基于STK 的美國天基預(yù)警系統(tǒng)仿真研究

李旻昊 張亞坤 （ 中國人民解放軍303 部隊， 中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊航天工程大學(xué)）

本文基于STK 軟件對美國天基預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和分析。首先調(diào)研了美國天基預(yù)警系統(tǒng)的組成和星載探測器參數(shù)，在此基礎(chǔ)上基于STK 軟件構(gòu)建了美國天基預(yù)警系統(tǒng)的仿真模型，最后從天基預(yù)警系統(tǒng)覆蓋性能和探測效果兩方面分析了該系統(tǒng)的威力范圍和探測能力。

1 引言

美國分析圖形公司（AGI）開發(fā)的系統(tǒng)工具箱（STK）是目前航天領(lǐng)域最先進(jìn)的仿真分析軟件，它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)、圖形報告生成和可視化仿真功能，在導(dǎo)彈設(shè)計與分析、雷達(dá)探測與仿真、紅外光電傳感器、電子信息對抗等與航空動力學(xué)相關(guān)的幾乎所有領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。STK 提供了一整套集成的二、三維綜合顯示環(huán)境，各種不同的視點(diǎn)和輔助分析工具，STK 和其他附加模塊可以為用戶提供高逼真度的顯示環(huán)境，可以將復(fù)雜的航天任務(wù)生動、鮮明地呈現(xiàn)給用戶，根據(jù)數(shù)據(jù)研究表明其仿真分析結(jié)果的置信度高達(dá)99.50%[1]。

2 美國天基預(yù)警系統(tǒng)組成

天基預(yù)警衛(wèi)星是美國導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，美國的導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星主要經(jīng)歷了三大階段：“導(dǎo)彈探測警報系統(tǒng)”（MIDAS）、“國防支援計劃”（DSP）和“天基紅外探測系統(tǒng)”（SBIRS）。

“天基紅外探測系統(tǒng)”由高軌道（SBIRS-High）衛(wèi)星系統(tǒng)和低軌道（SBIRS-Low）衛(wèi)星系統(tǒng)及相關(guān)地面系統(tǒng)構(gòu)成。其中，高軌道部分包括主要用于探測彈道導(dǎo)彈主動段的4 顆地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星和主要用于覆蓋北半球高緯度地區(qū)的3 顆高橢圓軌道（HEO）衛(wèi)星，其多次參與導(dǎo)彈發(fā)射監(jiān)測試驗，驗證了預(yù)警指示和全程跟蹤能力。低地球軌道（LEO）部分包括3 顆空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)（STSS）衛(wèi)星，其多次觀測戰(zhàn)略導(dǎo)彈飛行試驗，驗證了探測助推段的彈道導(dǎo)彈尾焰，全彈道跟蹤以及實時通信能力[2-3]。該系統(tǒng)的有效載荷包含了可見光、中波紅外和長波紅外等不同譜段，采用掃描與凝視結(jié)合的手段進(jìn)行跟蹤探測，可以對全球重點(diǎn)海區(qū)和地區(qū)發(fā)射的彈道導(dǎo)彈和洲際導(dǎo)彈分別提供15 ～30min 的預(yù)警時間[4-5]。

3 天基預(yù)警系統(tǒng)建模仿真

為構(gòu)建美國天基預(yù)警系統(tǒng)模型，本文從天基預(yù)警衛(wèi)星星座、天基預(yù)警衛(wèi)星傳感器以及導(dǎo)彈目標(biāo)三個方面進(jìn)行建模仿真。

美國現(xiàn)役預(yù)警衛(wèi)星基本情況

天基預(yù)警衛(wèi)星星座建模仿真

STK 軟件提供了二體、J2 攝動、高精度等傳統(tǒng)軌道預(yù)報器，軌道機(jī)動仿真模塊（Astrogator）以及外部兩行軌道根數(shù)（TLE）文件驅(qū)動等多種星座建模方法。本文使用最新的TLE 文件，結(jié)合STK 軟件中的簡化通用攝動（SGP4）軌道預(yù)報器對預(yù)警衛(wèi)星星座進(jìn)行仿真，并依據(jù)資料插入相對應(yīng)的3D 模型，增強(qiáng)預(yù)警衛(wèi)星星座可視化效果。

天基預(yù)警衛(wèi)星傳感器建模仿真

傳感器對象通常用來模擬各類光學(xué)、雷達(dá)、激光、收發(fā)機(jī)等傳感器，還可以定義運(yùn)載器對象、地面站對象、目標(biāo)對象的視場等。本文利用傳感器對象對星載傳感器的載荷類型和掃描模式進(jìn)行了建模仿真，對美國天基預(yù)警系統(tǒng)的威力范圍和探測能力開展了研究。

光電與紅外傳感模塊（EOIR）可對任務(wù)場景中的目標(biāo)對象和星載光學(xué)傳感器建模。多個獨(dú)立的光電與紅外傳感器對象可以同時查看空間環(huán)境，橫跨短波、長波、紫外、可見光和紅外波長(0.28 ～28μm)，同時能夠生成圖像和報表。EOIR 模塊充分考慮了傳感器、目標(biāo)物體和環(huán)境之間的相互作用，建立了高可信度的無線電傳感器模型。本文基于此模塊對美國天基早期紅外預(yù)警進(jìn)行可視化仿真，并生成相應(yīng)的圖像和報表。預(yù)警衛(wèi)星利用導(dǎo)彈尾焰的紅外輻射對目標(biāo)進(jìn)行探測和識別。彈道發(fā)射時，火箭發(fā)動機(jī)工作輻射功率可達(dá)105～106W，發(fā)動機(jī)噴射出的燃?xì)饪僧a(chǎn)生強(qiáng)烈的紅外輻射。主動段的彈道導(dǎo)彈，尾焰的紅外輻射相當(dāng)于2000 ～3000K 的黑體輻射源。由于尾焰羽流的主要成分是H2O 和CO2，且在高溫時CO2的吸收譜線強(qiáng)度更強(qiáng)，所以尾焰羽流的輻射強(qiáng)度更接近于CO2的輻射吸收譜線，在2.7μm 和4.3μm 波段出現(xiàn)了較強(qiáng)的峰值[6]。

天基紅外探測系統(tǒng)預(yù)警衛(wèi)星模型圖

綜上，傳感器探測波段參數(shù)為2.5 ～3μm，傳感器相機(jī)參數(shù)設(shè)置如下。

傳感器相機(jī)參數(shù)

導(dǎo)彈目標(biāo)建模仿真

導(dǎo)彈對象通常用來模擬起點(diǎn)和落點(diǎn)都在中心體表面沿著橢圓彈道運(yùn)動運(yùn)載器的特性和動作。運(yùn)用導(dǎo)彈模塊設(shè)置導(dǎo)彈的飛行模式、導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)、攻擊目標(biāo)點(diǎn)以及最大飛行高度，對導(dǎo)彈目標(biāo)彈道進(jìn)行建模仿真。根據(jù)目標(biāo)特性設(shè)置導(dǎo)彈的紅外屬性和外部形狀、材料和溫度，實現(xiàn)對導(dǎo)彈目標(biāo)特性進(jìn)行建模仿真。導(dǎo)彈形狀由圓錐形彈頭、圓臺形結(jié)合部和圓柱形彈體組成。彈頭使用鋁制多層隔離層材料，溫度為350K；彈體使用白色熱控圖層材料，溫度為350K；導(dǎo)彈尾焰溫度為3000K。

4 仿真結(jié)果與分析

美國天基預(yù)警系統(tǒng)覆蓋性分析

在所有的預(yù)警衛(wèi)星中，地球同步軌道衛(wèi)星的軌道高度很高、具有大的覆蓋范圍，并且能不受地形地物遮擋影響，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量的覆蓋。除兩極地區(qū)是盲區(qū)外，地球同步軌道－1 ～3（GEO－1 ～3）衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)能夠覆蓋全球，地球同步軌道－4（GEO－4）衛(wèi)星部署在東經(jīng)185°附近，以加強(qiáng)對亞太地區(qū)的重點(diǎn)監(jiān)控。

高橢圓軌道預(yù)警衛(wèi)星有較低近地點(diǎn)和極高遠(yuǎn)地點(diǎn)，衛(wèi)星對遠(yuǎn)地點(diǎn)下方地面區(qū)域的覆蓋時間可以超過12h，通過軌道傾角的設(shè)計可以抵消由地球扁率引起的進(jìn)動，避免了遠(yuǎn)地點(diǎn)位置的移動，使得遠(yuǎn)地點(diǎn)始終在北半球高緯度地區(qū)上空，保持較長的監(jiān)控時間。軍號－1 ～3（Trumpet－1 ～3）高橢圓軌道衛(wèi)星能夠?qū)Ρ卑肭蚋呔暥鹊貐^(qū)接力監(jiān)控，補(bǔ)充了地球同步軌道衛(wèi)星在北極地區(qū)的盲區(qū)，保證了對戰(zhàn)略地區(qū)的全時監(jiān)控。

低地球軌道預(yù)警衛(wèi)星軌道高度低，衛(wèi)星與彈道導(dǎo)彈距離短，空域干擾少，分辨率高，便于對導(dǎo)彈進(jìn)行連續(xù)探測識別和跟蹤。其運(yùn)行速度快，重訪周期短，空基監(jiān)視能力強(qiáng)?？臻g跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)衛(wèi)星在低地軌道運(yùn)行，對全球區(qū)域進(jìn)行連續(xù)訪問，擁有探測彈道導(dǎo)彈助推段尾焰和跟蹤導(dǎo)彈中段及再入段的能力，補(bǔ)充了高軌衛(wèi)星在火箭發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)后無法持續(xù)跟蹤的局限。

預(yù)警衛(wèi)星探測效果分析

地球同步軌道預(yù)警衛(wèi)星部署及監(jiān)控范圍

高橢圓軌道預(yù)警衛(wèi)星部署及監(jiān)控范圍

低地球軌道預(yù)警衛(wèi)星部署及監(jiān)控范圍

根據(jù)EOIR 目標(biāo)有效輻照度報告，預(yù)警衛(wèi)星從場景時間12s 開始探測到導(dǎo)彈目標(biāo)尾焰羽流紅外特性。有效目標(biāo)輻照度由－ 131.223dBW/m2激升到－ 64.2624dBW/m2，探測器發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈目標(biāo)并轉(zhuǎn)換凝視模式，持續(xù)觀測目標(biāo)。尾焰羽流持續(xù)228s，至場景時間240s，導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，有效目標(biāo)輻照度由－ 64.2624dBW/m2降至－ 131.223dBW/m2，目標(biāo)從探測器視場中消失。

預(yù)警衛(wèi)星探測效果晝夜對比圖

通過預(yù)警衛(wèi)星探測效果晝夜對比可見，雖然白晝背景溫度較高，更難發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，但傳感器仍能探測到目標(biāo)，并可以直觀顯示目標(biāo)運(yùn)動軌跡。

5 結(jié)束語

本文運(yùn)用STK 軟件對美國天基預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真，分析了美國天基預(yù)警系統(tǒng)的軌道覆蓋能力和目標(biāo)探測能力。文中設(shè)計的仿真系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于拓展、便于二次開發(fā)、仿真結(jié)果可視化等特點(diǎn)，下一步可在系統(tǒng)拓展、二次開發(fā)等方面繼續(xù)開展研究。