基于Matlab／STK的航天電子偵察效能仿真技術研究

許丞梁，郭福成，劉 洋

（國防科技大學電子科學與工程學院，湖南 長沙410073）

0 引言

STK（Satellite Tool Kit）是由美國AGI公司開發(fā)的一款功能強大的分析與仿真軟件，在航天領域的系統(tǒng)分析與仿真方面應用廣泛。如文獻［1］利用STK 提供的與MATLAB的接口模塊進行聯(lián)合仿真，構建衛(wèi)星軌道仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了對衛(wèi)星軌道和姿態(tài)的控制。文獻［2］通過STK 對“神舟”六號飛船和地面測控站進行了覆蓋分析。文獻［3］通過幾何計算得到偵察衛(wèi)星覆蓋區(qū)域，據此進行偵察效能分析。文獻［4］基于STK／CONNECT 模塊二次開發(fā)建立的偵察效能仿真系統(tǒng)，根據STK 分析報告，分析衛(wèi)星的偵察能力。上述例子都是單純依靠STK 進行仿真分析，其生成的分析報告基本是由人工讀取、分析，用戶需要融合多種報告形式進行分析。要得到較為宏觀的優(yōu)化參數(shù)，需要長時間、多次人工設置和讀取場景，因此利用STK 進行具體的電子偵察任務的設計分析和參數(shù)優(yōu)化是較為復雜的。

針對上述情況，本文基于Matlab構建電子偵察系統(tǒng)仿真軟件，結合STK 強大的軌道計算功能，可以對復雜航天任務進行仿真分析，并通過STK／Matlab接口模塊，把STK 中的分析報告?zhèn)鞯組atlab工作空間中，由Matlab 讀取相關信息，進行統(tǒng)計分析。利用Matlab對不同參數(shù)條件下的電子偵察效能進行自動的多次統(tǒng)計分析和對比，取代以往人工設置和讀取STK 報告，改變以往效率低、速度慢、易出錯等不足。在接近真實條件下設定仿真場景，所得到的分析結果可信度更高。

1 仿真分析軟件設計方法

STK／X 模塊使用戶可以在不啟動STK 軟件的條件下實現(xiàn)STK 的場景生成及其他各種功能，具備二維及三維的可視化效果以及實現(xiàn)了仿真數(shù)據可提取分析［5-6］。本文基于STK／X 模塊，通過ActiveX 控件將STK 二維和三維圖形窗口無縫集成到Matlab GUI界面中，開發(fā)電子偵察系統(tǒng)仿真分析軟件。

STK 提供有“Report”工具，可以產生詳盡的分析報告，滿足多種航天任務分析需要。通過Matlab調用“Report Create”命 令，生 成“Link Budget”報 告 和“Fixed Position Velocity”報告，并以文本方式輸出。其中，“Link Budget”報告只能在接收機與發(fā)射機之間定義通信鏈路報告，包含了與接收機和發(fā)射機相關的所有鏈路通信參數(shù)，包括覆蓋時間、接收信號頻率、帶寬、信噪比等。“Fixed Position Velocity”報告中包含仿真時間以及相應的衛(wèi)星在地固坐標系下的位置（x ；y；z） 和速度 （vx；vy；vz）。STK 的衛(wèi) 星 星 歷報告與接收機和發(fā)射機屬性結合，可用于通信鏈路分析，得到衛(wèi)星對輻射源的偵察效能。

2 航天電子偵察效能分析

2.1 航天電子偵察概述

基于衛(wèi)星平臺的航天電子偵察技術是由星載偵察設備偵收和截獲雷達、通信等輻射源的電磁波信號，經過信息處理系統(tǒng)分析處理，以獲取目標輻射源的位置、信號特征等信息，實現(xiàn)對輻射源的探測、跟蹤與監(jiān)視功能［7］。

偵察設備包括偵察天線、接收機、信號處理器和輸出設備等［7］。通常情況下，地面輻射源的天線指向與地平面呈一個較小的仰角進行掃描，而偵察天線固定指向地面，如圖1所示。在星下點附近偵察天線通常接收輻射源天線副瓣信號，在遠離星下點的位置能夠接收到輻射源天線主瓣信號，但是在遠離星下點的位置，也存在輻射源與衛(wèi)星的距離較遠、信號衰減相對嚴重的問題。

圖1 衛(wèi)星對地面?zhèn)刹焓疽鈭D

在進行航天電子偵察系統(tǒng)設計時，需要對系統(tǒng)的偵察效能進行全面準確的評估，從而為系統(tǒng)指標的確定提供參考依據。偵察效能評估包括衛(wèi)星對輻射源的覆蓋分析和通信鏈路分析。覆蓋分析分別從時間和空間上分析衛(wèi)星對輻射源的動態(tài)覆蓋情況；通信鏈路分析是指根據衛(wèi)星在覆蓋時間內接收到的輻射源信號，確定輻射源是否能被有效偵收截獲。在截獲已發(fā)生時，如果截獲信號的信噪比大于門限值，則稱為有效截獲［8］。為了分析衛(wèi)星對輻射源的有效偵察截獲能力，需要統(tǒng)計偵察接收機的截獲信號的信噪比。

2.2 單點偵察效能分析

單點偵察效能分析主要是分析衛(wèi)星在軌運行時對地面固定輻射源的動態(tài)覆蓋情況，并統(tǒng)計“Link Budget”報告中的信噪比參數(shù)，以分析衛(wèi)星對輻射源的有效截獲能力。

衛(wèi)星對輻射源的覆蓋情況，即衛(wèi)星與輻射源的可見情況。讀取“Link Budget”報告，統(tǒng)計分析衛(wèi)星對輻射源的覆蓋起始時間t0j和終止時間tdj，計算在仿真時間內衛(wèi)星對地面站的覆蓋時間、最大覆蓋時間、最小覆蓋時間、平均覆蓋時間以及最大重訪周期、最小重訪周期和平均重訪周期等參數(shù)。如：

總覆蓋時間為：

平均重訪周期為：

假定衛(wèi)星軌道半長軸6878.138km；地面輻射源位置為（26.3358°N，127.801°E，0）。圖2所示是一段時間內衛(wèi)星對輻射源的覆蓋情況，其中橫軸0表示仿真起始時刻。第一幅子圖是衛(wèi)星對地面站的覆蓋時間段（縱軸“1”表示有覆蓋，“0”表示無覆蓋），第二幅子圖是衛(wèi)星對輻射源的覆蓋時間長度，第三幅子圖是衛(wèi)星對輻射源的重訪周期。

圖2 衛(wèi)星對地面站的覆蓋分析

在仿真時間（24h）內，衛(wèi)星對地面輻射源的總覆蓋時間為2582.791s，最大覆蓋時間為689.901s，最小覆蓋時間為205.946s，平均覆蓋時間為516.5502s，最大重訪周期為42762.43s，最 小 重 訪 周 期 為5176.975s，平均重訪周期為16570.69s。

定義衛(wèi)星位置矢量與衛(wèi)星-輻射源連線矢量之間的夾角為衛(wèi)星俯仰角θ，計算公式如下：

式中，‖S‖、‖X‖ 表示S 和X 的2范數(shù)。

讀取“Link Budget”報告中的信噪比，并根據衛(wèi)星對輻射源的覆蓋情況，讀取“Fixed Position Velocity”報告中衛(wèi)星的地固坐標Sj＝（xj；yj；zj）；根據式（3）計算衛(wèi)星俯仰角。輻射源位置參數(shù)是在大地坐標系下定義的，需要轉換到地固坐標系下。大地坐標系到地固坐標系的轉換關系見文獻［9］。

圖3 接收機截獲信噪比和衛(wèi)星俯仰角

假定接收機天線波束寬度為60°，根據上述步驟可以得到信噪比和衛(wèi)星俯仰角，如圖3所示。可見若接收機天線波束寬度為80°，則在整個過境時間內偵察天線主瓣都可以實現(xiàn)對輻射源的覆蓋；而俯仰角較小時接收機的截獲信噪比高于俯仰角較大時的截獲信噪比。衛(wèi)星此次過境對輻射源的覆蓋時間為708.8790s，其中衛(wèi)星俯仰角小于60°的時間為290s。若設定信噪比門限為0dB，則有效偵察截獲時間為114.7s；若設定接收機信噪比門限為-10dB，則有效偵察截獲時間為311.2s。

通過以上分析可知，低軌衛(wèi)星運行速度較快，對輻射源的持續(xù)偵察能力不足。為了獲得對輻射源的持續(xù)偵察能力，通常需要多顆衛(wèi)星組網進行偵察。

2.3 區(qū)域偵察效能分析

實際中，可能需要分析衛(wèi)星對特定區(qū)域內的輻射源目標的偵察效能。融合單一輻射源主偵察效能分析結果，完成對區(qū)域的偵察效能分析。

將區(qū)域用多邊形近似，設定多邊形頂點為輻射源位置。針對單個輻射源進行分析，設衛(wèi)星對區(qū)域多邊形頂點處輻射源的覆蓋起始時間為t0ij，終止時間為tdij，其中i＝1，2，3，… 表示輻射源個數(shù)。將衛(wèi)星對輻射源的覆蓋時間段［t0ij，tdij］進行“相與”，如公式（4）所示，即得到衛(wèi)星對區(qū)域的覆蓋時間［t0j，tdj］。

假定待分析區(qū)域由四邊形組成，四邊形的四個頂點位置分別為（21.913°N，120.945°E）、（22.960°N，120.048°E）、（25.235°N，121.272°E）、（24.935°N，121.980°E）。表1是衛(wèi)星對四個地面輻射源以及由它們確定的區(qū)域的覆蓋分析結果。可見衛(wèi)星對該區(qū)域的總覆蓋時間比對單個輻射源的總覆蓋時間小很多。

表1 覆蓋分析結果

假定接收機天線波束寬度為60°，首先計算得到衛(wèi)星對區(qū)域的偵察覆蓋時間，統(tǒng)計分析接收機截獲信噪比，如圖4所示。圖4（a）是衛(wèi)星一次過境時間段內接收機的截獲信噪比。圖4（b）是在不同衛(wèi)星俯仰角時統(tǒng)計的接收機的截獲信噪比，第一幅子圖是衛(wèi)星俯仰角較小時接收機信噪比參數(shù)，第二幅子圖是衛(wèi)星俯仰角較大時接收機信噪比參數(shù)。可見，衛(wèi)星俯仰角較小時接收機的截獲信噪比高于俯仰角較大時的截獲信噪比。

圖4 接收機截獲信噪比

衛(wèi)星此次過境對該區(qū)域的覆蓋時間為630.161s，其中衛(wèi)星俯仰角小于60°的時間為150s。若設定信噪比門限為0dB，則有效偵察截獲時間為73.6s；若設定信噪比門限為-10dB，則有效偵察截獲時間為302.4s。

3 衛(wèi)星軌道優(yōu)化設計仿真分析

上文都是針對衛(wèi)星軌道已固定的情況進行偵察效能分析。然而，衛(wèi)星軌道根數(shù)變化也會影響衛(wèi)星偵察效能。所以分析衛(wèi)星軌道根數(shù)參數(shù)對衛(wèi)星偵察效能的影響，對優(yōu)化衛(wèi)星軌道設計具有重要意義。

這里以衛(wèi)星軌道傾角變化對衛(wèi)星偵察效能的影響為例。衛(wèi)星的軌道傾角為0°～180°。首先在仿真分析軟件中構建電子偵察仿真場景，在場景中添加衛(wèi)星、輻射源、傳感器、接收機和發(fā)射機等對象，然后設置衛(wèi)星軌道傾角變化范圍，可自動改變衛(wèi)星運行軌道，并生成“Link Budget”報 告；同 時Matlab 統(tǒng) 計 分 析“Link Budget”報告，計算偵察覆蓋時間，得到覆蓋時間與傾角的關系。而在STK 中需要用戶不斷改變衛(wèi)星軌道傾角，輸出覆蓋時間，不僅效率低下，而且不能直接得到覆蓋時間對傾角的關系。

設定衛(wèi)星傾角變化范圍20°～160°，傾角變化間隔2°，地面輻射源位置為（26.3358°N，127.801°E）。衛(wèi)星對輻射源的偵察覆蓋時間與傾角變化的關系，如圖5所示。可見，對于該輻射源，衛(wèi)星軌道傾角在40°或140°時，覆蓋時間最長；傾角在90°即極地軌道時，覆蓋時間最短。

圖5 偵察覆蓋時間與傾角變化的關系

通過偵察效能分析，判斷偵察覆蓋時間、重訪周期以及有效截獲能力等是否達到要求，能對構建的電子偵察系統(tǒng)作出正確決策，便于修正系統(tǒng)載荷參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)設計。

4 結束語

本文基于STK／Matlab接口模塊，綜合Matlab和STK 的優(yōu)勢，研究電子偵察系統(tǒng)仿真技術，進行電子偵察效能分析。STK 可對航天任務的各個階段進行仿真分析，而Matlab 具有強大的建模與分析計算功能，兩者的結合在航天電子偵察仿真分析中顯示了特有的優(yōu)勢。隨著航天任務的日益復雜，依靠STK 與Matlab等外部軟件的接口完成對復雜任務的建模與仿真將得到廣泛應用。■

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