張玉軍,曹裕華
(裝備指揮技術(shù)學(xué)院,北京101416)
縱觀近幾場現(xiàn)代戰(zhàn)爭,基于大型水面作戰(zhàn)平臺的遠程精確打擊已成為一種重要的作戰(zhàn)樣式。為有效應(yīng)對這種威脅,提高對大型海洋目標的遠程探測能力至關(guān)重要。利用海洋監(jiān)視衛(wèi)星,采用無源被動定位方式對海上艦船進行監(jiān)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(zhàn)應(yīng)用效能[1,2]。
針對海洋監(jiān)視衛(wèi)星的作戰(zhàn)過程,選取對其作戰(zhàn)效能影響最大的偵察時效性、目標發(fā)現(xiàn)概率、定位誤差、目標動向判斷等作為海洋監(jiān)視衛(wèi)星作戰(zhàn)效能指標,通過對STK二次開發(fā),構(gòu)建海洋監(jiān)視衛(wèi)星作戰(zhàn)效能仿真系統(tǒng),對其關(guān)鍵能力進行仿真分析。
海洋監(jiān)視衛(wèi)星作戰(zhàn)效能仿真系統(tǒng)的開發(fā)基于STK衛(wèi)星工具包,STK是目前航天工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的分析軟件,利于STK進行衛(wèi)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(fā)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(tǒng)的開發(fā)效率、降低集成難度,系統(tǒng)采用第二種方式,基于STK6.1版本進行二次開發(fā),該版本改變了舊版本仿真分析與顯示自成體系的模式,應(yīng)用嵌入式的AGI圖形組件將STK仿真結(jié)果顯示從STK服務(wù)系統(tǒng)中獨立分離出來。目前,STK6.1版本為VS.NET、Java等開發(fā)工具提供了AGI Global Control和AGI Map Control兩個圖形控件,在仿真應(yīng)用系統(tǒng)中實例化這兩個圖形控件,即可以獲得STK仿真服務(wù),并在應(yīng)用系統(tǒng)中直接圖形顯示仿真結(jié)果。這種方法與傳統(tǒng)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(wù)發(fā)送運行指令,實現(xiàn)仿真服務(wù)調(diào)用。
仿真系統(tǒng)針對海洋監(jiān)視衛(wèi)星主要作戰(zhàn)效能指標而設(shè)計,總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)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(tǒng)的核心,主要功能包括對STK中間件提供的計算結(jié)果進行統(tǒng)計分析,在此基礎(chǔ)上,運行自身模型完成對海洋監(jiān)視衛(wèi)星偵察時效性、目標發(fā)現(xiàn)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(jié)果數(shù)據(jù),并傳遞至數(shù)據(jù)管理模塊。
(2)數(shù)據(jù)管理模塊。數(shù)據(jù)管理模塊包括系統(tǒng)界面操作和數(shù)據(jù)庫存儲管理兩部分,主要功能是設(shè)定仿真相關(guān)參數(shù),包括衛(wèi)星軌道和有效載荷參數(shù)、目標參數(shù)、仿真時間等信息,同時顯示并記錄效能仿真結(jié)果。
(3)STK中間件。STK中間件的功能主要包括兩部分,一是將數(shù)據(jù)管理生成的各種參數(shù)生成相應(yīng)的command指令參數(shù),并通過執(zhí)行ExecuteCommand(command)函數(shù)調(diào)用STK服務(wù);二是獲取和解析STK仿真服務(wù)結(jié)果,供效能仿真模塊使用。
(4)STK服務(wù)系統(tǒng)。STK服務(wù)系統(tǒng)以組件的形式嵌入整個仿真系統(tǒng),主要完成軌道計算、覆蓋分析、鏈路分析、態(tài)勢顯示等功能。
偵察時效性用平均響應(yīng)時間表示。響應(yīng)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(yīng)時間指在仿真時段內(nèi),各步長響應(yīng)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(yīng)時間可以用覆蓋間隙長度來計算。假設(shè)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(yīng)時間tmrt為:
目標探測分為間歇搜索目標和連續(xù)搜索目標兩種探測類型,且連續(xù)搜索可視為間歇式搜索的特例。因此,不失一般性,假設(shè)衛(wèi)星探測目標為間歇式搜索,每次偵察的條件基本相同,則衛(wèi)星對區(qū)域A內(nèi)運動目標的發(fā)現(xiàn)概率為[4]:
式(2)中,T為目標在A內(nèi)運動時間,G為衛(wèi)星對A的最大覆蓋間隙,g為衛(wèi)星隨機搜索的發(fā)現(xiàn)概率。
星座中的衛(wèi)星相距一定距離,輻射源發(fā)射脈沖到達三個衛(wèi)星的時間是不同的,距離輻射源較近的衛(wèi)星先截獲該脈沖,根據(jù)三個衛(wèi)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(shè)地面點R為目標點,衛(wèi)星Si為第i顆衛(wèi)星在當前時刻tk的空間位置,采用經(jīng)緯度和地心距表示,如圖2所示,則tk時刻各點的衛(wèi)星矢量ri可在ΔSiRO中,由余弦定理求得。
在tk時刻,衛(wèi)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(shù)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(shè)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(guī)則性引起的,如果假設(shè)地球是理想球體,則B=0;Ei為衛(wèi)星定軌誤差,包括星下點經(jīng)緯度和地心距,這個誤差包括對衛(wèi)星軌道位置的測量誤差和地球扁率誤差。
由于海洋監(jiān)視衛(wèi)星無法實現(xiàn)對目標連續(xù)監(jiān)視,在有限的覆蓋時間內(nèi)判斷出其動向是非常必要的,現(xiàn)假設(shè)一艘艦船運動速度為v,一次覆蓋可持續(xù)T秒,則衛(wèi)星前后兩次對目標的運行動向監(jiān)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(xiàn)的概率,滿足某種概率分布。由圖3可知,最壞的情況出現(xiàn)在兩次都為最大誤差,且分別垂直于目標真正航向的兩側(cè),則最壞情況下航向偏差角α可由式(6)計算得出:
假設(shè)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(nèi)時,可正確確定目標的動向。
假設(shè)一艘大型海上艦船,時速約為30節(jié),在東經(jīng)125°—130°,北緯23°—28°區(qū)域游弋,時間為T。海洋監(jiān)視衛(wèi)星星座軌道參數(shù)如表1所示,衛(wèi)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(wèi)星軌道參數(shù)
首先對不同幅寬下海洋監(jiān)視衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)概率與最大覆蓋間隙的關(guān)系進行仿真計算,由圖4可知,如果發(fā)現(xiàn)概率要求在95%以上時,幅寬為200km、500km和1000km的海洋監(jiān)視衛(wèi)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(wèi)星對目標的最大覆蓋間隙小于其在區(qū)域的活動時間,則可以有效發(fā)現(xiàn)目標。
圖5為星座構(gòu)型在理想狀態(tài)下定位精度與測量誤差和定軌誤差的關(guān)系,即3顆衛(wèi)星的構(gòu)型成等邊三角形,目標位于構(gòu)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(nèi),定軌誤差和測量誤差應(yīng)保持在50m以內(nèi),這也說明三星座海洋監(jiān)視衛(wèi)星對定軌精度和測量精度要求較低,工程實現(xiàn)較為容易。
在上述分析的基礎(chǔ)上,利用仿真系統(tǒng)對海洋監(jiān)視衛(wèi)星的作戰(zhàn)效能進行仿真,設(shè)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(jié)果見表2,在仿真周期內(nèi),衛(wèi)星共發(fā)現(xiàn)目標兩次,持續(xù)偵察時間為419s和447s,對目標的平均響應(yīng)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(fā)現(xiàn)目標時,目標沒有位于衛(wèi)星構(gòu)型的中央位置;二是編隊衛(wèi)星飛行時,其構(gòu)型會發(fā)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(wèi)星定軌精度和測量精度的同時,應(yīng)合理設(shè)計星座構(gòu)型,使其飛臨敏感區(qū)域時擁有較為均勻的構(gòu)型。
表2 星座對目標動向判斷能力
本文通過集成STK相關(guān)服務(wù),設(shè)計了一種可用于海洋監(jiān)視衛(wèi)星作戰(zhàn)效能分析的仿真系統(tǒng)。與其他海洋監(jiān)視衛(wèi)星效能仿真分析相比較,本系統(tǒng)不局限于對單個指標的靜態(tài)分析或過境分析,而是針對衛(wèi)星系統(tǒng)作戰(zhàn)過程的動態(tài)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(zhàn)效能的影響。海洋監(jiān)視衛(wèi)星是未來海軍作戰(zhàn)不可或缺的支援力量,既可以為精確打擊武器提供引導(dǎo)參數(shù),還可以確定敵方的意圖,掌握先機。希望本文對其作戰(zhàn)效能的建模仿真,能為未來海洋監(jiān)視衛(wèi)星星座的發(fā)展與應(yīng)用提供一定參考。
1 沈如松,張育林.海洋監(jiān)視衛(wèi)星無源被動定位精度分析[J].中國空間科學(xué)技術(shù),2005(3):35—39.
2 沈如松,張育林.海洋監(jiān)視衛(wèi)星作戰(zhàn)效能分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2006,18(3):531—534.
3 張占月,徐艷麗,曾國強.基于STK的航天任務(wù)仿真方案分析[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2006(1):48—51.
4 張雅聲,張育林.偵察衛(wèi)星星座目標發(fā)現(xiàn)概率與最大訪問間隔分析[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2005,27(9):1587—1589.