基于STK的偵察衛(wèi)星覆蓋仿真分析

徐俊+白向峰+周曉華

摘 要：偵察衛(wèi)星具有偵察范圍大、偵察效率高和不受領(lǐng)空與領(lǐng)海主權(quán)限制等優(yōu)勢(shì)，是對(duì)境外目標(biāo)實(shí)施偵察的主要手段。為滿足對(duì)特定區(qū)域24小時(shí)不間斷偵察需要，使用AGI公司的STK仿真軟件，綜合分析了偵察衛(wèi)星常用軌道特點(diǎn)，分別建立了太陽(yáng)同步軌道下，采用6個(gè)軌道面的6星、6個(gè)軌道面12星和6個(gè)軌道面24星不同Walker星座方案，通過(guò)仿真計(jì)算分析了不同方案對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋情況，依據(jù)仿真結(jié)果得出滿足特定區(qū)域偵察需要的衛(wèi)星軌道與數(shù)量需求，形成了衛(wèi)星星座與軌道方案。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：STK仿真軟件；偵察衛(wèi)星；衛(wèi)星仿真

DOIDOI：10.11907/rjdk.161307

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2016）008-0156-03

0 引言

偵察衛(wèi)星可以不受領(lǐng)空與領(lǐng)海主權(quán)等因素的限制，自由運(yùn)行于預(yù)定軌道上，對(duì)各類(lèi)目標(biāo)實(shí)施大范圍、高效率的偵察，具備其它偵察手段無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，是對(duì)境外目標(biāo)實(shí)施偵察的一種重要手段。在執(zhí)行某些特定任務(wù)時(shí)，需要偵察衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)嵤?4小時(shí)不間斷偵察。本文以成像偵察衛(wèi)星對(duì)特定區(qū)域?qū)嵤┻B續(xù)偵察為具體需求，選取光學(xué)偵察衛(wèi)星常用的太陽(yáng)同步軌道，仿真分析不同軌道、不同數(shù)量偵察衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋情況，依據(jù)仿真分析結(jié)果，形成有效可靠的結(jié)論，設(shè)計(jì)滿足需求的軌道和星座方案。

1 偵察衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋需求

偵察衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋需求體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)衛(wèi)星偵察范圍的需求；二是對(duì)衛(wèi)星偵察時(shí)間的需求。衛(wèi)星偵察范圍需求在戰(zhàn)時(shí)通常指戰(zhàn)場(chǎng)區(qū)域，在執(zhí)行搶險(xiǎn)救災(zāi)或處置其它突發(fā)事件時(shí)通常指發(fā)生事故區(qū)域。衛(wèi)星偵察時(shí)間是指能夠?qū)δ繕?biāo)區(qū)實(shí)施有效偵察的時(shí)間，在戰(zhàn)時(shí)或?qū)嵤?zāi)難救援時(shí)通常需要偵察衛(wèi)星24小時(shí)對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)嵤┎婚g斷偵察，由于每顆衛(wèi)星軌道固定，除靜止軌道衛(wèi)星外，其它衛(wèi)星經(jīng)過(guò)目標(biāo)區(qū)時(shí)間有限，再次對(duì)同一目標(biāo)實(shí)施偵察至少需要等待一個(gè)回歸周期，為實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的連續(xù)偵察，就需要多顆偵察衛(wèi)星形成星座，配合完成偵察任務(wù)[1]。

2 偵察衛(wèi)星軌道分類(lèi)

偵察衛(wèi)星常用的軌道有地球靜止軌道、太陽(yáng)同步軌道和臨界傾角軌道等。

（1）地球靜止軌道。該軌道位于赤道上空約35 786km上空，衛(wèi)星運(yùn)行周期為23小時(shí)56分04秒，其軌道離心率和軌道傾角均為0，衛(wèi)星運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，衛(wèi)星能夠偵察地面區(qū)域始終固定。該軌道的優(yōu)點(diǎn)是：衛(wèi)星的覆蓋區(qū)或服務(wù)區(qū)差不多是地球表面的1/3（從南緯75°到北緯75°），因此最少用3顆地球同步衛(wèi)星即可完成對(duì)全球的覆蓋，能夠?qū)δ繕?biāo)區(qū)域?qū)嵤?4小時(shí)不間斷觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域或目標(biāo)的連續(xù)跟蹤。缺點(diǎn)是：信號(hào)來(lái)回傳輸?shù)难舆t較長(zhǎng)、軌道資源有限、對(duì)地面目標(biāo)偵察分辨率不高。

（2）太陽(yáng)同步軌道。太陽(yáng)同步軌道軌道傾角大于90°，其軌道平面和太陽(yáng)始終保持相對(duì)固定的取向，軌道平面每天平均向地球公轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)0.985 6°[3]。當(dāng)衛(wèi)星每次經(jīng)過(guò)同一目標(biāo)區(qū)域時(shí)，太陽(yáng)視線與衛(wèi)星軌道平面夾角不變，因此太陽(yáng)都會(huì)從同一角度照射該區(qū)域。太陽(yáng)同步軌道能夠保證衛(wèi)星經(jīng)過(guò)目標(biāo)區(qū)域的良好光照條件，是光學(xué)偵察衛(wèi)星常用軌道，但該類(lèi)衛(wèi)星軌道相對(duì)固定，易于被對(duì)方規(guī)避。

（3）臨界傾角軌道。臨界傾角軌道傾角為63.4°，由于地球形狀與質(zhì)量分布不均會(huì)產(chǎn)生自然攝動(dòng)，采用該傾角軌道的衛(wèi)星軌道橢圓的長(zhǎng)軸不會(huì)在軌道平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠保持衛(wèi)星軌道的穩(wěn)定。同時(shí)該軌道衛(wèi)星回歸周期長(zhǎng)，可以方便地對(duì)地面不同位置目標(biāo)實(shí)施偵察，是電子偵察衛(wèi)星的常用軌道。

3 基于STK的衛(wèi)星覆蓋仿真

STK軟件是AGI公司推出的可用于航天、防御和情報(bào)任務(wù)的可視化仿真工具。它提供多種仿真引擎用于數(shù)據(jù)計(jì)算，可以用二維和三維形式顯示仿真結(jié)果，并生成數(shù)據(jù)分析圖表，能夠方便地用來(lái)分析偵察衛(wèi)星的覆蓋范圍[2]。

假設(shè)需要對(duì)我國(guó)南海特定目標(biāo)區(qū)域?qū)嵤?4小時(shí)不間斷偵察，通過(guò)STK軟件的AreaTarget對(duì)象設(shè)置目標(biāo)區(qū)域，假設(shè)該目標(biāo)區(qū)域4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為（N15°00'00''，E110°00'00''），（N7°00'00''，E110°00'00''），（N7°00'00''，E117°00'00''），（N15°00'00''，E117°00'00''），區(qū)域范圍如圖1內(nèi)方框所示。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的有效偵察，當(dāng)偵察衛(wèi)星經(jīng)過(guò)被觀察地區(qū)上空時(shí)，這些地區(qū)應(yīng)該處于比較好的光照條件下[4-5]，因此本文選取太陽(yáng)同步軌道作為偵察衛(wèi)星軌道。分別采取6軌道面6星方案、6軌道面12星方案和6軌道面24星方案，分析不同方案下不同星座對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋情況，依據(jù)仿真分析結(jié)果，形成最優(yōu)方案。

方案一：6星Walker星座方案。

仿真建模時(shí)選取衛(wèi)星均勻分布的Walker星座方案，假設(shè)6顆偵察衛(wèi)星均勻分布在軌道傾角98°，軌道高度1 500km的6個(gè)軌道面上，傳感器采用簡(jiǎn)單錐體傳感器，觀測(cè)角度設(shè)定為50°，仿真2015年7月1日12點(diǎn)至2015年7月2日12點(diǎn)間24小時(shí)的覆蓋情況。此時(shí)衛(wèi)星空間分布如圖2所示。

當(dāng)采用6顆偵察衛(wèi)星的Walker星座時(shí)，其對(duì)特定區(qū)域的覆蓋比例如圖3所示。

6顆衛(wèi)星星座對(duì)目標(biāo)區(qū)域的完全覆蓋時(shí)間段如圖4所示。

從圖3和圖4仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)采用6星星座時(shí)，24小時(shí)內(nèi)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋存在明顯的間隔。

方案二：12星Walker星座方案。

仿真建模時(shí)選取衛(wèi)星均勻分布的Walker星座方案，假設(shè)12顆偵察衛(wèi)星均勻分布在軌道傾角98°，軌道高度1 500km的6個(gè)軌道面上，傳感器采用簡(jiǎn)單錐體傳感器，觀測(cè)角度設(shè)定為50°，仿真2015年7月1日12點(diǎn)至2015年7月2日12點(diǎn)間24小時(shí)的覆蓋情況。此時(shí)衛(wèi)星空間分布如圖5所示。

當(dāng)采用12顆偵察衛(wèi)星時(shí)，其對(duì)特定區(qū)域的覆蓋比例如圖6所示。12顆衛(wèi)星星座對(duì)目標(biāo)區(qū)域的完全覆蓋時(shí)間段如圖7所示。

從圖6和圖7的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)采用12星星座時(shí)，24小時(shí)內(nèi)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋較6星星座明顯增多，但仍存在間隙，要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的完全覆蓋還需要增加偵察衛(wèi)星數(shù)量。

方案三：24星Walker星座方案。

仿真建模時(shí)選取衛(wèi)星均勻分布的Walker星座方案，假設(shè)24顆偵察衛(wèi)星均勻分布在軌道傾角98°，軌道高度1 500km的6個(gè)軌道面上，傳感器采用簡(jiǎn)單錐體傳感器，觀測(cè)角度設(shè)定為50°，仿真2015年7月1日12點(diǎn)至2015年7月2日12點(diǎn)間24小時(shí)的覆蓋情況。此時(shí)衛(wèi)星空間分布如圖8所示。

當(dāng)采用24顆偵察衛(wèi)星時(shí)，其對(duì)特定區(qū)域的覆蓋比例如圖9所示。24顆衛(wèi)星星座對(duì)目標(biāo)區(qū)域的完全覆蓋時(shí)間段如圖10所示。

從圖9和圖10的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)采用24星星座時(shí)，24小時(shí)內(nèi)衛(wèi)星星座對(duì)目標(biāo)區(qū)域覆蓋間隙很小，基本能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的完全覆蓋。本文同樣對(duì)減少衛(wèi)星數(shù)量、增加衛(wèi)星軌道面的方案也進(jìn)行了仿真分析，例如24星采用12軌道面的Walker星座方案，但仿真結(jié)果比24星6軌道面方案較差。綜合以上分析結(jié)果，采取24星6軌道面Walker星座方案?jìng)刹煨Ч^好。

4 結(jié)語(yǔ)

采用本文設(shè)計(jì)的24星6軌道面的太陽(yáng)同步軌道Walker星座方案，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)區(qū)域的有效覆蓋，滿足了對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行頻繁觀測(cè)的任務(wù)需求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和較高的工程參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳正午，任華，蔣昊東.區(qū)域偵察小衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2015，32（2）：87-91.

[2]楊穎，王琦.STK在計(jì)算機(jī)仿真中的應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

[3]柴霖，袁建平，方群，等.基于STK的星座設(shè)計(jì)與性能評(píng)估[J].宇航學(xué)報(bào)，2003，24（4）：421-423.

[4]張基偉，梁俊，田斌.基于STK的雙層衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)及仿真[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2010，36（6）：52-54.

[5]田八林，袁建平，岳曉奎.基于STK的GPS空間覆蓋特性仿真分析[J].計(jì)算機(jī)仿2008，25（6）：46-49.

（責(zé)任編輯：孫 娟）