面向海上動目標的小衛星偵察系統效能仿真

摘 ?要：針對海上作戰中對海洋動目標的航天偵察需求，為有效提高獲取信息的準確性和時效性，設計并提出以搭載不同載荷的小衛星為核心，適用于短期戰術任務的聯合偵察衛星系統。為有效評估系統的偵察效能，文章構建了相關的評估指標體系，并基于STK與MATLAB的聯合仿真程序，綜合MATLAB解析建模和STK軌道仿真的優勢，通過仿真實例對系統的偵察效能進行分析研究，為系統的設計優化提供參考依據。

關鍵詞：小衛星;偵察效能;STK;MATLAB

中圖分類號：TP391.9;V474.2+7 ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0042-04

Effectiveness Simulation of Small Satellite Reconnaissance System for Marine Moving Targets

WANG Boqing

（Graduate School， PLA Strategic Support Force University of Aerospace Engineering， Beijing ?101416， China）

Abstract： Aiming at the aerospace reconnaissance requirements of marine moving targets in maritime operations， in order to effectively improve the accuracy and timeliness of information， this paper design and propose a joint reconnaissance satellite system with small satellites carrying different loads as the core and suitable for short-term tactical missions. In order to effectively evaluate the reconnaissance efficiency of the system， this paper build the relevant evaluation index system， based on the joint simulation program of STK and MATLAB， this paper combining the advantages of MATLAB analytical modeling and STK track simulation， analyzing and studying the reconnaissance efficiency of the system through simulation examples， so as to provide reference basis for system design optimization.

Keywords： small satellite; reconnaissance efficiency; STK; MATLAB

0 ?引 ?言

隨著智能化海上作戰對獲取目標信息的準確性和時效性要求不斷提高，航天偵察監視系統的重要性日益突出，而傳統空間系統更側重全球覆蓋，響應時間長，不適合執行戰術偵察任務，在實時支援海上作戰上將面臨諸多限制和困難。針對這一問題，本文開展了基于小衛星的聯合偵察系統效能仿真研究，小衛星偵察系統即針對預定偵察區域，通過快速部署多顆不同載荷的低成本小衛星，構建可靈活重構、優勢互補的聯合偵察衛星星座，在空間形成組網，實現對區域的快速覆蓋，短時間內有效提高偵察效能。

1 ?小衛星偵察系統設計

1.1 ?有效載荷選取

有效載荷是形成偵察效能的第一要素，直接影響系統的設計方案。以100千克級的模塊化小衛星作為基本平臺，通過通用接口可與有效載荷快速集成，搭載小型固體火箭實現快速發射，快速入軌應用。

下文以大型艦船為偵察目標，結合海上動目標特性，選取系統成員衛星的有效載荷：

（1）電子偵察載荷。大型艦船上的電子設備繁多，這些設備時刻在發射各種無線電信號，包括對空警戒、導航、測控、通信等無線電信號，構成一個巨大的有源輻射體。小衛星可攜帶小型電子偵察裝備，在目標工作頻段的覆蓋范圍內截獲其發出的無線電信號。電子信號通過星上計算機處理，基于基線干涉或三星時差定位原理測定目標的位置、航向、航速等信息。

（2）可見光成像載荷。大型艦船在單一廣闊的海洋背景中，不易隱藏，利于通過光學遙感器進行成像偵察。可見光遙感器作用于紫外光至紅光波段，工作波長短、圖像分辨率高，易于更直觀地識別分析，但是因為其成像特點，易受光照和云霧天氣影響，不具有夜視能力。

（3）紅外成像載荷。大型艦船在行駛過程中其動力系統的紅外線輻射值高，特征明顯，紅外遙感器在晝夜都能工作，可以配合可見光幫助識別、詳查目標。

（4）SAR成像載荷。由鋼鐵制造的艦船目標雷達反射面積大，有限載荷可選取小型合成孔徑雷達，對目標進行微波成像，不會受到海上云霧以及夜暗影響，彌補可見光偵察的不足，但微波成像屬于主動探測，容易被敵方發現和干擾。

（5）視頻成像載荷。傳統遙感器難以滿足對目標的實時觀測需求，視頻衛星的出現將時間分辨率提升到秒級[1]。多顆視頻衛星采用“同軌接力”的串聯飛行模式，星上的視頻相機利用光學遙感器的視頻成像模式，控制遙感器盯住目標，以“凝視”方式進行連續觀測，并以視頻格式實時記錄目標運動變化信息，通過星間和星地鏈路傳回地面。

1.2 ?任務軌道設計

任務軌道的選擇是系統設計的重要環節，根據任務特點，明確任務軌道設計的基本要求有：

（1）軌道設計應滿足偵察大型艦船所需的分辨率和覆蓋特性要求。

（2）部署衛星采用“一箭多星”的發射方式，同時適合小衛星發射的小型固體運載火箭的運載能力較低，軌道高度受限制，典型參數為：近地軌道300 kg/500 km。

（3）將軌道傾角的取值限定在預定偵察區域最高緯度的正負5°范圍內，以提高對區域的覆蓋次數和偵察時間。

（4）由于偵察任務周期較短，不需要考慮衛星的軌道維持和較高的使用壽命，軌道攝動力只考慮短期內影響最大的J2項攝動。

（5）為消除軌道偏心率對傳感器成像的影響，除特殊要求外，所有衛星軌道偏心率為零。

（6）偵察目標屬于海上移動目標，位置時刻變化，軌道不需要具備回歸特性。

1.3 ?系統組成結構

面向海上動目標的小衛星偵察系統需要的衛星資源類型多樣，實體之間的信息交互復雜，鏈路切換頻繁，所需輔助保障的實體資源也必不可少，根據系統工程理論，本節按照各實體功能特點，把系統劃分為以下三個分系統：

（1）空間偵察分系統。由各類小衛星成員組成，星上可搭載微波或激光通信載荷，具備構建星地、星間的通信鏈路能力，對于星上處理后的信息可快速傳輸給戰術單元，實現信息的高效應用。當系統能力不足或冗余時，成員衛星可根據任務需要快速動態接入或退出。所以系統編程靈活，具有對任務的快速適應能力。

（2）地面指揮分系統。指地面上的保障人員和設備，包括負責系統運維、行動指揮的地面指揮控制中心、融合數據生成情報產品的情報處理中心、提出需求和接收情報產品并進行應用的戰術終端用戶。

（3）天基網絡分系統。由已在軌部署的天基網絡基礎設施組成，為成員衛星、戰術用戶、指揮中心提供基礎數據傳輸、時空基準和調度控制等基礎服務。

小衛星偵查系統組成結構如圖1所示。

2 ?偵察效能仿真與分析

2.1 ?指標體系

為了對有效評估偵察效能提供標準和依據，首先需要構建科學的效能評估指標體系，依照可測性、獨立性、客觀性等原則[2]，確定系統偵察效能的指標體系如圖2所示。

系統偵察效能是系統在規定的作戰時間、環境條件下執行偵察任務的完成程度，是系統能力與隨機因素綜合影響的結果。根據偵察子任務的特點和類型，偵察效能可分為針對偵察對象的廣域搜索、精確定位、識別描述、跟蹤監視這四項一級能力指標，系統成員衛星獨立或者配合來完成對應的偵察子任務。

其中，廣域搜索能力特指電子偵察衛星在特定任務區域執行對目標電磁信號搜索的能力，選取電子偵察的覆蓋面積、搜索分辨率、接收信號強度作為其下層指標;精確定位能力最重要的指標是定位精度，除了電子偵察衛星，成像偵察衛星在已知星歷和姿態信息的前提下，同樣可用于目標定位，因此，選取電子偵察定位精度、光學成像定位精度、SAR成像定位精度作為下層指標。成像偵察衛星擔負了對目標的識別描述任務，以三類成像衛星的地面分辨率作為該任務能力的下層指標，體現不同偵察圖像上再現目標細節的能力;由視頻衛星組成的衛星編隊擔負對目標的跟蹤監視任務，選取視頻偵察的空間分辨率、傳輸時延、連續跟蹤時長作為下層指標。

受篇幅所限，各級指標的計算方法不在此說明，部分底層性能指標的解析計算方法可參考文獻[3-5]，沒有解析式的指標需通過STK與MATLAB的聯合仿真計算得到。底層性能指標的量化值需要先通過指標規范化轉換為[0，1]之間的數值，再根據預設的權重，逐層聚合確定上層指標值，指標規范和聚合方法可參考文獻[6，7]。

2.2 ?仿真參數

結合當前小衛星技術發展，通過合理改變星座構型（如衛星數量、軌道高度等），有效載荷參數（如視場角、像元尺寸等），設計了四類小衛星的方案參數，包括4種電子偵察衛星方案（代號A）、3種光學（紅外）衛星方案（代號B）、2種SAR星部署方案（代號C）、3種視頻衛星部署方案（代號D）。每類衛星通過排列組合，共得到4×3×2×3=72組系統配置方案的仿真輸入參數。

設定所探測的艦船目標初始位置在（132°E，29°N），最大航速為30節，航向在200°～260°之間，活動時間為18個小時，在北緯27°～29°，東經126°～132°范圍內航行;環境條件為：活動區域上空云量等級為2，光照條件由STK仿真獲取;約束條件為：視頻衛星跟蹤觀測的最小仰角為25°，光學衛星觀測時的太陽高度角大于15°，其他最小觀測仰角設為5°。

2.3 ?仿真過程

在仿真過程中，MATLAB利用與STK的互聯接口，通過腳本實現對STK對象的復雜操作以及仿真數據讀取。這種互聯工作模式充分整合了這兩個軟件的優勢功能。MATLAB擅長開發算法、解析計算，如利用嵌套迭代提高計算效率，建立復雜解析模型進行指標計算，這是STK所不具備的;STK擅長仿真和軌道計算，模擬真實的軌道飛行動力學環境，兩者互相配合可以完成對復雜航天任務的仿真分析。

效能仿真過程可用圖3表示。

2.4 ?結果分析

輸入所有仿真參數到基于STK和MATLAB的仿真平臺中，進行仿真模擬和解析計算，可得到效能值結果。選取偵察效能值處在不同區間的10個方案，降序排列，包括一級指標在內的計算結果如表1所示。

為更直觀地分析效能值變化情況，分別對所有方案的效能值降序排列，如圖4所示。

從圖4可以看出，通過對不同衛星方案的組合排列，偵察效能值及其一級指標都出現了不同程度的浮動變化，偵察效能值最大相差了0.39，可有效地區分出各方案偵察效能的優劣情況。結合表1中的數據，橫向對比每個方案中的一級指標，數值低的指標看作該方案的薄弱環節，是系統重點優化的方向。縱向對比E1與E2指標，發現兩個數值呈對立制衡關系，通過分析組成方案參數，原因主要與軌道高度有關，軌道高度越高，覆蓋幅寬越長，廣域搜索能力越強，但也增加了接收信號的自由空間損耗，從而削弱由信號解析的定位精度，在優化系統時需要權衡考慮。E3指標權重占比較多，影響偵察效能最大，E3指標值高于0.9的方案中都采用分辨率最高的B2光學衛星，說明光學空間分辨率越高，對識別描述能力提升最明顯，應重點關注。E4指標值隨著視頻衛星的數量和載荷性能的增加而上升明顯，尤其是增加數量對連續跟蹤時間的提升最明顯。

3 ?結 ?論

本文以海上動目標作為偵察對象，初步設計一種基于小衛星的戰術偵察系統，滿足覆蓋快、響應短、精度高的海上作戰需求。圍繞優化提升系統的偵察效能，提出了評估所需的指標體系，并通過仿真實例，有效驗證了指標體系的科學性，評估結果能夠真實反映系統整體和成員衛星執行海上偵察任務的能力，為系統優化和裝備論證提供重要的客觀數據支撐和參考依據。

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作者簡介：王波清（1993.08—），男，漢族，內蒙古林西人，助理工程師，碩士研究生，研究方向：衛星應用仿真設計。