面向海上動(dòng)目標(biāo)的小衛(wèi)星偵察系統(tǒng)效能仿真

摘 ?要：針對海上作戰(zhàn)中對海洋動(dòng)目標(biāo)的航天偵察需求，為有效提高獲取信息的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，設(shè)計(jì)并提出以搭載不同載荷的小衛(wèi)星為核心，適用于短期戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的聯(lián)合偵察衛(wèi)星系統(tǒng)。為有效評估系統(tǒng)的偵察效能，文章構(gòu)建了相關(guān)的評估指標(biāo)體系，并基于STK與MATLAB的聯(lián)合仿真程序，綜合MATLAB解析建模和STK軌道仿真的優(yōu)勢，通過仿真實(shí)例對系統(tǒng)的偵察效能進(jìn)行分析研究，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：小衛(wèi)星;偵察效能;STK;MATLAB

中圖分類號(hào)：TP391.9;V474.2+7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）13-0042-04

Effectiveness Simulation of Small Satellite Reconnaissance System for Marine Moving Targets

WANG Boqing

（Graduate School， PLA Strategic Support Force University of Aerospace Engineering， Beijing ?101416， China）

Abstract： Aiming at the aerospace reconnaissance requirements of marine moving targets in maritime operations， in order to effectively improve the accuracy and timeliness of information， this paper design and propose a joint reconnaissance satellite system with small satellites carrying different loads as the core and suitable for short-term tactical missions. In order to effectively evaluate the reconnaissance efficiency of the system， this paper build the relevant evaluation index system， based on the joint simulation program of STK and MATLAB， this paper combining the advantages of MATLAB analytical modeling and STK track simulation， analyzing and studying the reconnaissance efficiency of the system through simulation examples， so as to provide reference basis for system design optimization.

Keywords： small satellite; reconnaissance efficiency; STK; MATLAB

0 ?引 ?言

隨著智能化海上作戰(zhàn)對獲取目標(biāo)信息的準(zhǔn)確性和時(shí)效性要求不斷提高，航天偵察監(jiān)視系統(tǒng)的重要性日益突出，而傳統(tǒng)空間系統(tǒng)更側(cè)重全球覆蓋，響應(yīng)時(shí)間長，不適合執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)偵察任務(wù)，在實(shí)時(shí)支援海上作戰(zhàn)上將面臨諸多限制和困難。針對這一問題，本文開展了基于小衛(wèi)星的聯(lián)合偵察系統(tǒng)效能仿真研究，小衛(wèi)星偵察系統(tǒng)即針對預(yù)定偵察區(qū)域，通過快速部署多顆不同載荷的低成本小衛(wèi)星，構(gòu)建可靈活重構(gòu)、優(yōu)勢互補(bǔ)的聯(lián)合偵察衛(wèi)星星座，在空間形成組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域的快速覆蓋，短時(shí)間內(nèi)有效提高偵察效能。

1 ?小衛(wèi)星偵察系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 ?有效載荷選取

有效載荷是形成偵察效能的第一要素，直接影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。以100千克級(jí)的模塊化小衛(wèi)星作為基本平臺(tái)，通過通用接口可與有效載荷快速集成，搭載小型固體火箭實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射，快速入軌應(yīng)用。

下文以大型艦船為偵察目標(biāo)，結(jié)合海上動(dòng)目標(biāo)特性，選取系統(tǒng)成員衛(wèi)星的有效載荷：

（1）電子偵察載荷。大型艦船上的電子設(shè)備繁多，這些設(shè)備時(shí)刻在發(fā)射各種無線電信號(hào)，包括對空警戒、導(dǎo)航、測控、通信等無線電信號(hào)，構(gòu)成一個(gè)巨大的有源輻射體。小衛(wèi)星可攜帶小型電子偵察裝備，在目標(biāo)工作頻段的覆蓋范圍內(nèi)截獲其發(fā)出的無線電信號(hào)。電子信號(hào)通過星上計(jì)算機(jī)處理，基于基線干涉或三星時(shí)差定位原理測定目標(biāo)的位置、航向、航速等信息。

（2）可見光成像載荷。大型艦船在單一廣闊的海洋背景中，不易隱藏，利于通過光學(xué)遙感器進(jìn)行成像偵察?？梢姽膺b感器作用于紫外光至紅光波段，工作波長短、圖像分辨率高，易于更直觀地識(shí)別分析，但是因?yàn)槠涑上裉攸c(diǎn)，易受光照和云霧天氣影響，不具有夜視能力。

（3）紅外成像載荷。大型艦船在行駛過程中其動(dòng)力系統(tǒng)的紅外線輻射值高，特征明顯，紅外遙感器在晝夜都能工作，可以配合可見光幫助識(shí)別、詳查目標(biāo)。

（4）SAR成像載荷。由鋼鐵制造的艦船目標(biāo)雷達(dá)反射面積大，有限載荷可選取小型合成孔徑雷達(dá)，對目標(biāo)進(jìn)行微波成像，不會(huì)受到海上云霧以及夜暗影響，彌補(bǔ)可見光偵察的不足，但微波成像屬于主動(dòng)探測，容易被敵方發(fā)現(xiàn)和干擾。

（5）視頻成像載荷。傳統(tǒng)遙感器難以滿足對目標(biāo)的實(shí)時(shí)觀測需求，視頻衛(wèi)星的出現(xiàn)將時(shí)間分辨率提升到秒級(jí)[1]。多顆視頻衛(wèi)星采用“同軌接力”的串聯(lián)飛行模式，星上的視頻相機(jī)利用光學(xué)遙感器的視頻成像模式，控制遙感器盯住目標(biāo)，以“凝視”方式進(jìn)行連續(xù)觀測，并以視頻格式實(shí)時(shí)記錄目標(biāo)運(yùn)動(dòng)變化信息，通過星間和星地鏈路傳回地面。

1.2 ?任務(wù)軌道設(shè)計(jì)

任務(wù)軌道的選擇是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)，明確任務(wù)軌道設(shè)計(jì)的基本要求有：

（1）軌道設(shè)計(jì)應(yīng)滿足偵察大型艦船所需的分辨率和覆蓋特性要求。

（2）部署衛(wèi)星采用“一箭多星”的發(fā)射方式，同時(shí)適合小衛(wèi)星發(fā)射的小型固體運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力較低，軌道高度受限制，典型參數(shù)為：近地軌道300 kg/500 km。

（3）將軌道傾角的取值限定在預(yù)定偵察區(qū)域最高緯度的正負(fù)5°范圍內(nèi)，以提高對區(qū)域的覆蓋次數(shù)和偵察時(shí)間。

（4）由于偵察任務(wù)周期較短，不需要考慮衛(wèi)星的軌道維持和較高的使用壽命，軌道攝動(dòng)力只考慮短期內(nèi)影響最大的J2項(xiàng)攝動(dòng)。

（5）為消除軌道偏心率對傳感器成像的影響，除特殊要求外，所有衛(wèi)星軌道偏心率為零。

（6）偵察目標(biāo)屬于海上移動(dòng)目標(biāo)，位置時(shí)刻變化，軌道不需要具備回歸特性。

1.3 ?系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

面向海上動(dòng)目標(biāo)的小衛(wèi)星偵察系統(tǒng)需要的衛(wèi)星資源類型多樣，實(shí)體之間的信息交互復(fù)雜，鏈路切換頻繁，所需輔助保障的實(shí)體資源也必不可少，根據(jù)系統(tǒng)工程理論，本節(jié)按照各實(shí)體功能特點(diǎn)，把系統(tǒng)劃分為以下三個(gè)分系統(tǒng)：

（1）空間偵察分系統(tǒng)。由各類小衛(wèi)星成員組成，星上可搭載微波或激光通信載荷，具備構(gòu)建星地、星間的通信鏈路能力，對于星上處理后的信息可快速傳輸給戰(zhàn)術(shù)單元，實(shí)現(xiàn)信息的高效應(yīng)用。當(dāng)系統(tǒng)能力不足或冗余時(shí)，成員衛(wèi)星可根據(jù)任務(wù)需要快速動(dòng)態(tài)接入或退出。所以系統(tǒng)編程靈活，具有對任務(wù)的快速適應(yīng)能力。

（2）地面指揮分系統(tǒng)。指地面上的保障人員和設(shè)備，包括負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)維、行動(dòng)指揮的地面指揮控制中心、融合數(shù)據(jù)生成情報(bào)產(chǎn)品的情報(bào)處理中心、提出需求和接收情報(bào)產(chǎn)品并進(jìn)行應(yīng)用的戰(zhàn)術(shù)終端用戶。

（3）天基網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)。由已在軌部署的天基網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施組成，為成員衛(wèi)星、戰(zhàn)術(shù)用戶、指揮中心提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸、時(shí)空基準(zhǔn)和調(diào)度控制等基礎(chǔ)服務(wù)。

小衛(wèi)星偵查系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 ?偵察效能仿真與分析

2.1 ?指標(biāo)體系

為了對有效評估偵察效能提供標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，首先需要構(gòu)建科學(xué)的效能評估指標(biāo)體系，依照可測性、獨(dú)立性、客觀性等原則[2]，確定系統(tǒng)偵察效能的指標(biāo)體系如圖2所示。

系統(tǒng)偵察效能是系統(tǒng)在規(guī)定的作戰(zhàn)時(shí)間、環(huán)境條件下執(zhí)行偵察任務(wù)的完成程度，是系統(tǒng)能力與隨機(jī)因素綜合影響的結(jié)果。根據(jù)偵察子任務(wù)的特點(diǎn)和類型，偵察效能可分為針對偵察對象的廣域搜索、精確定位、識(shí)別描述、跟蹤監(jiān)視這四項(xiàng)一級(jí)能力指標(biāo)，系統(tǒng)成員衛(wèi)星獨(dú)立或者配合來完成對應(yīng)的偵察子任務(wù)。

其中，廣域搜索能力特指電子偵察衛(wèi)星在特定任務(wù)區(qū)域執(zhí)行對目標(biāo)電磁信號(hào)搜索的能力，選取電子偵察的覆蓋面積、搜索分辨率、接收信號(hào)強(qiáng)度作為其下層指標(biāo);精確定位能力最重要的指標(biāo)是定位精度，除了電子偵察衛(wèi)星，成像偵察衛(wèi)星在已知星歷和姿態(tài)信息的前提下，同樣可用于目標(biāo)定位，因此，選取電子偵察定位精度、光學(xué)成像定位精度、SAR成像定位精度作為下層指標(biāo)。成像偵察衛(wèi)星擔(dān)負(fù)了對目標(biāo)的識(shí)別描述任務(wù)，以三類成像衛(wèi)星的地面分辨率作為該任務(wù)能力的下層指標(biāo)，體現(xiàn)不同偵察圖像上再現(xiàn)目標(biāo)細(xì)節(jié)的能力;由視頻衛(wèi)星組成的衛(wèi)星編隊(duì)擔(dān)負(fù)對目標(biāo)的跟蹤監(jiān)視任務(wù)，選取視頻偵察的空間分辨率、傳輸時(shí)延、連續(xù)跟蹤時(shí)長作為下層指標(biāo)。

受篇幅所限，各級(jí)指標(biāo)的計(jì)算方法不在此說明，部分底層性能指標(biāo)的解析計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[3-5]，沒有解析式的指標(biāo)需通過STK與MATLAB的聯(lián)合仿真計(jì)算得到。底層性能指標(biāo)的量化值需要先通過指標(biāo)規(guī)范化轉(zhuǎn)換為[0，1]之間的數(shù)值，再根據(jù)預(yù)設(shè)的權(quán)重，逐層聚合確定上層指標(biāo)值，指標(biāo)規(guī)范和聚合方法可參考文獻(xiàn)[6，7]。

2.2 ?仿真參數(shù)

結(jié)合當(dāng)前小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展，通過合理改變星座構(gòu)型（如衛(wèi)星數(shù)量、軌道高度等），有效載荷參數(shù)（如視場角、像元尺寸等），設(shè)計(jì)了四類小衛(wèi)星的方案參數(shù)，包括4種電子偵察衛(wèi)星方案（代號(hào)A）、3種光學(xué)（紅外）衛(wèi)星方案（代號(hào)B）、2種SAR星部署方案（代號(hào)C）、3種視頻衛(wèi)星部署方案（代號(hào)D）。每類衛(wèi)星通過排列組合，共得到4×3×2×3=72組系統(tǒng)配置方案的仿真輸入?yún)?shù)。

設(shè)定所探測的艦船目標(biāo)初始位置在（132°E，29°N），最大航速為30節(jié)，航向在200°～260°之間，活動(dòng)時(shí)間為18個(gè)小時(shí)，在北緯27°～29°，東經(jīng)126°～132°范圍內(nèi)航行;環(huán)境條件為：活動(dòng)區(qū)域上空云量等級(jí)為2，光照條件由STK仿真獲取;約束條件為：視頻衛(wèi)星跟蹤觀測的最小仰角為25°，光學(xué)衛(wèi)星觀測時(shí)的太陽高度角大于15°，其他最小觀測仰角設(shè)為5°。

2.3 ?仿真過程

在仿真過程中，MATLAB利用與STK的互聯(lián)接口，通過腳本實(shí)現(xiàn)對STK對象的復(fù)雜操作以及仿真數(shù)據(jù)讀取。這種互聯(lián)工作模式充分整合了這兩個(gè)軟件的優(yōu)勢功能。MATLAB擅長開發(fā)算法、解析計(jì)算，如利用嵌套迭代提高計(jì)算效率，建立復(fù)雜解析模型進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算，這是STK所不具備的;STK擅長仿真和軌道計(jì)算，模擬真實(shí)的軌道飛行動(dòng)力學(xué)環(huán)境，兩者互相配合可以完成對復(fù)雜航天任務(wù)的仿真分析。

效能仿真過程可用圖3表示。

2.4 ?結(jié)果分析

輸入所有仿真參數(shù)到基于STK和MATLAB的仿真平臺(tái)中，進(jìn)行仿真模擬和解析計(jì)算，可得到效能值結(jié)果。選取偵察效能值處在不同區(qū)間的10個(gè)方案，降序排列，包括一級(jí)指標(biāo)在內(nèi)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

為更直觀地分析效能值變化情況，分別對所有方案的效能值降序排列，如圖4所示。

從圖4可以看出，通過對不同衛(wèi)星方案的組合排列，偵察效能值及其一級(jí)指標(biāo)都出現(xiàn)了不同程度的浮動(dòng)變化，偵察效能值最大相差了0.39，可有效地區(qū)分出各方案偵察效能的優(yōu)劣情況。結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)，橫向?qū)Ρ让總€(gè)方案中的一級(jí)指標(biāo)，數(shù)值低的指標(biāo)看作該方案的薄弱環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)重點(diǎn)優(yōu)化的方向?？v向?qū)Ρ菶1與E2指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)值呈對立制衡關(guān)系，通過分析組成方案參數(shù)，原因主要與軌道高度有關(guān)，軌道高度越高，覆蓋幅寬越長，廣域搜索能力越強(qiáng)，但也增加了接收信號(hào)的自由空間損耗，從而削弱由信號(hào)解析的定位精度，在優(yōu)化系統(tǒng)時(shí)需要權(quán)衡考慮。E3指標(biāo)權(quán)重占比較多，影響偵察效能最大，E3指標(biāo)值高于0.9的方案中都采用分辨率最高的B2光學(xué)衛(wèi)星，說明光學(xué)空間分辨率越高，對識(shí)別描述能力提升最明顯，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。E4指標(biāo)值隨著視頻衛(wèi)星的數(shù)量和載荷性能的增加而上升明顯，尤其是增加數(shù)量對連續(xù)跟蹤時(shí)間的提升最明顯。

3 ?結(jié) ?論

本文以海上動(dòng)目標(biāo)作為偵察對象，初步設(shè)計(jì)一種基于小衛(wèi)星的戰(zhàn)術(shù)偵察系統(tǒng)，滿足覆蓋快、響應(yīng)短、精度高的海上作戰(zhàn)需求。圍繞優(yōu)化提升系統(tǒng)的偵察效能，提出了評估所需的指標(biāo)體系，并通過仿真實(shí)例，有效驗(yàn)證了指標(biāo)體系的科學(xué)性，評估結(jié)果能夠真實(shí)反映系統(tǒng)整體和成員衛(wèi)星執(zhí)行海上偵察任務(wù)的能力，為系統(tǒng)優(yōu)化和裝備論證提供重要的客觀數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。

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作者簡介：王波清（1993.08—），男，漢族，內(nèi)蒙古林西人，助理工程師，碩士研究生，研究方向：衛(wèi)星應(yīng)用仿真設(shè)計(jì)。