基于威脅度函數的預警衛星威脅評估研究

張安理,李　智,張雅聲,王慶文

(1.裝備學院　a.研究生管理大隊； b.航天指揮系； c.航天裝備系，北京　101416；

2.第二炮兵工程大學 空間工程系，西安　710025)

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基于威脅度函數的預警衛星威脅評估研究

張安理1a,李智1b,張雅聲1c,王慶文2

(1.裝備學院a.研究生管理大隊； b.航天指揮系； c.航天裝備系，北京101416；

2.第二炮兵工程大學 空間工程系，西安710025)

摘要：預警衛星作為導彈作戰中重要的天基威脅源之一，目前對其評估多為效能評估，并沒有從威脅的角度開展評估。通過對預警衛星威脅要素進行分析與提取，提出了一種基于威脅度函數的威脅評估方法。該方法綜合了靜態性能與作戰狀態的各個方面，使指揮員能夠比較準確地把握預警衛星對導彈作戰的威脅程度，從而為指揮員指揮決策提供依據。通過實例計算驗證了該評估方法的可行性和有效性。

關鍵詞：預警衛星；威脅評估；威脅要素；探測次數；空間距離

本文引用格式：張安理,李智,張雅聲,等.基于威脅度函數的預警衛星威脅評估研究[J].兵器裝備工程學報，2016(1):66-69.

Citation format:ZHANG An-li, LI Zhi, ZHANG Ya-sheng,et al.Research of Early Warning Satellite Threat Assessment Based on Threat Degree Function[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):66-69.

預警衛星主要是通過捕捉發動機尾焰及其紅外輻射，用來監視地面彈道導彈的發射情況，它利用不受地球曲率限制，截取信息覆蓋面廣的優勢實現全球監視[1]，如美國的DSP、SBIRS-High、STSS預警衛星等，在對抗我方導彈突防任務中發揮著重要作用，且隨著敵方天基預警能力不斷增強，預警衛星系統對我國的探測范圍、預警范圍不斷增大，為其反導防御系統攔截我方導彈提供更加精確的先驗數據，大幅增加對洲際戰略導彈的預警時間，致使我方導彈突防愈加困難,受到來自于空間的威脅愈加明顯。評估預警衛星在導彈作戰中的威脅，可以為我國導彈作戰中優化作戰決策方案提供依據，可以為開展各類衛星及空間系統威脅評估提供借鑒，也可以進一步豐富威脅評估理論，具有極大的現實價值。

1預警衛星威脅度函數構造

1.1威脅要素分析

預警衛星對彈道導彈形成威脅不僅取決于衛星、導彈的能力，也取決于外部環境及作戰狀態的影響，是多種因素綜合作用的結果，遵循重要性、獨立性及易測性原則，選取了潛在威脅、探測次數、空間距離、探測價值等作為影響預警衛星威脅度的關鍵要素進行分析。

1) 潛在威脅

2) 探測次數

探測次數是與預警衛星對導彈的探測弧段以及探測器探測周期密切相關，對于特定彈道來說，如果探測弧段越長，則探測次數就越多，探測概率就越高，為預警雷達提供的用于引導的預警信息誤差就越小，預警衛星對彈道導彈作戰的威脅度就越大。

3) 衛星與導彈之間的空間距離

在導彈飛行過程中，預警衛星對導彈進行探測，由于兩者均處于運動之中，其相對空間距離便時刻處于變化之中，且是一個關于自變量為時間t的連續函數。在預警衛星的有效探測距離之內(探測距離之外威脅度為0)，若空間相對距離越近，則預警衛星對彈道導彈的威脅就越大，否則就越小。

4) 威脅環境

威脅環境包括自然環境和非自然環境。自然環境是指空間的自然環境條件，對預警衛星來說，主要體現在云層高度、厚度以及導彈航區分布情況等三個方面，自然環境會直接影響預警衛星探測器對彈道導彈的探測效果。非自然環境是指為確保空間戰略安全由國際法構成的國際空間安全戰略格局[2]，如《空間法》《外空條約》等則會對預警衛星的使用帶來軟性限制。

5) 威脅意圖

只有預警衛星存有威脅意圖的前提下，才有開展預警衛星威脅評估的必要。意圖是指希望達到某種目的打算，這里的威脅意圖主要指處于敵我對抗環境中，具有敵對性與對抗性的作戰意圖。要獲知敵方隱含的威脅意圖，只有通過對敵方威脅源的事件與行動進行判斷并推理來獲得[3]，預警衛星的威脅意圖主要是通過空間目標監視系統監視預警衛星的行為狀態來進行推理，如預警衛星是否開機、針對我方導彈威脅，敵方預警衛星姿態是否進行了調整、軌道是否存在機動等。

6) 探測價值

探測價值主要是指即使預警衛星對彈道導彈的探測效果相同，但由于探測時間先后的因素，探測對武器攔截系統產生的價值是不同的，而是具有隨導彈飛行時間不斷衰減的時間屬性，即探測時間越早，則探測的價值度就越大，否則就越小。

1.2威脅度函數構造

1.2.1構造思路

威脅即為施者方對受者方施加的不良之影響(有利之影響可謂之“援助”)，它是一個模糊性概念，為開展威脅評估，此處定義威脅度為[0,1]間的數值，假設自彈道導彈起飛后，在時間區間[0，t1]，預警衛星未探測到導彈，此時威脅度為0；自t1時刻預警衛星開始探測到導彈，而t2時刻之后預警衛星結束探測，即在時間區間 [t1，t2]，預警衛星的威脅度與潛在威脅、探測次數、導彈與衛星的距離變化、威脅環境、威脅意圖及探測價值密切相關；t3時刻之后武器攔截系統已無足夠攔截時間實施攔截，因此t3時刻之后威脅度亦為0，而在時間區間[t2，t3]，雖然預警未能再探測到導彈，但由于預警衛星先前產生的預警信息對武器攔截系統依然存有不良影響，所以預警衛星對彈道導彈突防產生的威脅度不為0，而是會隨著時間t的推移，預警誤差逐步增大，其威脅度呈現出“連續下降”的趨勢，直至t3時刻，攔截系統已不具備攔截能力為止，預警衛星威脅度下降為0。

1.2.2要素函數構造

鑒于威脅度T(t)∈[0,1]，因此假設各要素函數的值域∈[0,1]。各要素函數構造如下：

1) 探測次數要素函數N

2) 距離要素函數F(t)

3) 探測價值要素函數ψ(t)

另外，潛在威脅要進行歸一化處理c*，環境要素系數η，威脅意圖系數I可進行定性處理。當威脅環境為優時，η=1，當自然環境環境為良時，η=0.7，當威脅環境為中時，η=0.5，威脅環境為差時，η=0.3。威脅意圖則可假設為I=1。

4) [t2，t3]區間函數V*(t)構造

由此預警衛星威脅度函數T(t)為

2實例分析

以一發發射時間為2015年4月28日04:31:20；發射點經度為29.26°、緯度為120.216°；落點經度為26.27°、緯度為127.748°；飛行高度為653 km的彈道導彈以及美國STSS_Demo1為對象進行實例分析。

2.1威脅度函數參數獲取

2.1.1探測次數獲取

1) STK仿真預警衛星對彈道導彈的覆蓋弧段

STK[6](Satellite Tool Kit)是由美國Analytical Graphics，Inc.(AGI)公司開發的分析軟件，可快速準確分析預警衛星及彈道導彈等對象的定位和交互任務，并提供圖表及文本形式的分析結果。

STK仿真覆蓋弧段步驟如下：

建立STSS_Demo1/Demo2預警衛星對象，并對衛星探測器進行了設置，STSS_Demo1/Demo2衛星采用掃描探測器與凝視探測器配合工作的雙探測器模式，即先由掃描探測器對導彈進行機械重復掃描來探測目標，探測到目標后，將探測信息提供給凝視探測器，凝視探測器緊盯導彈目標直至消失為止，STSS_Demo1/Demo2預警衛星探測器設置如圖1所示。

創建彈道導彈對象；建立STSS_Demo1衛星與Missile的chain連接，獲取Demo1衛星掃描探測器/凝視探測器對Missile的威脅時間弧段。其中，STSS_Demo1衛星凝視探測器威脅弧段[t1、t2]如圖2所示。

圖1　STSS_Demo1、Demo2探測器STK示意圖

圖2　STSS_Demo1凝視探測器威脅弧段STK仿真

2) 探測次數模型

探測次數nstare為

其中：t1，t2為凝視探測器覆蓋弧段的起始終止時間；tcloud=17 s為導彈穿出云層的時間；Tscan=1 s為掃描探測器周期；Tstare=0.1 s為凝視探測器周期；nscan=3為掃描探測器次數，即假設掃描探測器掃描3次后轉換至凝視探測器工作。

通過STK軟件仿真及模型計算可得STSS_Demo1預警衛星的威脅時間弧段為82.364～320.652 s，nstare=2 380。

2.1.2空間距離仿真

以前文設置的導彈為對象，通過模型仿真可得到STSS_Demo1衛星與該導彈在[t1、t2]時間段內的距離變化曲線如圖3所示。

圖3　預警衛星與導彈的距離變化曲線

2.1.3其他參數設置

假設導彈防御系統響應時間，即從預警衛星給出預警信息到攔截彈發射需要的時間為206 s，即t3=806-206=600 s，a=5,b=12 000,η=0.7,c*=0.8,I=1,t1=83 s,t2=320s。

2.2仿真結果分析

采用Matlab軟件對STSS_Demo1預警衛星威脅度進行了仿真，其變化曲線如圖4所示。

圖4　預警衛星威脅度變化曲線

從圖4可以看出，在[t1，t2]時間段里，由于預警衛星與導彈間的相對距離增大，以及隨著時間推移，探測價值度的降低，導致了威脅曲線呈現出下降趨勢。在[t2，t3]時間段內，由于預警衛星不能再探測到導彈而導致威脅度逐漸下降至0，符合常理。

由此，STSS_Demo1預警衛星對本次導彈作戰任務的平均威脅度為總威脅度(面積聚合)與導彈總飛行時間之比，即

同理，可求解出其他預警衛星的平均威脅度并進行排序。

3結束語

針對預警衛星對導彈作戰帶來威脅的問題，構造了基于威脅要素的預警衛星威脅度函數。由于威脅評估是一個有關對抗雙方以及作戰環境等多方因素的評估過程，因而預警衛星威脅度是相當復雜的，為便于仿真，函數中部分參數例如威脅能力、威脅環境等設置比較簡單，下一步可在威脅要素提取以及參數設置等方面進行分析研究，進而獲取更合理的威脅度，為導彈作戰中指揮員重點目標選擇并進行輔助決策提供依據。

參考文獻：

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(責任編輯周江川)

【裝備理論與裝備技術】

Research of Early Warning Satellite Threat Assessment

Based on Threat Degree Function

ZHANG An-li1a, LI Zhi1b, ZHANG Ya-sheng1c, WANG Qing-wen2

(1.a.Company of Postgraduate Management; b.Department of Space Command;

c.Department of Space Equipment, Academy of Equipment, Beijing 101416, China;

2.Department of Space Engineering, the Second Artillery Engineering University, Xi’an 710025, China)

Abstract:For early warning satellite, as one of the important space-based threat in the missile combat, now its effectiveness evaluation of early warning satellite was made, but was not for threat assessment. Through the analysis of the threat of early warning satellite elements and extract, we put forward a threat assessment method based on threat degree function. This method combined the static indicators and operational status. It allowed the commander to grasp the degree of the threat of early warning satellite more accurately, which provided the basis for commander’s decision. The feasibility and effectiveness of this method were proved by a practical example.

Key words:early warning satellite; threat assessment; threat factor; number of detection; space distance

文章編號：1006-0707(2016)01-0066-04

中圖分類號：V474.2+7；TJ8

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.016

作者簡介：張安理(1979—)，男，碩士，工程師，主要從事軍隊指揮學研究；李智(1973—),男，教授，主要從事空間安全研究；張雅聲(1974—)，女，教授，主要從事飛行器設計與應用研究；王慶文(1982—)，男，博士，主要從事空間信息網絡研究。

收稿日期：2015-06-18；修回日期：2015-07-09