基于STK的侦察卫星覆盖仿真分析

徐俊+白向峰+周晓华

摘 要：侦察卫星具有侦察范围大、侦察效率高和不受领空与领海主权限制等优势，是对境外目标实施侦察的主要手段。为满足对特定区域24小时不间断侦察需要，使用AGI公司的STK仿真软件，综合分析了侦察卫星常用轨道特点，分别建立了太阳同步轨道下，采用6个轨道面的6星、6个轨道面12星和6个轨道面24星不同Walker星座方案，通过仿真计算分析了不同方案对目标区域的覆盖情况，依据仿真结果得出满足特定区域侦察需要的卫星轨道与数量需求，形成了卫星星座与轨道方案。

关键词关键词：STK仿真软件；侦察卫星；卫星仿真

DOIDOI：10.11907/rjdk.161307

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2016）008-0156-03

0 引言

侦察卫星可以不受领空与领海主权等因素的限制，自由运行于预定轨道上，对各类目标实施大范围、高效率的侦察，具备其它侦察手段无法比拟的优势，是对境外目标实施侦察的一种重要手段。在执行某些特定任务时，需要侦察卫星对目标区域实施24小时不间断侦察。本文以成像侦察卫星对特定区域实施连续侦察为具体需求，选取光学侦察卫星常用的太阳同步轨道，仿真分析不同轨道、不同数量侦察卫星对目标区域的覆盖情况，依据仿真分析结果，形成有效可靠的结论，设计满足需求的轨道和星座方案。

1 侦察卫星对目标区域的覆盖需求

侦察卫星对目标区域的覆盖需求体现在两个方面：一是对卫星侦察范围的需求；二是对卫星侦察时间的需求。卫星侦察范围需求在战时通常指战场区域，在执行抢险救灾或处置其它突发事件时通常指发生事故区域。卫星侦察时间是指能够对目标区实施有效侦察的时间，在战时或实施灾难救援时通常需要侦察卫星24小时对目标区域实施不间断侦察，由于每颗卫星轨道固定，除静止轨道卫星外，其它卫星经过目标区时间有限，再次对同一目标实施侦察至少需要等待一个回归周期，为实现对目标的连续侦察，就需要多颗侦察卫星形成星座，配合完成侦察任务[1]。

2 侦察卫星轨道分类

侦察卫星常用的轨道有地球静止轨道、太阳同步轨道和临界倾角轨道等。

（1）地球静止轨道。该轨道位于赤道上空约35 786km上空，卫星运行周期为23小时56分04秒，其轨道离心率和轨道倾角均为0，卫星运行周期与地球自转周期相同，卫星能够侦察地面区域始终固定。该轨道的优点是：卫星的覆盖区或服务区差不多是地球表面的1/3（从南纬75°到北纬75°），因此最少用3颗地球同步卫星即可完成对全球的覆盖，能够对目标区域实施24小时不间断观测，实现对特定区域或目标的连续跟踪。缺点是：信号来回传输的延迟较长、轨道资源有限、对地面目标侦察分辨率不高。

（2）太阳同步轨道。太阳同步轨道轨道倾角大于90°，其轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道平面每天平均向地球公转方向转动0.985 6°[3]。当卫星每次经过同一目标区域时，太阳视线与卫星轨道平面夹角不变，因此太阳都会从同一角度照射该区域。太阳同步轨道能够保证卫星经过目标区域的良好光照条件，是光学侦察卫星常用轨道，但该类卫星轨道相对固定，易于被对方规避。

（3）临界倾角轨道。临界倾角轨道倾角为63.4°，由于地球形状与质量分布不均会产生自然摄动，采用该倾角轨道的卫星轨道椭圆的长轴不会在轨道平面内转动，能够保持卫星轨道的稳定。同时该轨道卫星回归周期长，可以方便地对地面不同位置目标实施侦察，是电子侦察卫星的常用轨道。

3 基于STK的卫星覆盖仿真

STK软件是AGI公司推出的可用于航天、防御和情报任务的可视化仿真工具。它提供多种仿真引擎用于数据计算，可以用二维和三维形式显示仿真结果，并生成数据分析图表，能够方便地用来分析侦察卫星的覆盖范围[2]。

假设需要对我国南海特定目标区域实施24小时不间断侦察，通过STK软件的AreaTarget对象设置目标区域，假设该目标区域4个顶点坐标为（N15°00'00''，E110°00'00''），（N7°00'00''，E110°00'00''），（N7°00'00''，E117°00'00''），（N15°00'00''，E117°00'00''），区域范围如图1内方框所示。

为实现对目标区域的有效侦察，当侦察卫星经过被观察地区上空时，这些地区应该处于比较好的光照条件下[4-5]，因此本文选取太阳同步轨道作为侦察卫星轨道。分别采取6轨道面6星方案、6轨道面12星方案和6轨道面24星方案，分析不同方案下不同星座对目标区域的覆盖情况，依据仿真分析结果，形成最优方案。

方案一：6星Walker星座方案。

仿真建模时选取卫星均匀分布的Walker星座方案，假设6颗侦察卫星均匀分布在轨道倾角98°，轨道高度1 500km的6个轨道面上，传感器采用简单锥体传感器，观测角度设定为50°，仿真2015年7月1日12点至2015年7月2日12点间24小时的覆盖情况。此时卫星空间分布如图2所示。

当采用6颗侦察卫星的Walker星座时，其对特定区域的覆盖比例如图3所示。

6顆卫星星座对目标区域的完全覆盖时间段如图4所示。

从图3和图4仿真结果可以看出，当采用6星星座时，24小时内对目标区域的覆盖存在明显的间隔。

方案二：12星Walker星座方案。

仿真建模时选取卫星均匀分布的Walker星座方案，假设12颗侦察卫星均匀分布在轨道倾角98°，轨道高度1 500km的6个轨道面上，传感器采用简单锥体传感器，观测角度设定为50°，仿真2015年7月1日12点至2015年7月2日12点间24小时的覆盖情况。此时卫星空间分布如图5所示。

当采用12颗侦察卫星时，其对特定区域的覆盖比例如图6所示。12颗卫星星座对目标区域的完全覆盖时间段如图7所示。

从图6和图7的仿真结果可以看出，当采用12星星座时，24小时内对目标区域的覆盖较6星星座明显增多，但仍存在间隙，要实现对目标区域的完全覆盖还需要增加侦察卫星数量。

方案三：24星Walker星座方案。

仿真建模时选取卫星均匀分布的Walker星座方案，假设24颗侦察卫星均匀分布在轨道倾角98°，轨道高度1 500km的6个轨道面上，传感器采用简单锥体传感器，观测角度设定为50°，仿真2015年7月1日12点至2015年7月2日12点间24小时的覆盖情况。此时卫星空间分布如图8所示。

当采用24颗侦察卫星时，其对特定区域的覆盖比例如图9所示。24颗卫星星座对目标区域的完全覆盖时间段如图10所示。

从图9和图10的仿真结果可以看出，当采用24星星座时，24小时内卫星星座对目标区域覆盖间隙很小，基本能够实现对目标区域的完全覆盖。本文同样对减少卫星数量、增加卫星轨道面的方案也进行了仿真分析，例如24星采用12轨道面的Walker星座方案，但仿真结果比24星6轨道面方案较差。综合以上分析结果，采取24星6轨道面Walker星座方案侦察效果较好。

4 结语

采用本文设计的24星6轨道面的太阳同步轨道Walker星座方案，较好地实现了对目标区域的有效覆盖，满足了对特定区域进行频繁观测的任务需求，具有重要的现实意义和较高的工程参考价值。

参考文献：

[1]吴正午，任华，蒋昊东.区域侦察小卫星星座设计与仿真[J].计算机仿真，2015，32（2）：87-91.

[2]杨颖，王琦.STK在计算机仿真中的应用[M].北京：国防工业出版社，2005.

[3]柴霖，袁建平，方群，等.基于STK的星座设计与性能评估[J].宇航学报，2003，24（4）：421-423.

[4]张基伟，梁俊，田斌.基于STK的双层卫星星座设计及仿真[J].无线电通信技術，2010，36（6）：52-54.

[5]田八林，袁建平，岳晓奎.基于STK的GPS空间覆盖特性仿真分析[J].计算机仿2008，25（6）：46-49.

（责任编辑：孙 娟）