基于Matlab／STK的航天電子偵察效能仿真技術(shù)研究

許丞梁，郭福成，劉 洋

（國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)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(qiáng)大的分析與仿真軟件，在航天領(lǐng)域的系統(tǒng)分析與仿真方面應(yīng)用廣泛。如文獻(xiàn)［1］利用STK 提供的與MATLAB的接口模塊進(jìn)行聯(lián)合仿真，構(gòu)建衛(wèi)星軌道仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對衛(wèi)星軌道和姿態(tài)的控制。文獻(xiàn)［2］通過STK 對“神舟”六號飛船和地面測控站進(jìn)行了覆蓋分析。文獻(xiàn)［3］通過幾何計算得到偵察衛(wèi)星覆蓋區(qū)域，據(jù)此進(jìn)行偵察效能分析。文獻(xiàn)［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(jù)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(jìn)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(jìn)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(shè)置和讀取場景，因此利用STK 進(jìn)行具體的電子偵察任務(wù)的設(shè)計分析和參數(shù)優(yōu)化是較為復(fù)雜的。

針對上述情況，本文基于Matlab構(gòu)建電子偵察系統(tǒng)仿真軟件，結(jié)合STK 強(qiáng)大的軌道計算功能，可以對復(fù)雜航天任務(wù)進(jìn)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(guān)信息，進(jìn)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(jìn)行自動的多次統(tǒng)計分析和對比，取代以往人工設(shè)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(shí)條件下設(shè)定仿真場景，所得到的分析結(jié)果可信度更高。

1 仿真分析軟件設(shè)計方法

STK／X 模塊使用戶可以在不啟動STK 軟件的條件下實(shí)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(shí)現(xiàn)了仿真數(shù)據(jù)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(chǎn)生詳盡的分析報告，滿足多種航天任務(wù)分析需要。通過Matlab調(diào)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(jī)與發(fā)射機(jī)之間定義通信鏈路報告，包含了與接收機(jī)和發(fā)射機(jī)相關(guān)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?！癋ixed Position Velocity”報告中包含仿真時間以及相應(yīng)的衛(wèi)星在地固坐標(biāo)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(jī)和發(fā)射機(jī)屬性結(jié)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(shù)是由星載偵察設(shè)備偵收和截獲雷達(dá)、通信等輻射源的電磁波信號，經(jīng)過信息處理系統(tǒng)分析處理，以獲取目標(biāo)輻射源的位置、信號特征等信息，實(shí)現(xiàn)對輻射源的探測、跟蹤與監(jiān)視功能［7］。

偵察設(shè)備包括偵察天線、接收機(jī)、信號處理器和輸出設(shè)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(jìn)行掃描，而偵察天線固定指向地面，如圖1所示。在星下點(diǎn)附近偵察天線通常接收輻射源天線副瓣信號，在遠(yuǎn)離星下點(diǎn)的位置能夠接收到輻射源天線主瓣信號，但是在遠(yuǎn)離星下點(diǎn)的位置，也存在輻射源與衛(wèi)星的距離較遠(yuǎn)、信號衰減相對嚴(yán)重的問題。

圖1 衛(wèi)星對地面?zhèn)刹焓疽鈭D

在進(jìn)行航天電子偵察系統(tǒng)設(shè)計時，需要對系統(tǒng)的偵察效能進(jìn)行全面準(zhǔn)確的評估，從而為系統(tǒng)指標(biāo)的確定提供參考依據(jù)。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(jù)衛(wèi)星在覆蓋時間內(nèi)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(jī)的截獲信號的信噪比。

2.2 單點(diǎn)偵察效能分析

單點(diǎn)偵察效能分析主要是分析衛(wèi)星在軌運(yùn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)，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(jù)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(biāo)Sj＝（xj；yj；zj）；根據(jù)式（3）計算衛(wèi)星俯仰角。輻射源位置參數(shù)是在大地坐標(biāo)系下定義的，需要轉(zhuǎn)換到地固坐標(biāo)系下。大地坐標(biāo)系到地固坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系見文獻(xiàn)［9］。

圖3 接收機(jī)截獲信噪比和衛(wèi)星俯仰角

假定接收機(jī)天線波束寬度為60°，根據(jù)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(jī)天線波束寬度為80°，則在整個過境時間內(nèi)偵察天線主瓣都可以實(shí)現(xiàn)對輻射源的覆蓋；而俯仰角較小時接收機(jī)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(shè)定信噪比門限為0dB，則有效偵察截獲時間為114.7s；若設(shè)定接收機(jī)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(yùn)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(wǎng)進(jìn)行偵察。

2.3 區(qū)域偵察效能分析

實(shí)際中，可能需要分析衛(wèi)星對特定區(qū)域內(nèi)的輻射源目標(biāo)的偵察效能。融合單一輻射源主偵察效能分析結(jié)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(shè)定多邊形頂點(diǎn)為輻射源位置。針對單個輻射源進(jìn)行分析，設(shè)衛(wèi)星對區(qū)域多邊形頂點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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(jié)果?？梢娦l(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(jié)果

假定接收機(jī)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(jī)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(nèi)接收機(jī)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(jī)的截獲信噪比，第一幅子圖是衛(wèi)星俯仰角較小時接收機(jī)信噪比參數(shù)，第二幅子圖是衛(wèi)星俯仰角較大時接收機(jī)信噪比參數(shù)?？梢姡l(wèi)星俯仰角較小時接收機(jī)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(jī)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(shè)定信噪比門限為0dB，則有效偵察截獲時間為73.6s；若設(shè)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(shè)計仿真分析

上文都是針對衛(wèi)星軌道已固定的情況進(jìn)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(shè)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(gòu)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(jī)和發(fā)射機(jī)等對象，然后設(shè)置衛(wèi)星軌道傾角變化范圍，可自動改變衛(wèi)星運(yùn)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(guān)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(guān)系。

設(shè)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(guān)系，如圖5所示?？梢?，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(guān)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(dá)到要求，能對構(gòu)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(shè)計。

4 結(jié)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(shù)，進(jìn)行電子偵察效能分析。STK 可對航天任務(wù)的各個階段進(jìn)行仿真分析，而Matlab 具有強(qiáng)大的建模與分析計算功能，兩者的結(jié)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(wù)的日益復(fù)雜，依靠STK 與Matlab等外部軟件的接口完成對復(fù)雜任務(wù)的建模與仿真將得到廣泛應(yīng)用?！?/p>

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