基于STK 的美國天基預警系統仿真研究

李旻昊 張亞坤 （ 中國人民解放軍303 部隊， 中國人民解放軍戰略支援部隊航天工程大學）

本文基于STK 軟件對美國天基預警系統進行了仿真和分析。首先調研了美國天基預警系統的組成和星載探測器參數，在此基礎上基于STK 軟件構建了美國天基預警系統的仿真模型，最后從天基預警系統覆蓋性能和探測效果兩方面分析了該系統的威力范圍和探測能力。

1 引言

美國分析圖形公司（AGI）開發的系統工具箱（STK）是目前航天領域最先進的仿真分析軟件，它具有強大的數據、圖形報告生成和可視化仿真功能，在導彈設計與分析、雷達探測與仿真、紅外光電傳感器、電子信息對抗等與航空動力學相關的幾乎所有領域中得到了廣泛的應用。STK 提供了一整套集成的二、三維綜合顯示環境，各種不同的視點和輔助分析工具，STK 和其他附加模塊可以為用戶提供高逼真度的顯示環境，可以將復雜的航天任務生動、鮮明地呈現給用戶，根據數據研究表明其仿真分析結果的置信度高達99.50%[1]。

2 美國天基預警系統組成

天基預警衛星是美國導彈預警系統的重要組成部分，美國的導彈預警衛星主要經歷了三大階段：“導彈探測警報系統”（MIDAS）、“國防支援計劃”（DSP）和“天基紅外探測系統”（SBIRS）。

“天基紅外探測系統”由高軌道（SBIRS-High）衛星系統和低軌道（SBIRS-Low）衛星系統及相關地面系統構成。其中，高軌道部分包括主要用于探測彈道導彈主動段的4 顆地球同步軌道（GEO）衛星和主要用于覆蓋北半球高緯度地區的3 顆高橢圓軌道（HEO）衛星，其多次參與導彈發射監測試驗，驗證了預警指示和全程跟蹤能力。低地球軌道（LEO）部分包括3 顆空間跟蹤與監視系統（STSS）衛星，其多次觀測戰略導彈飛行試驗，驗證了探測助推段的彈道導彈尾焰，全彈道跟蹤以及實時通信能力[2-3]。該系統的有效載荷包含了可見光、中波紅外和長波紅外等不同譜段，采用掃描與凝視結合的手段進行跟蹤探測，可以對全球重點海區和地區發射的彈道導彈和洲際導彈分別提供15 ～30min 的預警時間[4-5]。

3 天基預警系統建模仿真

為構建美國天基預警系統模型，本文從天基預警衛星星座、天基預警衛星傳感器以及導彈目標三個方面進行建模仿真。

美國現役預警衛星基本情況

天基預警衛星星座建模仿真

STK 軟件提供了二體、J2 攝動、高精度等傳統軌道預報器，軌道機動仿真模塊（Astrogator）以及外部兩行軌道根數（TLE）文件驅動等多種星座建模方法。本文使用最新的TLE 文件，結合STK 軟件中的簡化通用攝動（SGP4）軌道預報器對預警衛星星座進行仿真，并依據資料插入相對應的3D 模型，增強預警衛星星座可視化效果。

天基預警衛星傳感器建模仿真

傳感器對象通常用來模擬各類光學、雷達、激光、收發機等傳感器，還可以定義運載器對象、地面站對象、目標對象的視場等。本文利用傳感器對象對星載傳感器的載荷類型和掃描模式進行了建模仿真，對美國天基預警系統的威力范圍和探測能力開展了研究。

光電與紅外傳感模塊（EOIR）可對任務場景中的目標對象和星載光學傳感器建模。多個獨立的光電與紅外傳感器對象可以同時查看空間環境，橫跨短波、長波、紫外、可見光和紅外波長(0.28 ～28μm)，同時能夠生成圖像和報表。EOIR 模塊充分考慮了傳感器、目標物體和環境之間的相互作用，建立了高可信度的無線電傳感器模型。本文基于此模塊對美國天基早期紅外預警進行可視化仿真，并生成相應的圖像和報表。預警衛星利用導彈尾焰的紅外輻射對目標進行探測和識別。彈道發射時，火箭發動機工作輻射功率可達105～106W，發動機噴射出的燃氣可產生強烈的紅外輻射。主動段的彈道導彈，尾焰的紅外輻射相當于2000 ～3000K 的黑體輻射源。由于尾焰羽流的主要成分是H2O 和CO2，且在高溫時CO2的吸收譜線強度更強，所以尾焰羽流的輻射強度更接近于CO2的輻射吸收譜線，在2.7μm 和4.3μm 波段出現了較強的峰值[6]。

天基紅外探測系統預警衛星模型圖

綜上，傳感器探測波段參數為2.5 ～3μm，傳感器相機參數設置如下。

傳感器相機參數

導彈目標建模仿真

導彈對象通常用來模擬起點和落點都在中心體表面沿著橢圓彈道運動運載器的特性和動作。運用導彈模塊設置導彈的飛行模式、導彈發射點、攻擊目標點以及最大飛行高度，對導彈目標彈道進行建模仿真。根據目標特性設置導彈的紅外屬性和外部形狀、材料和溫度，實現對導彈目標特性進行建模仿真。導彈形狀由圓錐形彈頭、圓臺形結合部和圓柱形彈體組成。彈頭使用鋁制多層隔離層材料，溫度為350K；彈體使用白色熱控圖層材料，溫度為350K；導彈尾焰溫度為3000K。

4 仿真結果與分析

美國天基預警系統覆蓋性分析

在所有的預警衛星中，地球同步軌道衛星的軌道高度很高、具有大的覆蓋范圍，并且能不受地形地物遮擋影響，可實現遠距離、大容量的覆蓋。除兩極地區是盲區外，地球同步軌道－1 ～3（GEO－1 ～3）衛星組成的星座系統能夠覆蓋全球，地球同步軌道－4（GEO－4）衛星部署在東經185°附近，以加強對亞太地區的重點監控。

高橢圓軌道預警衛星有較低近地點和極高遠地點，衛星對遠地點下方地面區域的覆蓋時間可以超過12h，通過軌道傾角的設計可以抵消由地球扁率引起的進動，避免了遠地點位置的移動，使得遠地點始終在北半球高緯度地區上空，保持較長的監控時間。軍號－1 ～3（Trumpet－1 ～3）高橢圓軌道衛星能夠對北半球高緯度地區接力監控，補充了地球同步軌道衛星在北極地區的盲區，保證了對戰略地區的全時監控。

低地球軌道預警衛星軌道高度低，衛星與彈道導彈距離短，空域干擾少，分辨率高，便于對導彈進行連續探測識別和跟蹤。其運行速度快，重訪周期短，空基監視能力強?？臻g跟蹤與監視系統衛星在低地軌道運行，對全球區域進行連續訪問，擁有探測彈道導彈助推段尾焰和跟蹤導彈中段及再入段的能力，補充了高軌衛星在火箭發動機關機后無法持續跟蹤的局限。

預警衛星探測效果分析

地球同步軌道預警衛星部署及監控范圍

高橢圓軌道預警衛星部署及監控范圍

低地球軌道預警衛星部署及監控范圍

根據EOIR 目標有效輻照度報告，預警衛星從場景時間12s 開始探測到導彈目標尾焰羽流紅外特性。有效目標輻照度由－ 131.223dBW/m2激升到－ 64.2624dBW/m2，探測器發現導彈目標并轉換凝視模式，持續觀測目標。尾焰羽流持續228s，至場景時間240s，導彈發動機關機，有效目標輻照度由－ 64.2624dBW/m2降至－ 131.223dBW/m2，目標從探測器視場中消失。

預警衛星探測效果晝夜對比圖

通過預警衛星探測效果晝夜對比可見，雖然白晝背景溫度較高，更難發現目標，但傳感器仍能探測到目標，并可以直觀顯示目標運動軌跡。

5 結束語

本文運用STK 軟件對美國天基預警系統進行了建模和仿真，分析了美國天基預警系統的軌道覆蓋能力和目標探測能力。文中設計的仿真系統具有結構簡單、易于拓展、便于二次開發、仿真結果可視化等特點，下一步可在系統拓展、二次開發等方面繼續開展研究。