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(dòng)段紅外輻射比較強(qiáng)的特征，預(yù)警衛(wèi)星使用先進(jìn)的紅外探測(cè)設(shè)備，探測(cè)接收導(dǎo)彈的紅外輻射信號(hào)，發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)，而且還要為整個(gè)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)提供預(yù)警信息和彈道預(yù)報(bào)信息。由此，預(yù)警衛(wèi)星對(duì)于導(dǎo)彈的早期預(yù)警是反導(dǎo)防御系統(tǒng)進(jìn)行有效作戰(zhàn)的最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，同時(shí)，預(yù)警衛(wèi)星對(duì)于導(dǎo)彈的預(yù)警能力強(qiáng)弱也是衡量反導(dǎo)作戰(zhàn)效能的一個(gè)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(píng)估領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)內(nèi)容。

而目前在導(dǎo)彈紅外輻射特性計(jì)算、彈道飛行仿真以及紅外探測(cè)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(píng)估的要求，需要建立能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)反映預(yù)警衛(wèi)星對(duì)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(lái)研究紅外預(yù)警衛(wèi)星部署的方法，并且通過(guò)STK仿真出來(lái)的數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)際來(lái)分析預(yù)警衛(wèi)星對(duì)各個(gè)探測(cè)點(diǎn)的探測(cè)能力。利用這種方法，可以通過(guò)推測(cè)得到針對(duì)特定熱點(diǎn)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(jiàn)光電視攝像機(jī)和紅外探測(cè)器等一系列遙感裝置，感受彈道導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)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(bào)信息，并對(duì)我方進(jìn)行報(bào)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(zhēng)時(shí)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(yùn)行情況，以便及時(shí)感應(yīng)到對(duì)方進(jìn)行戰(zhàn)略突襲的征兆，同時(shí)也為己方的戰(zhàn)略防御提供一定的準(zhǔn)備時(shí)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(duì)上通報(bào)戰(zhàn)略進(jìn)攻力量，根據(jù)命令實(shí)施戰(zhàn)略性反擊。即使在和平時(shí)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(guó)的導(dǎo)彈發(fā)射實(shí)驗(yàn)和航天發(fā)射活動(dòng)情況，以此來(lái)了解世界戰(zhàn)略武器的發(fā)展動(dòng)向，便于根據(jù)情況適時(shí)采取相應(yīng)的對(duì)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(yùn)行在同步靜止軌道或大橢圓軌道上，也有某些運(yùn)行在低軌上進(jìn)行輔助監(jiān)測(cè)，主要用來(lái)為國(guó)家的軍事指揮部門(mén)提供有關(guān)洲際導(dǎo)彈、潛射導(dǎo)彈、核爆炸探測(cè)以及部分軌道轟炸武器的發(fā)射警報(bào)，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(bào)警，并且預(yù)測(cè)其彈道參數(shù)，預(yù)警時(shí)間可以達(dá)到25min（一般8 000～13 000km的彈道導(dǎo)彈飛行時(shí)間大約為30min），也就是說(shuō)，敵方洲際彈道導(dǎo)彈還沒(méi)有到達(dá)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(cè)到的情報(bào)進(jìn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量的覆蓋這些優(yōu)點(diǎn)，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(guò)重疊區(qū)內(nèi)地球站的“雙跳”轉(zhuǎn)接，也可以實(shí)現(xiàn)不同覆蓋區(qū)域內(nèi)用戶的連接，從而實(shí)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(jiǎn)介

STK是美國(guó)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(jìn)仿真。世界各國(guó)不計(jì)其數(shù)的專家們?cè)诤教祛I(lǐng)域、研究衛(wèi)星系統(tǒng)工程的全過(guò)程中都用到了STK，這其中包括對(duì)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(yùn)行和應(yīng)用等一系列過(guò)程的仿真。

STK軟件是一款十分強(qiáng)大并且很靈活的軟件工具，它可以用來(lái)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(jì)劃、完成飛行任務(wù)分析和實(shí)時(shí)機(jī)動(dòng)地模擬跟蹤探測(cè)。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(yùn)動(dòng)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(guò)程，顯示任務(wù)場(chǎng)景。用戶可以根據(jù)生成的數(shù)據(jù)報(bào)告和圖表等各種數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)與仿真演示這部分的應(yīng)用中，需要仿真的是衛(wèi)星的運(yùn)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(cè)預(yù)警效果，可以形象直觀地提供衛(wèi)星對(duì)某些特定區(qū)域的覆蓋范圍、覆蓋時(shí)間等信息，從而通過(guò)得到的各種數(shù)據(jù)考察驗(yàn)證各種組網(wǎng)方案的技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到優(yōu)化確定組網(wǎng)方案的功能。

由于STK具有強(qiáng)大的計(jì)算能力、逼真的圖形顯示（包括二維和三維的動(dòng)態(tài)畫(huà)面顯示）、可靠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)報(bào)告，因此對(duì)整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)組網(wǎng)方案的設(shè)計(jì)部署、仿真實(shí)現(xiàn)、方案優(yōu)化、動(dòng)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(chǎng)景設(shè)置

啟動(dòng)STK，建立場(chǎng)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(shí)例中，在同步軌道上均勻放置3顆衛(wèi)星，并分別以紅色、藍(lán)色、綠色進(jìn)行區(qū)分。

選擇彈道導(dǎo)彈發(fā)射基地作為熱點(diǎn)探測(cè)對(duì)象，本實(shí)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(cè)點(diǎn)星座對(duì)象const＿fog，在其屬性中加入所有探測(cè)點(diǎn)對(duì)象。

選取我國(guó)境內(nèi)有代表性的7個(gè)點(diǎn)建立地面站對(duì)象，添加地面站星座對(duì)象const＿fac，在其屬性中加入所有地面站對(duì)象。

添加3個(gè)鏈路對(duì)象chain1，chain2，chain3，如表1所示。

表1 鏈路對(duì)象表

衛(wèi)星與監(jiān)測(cè)點(diǎn)直接有連線表示衛(wèi)星可以監(jiān)測(cè)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(cè)能力分析

紅外預(yù)警衛(wèi)星的任務(wù)是通過(guò)對(duì)一些熱點(diǎn)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(cè)點(diǎn)和衛(wèi)星的連線為AB，與觀測(cè)點(diǎn)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(guò)星載紅外探測(cè)器探測(cè)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(shí)尾焰產(chǎn)生的紅外輻射，并將測(cè)得的方位角和輻射強(qiáng)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(zhǎng)的預(yù)警時(shí)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(duì)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(cè)到導(dǎo)彈，就需要導(dǎo)彈的被探測(cè)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(duì)地觀測(cè)時(shí)，需利用大氣層過(guò)濾地面的雜散紅外源。如果仰角過(guò)低，由于地形、地物以及地面噪聲的影響，不能進(jìn)行有效的探測(cè)，無(wú)法完成預(yù)警功能。因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)，衛(wèi)星對(duì)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(cè)能力越強(qiáng)。

通過(guò)對(duì)國(guó)外熱點(diǎn)地區(qū)的仰角數(shù)據(jù)來(lái)分析同步軌道紅外預(yù)警衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)探測(cè)能力的強(qiáng)弱。圖5是8個(gè)國(guó)外導(dǎo)彈發(fā)射基地的仰角分布情況［7－10］。

通過(guò)上述仰角曲線繪制出各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大仰角值如表2所示。

表2 國(guó)外各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大仰角值

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

圖5 各個(gè)觀測(cè)基地的仰角分布圖

4 結(jié)束語(yǔ)

利用STK進(jìn)行實(shí)時(shí)視景仿真是衛(wèi)星航天任務(wù)仿真的一個(gè)重要方面，它可以通過(guò)軟件在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行的三維宏觀場(chǎng)景，通過(guò)得出的數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確描述衛(wèi)星在每個(gè)時(shí)刻的運(yùn)行狀況、運(yùn)行姿態(tài)、運(yùn)行角度以及衛(wèi)星輻照地面的區(qū)域、范圍、時(shí)間等，這對(duì)于監(jiān)控衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)以及熱點(diǎn)區(qū)域有重要的作用。除了探測(cè)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(qiáng).基于STK的航天發(fā)射可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（2）：446－449.

［2］杜耀珂.基于STK的衛(wèi)星實(shí)時(shí)視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)［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(bào)，1999（12）：437－441.

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

［6］楊穎，王琦.STK在計(jì)算機(jī)仿真中的應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

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

［8］關(guān)愛(ài)杰，于達(dá)太，王運(yùn)吉，等.偵察衛(wèi)星作戰(zhàn)過(guò)程仿真及偵察 效 果 評(píng) 估 ［J］.系 統(tǒng) 仿 真 學(xué) 報(bào)，2004（10）：2261－2263.

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

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