基于STK的預(yù)警衛(wèi)星部署與性能分析

羅 菁，程紅斌

（空軍預(yù)警學(xué)院，武漢430019）

0 引 言

在導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中，利用導(dǎo)彈在主動段紅外輻射比較強的特征，預(yù)警衛(wèi)星使用先進的紅外探測設(shè)備，探測接收導(dǎo)彈的紅外輻射信號，發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)，而且還要為整個導(dǎo)彈防御系統(tǒng)提供預(yù)警信息和彈道預(yù)報信息。由此，預(yù)警衛(wèi)星對于導(dǎo)彈的早期預(yù)警是反導(dǎo)防御系統(tǒng)進行有效作戰(zhàn)的最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，同時，預(yù)警衛(wèi)星對于導(dǎo)彈的預(yù)警能力強弱也是衡量反導(dǎo)作戰(zhàn)效能的一個關(guān)鍵性指標(biāo)，所以預(yù)警衛(wèi)星一直是導(dǎo)彈預(yù)警防御以及反導(dǎo)防御系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估領(lǐng)域的研究熱點內(nèi)容。

而目前在導(dǎo)彈紅外輻射特性計算、彈道飛行仿真以及紅外探測器等方面的研究方向已十分廣泛，為了滿足導(dǎo)彈攻防作戰(zhàn)仿真以及某些效能評估的要求，需要建立能夠?qū)崟r、動態(tài)反映預(yù)警衛(wèi)星對導(dǎo)彈預(yù)警能力的仿真模型。下面利用衛(wèi)星工具包（STK）仿真工具來研究紅外預(yù)警衛(wèi)星部署的方法，并且通過STK仿真出來的數(shù)據(jù)結(jié)合實際來分析預(yù)警衛(wèi)星對各個探測點的探測能力。利用這種方法，可以通過推測得到針對特定熱點地域反導(dǎo)預(yù)警衛(wèi)星的合理部署方案。

1 紅外反導(dǎo)預(yù)警衛(wèi)星

預(yù)警衛(wèi)星是利用可見光電視攝像機和紅外探測器等一系列遙感裝置，感受彈道導(dǎo)彈發(fā)射時尾部噴焰發(fā)出的紅外輻射，由此發(fā)現(xiàn)敵方彈道導(dǎo)彈發(fā)射和飛行方向等一系列情報信息，并對我方進行報警的衛(wèi)星。由于預(yù)警衛(wèi)星是用于監(jiān)視、發(fā)現(xiàn)和跟蹤敵方彈道導(dǎo)彈發(fā)射，所以也把它稱為導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星。

在戰(zhàn)爭時期，預(yù)警衛(wèi)星主要用于監(jiān)視發(fā)現(xiàn)敵方彈道導(dǎo)彈的發(fā)射與運行情況，以便及時感應(yīng)到對方進行戰(zhàn)略突襲的征兆，同時也為己方的戰(zhàn)略防御提供一定的準(zhǔn)備時間，用于引導(dǎo)反導(dǎo)系統(tǒng)做出相應(yīng)的攔截反應(yīng)，并對上通報戰(zhàn)略進攻力量，根據(jù)命令實施戰(zhàn)略性反擊。即使在和平時期，預(yù)警衛(wèi)星也有非常重要的作用，它用于監(jiān)視世界各軍事大國的導(dǎo)彈發(fā)射實驗和航天發(fā)射活動情況，以此來了解世界戰(zhàn)略武器的發(fā)展動向，便于根據(jù)情況適時采取相應(yīng)的對策。

由于預(yù)警衛(wèi)星不受地球曲率的限制，高度上居高臨下，范圍上覆蓋廣泛，因此能及早發(fā)現(xiàn)空間預(yù)定的一些彈道導(dǎo)彈。預(yù)警衛(wèi)星通常運行在同步靜止軌道或大橢圓軌道上，也有某些運行在低軌上進行輔助監(jiān)測，主要用來為國家的軍事指揮部門提供有關(guān)洲際導(dǎo)彈、潛射導(dǎo)彈、核爆炸探測以及部分軌道轟炸武器的發(fā)射警報，用以防止突然襲擊。

例如，俄羅斯的導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星在敵方洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)射起飛5min內(nèi)就可以報警，并且預(yù)測其彈道參數(shù)，預(yù)警時間可以達到25min（一般8 000～13 000km的彈道導(dǎo)彈飛行時間大約為30min），也就是說，敵方洲際彈道導(dǎo)彈還沒有到達俄羅斯領(lǐng)土之前，俄羅斯的軍事指揮系統(tǒng)就可以根據(jù)預(yù)警衛(wèi)星探測到的情報進行相應(yīng)的攔截措施。

在所有的預(yù)警衛(wèi)星中，由于同步軌道預(yù)警衛(wèi)星軌道高度高、覆蓋范圍大并且能突破地理限制實現(xiàn)遠距離、大容量的覆蓋這些優(yōu)點，占據(jù)了主導(dǎo)地位。理論上，3顆同步軌道衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)能夠覆蓋全球，如圖1所示。除了兩極地區(qū)是盲區(qū)外，全球其他地區(qū)都可以覆蓋，甚至有部分地區(qū)還是重復(fù)覆蓋。通過重疊區(qū)內(nèi)地球站的“雙跳”轉(zhuǎn)接，也可以實現(xiàn)不同覆蓋區(qū)域內(nèi)用戶的連接，從而實現(xiàn)全球覆蓋。因此選取在同步軌道上的預(yù)警衛(wèi)星仿真。

圖1 同步軌道衛(wèi)星

2 STK簡介

STK是美國AGI公司推出的一款衛(wèi)星系統(tǒng)分析軟件，主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域的先進仿真。世界各國不計其數(shù)的專家們在航天領(lǐng)域、研究衛(wèi)星系統(tǒng)工程的全過程中都用到了STK，這其中包括對衛(wèi)星系統(tǒng)的需求定義，各顆衛(wèi)星部署、構(gòu)造、發(fā)射、運行和應(yīng)用等一系列過程的仿真。

STK軟件是一款十分強大并且很靈活的軟件工具，它可以用來快速了解空間飛行任務(wù)中需要涉及到的多學(xué)科的交叉內(nèi)容，能方便快捷地幫助用戶編制飛行計劃、完成飛行任務(wù)分析和實時機動地模擬跟蹤探測。用戶可以利用STK軟件設(shè)置地面站、目標(biāo)區(qū)域、衛(wèi)星、傳感器以及各種類型的運動物體參數(shù)等，設(shè)置完成好仿真環(huán)境后，STK可以迅速模擬任務(wù)過程，顯示任務(wù)場景。用戶可以根據(jù)生成的數(shù)據(jù)報告和圖表等各種數(shù)據(jù)進行任務(wù)分析，最終確定最佳解決方案［1－6］。

STK軟件在衛(wèi)星組網(wǎng)的設(shè)計與仿真演示這部分的應(yīng)用中，需要仿真的是衛(wèi)星的運行規(guī)律、軌道性能以及各種組網(wǎng)方案所得到的偵察探測預(yù)警效果，可以形象直觀地提供衛(wèi)星對某些特定區(qū)域的覆蓋范圍、覆蓋時間等信息，從而通過得到的各種數(shù)據(jù)考察驗證各種組網(wǎng)方案的技術(shù)指標(biāo)，達到優(yōu)化確定組網(wǎng)方案的功能。

由于STK具有強大的計算能力、逼真的圖形顯示（包括二維和三維的動態(tài)畫面顯示）、可靠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)報告，因此對整個衛(wèi)星系統(tǒng)組網(wǎng)方案的設(shè)計部署、仿真實現(xiàn)、方案優(yōu)化、動靜態(tài)演示都具有非常重要的作用。

3 反導(dǎo)預(yù)警衛(wèi)星部署與性能分析

3.1 仿真場景設(shè)置

啟動STK，建立場景“GEO－const”。

根據(jù)3顆同步軌道衛(wèi)星平均分布可以覆蓋全球的規(guī)則，本實例中，在同步軌道上均勻放置3顆衛(wèi)星，并分別以紅色、藍色、綠色進行區(qū)分。

選擇彈道導(dǎo)彈發(fā)射基地作為熱點探測對象，本實例中選用的某些彈道導(dǎo)彈發(fā)射基地分別記為基地1～8，添加探測點星座對象const＿fog，在其屬性中加入所有探測點對象。

選取我國境內(nèi)有代表性的7個點建立地面站對象，添加地面站星座對象const＿fac，在其屬性中加入所有地面站對象。

添加3個鏈路對象chain1，chain2，chain3，如表1所示。

表1 鏈路對象表

衛(wèi)星與監(jiān)測點直接有連線表示衛(wèi)星可以監(jiān)測到該基地。

基于以上考慮，利用STK仿真軟件可以得到同步軌道紅外預(yù)警衛(wèi)星3D部署圖及2D部署圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 同步軌道紅外預(yù)警衛(wèi)星部署3D圖

圖3 同步軌道紅外預(yù)警衛(wèi)星部署2D圖

3.2 反導(dǎo)預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)探測能力分析

紅外預(yù)警衛(wèi)星的任務(wù)是通過對一些熱點地區(qū)的彈道導(dǎo)彈的監(jiān)視完成預(yù)警功能。

紅外預(yù)警衛(wèi)星與地面目標(biāo)的空間幾何關(guān)系如圖4所示。

圖4中觀測點和衛(wèi)星的連線為AB，與觀測點A和地球表面的切線AC之間的夾角α，稱為仰角。

導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星是通過星載紅外探測器探測洲際彈道導(dǎo)彈、潛射彈道導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈發(fā)射時尾焰產(chǎn)生的紅外輻射，并將測得的方位角和輻射強度等有關(guān)信息迅速傳遞給地面中心，從而使地面防御系統(tǒng)能夠贏得盡可能長的預(yù)警時間，以采取有效的反擊措施。

圖4 同步軌道紅外預(yù)警衛(wèi)星與地面站的空間幾何關(guān)系圖

但由于大地上一些紅外熱源對衛(wèi)星的干擾，使之不能準(zhǔn)確地分辨出導(dǎo)彈的尾焰。為了使衛(wèi)星可以探測到導(dǎo)彈，就需要導(dǎo)彈的被探測背景是純凈的（如天空等），所以同步軌道紅外預(yù)警衛(wèi)星對地觀測時，需利用大氣層過濾地面的雜散紅外源。如果仰角過低，由于地形、地物以及地面噪聲的影響，不能進行有效的探測，無法完成預(yù)警功能。因此實際應(yīng)用時，衛(wèi)星對于地球站的仰角數(shù)據(jù)不能低于5°，并且仰角越高，其探測能力越強。

通過對國外熱點地區(qū)的仰角數(shù)據(jù)來分析同步軌道紅外預(yù)警衛(wèi)星對目標(biāo)探測能力的強弱。圖5是8個國外導(dǎo)彈發(fā)射基地的仰角分布情況［7－10］。

通過上述仰角曲線繪制出各個監(jiān)測點的最大仰角值如表2所示。

表2 國外各監(jiān)測點最大仰角值

通過這些圖表，根據(jù)之前的推論，仰角越高，其探測能力越強，可以得出基地2的最大仰角值最小，僅為9.1°，所以對導(dǎo)彈發(fā)射探測能力較弱；而基地8的最大仰角值最大，為45.1°，所以對導(dǎo)彈發(fā)射探測能力較強。但是所有觀測點的仰角均大于5°，所以預(yù)警衛(wèi)星均可以探測到這些觀測點，只是探測能力有強弱之分。

圖5 各個觀測基地的仰角分布圖

4 結(jié)束語

利用STK進行實時視景仿真是衛(wèi)星航天任務(wù)仿真的一個重要方面，它可以通過軟件在計算機上構(gòu)建衛(wèi)星圍繞地球運行的三維宏觀場景，通過得出的數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確描述衛(wèi)星在每個時刻的運行狀況、運行姿態(tài)、運行角度以及衛(wèi)星輻照地面的區(qū)域、范圍、時間等，這對于監(jiān)控衛(wèi)星的運行狀態(tài)以及熱點區(qū)域有重要的作用。除了探測能力以外，還需要研究的是預(yù)警衛(wèi)星的通信能力，這也是下一步努力研究的方向所在。

［1］董加強.基于STK的航天發(fā)射可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機測量與控制，2010，18（2）：446－449.

［2］杜耀珂.基于STK的衛(wèi)星實時視景仿真系統(tǒng)設(shè)計［J］.空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2009，35（2）：61－64.

［3］余賢圣.STK在作戰(zhàn)仿真中的應(yīng)用研究［M］.北京：北京郵電大學(xué)，2007.

［4］閻文麗，姜振東.預(yù)警衛(wèi)星功能仿真系統(tǒng)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，1999（12）：437－441.

［5］韓潮.衛(wèi)星星座設(shè)計與仿真［D］.北京：北京航空航天大學(xué)，2002.

［6］楊穎，王琦.STK在計算機仿真中的應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［7］張文靜，李穎.美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)［J］.中國航天，2006（1）：33－35.

［8］關(guān)愛杰，于達太，王運吉，等.偵察衛(wèi)星作戰(zhàn)過程仿真及偵察 效 果 評 估 ［J］.系 統(tǒng) 仿 真 學(xué) 報，2004（10）：2261－2263.

［9］陳理江，武小悅，李云峰.基于時間靈活度的中繼衛(wèi)星調(diào)度算法［J］.航空計算技術(shù)，2006，36（4）：48－51.

［10］劉剛，吳詩其.區(qū)域性星座設(shè)計［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2002，24（7）：15－18.