高丽娟，周辉，蒋太杰
［摘要］空间通信系统课程是学院硕士研究生的一门专业课程，具有较强的专业性和前沿性，在研究课程特点的基础上分析了仿真技术应用于教学的优势。结合课程内容的设置选择了STK的部分模块在教学中进行应用并取得了较好的教学效果，有利于对课程的学习，增强学习的主动性。
［关键词］空间通信系统；STK；仿真；教学
空间通信系统课程是学院军事信息学硕士研究生的专业课程，广大学员通过本课程的学习能够加深对空间通信系统的认识和学习，为从事航天通信与测控技术、空间信息处理与对抗、空间信息获取与处理、信息传输理论与系统等研究方向的研究生提供空间通信基础理论和基本方法。
一、课程分析
空间通信系统课程具有较强的专业性和前沿性，围绕空间通信的主要概念、技术基础、组网、标准等讲授空间通信系统的相关知识。主要特点包括:
1．覆盖面广，内容多
从空间通信系统的组成来看，该课程是一门融合多个学科的交叉型课程，涉及航天技术、通信技术、计算机技术以及测控等多个学科的相关知识。在教材［2］编写和课程设置上包含了空间环境和轨道要素、卫星通信、信息传输、测控技术、通信系统设计、测控通信组网、标准化等内容，涉及多方面的知识。
2．理论性强，公式多
空间通信系统课程具有较强的理论性，在信息传输部分需要用到编码理论，空间通信体制部分涉及多址接入、路由、切换等通信理论。在系统设计、星间链路分析、空间通信系统信号传输质量的参数指标等方面都必须通过理论计算和推导才能够得出，这就需要一定的理论基础和数学基础知识。如系统设计的基点——通信方程PR＝P T·L tc·GT·L TP·LS·L A·L P·L RP·GR·Lrc·SF的简化分析和各个参数的计算需要用到数学计算。
3．概念多，比较抽象
空间通信系统课程所涉及的概念比较多，而且很多概念具有较强的抽象性，学生难以对抽象的内容获取直观的印象。如卫星运行过程中由于地球旋转产生自东向西排列的星下点轨迹，极轨道星座在组网过程中会产生一条特有的反向缝链路等，对于这些内容不少学生感到想象起来比较困难。
二、仿真技术在教学中的应用
传统的教学方式重视理论知识的讲解，以教师课堂讲授为主，主要依据课程内容章节的知识点，先介绍概念，进而讲授相关理论知识进行原理推导，最后介绍具体应用和实例。这种教学方式完全依赖于教师的语言描述和学生的逻辑思维想象能力，容易造成学生机械式被动听讲，学习的积极性不高，没有将学生的想象能力和感官认识相结合，从而导致学习效率低，达不到预期的教学效果。
近年来仿真技术得到很大发展和应用，尤其是在科研项目研究中得到广泛应用，而仿真在教学活动中应用也会起到意想不到的效果，其优势主要表现在三个方面:
1．增加教学内容的可视性
仿真技术可以将抽象的知识形象化，便于学生更好地理解需要运用复杂的空间思维和逻辑思维进行想象的知识，克服了枯燥的语言描述和简单的动作演示，对学生理解空间通信的抽象概念起到很好的支撑作用。
2．调动学习的积极性
使用仿真软件进行演示，极大地调动了学习的积极性，避免了学生被动听讲所带来的系列问题。学生参与操作和演示可以对重点、难点的内容进行反复实验。同时仿真软件的使用避免了课堂单调的文字讲授，可以将知识性、趣味性和直观性融为一体，课堂气氛活跃，讲学形式丰富，能够充分调度学习的积极性。
3．引导学生的创新性
研究生教学需要培养学生的创新能力，引导学生发现问题、解决问题，而仿真是解决问题的有效手段。在利用仿真进行授课过程中可以启发学生自己通过仿真研究相关问题，并引导学生对问题展开分析，在课堂教学过程中增强学生的研究能力，培养学生的创新能力。
空间通信系统课程以现代教育理念为指导，按照素质教育、创新教育和研究式教育的基本原则，按照理论与实践相结合的教学模式，推行启发式教学，通过教学双方的合作互动，突出学员的主体地位，调动学员的学习积极性，增强学员的学习自主性。为了使该课程能够达到较好的授课效果，授课教员都在积极探索合适的教学手段。将仿真技术应用于教学，不仅增加了教学的生动性，调动学生的学习积极性，还可以提高学生利用仿真工具分析问题的能力。
三、STK软件及在教学中应用的模块
STK软件的全称是Satelite Tool Kit（卫星仿真工具包），是由美国AGI公司开发，为航天应用领域提供了强大的分析和显示能力，在给出航天器飞行状态的直观动画演示的同时，提供相关实时数据（时空数据、链路数据、覆盖数据、光照条件和测控条件等）［3］。
STK提供了强大的功能支持，考虑空间通信系统课程设置的实际情况，在构建仿真教学环境过程中，结合课程教学要求选择STK仿真软件的4个模块应用到教学过程中。
1．STK/Comm通信分析模块
STK/Comm通信分析模块使得用户可以定义和分析详细的通信系统，内建有接收机和发射机模型及属性，考虑了详细的降雨模型、大气损耗和RF干扰源。STK/Comm模块将产生详细的链接报告和图表，使用二维和三维地图显示动态的系统性能。
2．STK＼Chains链路分析模块
STK＼链模块可以建立目标网络来进行对象间的可见性分析，从而扩展了STK确定对象间互访的能力。STK＼Chains可以建立星座，星座可以是多个卫星组成的卫星星座、地面站网络、地面目标群和遥感器组。
3．STK＼Coverage覆盖模块
STK＼Coverage用于对卫星、地面站、车辆、导弹、飞机、船舶进行全面的覆盖性能分析。Coverage可以分析各种覆盖问题，如一颗失灵的卫星对整个星座覆盖情况产生的影响，何时何地出现覆盖间隙，何时出现多颗卫星同时可见一个对象的机会。
4．STK＼Space Environment空间环境模块
STK空间环境模块用于评估空间环境对航天器的影响，用于计算航天器在轨运行时空间的电离粒子、热辐射、空间碎片等环境对航天器产生的影响，评估轨道碎片以及日益活跃的太阳黑子和太阳耀斑对航天器带来的风险。
四、STK在课程教学中的应用举例
1．STK仿真卫星星座
空间通信系统的主体是卫星星座，对于卫星星座相关内容的教学可以结合STK软件进行。通过STK的二维和三维可视窗口，可以多角度、全方位地观察卫星星座的形状和特点，研究其相关特性。
卫星星座的设计决定了整个卫星通信系统的复杂程度和费用。星座设计首先要确定轨道的几何结构，使之能够最佳地完成任务。描述卫星星座的参数主要有［4］:轨道面数、每个轨道面内的卫星数、轨道面的右升交点的赤经、轨道面的倾角、初始相位角（基准时间t＝0时在轨道面内从升交点沿卫星运动方向度量到卫星的角度）、半长轴、偏心率和近地点幅角（自轨道升交点在轨道面内沿卫星运动方向度量到近地点的角度）等。
对于这些参数仅凭教师的描述，学员很难理解参数之间的关系以及对星座覆盖性能等的影响，在教学过程中可以结合STK通过修改不同的参数使学员更加直观、形象地理解，加深印象，调动学习的积极性，主动探索不同参数对卫星星座的影响。
通过STK可以直观地显示各种不同的卫星星座，如极轨道星座、倾斜轨道星座，观察不同轨道的网络拓扑、覆盖特性等，如图1所示。
图1 Walker星座的STK仿真以及轨道参数的配置界面
2．STK仿真卫星与地面站的覆盖性能
地面通信站与卫星的可通信范围（地球表面）通过公式推导可以得到。可通信范围可用数学公式（1）表示。其中，Re为地球半径，E为地面站天线的最小仰角，H为地面站所观测的航天器轨道高度。
由公式（1）可以看出地面站的可通信范围与地面站的天线仰角、卫星的轨道高度因素有关。
对于公式的推导比较枯燥，理解具有一定难度，可以引导学生利用STK＼Coverage覆盖模块仿真验证地面站与卫星间的可通信范围与这些因素的关系，可以更直观、更充分地说明问题。此外，还可以引导学员自主使用STK仿真同一地面站观测两颗轨道高度相同但是轨道倾角不同卫星的可通信范围，得出一定的结论:对于具体的卫星而言，地面站的可通信范围除了地面站最小仰角和卫星轨道高度之外还与卫星的轨道倾角有关，而轨道高度和轨道倾角决定了卫星的星下点轨迹，这些都可以由学生利用STK进行仿真分析和探讨。
通过这种方式既可以避免枯燥的公式，采取一种全新的方式完成教学内容，又可以引导学生自主的分析一些问题，开拓学生的扩展思维，便于后续课题的研究和开展。
3．STK仿真分析卫星链路性能
卫星链路包括星间传输链路和星地传输链路，是整个空间通信系统的神经、纽带和桥梁，通过星间链路ISL（ISL:Inter Satellite Link）提供通信路径，实现传送信号、提供路由和转发数据包。星间链路的特性可以通过链路长度、方位角、俯仰角等参数体现，利用STK＼Chains链路分析模块可以方便地对ISL的特性进行仿真分析［5］，如图2所示。
4．STK仿真分析通信系统指标参数
随着空间探索和应用的不断发展，空间中的卫星数目越来越多。可以引导学员利用STK/Comm通信分析模块分析存在通信干扰的情况下，干扰对空间通信链路误码率和载噪比等指标参数的影响［6］，加深学员对通信系统指标参数的认识和理解，如图3所示。同时可以结合一定的理论分析，加深对空间通信系统相关内容的学习以及其他性能的分析，提高学员分析问题、解决问题的能力。
图2 MEO星座的星间链路长度分析
图3 通信干扰情况下，不同空间通信系统的误码率变化情况
五、结束语
在空间通信系统课程教学过程中引入STK仿真软件进行辅助教学，一方面有效地调动了学生学习的兴趣和积极性，大大提高了课堂教学效果；另一方面，学生通过对仿真软件对相关知识点进行分析，进一步加深了对理论知识的理解与掌握，同时提高了学生的动手能力、分析和解决问题的能力。
本文在深入研究空间通信系统课程特点的基础上，分析了仿真技术应用于教学的优势，结合课程的教学内容选择了STK仿真软件的部分模块应用于教学，并且列举了在教学过程中的部分应用，达到了较好的效果。在后续课程的研究和教学过程中将更加深入地把STK软件和课程相结合，进一步提高教学质量。
［参考文献］
［1］常显奇，李云芝，罗小明，等．军事航天学［M］．北京:国防工业出版社，2005
［2］周辉等．空间通信技术［M］．北京:国防工业出版社，2010
［3］http://www．agi．com
［4］张更新，张杭．卫星移动通信系统［M］．北京:人民邮电出版社，2001:50－51
［5］高丽娟，等．多层卫星网络的星间链路分析与路由协议［J］．上海航天，2007（4）
［6］张生，岳庭高，徐敬．基于STK的卫星通信链路对抗仿真分析［J］．电子对抗．2008（2）:12－15
［作者简介］
高丽娟，中国人民解放军装备指挥技术学院讲师，博士，北京:101416
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