海洋監視衛星作戰效能仿真研究

張玉軍，曹裕華

（裝備指揮技術學院，北京101416）

1 引 言

縱觀近幾場現代戰爭，基于大型水面作戰平臺的遠程精確打擊已成為一種重要的作戰樣式。為有效應對這種威脅，提高對大型海洋目標的遠程探測能力至關重要。利用海洋監視衛星，采用無源被動定位方式對海上艦船進行監視是一種比較有效的手段，其中三星時差定位方法精度較高，覆蓋范圍大，具有良好的作戰應用效能[1，2]。

針對海洋監視衛星的作戰過程，選取對其作戰效能影響最大的偵察時效性、目標發現概率、定位誤差、目標動向判斷等作為海洋監視衛星作戰效能指標，通過對STK二次開發，構建海洋監視衛星作戰效能仿真系統，對其關鍵能力進行仿真分析。

2 仿真系統設計

2.1 STK集成設計

海洋監視衛星作戰效能仿真系統的開發基于STK衛星工具包，STK是目前航天工業應用最為廣泛的分析軟件，利于STK進行衛星能力分析時，主要有3種方法[3]，包括：直接操作STK軟件進行分析、開發STK仿真程序進行分析和使用擴展STK程序庫功能進行分析。為了提高仿真系統的開發效率、降低集成難度，系統采用第二種方式，基于STK6.1版本進行二次開發，該版本改變了舊版本仿真分析與顯示自成體系的模式，應用嵌入式的AGI圖形組件將STK仿真結果顯示從STK服務系統中獨立分離出來。目前，STK6.1版本為VS.NET、Java等開發工具提供了AGI Global Control和AGI Map Control兩個圖形控件，在仿真應用系統中實例化這兩個圖形控件，即可以獲得STK仿真服務，并在應用系統中直接圖形顯示仿真結果。這種方法與傳統利用STK/Connect模塊訪問STK方法一致，都是通過字符串形式的command命令向STK后臺服務發送運行指令，實現仿真服務調用。

2.2 系統總體設計

仿真系統針對海洋監視衛星主要作戰效能指標而設計，總體結構如圖1所示，系統各組成模塊的功能和工作方式如下：

（1）效能仿真模塊。效能仿真模塊由各效能指標分析模型組成，是整個系統的核心，主要功能包括對STK中間件提供的計算結果進行統計分析，在此基礎上，運行自身模型完成對海洋監視衛星偵察時效性、目標發現概率、定位誤差和目標動向判斷等效能指標的計算，生成各種結果數據，并傳遞至數據管理模塊。

（2）數據管理模塊。數據管理模塊包括系統界面操作和數據庫存儲管理兩部分，主要功能是設定仿真相關參數，包括衛星軌道和有效載荷參數、目標參數、仿真時間等信息，同時顯示并記錄效能仿真結果。

（3）STK中間件。STK中間件的功能主要包括兩部分，一是將數據管理生成的各種參數生成相應的command指令參數，并通過執行ExecuteCommand（command）函數調用STK服務；二是獲取和解析STK仿真服務結果，供效能仿真模塊使用。

（4）STK服務系統。STK服務系統以組件的形式嵌入整個仿真系統，主要完成軌道計算、覆蓋分析、鏈路分析、態勢顯示等功能。

3 仿真模型設計

3.1 時效性模型

偵察時效性用平均響應時間表示。響應時間是指從接收到要觀測某目標的隨機請求開始到可以觀測到該目標為止的時間長度。平均響應時間指在仿真時段內，各步長響應時間總和對總仿真時間的平均，在實際計算時，由于對稱性，響應時間可以用覆蓋間隙長度來計算。假設在步長為h仿真周期為T的計算中，共有覆蓋間隙n次，第i個覆蓋間隙長度是tgi，則平均響應時間tmrt為：

3.2 目標發現概率模型

目標探測分為間歇搜索目標和連續搜索目標兩種探測類型，且連續搜索可視為間歇式搜索的特例。因此，不失一般性，假設衛星探測目標為間歇式搜索，每次偵察的條件基本相同，則衛星對區域A內運動目標的發現概率為[4]：

式（2）中，T為目標在A內運動時間，G為衛星對A的最大覆蓋間隙，g為衛星隨機搜索的發現概率。

3.3 定位誤差模型

星座中的衛星相距一定距離，輻射源發射脈沖到達三個衛星的時間是不同的，距離輻射源較近的衛星先截獲該脈沖，根據三個衛星得到的脈沖到達時間差，可以確定地面輻射源的位置。假設地面點R為目標點，衛星Si為第i顆衛星在當前時刻tk的空間位置，采用經緯度和地心距表示，如圖2所示，則tk時刻各點的衛星矢量ri可在ΔSiRO中，由余弦定理求得。

在tk時刻，衛星S1與S0的測量時差t10和S2與S0的測量時差t20與距離差可由式（3）表示：

其中，誤差方程的系數矩陣A、B、Di可由三星位置和輻射源位置計算得出；T為時間測量誤差，誤差主要由電磁波傳播誤差、接收設備誤差等因素引起；B為輻射源的地心距誤差，這是由于地球的不規則性引起的，如果假設地球是理想球體，則B=0；Ei為衛星定軌誤差，包括星下點經緯度和地心距，這個誤差包括對衛星軌道位置的測量誤差和地球扁率誤差。

3.4 目標動向判斷模型

由于海洋監視衛星無法實現對目標連續監視，在有限的覆蓋時間內判斷出其動向是非常必要的，現假設一艘艦船運動速度為v，一次覆蓋可持續T秒，則衛星前后兩次對目標的運行動向監視效果如圖3所示。

圖中定位誤差概率圓表示在定位精度為σ情況下，測量誤差r出現的概率，滿足某種概率分布。由圖3可知，最壞的情況出現在兩次都為最大誤差，且分別垂直于目標真正航向的兩側，則最壞情況下航向偏差角α可由式（6）計算得出：

假設目標航向以正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北8個方向來描述，可以認為當測量航向與真正航向相差±22.5°以內時，可正確確定目標的動向。

4 仿真實例分析

4.1 仿真背景設計

假設一艘大型海上艦船，時速約為30節，在東經125°—130°，北緯23°—28°區域游弋，時間為T。海洋監視衛星星座軌道參數如表1所示，衛星在空間成對稱三角形分布，軌道高度約為800km，相距約為100—120km，仿真周期為24小時。

表1 衛星軌道參數

4.2 仿真結果分析

首先對不同幅寬下海洋監視衛星發現概率與最大覆蓋間隙的關系進行仿真計算，由圖4可知，如果發現概率要求在95%以上時，幅寬為200km、500km和1000km的海洋監視衛星所能容忍的最大覆蓋間隙為0.2T、0.5T和T，當偵察幅寬超過1000km時，只要衛星對目標的最大覆蓋間隙小于其在區域的活動時間，則可以有效發現目標。

圖5為星座構型在理想狀態下定位精度與測量誤差和定軌誤差的關系，即3顆衛星的構型成等邊三角形，目標位于構型中心。由圖可知，定軌誤差和測量誤差對定位精度影響趨勢一致，為使定位精度在4km以內，定軌誤差和測量誤差應保持在50m以內，這也說明三星座海洋監視衛星對定軌精度和測量精度要求較低，工程實現較為容易。

在上述分析的基礎上，利用仿真系統對海洋監視衛星的作戰效能進行仿真，設定覆蓋寬度為3000km，測量誤差為5m，定軌誤差為5—45m，采用蒙特卡羅方法對每種情況進行10萬次運算。星座的定位精度和對目標的動向判斷結果見表2，在仿真周期內，衛星共發現目標兩次，持續偵察時間為419s和447s，對目標的平均響應時間為8.5小時。在相同條件下，表2所示的定位精度與圖5差異較大，原因主要有兩方面：一是發現目標時，目標沒有位于衛星構型的中央位置；二是編隊衛星飛行時，其構型會發生巨大的變化，使得星座在空間沒有形成對稱三角形。以上分析說明在提高衛星定軌精度和測量精度的同時，應合理設計星座構型，使其飛臨敏感區域時擁有較為均勻的構型。

表2 星座對目標動向判斷能力

5 結束語

本文通過集成STK相關服務，設計了一種可用于海洋監視衛星作戰效能分析的仿真系統。與其他海洋監視衛星效能仿真分析相比較，本系統不局限于對單個指標的靜態分析或過境分析，而是針對衛星系統作戰過程的動態仿真分析，充分考慮了星座和目標的運動因素、星座的自身偵察能力等因素對作戰效能的影響。海洋監視衛星是未來海軍作戰不可或缺的支援力量，既可以為精確打擊武器提供引導參數，還可以確定敵方的意圖，掌握先機。希望本文對其作戰效能的建模仿真，能為未來海洋監視衛星星座的發展與應用提供一定參考。

1 沈如松，張育林.海洋監視衛星無源被動定位精度分析[J].中國空間科學技術，2005（3）：35—39.

2 沈如松，張育林.海洋監視衛星作戰效能分析[J].系統仿真學報，2006，18（3）：531—534.

3 張占月，徐艷麗，曾國強.基于STK的航天任務仿真方案分析[J].裝備指揮技術學院學報，2006（1）：48—51.

4 張雅聲，張育林.偵察衛星星座目標發現概率與最大訪問間隔分析[J].系統工程與電子技術，2005，27（9）：1587—1589.