基于威脅度函數(shù)的預(yù)警衛(wèi)星威脅評估研究

張安理,李　智,張雅聲,王慶文

(1.裝備學(xué)院　a.研究生管理大隊； b.航天指揮系； c.航天裝備系，北京　101416；

2.第二炮兵工程大學(xué) 空間工程系，西安　710025)

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基于威脅度函數(shù)的預(yù)警衛(wèi)星威脅評估研究

張安理1a,李智1b,張雅聲1c,王慶文2

(1.裝備學(xué)院a.研究生管理大隊； b.航天指揮系； c.航天裝備系，北京101416；

2.第二炮兵工程大學(xué) 空間工程系，西安710025)

摘要：預(yù)警衛(wèi)星作為導(dǎo)彈作戰(zhàn)中重要的天基威脅源之一，目前對其評估多為效能評估，并沒有從威脅的角度開展評估。通過對預(yù)警衛(wèi)星威脅要素進(jìn)行分析與提取，提出了一種基于威脅度函數(shù)的威脅評估方法。該方法綜合了靜態(tài)性能與作戰(zhàn)狀態(tài)的各個方面，使指揮員能夠比較準(zhǔn)確地把握預(yù)警衛(wèi)星對導(dǎo)彈作戰(zhàn)的威脅程度，從而為指揮員指揮決策提供依據(jù)。通過實(shí)例計算驗(yàn)證了該評估方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：預(yù)警衛(wèi)星；威脅評估；威脅要素；探測次數(shù)；空間距離

本文引用格式：張安理,李智,張雅聲,等.基于威脅度函數(shù)的預(yù)警衛(wèi)星威脅評估研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(1):66-69.

Citation format:ZHANG An-li, LI Zhi, ZHANG Ya-sheng,et al.Research of Early Warning Satellite Threat Assessment Based on Threat Degree Function[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):66-69.

預(yù)警衛(wèi)星主要是通過捕捉發(fā)動機(jī)尾焰及其紅外輻射，用來監(jiān)視地面彈道導(dǎo)彈的發(fā)射情況，它利用不受地球曲率限制，截取信息覆蓋面廣的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)全球監(jiān)視[1]，如美國的DSP、SBIRS-High、STSS預(yù)警衛(wèi)星等，在對抗我方導(dǎo)彈突防任務(wù)中發(fā)揮著重要作用，且隨著敵方天基預(yù)警能力不斷增強(qiáng)，預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)對我國的探測范圍、預(yù)警范圍不斷增大，為其反導(dǎo)防御系統(tǒng)攔截我方導(dǎo)彈提供更加精確的先驗(yàn)數(shù)據(jù)，大幅增加對洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈的預(yù)警時間，致使我方導(dǎo)彈突防愈加困難,受到來自于空間的威脅愈加明顯。評估預(yù)警衛(wèi)星在導(dǎo)彈作戰(zhàn)中的威脅，可以為我國導(dǎo)彈作戰(zhàn)中優(yōu)化作戰(zhàn)決策方案提供依據(jù)，可以為開展各類衛(wèi)星及空間系統(tǒng)威脅評估提供借鑒，也可以進(jìn)一步豐富威脅評估理論，具有極大的現(xiàn)實(shí)價值。

1預(yù)警衛(wèi)星威脅度函數(shù)構(gòu)造

1.1威脅要素分析

預(yù)警衛(wèi)星對彈道導(dǎo)彈形成威脅不僅取決于衛(wèi)星、導(dǎo)彈的能力，也取決于外部環(huán)境及作戰(zhàn)狀態(tài)的影響，是多種因素綜合作用的結(jié)果，遵循重要性、獨(dú)立性及易測性原則，選取了潛在威脅、探測次數(shù)、空間距離、探測價值等作為影響預(yù)警衛(wèi)星威脅度的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析。

1) 潛在威脅

2) 探測次數(shù)

探測次數(shù)是與預(yù)警衛(wèi)星對導(dǎo)彈的探測弧段以及探測器探測周期密切相關(guān)，對于特定彈道來說，如果探測弧段越長，則探測次數(shù)就越多，探測概率就越高，為預(yù)警雷達(dá)提供的用于引導(dǎo)的預(yù)警信息誤差就越小，預(yù)警衛(wèi)星對彈道導(dǎo)彈作戰(zhàn)的威脅度就越大。

3) 衛(wèi)星與導(dǎo)彈之間的空間距離

在導(dǎo)彈飛行過程中，預(yù)警衛(wèi)星對導(dǎo)彈進(jìn)行探測，由于兩者均處于運(yùn)動之中，其相對空間距離便時刻處于變化之中，且是一個關(guān)于自變量為時間t的連續(xù)函數(shù)。在預(yù)警衛(wèi)星的有效探測距離之內(nèi)(探測距離之外威脅度為0)，若空間相對距離越近，則預(yù)警衛(wèi)星對彈道導(dǎo)彈的威脅就越大，否則就越小。

4) 威脅環(huán)境

威脅環(huán)境包括自然環(huán)境和非自然環(huán)境。自然環(huán)境是指空間的自然環(huán)境條件，對預(yù)警衛(wèi)星來說，主要體現(xiàn)在云層高度、厚度以及導(dǎo)彈航區(qū)分布情況等三個方面，自然環(huán)境會直接影響預(yù)警衛(wèi)星探測器對彈道導(dǎo)彈的探測效果。非自然環(huán)境是指為確?？臻g戰(zhàn)略安全由國際法構(gòu)成的國際空間安全戰(zhàn)略格局[2]，如《空間法》《外空條約》等則會對預(yù)警衛(wèi)星的使用帶來軟性限制。

5) 威脅意圖

只有預(yù)警衛(wèi)星存有威脅意圖的前提下，才有開展預(yù)警衛(wèi)星威脅評估的必要。意圖是指希望達(dá)到某種目的打算，這里的威脅意圖主要指處于敵我對抗環(huán)境中，具有敵對性與對抗性的作戰(zhàn)意圖。要獲知敵方隱含的威脅意圖，只有通過對敵方威脅源的事件與行動進(jìn)行判斷并推理來獲得[3]，預(yù)警衛(wèi)星的威脅意圖主要是通過空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視預(yù)警衛(wèi)星的行為狀態(tài)來進(jìn)行推理，如預(yù)警衛(wèi)星是否開機(jī)、針對我方導(dǎo)彈威脅，敵方預(yù)警衛(wèi)星姿態(tài)是否進(jìn)行了調(diào)整、軌道是否存在機(jī)動等。

6) 探測價值

探測價值主要是指即使預(yù)警衛(wèi)星對彈道導(dǎo)彈的探測效果相同，但由于探測時間先后的因素，探測對武器攔截系統(tǒng)產(chǎn)生的價值是不同的，而是具有隨導(dǎo)彈飛行時間不斷衰減的時間屬性，即探測時間越早，則探測的價值度就越大，否則就越小。

1.2威脅度函數(shù)構(gòu)造

1.2.1構(gòu)造思路

威脅即為施者方對受者方施加的不良之影響(有利之影響可謂之“援助”)，它是一個模糊性概念，為開展威脅評估，此處定義威脅度為[0,1]間的數(shù)值，假設(shè)自彈道導(dǎo)彈起飛后，在時間區(qū)間[0，t1]，預(yù)警衛(wèi)星未探測到導(dǎo)彈，此時威脅度為0；自t1時刻預(yù)警衛(wèi)星開始探測到導(dǎo)彈，而t2時刻之后預(yù)警衛(wèi)星結(jié)束探測，即在時間區(qū)間 [t1，t2]，預(yù)警衛(wèi)星的威脅度與潛在威脅、探測次數(shù)、導(dǎo)彈與衛(wèi)星的距離變化、威脅環(huán)境、威脅意圖及探測價值密切相關(guān)；t3時刻之后武器攔截系統(tǒng)已無足夠攔截時間實(shí)施攔截，因此t3時刻之后威脅度亦為0，而在時間區(qū)間[t2，t3]，雖然預(yù)警未能再探測到導(dǎo)彈，但由于預(yù)警衛(wèi)星先前產(chǎn)生的預(yù)警信息對武器攔截系統(tǒng)依然存有不良影響，所以預(yù)警衛(wèi)星對彈道導(dǎo)彈突防產(chǎn)生的威脅度不為0，而是會隨著時間t的推移，預(yù)警誤差逐步增大，其威脅度呈現(xiàn)出“連續(xù)下降”的趨勢，直至t3時刻，攔截系統(tǒng)已不具備攔截能力為止，預(yù)警衛(wèi)星威脅度下降為0。

1.2.2要素函數(shù)構(gòu)造

鑒于威脅度T(t)∈[0,1]，因此假設(shè)各要素函數(shù)的值域∈[0,1]。各要素函數(shù)構(gòu)造如下：

1) 探測次數(shù)要素函數(shù)N

2) 距離要素函數(shù)F(t)

3) 探測價值要素函數(shù)ψ(t)

另外，潛在威脅要進(jìn)行歸一化處理c*，環(huán)境要素系數(shù)η，威脅意圖系數(shù)I可進(jìn)行定性處理。當(dāng)威脅環(huán)境為優(yōu)時，η=1，當(dāng)自然環(huán)境環(huán)境為良時，η=0.7，當(dāng)威脅環(huán)境為中時，η=0.5，威脅環(huán)境為差時，η=0.3。威脅意圖則可假設(shè)為I=1。

4) [t2，t3]區(qū)間函數(shù)V*(t)構(gòu)造

由此預(yù)警衛(wèi)星威脅度函數(shù)T(t)為

2實(shí)例分析

以一發(fā)發(fā)射時間為2015年4月28日04:31:20；發(fā)射點(diǎn)經(jīng)度為29.26°、緯度為120.216°；落點(diǎn)經(jīng)度為26.27°、緯度為127.748°；飛行高度為653 km的彈道導(dǎo)彈以及美國STSS_Demo1為對象進(jìn)行實(shí)例分析。

2.1威脅度函數(shù)參數(shù)獲取

2.1.1探測次數(shù)獲取

1) STK仿真預(yù)警衛(wèi)星對彈道導(dǎo)彈的覆蓋弧段

STK[6](Satellite Tool Kit)是由美國Analytical Graphics，Inc.(AGI)公司開發(fā)的分析軟件，可快速準(zhǔn)確分析預(yù)警衛(wèi)星及彈道導(dǎo)彈等對象的定位和交互任務(wù)，并提供圖表及文本形式的分析結(jié)果。

STK仿真覆蓋弧段步驟如下：

建立STSS_Demo1/Demo2預(yù)警衛(wèi)星對象，并對衛(wèi)星探測器進(jìn)行了設(shè)置，STSS_Demo1/Demo2衛(wèi)星采用掃描探測器與凝視探測器配合工作的雙探測器模式，即先由掃描探測器對導(dǎo)彈進(jìn)行機(jī)械重復(fù)掃描來探測目標(biāo)，探測到目標(biāo)后，將探測信息提供給凝視探測器，凝視探測器緊盯導(dǎo)彈目標(biāo)直至消失為止，STSS_Demo1/Demo2預(yù)警衛(wèi)星探測器設(shè)置如圖1所示。

創(chuàng)建彈道導(dǎo)彈對象；建立STSS_Demo1衛(wèi)星與Missile的chain連接，獲取Demo1衛(wèi)星掃描探測器/凝視探測器對Missile的威脅時間弧段。其中，STSS_Demo1衛(wèi)星凝視探測器威脅弧段[t1、t2]如圖2所示。

圖1　STSS_Demo1、Demo2探測器STK示意圖

圖2　STSS_Demo1凝視探測器威脅弧段STK仿真

2) 探測次數(shù)模型

探測次數(shù)nstare為

其中：t1，t2為凝視探測器覆蓋弧段的起始終止時間；tcloud=17 s為導(dǎo)彈穿出云層的時間；Tscan=1 s為掃描探測器周期；Tstare=0.1 s為凝視探測器周期；nscan=3為掃描探測器次數(shù)，即假設(shè)掃描探測器掃描3次后轉(zhuǎn)換至凝視探測器工作。

通過STK軟件仿真及模型計算可得STSS_Demo1預(yù)警衛(wèi)星的威脅時間弧段為82.364～320.652 s，nstare=2 380。

2.1.2空間距離仿真

以前文設(shè)置的導(dǎo)彈為對象，通過模型仿真可得到STSS_Demo1衛(wèi)星與該導(dǎo)彈在[t1、t2]時間段內(nèi)的距離變化曲線如圖3所示。

圖3　預(yù)警衛(wèi)星與導(dǎo)彈的距離變化曲線

2.1.3其他參數(shù)設(shè)置

假設(shè)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)響應(yīng)時間，即從預(yù)警衛(wèi)星給出預(yù)警信息到攔截彈發(fā)射需要的時間為206 s，即t3=806-206=600 s，a=5,b=12 000,η=0.7,c*=0.8,I=1,t1=83 s,t2=320s。

2.2仿真結(jié)果分析

采用Matlab軟件對STSS_Demo1預(yù)警衛(wèi)星威脅度進(jìn)行了仿真，其變化曲線如圖4所示。

圖4　預(yù)警衛(wèi)星威脅度變化曲線

從圖4可以看出，在[t1，t2]時間段里，由于預(yù)警衛(wèi)星與導(dǎo)彈間的相對距離增大，以及隨著時間推移，探測價值度的降低，導(dǎo)致了威脅曲線呈現(xiàn)出下降趨勢。在[t2，t3]時間段內(nèi)，由于預(yù)警衛(wèi)星不能再探測到導(dǎo)彈而導(dǎo)致威脅度逐漸下降至0，符合常理。

由此，STSS_Demo1預(yù)警衛(wèi)星對本次導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)的平均威脅度為總威脅度(面積聚合)與導(dǎo)彈總飛行時間之比，即

同理，可求解出其他預(yù)警衛(wèi)星的平均威脅度并進(jìn)行排序。

3結(jié)束語

針對預(yù)警衛(wèi)星對導(dǎo)彈作戰(zhàn)帶來威脅的問題，構(gòu)造了基于威脅要素的預(yù)警衛(wèi)星威脅度函數(shù)。由于威脅評估是一個有關(guān)對抗雙方以及作戰(zhàn)環(huán)境等多方因素的評估過程，因而預(yù)警衛(wèi)星威脅度是相當(dāng)復(fù)雜的，為便于仿真，函數(shù)中部分參數(shù)例如威脅能力、威脅環(huán)境等設(shè)置比較簡單，下一步可在威脅要素提取以及參數(shù)設(shè)置等方面進(jìn)行分析研究，進(jìn)而獲取更合理的威脅度，為導(dǎo)彈作戰(zhàn)中指揮員重點(diǎn)目標(biāo)選擇并進(jìn)行輔助決策提供依據(jù)。

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(責(zé)任編輯周江川)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

Research of Early Warning Satellite Threat Assessment

Based on Threat Degree Function

ZHANG An-li1a, LI Zhi1b, ZHANG Ya-sheng1c, WANG Qing-wen2

(1.a.Company of Postgraduate Management; b.Department of Space Command;

c.Department of Space Equipment, Academy of Equipment, Beijing 101416, China;

2.Department of Space Engineering, the Second Artillery Engineering University, Xi’an 710025, China)

Abstract:For early warning satellite, as one of the important space-based threat in the missile combat, now its effectiveness evaluation of early warning satellite was made, but was not for threat assessment. Through the analysis of the threat of early warning satellite elements and extract, we put forward a threat assessment method based on threat degree function. This method combined the static indicators and operational status. It allowed the commander to grasp the degree of the threat of early warning satellite more accurately, which provided the basis for commander’s decision. The feasibility and effectiveness of this method were proved by a practical example.

Key words:early warning satellite; threat assessment; threat factor; number of detection; space distance

文章編號：1006-0707(2016)01-0066-04

中圖分類號：V474.2+7；TJ8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.016

作者簡介：張安理(1979—)，男，碩士，工程師，主要從事軍隊指揮學(xué)研究；李智(1973—),男，教授，主要從事空間安全研究；張雅聲(1974—)，女，教授，主要從事飛行器設(shè)計與應(yīng)用研究；王慶文(1982—)，男，博士，主要從事空間信息網(wǎng)絡(luò)研究。

收稿日期：2015-06-18；修回日期：2015-07-09