基于STK的预警卫星部署与性能分析

罗 菁，程红斌

（空军预警学院，武汉430019）

0 引 言

在导弹防御系统中，利用导弹在主动段红外辐射比较强的特征，预警卫星使用先进的红外探测设备，探测接收导弹的红外辐射信号，发现并跟踪目标，而且还要为整个导弹防御系统提供预警信息和弹道预报信息。由此，预警卫星对于导弹的早期预警是反导防御系统进行有效作战的最为关键的环节，同时，预警卫星对于导弹的预警能力强弱也是衡量反导作战效能的一个关键性指标，所以预警卫星一直是导弹预警防御以及反导防御系统作战效能评估领域的研究热点内容。

而目前在导弹红外辐射特性计算、弹道飞行仿真以及红外探测器等方面的研究方向已十分广泛，为了满足导弹攻防作战仿真以及某些效能评估的要求，需要建立能够实时、动态反映预警卫星对导弹预警能力的仿真模型。下面利用卫星工具包（STK）仿真工具来研究红外预警卫星部署的方法，并且通过STK仿真出来的数据结合实际来分析预警卫星对各个探测点的探测能力。利用这种方法，可以通过推测得到针对特定热点地域反导预警卫星的合理部署方案。

1 红外反导预警卫星

预警卫星是利用可见光电视摄像机和红外探测器等一系列遥感装置，感受弹道导弹发射时尾部喷焰发出的红外辐射，由此发现敌方弹道导弹发射和飞行方向等一系列情报信息，并对我方进行报警的卫星。由于预警卫星是用于监视、发现和跟踪敌方弹道导弹发射，所以也把它称为导弹预警卫星。

在战争时期，预警卫星主要用于监视发现敌方弹道导弹的发射与运行情况，以便及时感应到对方进行战略突袭的征兆，同时也为己方的战略防御提供一定的准备时间，用于引导反导系统做出相应的拦截反应，并对上通报战略进攻力量，根据命令实施战略性反击。即使在和平时期，预警卫星也有非常重要的作用，它用于监视世界各军事大国的导弹发射实验和航天发射活动情况，以此来了解世界战略武器的发展动向，便于根据情况适时采取相应的对策。

由于预警卫星不受地球曲率的限制，高度上居高临下，范围上覆盖广泛，因此能及早发现空间预定的一些弹道导弹。预警卫星通常运行在同步静止轨道或大椭圆轨道上，也有某些运行在低轨上进行辅助监测，主要用来为国家的军事指挥部门提供有关洲际导弹、潜射导弹、核爆炸探测以及部分轨道轰炸武器的发射警报，用以防止突然袭击。

例如，俄罗斯的导弹预警卫星在敌方洲际弹道导弹发射起飞5min内就可以报警，并且预测其弹道参数，预警时间可以达到25min（一般8 000～13 000km的弹道导弹飞行时间大约为30min），也就是说，敌方洲际弹道导弹还没有到达俄罗斯领土之前，俄罗斯的军事指挥系统就可以根据预警卫星探测到的情报进行相应的拦截措施。

在所有的预警卫星中，由于同步轨道预警卫星轨道高度高、覆盖范围大并且能突破地理限制实现远距离、大容量的覆盖这些优点，占据了主导地位。理论上，3颗同步轨道卫星组成的星座系统能够覆盖全球，如图1所示。除了两极地区是盲区外，全球其他地区都可以覆盖，甚至有部分地区还是重复覆盖。通过重叠区内地球站的“双跳”转接，也可以实现不同覆盖区域内用户的连接，从而实现全球覆盖。因此选取在同步轨道上的预警卫星仿真。

图1 同步轨道卫星

2 STK简介

STK是美国AGI公司推出的一款卫星系统分析软件，主要应用于航天领域的先进仿真。世界各国不计其数的专家们在航天领域、研究卫星系统工程的全过程中都用到了STK，这其中包括对卫星系统的需求定义，各颗卫星部署、构造、发射、运行和应用等一系列过程的仿真。

STK软件是一款十分强大并且很灵活的软件工具，它可以用来快速了解空间飞行任务中需要涉及到的多学科的交叉内容，能方便快捷地帮助用户编制飞行计划、完成飞行任务分析和实时机动地模拟跟踪探测。用户可以利用STK软件设置地面站、目标区域、卫星、传感器以及各种类型的运动物体参数等，设置完成好仿真环境后，STK可以迅速模拟任务过程，显示任务场景。用户可以根据生成的数据报告和图表等各种数据进行任务分析，最终确定最佳解决方案［1－6］。

STK软件在卫星组网的设计与仿真演示这部分的应用中，需要仿真的是卫星的运行规律、轨道性能以及各种组网方案所得到的侦察探测预警效果，可以形象直观地提供卫星对某些特定区域的覆盖范围、覆盖时间等信息，从而通过得到的各种数据考察验证各种组网方案的技术指标，达到优化确定组网方案的功能。

由于STK具有强大的计算能力、逼真的图形显示（包括二维和三维的动态画面显示）、可靠准确的数据报告，因此对整个卫星系统组网方案的设计部署、仿真实现、方案优化、动静态演示都具有非常重要的作用。

3 反导预警卫星部署与性能分析

3.1 仿真场景设置

启动STK，建立场景“GEO－const”。

根据3颗同步轨道卫星平均分布可以覆盖全球的规则，本实例中，在同步轨道上均匀放置3颗卫星，并分别以红色、蓝色、绿色进行区分。

选择弹道导弹发射基地作为热点探测对象，本实例中选用的某些弹道导弹发射基地分别记为基地1～8，添加探测点星座对象const＿fog，在其属性中加入所有探测点对象。

选取我国境内有代表性的7个点建立地面站对象，添加地面站星座对象const＿fac，在其属性中加入所有地面站对象。

添加3个链路对象chain1，chain2，chain3，如表1所示。

表1 链路对象表

卫星与监测点直接有连线表示卫星可以监测到该基地。

基于以上考虑，利用STK仿真软件可以得到同步轨道红外预警卫星3D部署图及2D部署图分别如图2和图3所示。

图2 同步轨道红外预警卫星部署3D图

图3 同步轨道红外预警卫星部署2D图

3.2 反导预警卫星系统探测能力分析

红外预警卫星的任务是通过对一些热点地区的弹道导弹的监视完成预警功能。

红外预警卫星与地面目标的空间几何关系如图4所示。

图4中观测点和卫星的连线为AB，与观测点A和地球表面的切线AC之间的夹角α，称为仰角。

导弹预警卫星是通过星载红外探测器探测洲际弹道导弹、潜射弹道导弹和战术弹道导弹发射时尾焰产生的红外辐射，并将测得的方位角和辐射强度等有关信息迅速传递给地面中心，从而使地面防御系统能够赢得尽可能长的预警时间，以采取有效的反击措施。

图4 同步轨道红外预警卫星与地面站的空间几何关系图

但由于大地上一些红外热源对卫星的干扰，使之不能准确地分辨出导弹的尾焰。为了使卫星可以探测到导弹，就需要导弹的被探测背景是纯净的（如天空等），所以同步轨道红外预警卫星对地观测时，需利用大气层过滤地面的杂散红外源。如果仰角过低，由于地形、地物以及地面噪声的影响，不能进行有效的探测，无法完成预警功能。因此实际应用时，卫星对于地球站的仰角数据不能低于5°，并且仰角越高，其探测能力越强。

通过对国外热点地区的仰角数据来分析同步轨道红外预警卫星对目标探测能力的强弱。图5是8个国外导弹发射基地的仰角分布情况［7－10］。

通过上述仰角曲线绘制出各个监测点的最大仰角值如表2所示。

表2 国外各监测点最大仰角值

通过这些图表，根据之前的推论，仰角越高，其探测能力越强，可以得出基地2的最大仰角值最小，仅为9.1°，所以对导弹发射探测能力较弱；而基地8的最大仰角值最大，为45.1°，所以对导弹发射探测能力较强。但是所有观测点的仰角均大于5°，所以预警卫星均可以探测到这些观测点，只是探测能力有强弱之分。

图5 各个观测基地的仰角分布图

4 结束语

利用STK进行实时视景仿真是卫星航天任务仿真的一个重要方面，它可以通过软件在计算机上构建卫星围绕地球运行的三维宏观场景，通过得出的数据可以准确描述卫星在每个时刻的运行状况、运行姿态、运行角度以及卫星辐照地面的区域、范围、时间等，这对于监控卫星的运行状态以及热点区域有重要的作用。除了探测能力以外，还需要研究的是预警卫星的通信能力，这也是下一步努力研究的方向所在。

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