張安理,李　智,張雅聲,王慶文

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

2.第二炮兵工程大學(xué) 空間工程系，西安　710025)

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基于威脅度函數(shù)的預(yù)警衛(wèi)星威脅評(píng)估研究

張安理1a,李智1b,張雅聲1c,王慶文2

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

2.第二炮兵工程大學(xué) 空間工程系，西安710025)

摘要：預(yù)警衛(wèi)星作為導(dǎo)彈作戰(zhàn)中重要的天基威脅源之一，目前對(duì)其評(píng)估多為效能評(píng)估，并沒有從威脅的角度開展評(píng)估。通過對(duì)預(yù)警衛(wèi)星威脅要素進(jìn)行分析與提取，提出了一種基于威脅度函數(shù)的威脅評(píng)估方法。該方法綜合了靜態(tài)性能與作戰(zhàn)狀態(tài)的各個(gè)方面，使指揮員能夠比較準(zhǔn)確地把握預(yù)警衛(wèi)星對(duì)導(dǎo)彈作戰(zhàn)的威脅程度，從而為指揮員指揮決策提供依據(jù)。通過實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證了該評(píng)估方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：預(yù)警衛(wèi)星；威脅評(píng)估；威脅要素；探測(cè)次數(shù)；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(shù)的預(yù)警衛(wèi)星威脅評(píng)估研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，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(yù)警衛(wèi)星主要是通過捕捉發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰及其紅外輻射，用來監(jiān)視地面彈道導(dǎo)彈的發(fā)射情況，它利用不受地球曲率限制，截取信息覆蓋面廣的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)全球監(jiān)視[1]，如美國(guó)的DSP、SBIRS-High、STSS預(yù)警衛(wèi)星等，在對(duì)抗我方導(dǎo)彈突防任務(wù)中發(fā)揮著重要作用，且隨著敵方天基預(yù)警能力不斷增強(qiáng)，預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)我國(guó)的探測(cè)范圍、預(yù)警范圍不斷增大，為其反導(dǎo)防御系統(tǒng)攔截我方導(dǎo)彈提供更加精確的先驗(yàn)數(shù)據(jù)，大幅增加對(duì)洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈的預(yù)警時(shí)間，致使我方導(dǎo)彈突防愈加困難,受到來自于空間的威脅愈加明顯。評(píng)估預(yù)警衛(wèi)星在導(dǎo)彈作戰(zhàn)中的威脅，可以為我國(guó)導(dǎo)彈作戰(zhàn)中優(yōu)化作戰(zhàn)決策方案提供依據(jù)，可以為開展各類衛(wèi)星及空間系統(tǒng)威脅評(píng)估提供借鑒，也可以進(jìn)一步豐富威脅評(píng)估理論，具有極大的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1預(yù)警衛(wèi)星威脅度函數(shù)構(gòu)造

1.1威脅要素分析

預(yù)警衛(wèi)星對(duì)彈道導(dǎo)彈形成威脅不僅取決于衛(wèi)星、導(dǎo)彈的能力，也取決于外部環(huán)境及作戰(zhàn)狀態(tài)的影響，是多種因素綜合作用的結(jié)果，遵循重要性、獨(dú)立性及易測(cè)性原則，選取了潛在威脅、探測(cè)次數(shù)、空間距離、探測(cè)價(jià)值等作為影響預(yù)警衛(wèi)星威脅度的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析。

1) 潛在威脅

2) 探測(cè)次數(shù)

探測(cè)次數(shù)是與預(yù)警衛(wèi)星對(duì)導(dǎo)彈的探測(cè)弧段以及探測(cè)器探測(cè)周期密切相關(guān)，對(duì)于特定彈道來說，如果探測(cè)弧段越長(zhǎng)，則探測(cè)次數(shù)就越多，探測(cè)概率就越高，為預(yù)警雷達(dá)提供的用于引導(dǎo)的預(yù)警信息誤差就越小，預(yù)警衛(wèi)星對(duì)彈道導(dǎo)彈作戰(zhàn)的威脅度就越大。

3) 衛(wèi)星與導(dǎo)彈之間的空間距離

在導(dǎo)彈飛行過程中，預(yù)警衛(wèi)星對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行探測(cè)，由于兩者均處于運(yùn)動(dòng)之中，其相對(duì)空間距離便時(shí)刻處于變化之中，且是一個(gè)關(guān)于自變量為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)。在預(yù)警衛(wèi)星的有效探測(cè)距離之內(nèi)(探測(cè)距離之外威脅度為0)，若空間相對(duì)距離越近，則預(yù)警衛(wèi)星對(duì)彈道導(dǎo)彈的威脅就越大，否則就越小。

4) 威脅環(huán)境

威脅環(huán)境包括自然環(huán)境和非自然環(huán)境。自然環(huán)境是指空間的自然環(huán)境條件，對(duì)預(yù)警衛(wèi)星來說，主要體現(xiàn)在云層高度、厚度以及導(dǎo)彈航區(qū)分布情況等三個(gè)方面，自然環(huán)境會(huì)直接影響預(yù)警衛(wèi)星探測(cè)器對(duì)彈道導(dǎo)彈的探測(cè)效果。非自然環(huán)境是指為確?？臻g戰(zhàn)略安全由國(guó)際法構(gòu)成的國(guó)際空間安全戰(zhàn)略格局[2]，如《空間法》《外空條約》等則會(huì)對(duì)預(yù)警衛(wèi)星的使用帶來軟性限制。

5) 威脅意圖

只有預(yù)警衛(wèi)星存有威脅意圖的前提下，才有開展預(yù)警衛(wèi)星威脅評(píng)估的必要。意圖是指希望達(dá)到某種目的打算，這里的威脅意圖主要指處于敵我對(duì)抗環(huán)境中，具有敵對(duì)性與對(duì)抗性的作戰(zhàn)意圖。要獲知敵方隱含的威脅意圖，只有通過對(duì)敵方威脅源的事件與行動(dòng)進(jìn)行判斷并推理來獲得[3]，預(yù)警衛(wèi)星的威脅意圖主要是通過空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視預(yù)警衛(wèi)星的行為狀態(tài)來進(jìn)行推理，如預(yù)警衛(wèi)星是否開機(jī)、針對(duì)我方導(dǎo)彈威脅，敵方預(yù)警衛(wèi)星姿態(tài)是否進(jìn)行了調(diào)整、軌道是否存在機(jī)動(dòng)等。

6) 探測(cè)價(jià)值

探測(cè)價(jià)值主要是指即使預(yù)警衛(wèi)星對(duì)彈道導(dǎo)彈的探測(cè)效果相同，但由于探測(cè)時(shí)間先后的因素，探測(cè)對(duì)武器攔截系統(tǒng)產(chǎn)生的價(jià)值是不同的，而是具有隨導(dǎo)彈飛行時(shí)間不斷衰減的時(shí)間屬性，即探測(cè)時(shí)間越早，則探測(cè)的價(jià)值度就越大，否則就越小。

1.2威脅度函數(shù)構(gòu)造

1.2.1構(gòu)造思路

威脅即為施者方對(duì)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(gè)模糊性概念，為開展威脅評(píng)估，此處定義威脅度為[0,1]間的數(shù)值，假設(shè)自彈道導(dǎo)彈起飛后，在時(shí)間區(qū)間[0，t1]，預(yù)警衛(wèi)星未探測(cè)到導(dǎo)彈，此時(shí)威脅度為0；自t1時(shí)刻預(yù)警衛(wèi)星開始探測(cè)到導(dǎo)彈，而t2時(shí)刻之后預(yù)警衛(wèi)星結(jié)束探測(cè)，即在時(shí)間區(qū)間 [t1，t2]，預(yù)警衛(wèi)星的威脅度與潛在威脅、探測(cè)次數(shù)、導(dǎo)彈與衛(wèi)星的距離變化、威脅環(huán)境、威脅意圖及探測(cè)價(jià)值密切相關(guān)；t3時(shí)刻之后武器攔截系統(tǒng)已無足夠攔截時(shí)間實(shí)施攔截，因此t3時(shí)刻之后威脅度亦為0，而在時(shí)間區(qū)間[t2，t3]，雖然預(yù)警未能再探測(cè)到導(dǎo)彈，但由于預(yù)警衛(wèi)星先前產(chǎn)生的預(yù)警信息對(duì)武器攔截系統(tǒng)依然存有不良影響，所以預(yù)警衛(wèi)星對(duì)彈道導(dǎo)彈突防產(chǎn)生的威脅度不為0，而是會(huì)隨著時(shí)間t的推移，預(yù)警誤差逐步增大，其威脅度呈現(xiàn)出“連續(xù)下降”的趨勢(shì)，直至t3時(shí)刻，攔截系統(tǒng)已不具備攔截能力為止，預(yù)警衛(wèi)星威脅度下降為0。

1.2.2要素函數(shù)構(gòu)造

鑒于威脅度T(t)∈[0,1]，因此假設(shè)各要素函數(shù)的值域∈[0,1]。各要素函數(shù)構(gòu)造如下：

1) 探測(cè)次數(shù)要素函數(shù)N

2) 距離要素函數(shù)F(t)

3) 探測(cè)價(jià)值要素函數(shù)ψ(t)

另外，潛在威脅要進(jìn)行歸一化處理c*，環(huán)境要素系數(shù)η，威脅意圖系數(shù)I可進(jìn)行定性處理。當(dāng)威脅環(huán)境為優(yōu)時(shí)，η=1，當(dāng)自然環(huán)境環(huán)境為良時(shí)，η=0.7，當(dāng)威脅環(huán)境為中時(shí)，η=0.5，威脅環(huán)境為差時(shí)，η=0.3。威脅意圖則可假設(shè)為I=1。

4) [t2，t3]區(qū)間函數(shù)V*(t)構(gòu)造

由此預(yù)警衛(wèi)星威脅度函數(shù)T(t)為

2實(shí)例分析

以一發(fā)發(fā)射時(shí)間為2015年4月28日04:31:20；發(fā)射點(diǎn)經(jīng)度為29.26°、緯度為120.216°；落點(diǎn)經(jīng)度為26.27°、緯度為127.748°；飛行高度為653 km的彈道導(dǎo)彈以及美國(guó)STSS_Demo1為對(duì)象進(jìn)行實(shí)例分析。

2.1威脅度函數(shù)參數(shù)獲取

2.1.1探測(cè)次數(shù)獲取

1) STK仿真預(yù)警衛(wèi)星對(duì)彈道導(dǎo)彈的覆蓋弧段

STK[6](Satellite Tool Kit)是由美國(guó)Analytical Graphics，Inc.(AGI)公司開發(fā)的分析軟件，可快速準(zhǔn)確分析預(yù)警衛(wèi)星及彈道導(dǎo)彈等對(duì)象的定位和交互任務(wù)，并提供圖表及文本形式的分析結(jié)果。

STK仿真覆蓋弧段步驟如下：

建立STSS_Demo1/Demo2預(yù)警衛(wèi)星對(duì)象，并對(duì)衛(wèi)星探測(cè)器進(jìn)行了設(shè)置，STSS_Demo1/Demo2衛(wèi)星采用掃描探測(cè)器與凝視探測(cè)器配合工作的雙探測(cè)器模式，即先由掃描探測(cè)器對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行機(jī)械重復(fù)掃描來探測(cè)目標(biāo)，探測(cè)到目標(biāo)后，將探測(cè)信息提供給凝視探測(cè)器，凝視探測(cè)器緊盯導(dǎo)彈目標(biāo)直至消失為止，STSS_Demo1/Demo2預(yù)警衛(wèi)星探測(cè)器設(shè)置如圖1所示。

創(chuàng)建彈道導(dǎo)彈對(duì)象；建立STSS_Demo1衛(wèi)星與Missile的chain連接，獲取Demo1衛(wèi)星掃描探測(cè)器/凝視探測(cè)器對(duì)Missile的威脅時(shí)間弧段。其中，STSS_Demo1衛(wèi)星凝視探測(cè)器威脅弧段[t1、t2]如圖2所示。

圖1　STSS_Demo1、Demo2探測(cè)器STK示意圖

圖2　STSS_Demo1凝視探測(cè)器威脅弧段STK仿真

2) 探測(cè)次數(shù)模型

探測(cè)次數(shù)nstare為

其中：t1，t2為凝視探測(cè)器覆蓋弧段的起始終止時(shí)間；tcloud=17 s為導(dǎo)彈穿出云層的時(shí)間；Tscan=1 s為掃描探測(cè)器周期；Tstare=0.1 s為凝視探測(cè)器周期；nscan=3為掃描探測(cè)器次數(shù)，即假設(shè)掃描探測(cè)器掃描3次后轉(zhuǎn)換至凝視探測(cè)器工作。

通過STK軟件仿真及模型計(jì)算可得STSS_Demo1預(yù)警衛(wèi)星的威脅時(shí)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(shè)置的導(dǎo)彈為對(duì)象，通過模型仿真可得到STSS_Demo1衛(wèi)星與該導(dǎo)彈在[t1、t2]時(shí)間段內(nèi)的距離變化曲線如圖3所示。

圖3　預(yù)警衛(wèi)星與導(dǎo)彈的距離變化曲線

2.1.3其他參數(shù)設(shè)置

假設(shè)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，即從預(yù)警衛(wèi)星給出預(yù)警信息到攔截彈發(fā)射需要的時(shí)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(jié)果分析

采用Matlab軟件對(duì)STSS_Demo1預(yù)警衛(wèi)星威脅度進(jìn)行了仿真，其變化曲線如圖4所示。

圖4　預(yù)警衛(wèi)星威脅度變化曲線

從圖4可以看出，在[t1，t2]時(shí)間段里，由于預(yù)警衛(wèi)星與導(dǎo)彈間的相對(duì)距離增大，以及隨著時(shí)間推移，探測(cè)價(jià)值度的降低，導(dǎo)致了威脅曲線呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。在[t2，t3]時(shí)間段內(nèi)，由于預(yù)警衛(wèi)星不能再探測(cè)到導(dǎo)彈而導(dǎo)致威脅度逐漸下降至0，符合常理。

由此，STSS_Demo1預(yù)警衛(wèi)星對(duì)本次導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)的平均威脅度為總威脅度(面積聚合)與導(dǎo)彈總飛行時(shí)間之比，即

同理，可求解出其他預(yù)警衛(wèi)星的平均威脅度并進(jìn)行排序。

3結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)預(yù)警衛(wèi)星對(duì)導(dǎo)彈作戰(zhàn)帶來威脅的問題，構(gòu)造了基于威脅要素的預(yù)警衛(wèi)星威脅度函數(shù)。由于威脅評(píng)估是一個(gè)有關(guān)對(duì)抗雙方以及作戰(zhàn)環(huán)境等多方因素的評(píng)估過程，因而預(yù)警衛(wèi)星威脅度是相當(dāng)復(fù)雜的，為便于仿真，函數(shù)中部分參數(shù)例如威脅能力、威脅環(huán)境等設(shè)置比較簡(jiǎn)單，下一步可在威脅要素提取以及參數(shù)設(shè)置等方面進(jìn)行分析研究，進(jìn)而獲取更合理的威脅度，為導(dǎo)彈作戰(zhàn)中指揮員重點(diǎn)目標(biāo)選擇并進(jìn)行輔助決策提供依據(jù)。

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(責(zé)任編輯周江川)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

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(hào)：1006-0707(2016)01-0066-04

中圖分類號(hào)：V474.2+7；TJ8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.016

作者簡(jiǎn)介：張安理(1979—)，男，碩士，工程師，主要從事軍隊(duì)指揮學(xué)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(shè)計(jì)與應(yīng)用研究；王慶文(1982—)，男，博士，主要從事空間信息網(wǎng)絡(luò)研究。

收稿日期：2015-06-18；修回日期：2015-07-09