基于STK的預警衛星部署與性能分析

羅 菁，程紅斌

（空軍預警學院，武漢430019）

0 引 言

在導彈防御系統中，利用導彈在主動段紅外輻射比較強的特征，預警衛星使用先進的紅外探測設備，探測接收導彈的紅外輻射信號，發現并跟蹤目標，而且還要為整個導彈防御系統提供預警信息和彈道預報信息。由此，預警衛星對于導彈的早期預警是反導防御系統進行有效作戰的最為關鍵的環節，同時，預警衛星對于導彈的預警能力強弱也是衡量反導作戰效能的一個關鍵性指標，所以預警衛星一直是導彈預警防御以及反導防御系統作戰效能評估領域的研究熱點內容。

而目前在導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，為了滿足導彈攻防作戰仿真以及某些效能評估的要求，需要建立能夠實時、動態反映預警衛星對導彈預警能力的仿真模型。下面利用衛星工具包（STK）仿真工具來研究紅外預警衛星部署的方法，并且通過STK仿真出來的數據結合實際來分析預警衛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預警衛星的合理部署方案。

1 紅外反導預警衛星

預警衛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，感受彈道導彈發射時尾部噴焰發出的紅外輻射，由此發現敵方彈道導彈發射和飛行方向等一系列情報信息，并對我方進行報警的衛星。由于預警衛星是用于監視、發現和跟蹤敵方彈道導彈發射，所以也把它稱為導彈預警衛星。

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

由于預警衛星不受地球曲率的限制，高度上居高臨下，范圍上覆蓋廣泛，因此能及早發現空間預定的一些彈道導彈。預警衛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測，主要用來為國家的軍事指揮部門提供有關洲際導彈、潛射導彈、核爆炸探測以及部分軌道轟炸武器的發射警報，用以防止突然襲擊。

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

在所有的預警衛星中，由于同步軌道預警衛星軌道高度高、覆蓋范圍大并且能突破地理限制實現遠距離、大容量的覆蓋這些優點，占據了主導地位。理論上，3顆同步軌道衛星組成的星座系統能夠覆蓋全球，如圖1所示。除了兩極地區是盲區外，全球其他地區都可以覆蓋，甚至有部分地區還是重復覆蓋。通過重疊區內地球站的“雙跳”轉接，也可以實現不同覆蓋區域內用戶的連接，從而實現全球覆蓋。因此選取在同步軌道上的預警衛星仿真。

圖1 同步軌道衛星

2 STK簡介

STK是美國AGI公司推出的一款衛星系統分析軟件，主要應用于航天領域的先進仿真。世界各國不計其數的專家們在航天領域、研究衛星系統工程的全過程中都用到了STK，這其中包括對衛星系統的需求定義，各顆衛星部署、構造、發射、運行和應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中需要涉及到的多學科的交叉內容，能方便快捷地幫助用戶編制飛行計劃、完成飛行任務分析和實時機動地模擬跟蹤探測。用戶可以利用STK軟件設置地面站、目標區域、衛星、傳感器以及各種類型的運動物體參數等，設置完成好仿真環境后，STK可以迅速模擬任務過程，顯示任務場景。用戶可以根據生成的數據報告和圖表等各種數據進行任務分析，最終確定最佳解決方案［1－6］。

STK軟件在衛星組網的設計與仿真演示這部分的應用中，需要仿真的是衛星的運行規律、軌道性能以及各種組網方案所得到的偵察探測預警效果，可以形象直觀地提供衛星對某些特定區域的覆蓋范圍、覆蓋時間等信息，從而通過得到的各種數據考察驗證各種組網方案的技術指標，達到優化確定組網方案的功能。

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畫面顯示）、可靠準確的數據報告，因此對整個衛星系統組網方案的設計部署、仿真實現、方案優化、動靜態演示都具有非常重要的作用。

3 反導預警衛星部署與性能分析

3.1 仿真場景設置

啟動STK，建立場景“GEO－const”。

根據3顆同步軌道衛星平均分布可以覆蓋全球的規則，本實例中，在同步軌道上均勻放置3顆衛星，并分別以紅色、藍色、綠色進行區分。

選擇彈道導彈發射基地作為熱點探測對象，本實例中選用的某些彈道導彈發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

衛星與監測點直接有連線表示衛星可以監測到該基地。

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

圖2 同步軌道紅外預警衛星部署3D圖

圖3 同步軌道紅外預警衛星部署2D圖

3.2 反導預警衛星系統探測能力分析

紅外預警衛星的任務是通過對一些熱點地區的彈道導彈的監視完成預警功能。

紅外預警衛星與地面目標的空間幾何關系如圖4所示。

圖4中觀測點和衛星的連線為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。

導彈預警衛星是通過星載紅外探測器探測洲際彈道導彈、潛射彈道導彈和戰術彈道導彈發射時尾焰產生的紅外輻射，并將測得的方位角和輻射強度等有關信息迅速傳遞給地面中心，從而使地面防御系統能夠贏得盡可能長的預警時間，以采取有效的反擊措施。

圖4 同步軌道紅外預警衛星與地面站的空間幾何關系圖

但由于大地上一些紅外熱源對衛星的干擾，使之不能準確地分辨出導彈的尾焰。為了使衛星可以探測到導彈，就需要導彈的被探測背景是純凈的（如天空等），所以同步軌道紅外預警衛星對地觀測時，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，無法完成預警功能。因此實際應用時，衛星對于地球站的仰角數據不能低于5°，并且仰角越高，其探測能力越強。

通過對國外熱點地區的仰角數據來分析同步軌道紅外預警衛星對目標探測能力的強弱。圖5是8個國外導彈發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測點的最大仰角值如表2所示。

表2 國外各監測點最大仰角值

通過這些圖表，根據之前的推論，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°，所以對導彈發射探測能力較弱；而基地8的最大仰角值最大，為45.1°，所以對導彈發射探測能力較強。但是所有觀測點的仰角均大于5°，所以預警衛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 結束語

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

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