天线方向性文件生成天线方向图， 如图5所示。 上行链路通信频率为1 450 MHz，发射功率为33 dB，接收机噪声温度为300 K， 馈线损耗均为1.5 dB。 本文主要考虑靶机飞行的轨道和姿态会影响到自由空间损耗和机载天线增益等性能 指标的影响，进而分析其对接收电平的影响。运用STK的Access命令建立发射机 和接收机的连接，然后利用报表/图像工具可以得到上行链路方位角和链路距离曲 线[4]，如图6所示。可以看出，在滑行和起飞阶段，靶机的姿态变化非常剧烈。 利用报告工具可以进行链路预算，结果如表1所示。 将STK仿真得到的数据导入MATLAB并计算接收电平，结果如图7所示。可以看 出，由于靶机姿态的变化会造成接收电平的剧烈波动，靶机在返回瞬间姿态变化剧 烈，且收发信机之间的距离最大，此时的接收电平最低。 文章利用STK软件对靶机测控链路进行建模仿真，将实验中获取的靶机飞行轨道 和姿态数据及实测天线方向性图导入STK，采用大气模型、雨衰模型，进一步逼 真机地无线信道的衰落情况，计算接收电平。仿真结果表明，所得结论可为靶机测 控通信链路的优化提供一定的数据支持。 【相关文献】 [1] 胡彩波,王宏兵,胡丽丽.STK软件卫星可见性和覆盖分析[J].全球定位系统,2007,32(04):40- Cai-bo,WANG Hong-bing,HU STK to Analyse Access and Coverage of Navigation Satellite[J].GNSS World of China,2007,32(04):40-43. [2] 丁溯泉,张波,刘世勇.STK在航天任务仿真分析中的应用[M].北京:国防工业出版社,2012:40- 47, Su-quan,ZHANG Bo,LIU ation of STK in Space Mission’s Simulation Analysis[M].Beijing:National Defence Industry Press,2012:40- 47,154-157. [3] 蒋昊东,任华,吴正午等.基于STK的侦察平台——卫星通信链路建模仿真[J].计算机仿 真,2014,31(11): Hao-dong,REN Hua,WU Zheng-wu,et ed Modeling and Simulation of Communications Link for Reconnaissance Platform and Satellite[J].Computer Simulation,2014,31(11):51-55. [4] 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,2005: Ying,WANG ation of STK in Computer Simulation[M].Beijing:National Defence Industry Press,2005:93-97.
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