基于Matlab／STK的航天电子侦察效能仿真技术研究

许丞梁，郭福成，刘 洋

（国防科技大学电子科学与工程学院，湖南 长沙410073）

0 引言

STK（Satellite Tool Kit）是由美国AGI公司开发的一款功能强大的分析与仿真软件，在航天领域的系统分析与仿真方面应用广泛。如文献［1］利用STK 提供的与MATLAB的接口模块进行联合仿真，构建卫星轨道仿真系统，实现了对卫星轨道和姿态的控制。文献［2］通过STK 对“神舟”六号飞船和地面测控站进行了覆盖分析。文献［3］通过几何计算得到侦察卫星覆盖区域，据此进行侦察效能分析。文献［4］基于STK／CONNECT 模块二次开发建立的侦察效能仿真系统，根据STK 分析报告，分析卫星的侦察能力。上述例子都是单纯依靠STK 进行仿真分析，其生成的分析报告基本是由人工读取、分析，用户需要融合多种报告形式进行分析。要得到较为宏观的优化参数，需要长时间、多次人工设置和读取场景，因此利用STK 进行具体的电子侦察任务的设计分析和参数优化是较为复杂的。

针对上述情况，本文基于Matlab构建电子侦察系统仿真软件，结合STK 强大的轨道计算功能，可以对复杂航天任务进行仿真分析，并通过STK／Matlab接口模块，把STK 中的分析报告传到Matlab工作空间中，由Matlab 读取相关信息，进行统计分析。利用Matlab对不同参数条件下的电子侦察效能进行自动的多次统计分析和对比，取代以往人工设置和读取STK 报告，改变以往效率低、速度慢、易出错等不足。在接近真实条件下设定仿真场景，所得到的分析结果可信度更高。

1 仿真分析软件设计方法

STK／X 模块使用户可以在不启动STK 软件的条件下实现STK 的场景生成及其他各种功能，具备二维及三维的可视化效果以及实现了仿真数据可提取分析［5-6］。本文基于STK／X 模块，通过ActiveX 控件将STK 二维和三维图形窗口无缝集成到Matlab GUI界面中，开发电子侦察系统仿真分析软件。

STK 提供有“Report”工具，可以产生详尽的分析报告，满足多种航天任务分析需要。通过Matlab调用“Report Create”命 令，生 成“Link Budget”报 告 和“Fixed Position Velocity”报告，并以文本方式输出。其中，“Link Budget”报告只能在接收机与发射机之间定义通信链路报告，包含了与接收机和发射机相关的所有链路通信参数，包括覆盖时间、接收信号频率、带宽、信噪比等。“Fixed Position Velocity”报告中包含仿真时间以及相应的卫星在地固坐标系下的位置（x ；y；z） 和速度 （vx；vy；vz）。STK 的卫 星 星 历报告与接收机和发射机属性结合，可用于通信链路分析，得到卫星对辐射源的侦察效能。

2 航天电子侦察效能分析

2.1 航天电子侦察概述

基于卫星平台的航天电子侦察技术是由星载侦察设备侦收和截获雷达、通信等辐射源的电磁波信号，经过信息处理系统分析处理，以获取目标辐射源的位置、信号特征等信息，实现对辐射源的探测、跟踪与监视功能［7］。

侦察设备包括侦察天线、接收机、信号处理器和输出设备等［7］。通常情况下，地面辐射源的天线指向与地平面呈一个较小的仰角进行扫描，而侦察天线固定指向地面，如图1所示。在星下点附近侦察天线通常接收辐射源天线副瓣信号，在远离星下点的位置能够接收到辐射源天线主瓣信号，但是在远离星下点的位置，也存在辐射源与卫星的距离较远、信号衰减相对严重的问题。

图1 卫星对地面侦察示意图

在进行航天电子侦察系统设计时，需要对系统的侦察效能进行全面准确的评估，从而为系统指标的确定提供参考依据。侦察效能评估包括卫星对辐射源的覆盖分析和通信链路分析。覆盖分析分别从时间和空间上分析卫星对辐射源的动态覆盖情况；通信链路分析是指根据卫星在覆盖时间内接收到的辐射源信号，确定辐射源是否能被有效侦收截获。在截获已发生时，如果截获信号的信噪比大于门限值，则称为有效截获［8］。为了分析卫星对辐射源的有效侦察截获能力，需要统计侦察接收机的截获信号的信噪比。

2.2 单点侦察效能分析

单点侦察效能分析主要是分析卫星在轨运行时对地面固定辐射源的动态覆盖情况，并统计“Link Budget”报告中的信噪比参数，以分析卫星对辐射源的有效截获能力。

卫星对辐射源的覆盖情况，即卫星与辐射源的可见情况。读取“Link Budget”报告，统计分析卫星对辐射源的覆盖起始时间t0j和终止时间tdj，计算在仿真时间内卫星对地面站的覆盖时间、最大覆盖时间、最小覆盖时间、平均覆盖时间以及最大重访周期、最小重访周期和平均重访周期等参数。如：

总覆盖时间为：

平均重访周期为：

假定卫星轨道半长轴6878.138km；地面辐射源位置为（26.3358°N，127.801°E，0）。图2所示是一段时间内卫星对辐射源的覆盖情况，其中横轴0表示仿真起始时刻。第一幅子图是卫星对地面站的覆盖时间段（纵轴“1”表示有覆盖，“0”表示无覆盖），第二幅子图是卫星对辐射源的覆盖时间长度，第三幅子图是卫星对辐射源的重访周期。

图2 卫星对地面站的覆盖分析

在仿真时间（24h）内，卫星对地面辐射源的总覆盖时间为2582.791s，最大覆盖时间为689.901s，最小覆盖时间为205.946s，平均覆盖时间为516.5502s，最大重访周期为42762.43s，最 小 重 访 周 期 为5176.975s，平均重访周期为16570.69s。

定义卫星位置矢量与卫星-辐射源连线矢量之间的夹角为卫星俯仰角θ，计算公式如下：

式中，‖S‖、‖X‖ 表示S 和X 的2范数。

读取“Link Budget”报告中的信噪比，并根据卫星对辐射源的覆盖情况，读取“Fixed Position Velocity”报告中卫星的地固坐标Sj＝（xj；yj；zj）；根据式（3）计算卫星俯仰角。辐射源位置参数是在大地坐标系下定义的，需要转换到地固坐标系下。大地坐标系到地固坐标系的转换关系见文献［9］。

图3 接收机截获信噪比和卫星俯仰角

假定接收机天线波束宽度为60°，根据上述步骤可以得到信噪比和卫星俯仰角，如图3所示。可见若接收机天线波束宽度为80°，则在整个过境时间内侦察天线主瓣都可以实现对辐射源的覆盖；而俯仰角较小时接收机的截获信噪比高于俯仰角较大时的截获信噪比。卫星此次过境对辐射源的覆盖时间为708.8790s，其中卫星俯仰角小于60°的时间为290s。若设定信噪比门限为0dB，则有效侦察截获时间为114.7s；若设定接收机信噪比门限为-10dB，则有效侦察截获时间为311.2s。

通过以上分析可知，低轨卫星运行速度较快，对辐射源的持续侦察能力不足。为了获得对辐射源的持续侦察能力，通常需要多颗卫星组网进行侦察。

2.3 区域侦察效能分析

实际中，可能需要分析卫星对特定区域内的辐射源目标的侦察效能。融合单一辐射源主侦察效能分析结果，完成对区域的侦察效能分析。

将区域用多边形近似，设定多边形顶点为辐射源位置。针对单个辐射源进行分析，设卫星对区域多边形顶点处辐射源的覆盖起始时间为t0ij，终止时间为tdij，其中i＝1，2，3，… 表示辐射源个数。将卫星对辐射源的覆盖时间段［t0ij，tdij］进行“相与”，如公式（4）所示，即得到卫星对区域的覆盖时间［t0j，tdj］。

假定待分析区域由四边形组成，四边形的四个顶点位置分别为（21.913°N，120.945°E）、（22.960°N，120.048°E）、（25.235°N，121.272°E）、（24.935°N，121.980°E）。表1是卫星对四个地面辐射源以及由它们确定的区域的覆盖分析结果。可见卫星对该区域的总覆盖时间比对单个辐射源的总覆盖时间小很多。

表1 覆盖分析结果

假定接收机天线波束宽度为60°，首先计算得到卫星对区域的侦察覆盖时间，统计分析接收机截获信噪比，如图4所示。图4（a）是卫星一次过境时间段内接收机的截获信噪比。图4（b）是在不同卫星俯仰角时统计的接收机的截获信噪比，第一幅子图是卫星俯仰角较小时接收机信噪比参数，第二幅子图是卫星俯仰角较大时接收机信噪比参数。可见，卫星俯仰角较小时接收机的截获信噪比高于俯仰角较大时的截获信噪比。

图4 接收机截获信噪比

卫星此次过境对该区域的覆盖时间为630.161s，其中卫星俯仰角小于60°的时间为150s。若设定信噪比门限为0dB，则有效侦察截获时间为73.6s；若设定信噪比门限为-10dB，则有效侦察截获时间为302.4s。

3 卫星轨道优化设计仿真分析

上文都是针对卫星轨道已固定的情况进行侦察效能分析。然而，卫星轨道根数变化也会影响卫星侦察效能。所以分析卫星轨道根数参数对卫星侦察效能的影响，对优化卫星轨道设计具有重要意义。

这里以卫星轨道倾角变化对卫星侦察效能的影响为例。卫星的轨道倾角为0°～180°。首先在仿真分析软件中构建电子侦察仿真场景，在场景中添加卫星、辐射源、传感器、接收机和发射机等对象，然后设置卫星轨道倾角变化范围，可自动改变卫星运行轨道，并生成“Link Budget”报 告；同 时Matlab 统 计 分 析“Link Budget”报告，计算侦察覆盖时间，得到覆盖时间与倾角的关系。而在STK 中需要用户不断改变卫星轨道倾角，输出覆盖时间，不仅效率低下，而且不能直接得到覆盖时间对倾角的关系。

设定卫星倾角变化范围20°～160°，倾角变化间隔2°，地面辐射源位置为（26.3358°N，127.801°E）。卫星对辐射源的侦察覆盖时间与倾角变化的关系，如图5所示。可见，对于该辐射源，卫星轨道倾角在40°或140°时，覆盖时间最长；倾角在90°即极地轨道时，覆盖时间最短。

图5 侦察覆盖时间与倾角变化的关系

通过侦察效能分析，判断侦察覆盖时间、重访周期以及有效截获能力等是否达到要求，能对构建的电子侦察系统作出正确决策，便于修正系统载荷参数，优化系统设计。

4 结束语

本文基于STK／Matlab接口模块，综合Matlab和STK 的优势，研究电子侦察系统仿真技术，进行电子侦察效能分析。STK 可对航天任务的各个阶段进行仿真分析，而Matlab 具有强大的建模与分析计算功能，两者的结合在航天电子侦察仿真分析中显示了特有的优势。随着航天任务的日益复杂，依靠STK 与Matlab等外部软件的接口完成对复杂任务的建模与仿真将得到广泛应用。■

［1］常建松，林晓辉.STK 与MATLAB联合仿真方法及应用研究［C］∥全国仿真技术学术会议论文集，2007：131-133.

［2］张彩娟.STK 及其在卫星系统仿真中的应用［J］.无线电通信技术，2007，33（4）：45-46.

［3］关爱杰，余达大，王运吉，等.侦察卫星作战过程仿真及侦察效 果 评 估［J］.系 统 仿 真 学 报，2004，16（10）：2261-2263.

［4］周李春.基于STK 的侦察卫星系统效能仿真［J］.电讯技术，2012，52（4）：595-599.

［5］曹运合，靳松阳，樊友友.基于STK／Matlab的临近空间飞行器检测跟踪系统研究［J］.系统仿真学报，2014，26（5）：1058-1063.

［6］孙艳红，刘冰，陈晖，等.基于STK／X 的卫星系统信息传输时效性仿真［J］.无线电工程，2011，41（3）：56-58.

［7］张伟.侦察情报装备［M］.北京：航空工业出版社，2009.

［8］Wiley RG.电子情报——雷达信号截获与分析［M］.吕跃广，等译.北京：电子工业出版社，2008.

［9］郭福成，樊昀，周一宇，等.空间电子侦察定位原理［M］.北京：国防工业出版社，2012.