基于威胁度函数的预警卫星威胁评估研究

张安理,李　智,张雅声,王庆文

(1.装备学院　a.研究生管理大队； b.航天指挥系； c.航天装备系，北京　101416；

2.第二炮兵工程大学 空间工程系，西安　710025)



基于威胁度函数的预警卫星威胁评估研究

张安理1a,李智1b,张雅声1c,王庆文2

(1.装备学院a.研究生管理大队； b.航天指挥系； c.航天装备系，北京101416；

2.第二炮兵工程大学 空间工程系，西安710025)

摘要：预警卫星作为导弹作战中重要的天基威胁源之一，目前对其评估多为效能评估，并没有从威胁的角度开展评估。通过对预警卫星威胁要素进行分析与提取，提出了一种基于威胁度函数的威胁评估方法。该方法综合了静态性能与作战状态的各个方面，使指挥员能够比较准确地把握预警卫星对导弹作战的威胁程度，从而为指挥员指挥决策提供依据。通过实例计算验证了该评估方法的可行性和有效性。

关键词：预警卫星；威胁评估；威胁要素；探测次数；空间距离

本文引用格式：张安理,李智,张雅声,等.基于威胁度函数的预警卫星威胁评估研究[J].兵器装备工程学报，2016(1):66-69.

Citation format:ZHANG An-li, LI Zhi, ZHANG Ya-sheng,et al.Research of Early Warning Satellite Threat Assessment Based on Threat Degree Function[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):66-69.

预警卫星主要是通过捕捉发动机尾焰及其红外辐射，用来监视地面弹道导弹的发射情况，它利用不受地球曲率限制，截取信息覆盖面广的优势实现全球监视[1]，如美国的DSP、SBIRS-High、STSS预警卫星等，在对抗我方导弹突防任务中发挥着重要作用，且随着敌方天基预警能力不断增强，预警卫星系统对我国的探测范围、预警范围不断增大，为其反导防御系统拦截我方导弹提供更加精确的先验数据，大幅增加对洲际战略导弹的预警时间，致使我方导弹突防愈加困难,受到来自于空间的威胁愈加明显。评估预警卫星在导弹作战中的威胁，可以为我国导弹作战中优化作战决策方案提供依据，可以为开展各类卫星及空间系统威胁评估提供借鉴，也可以进一步丰富威胁评估理论，具有极大的现实价值。

1预警卫星威胁度函数构造

1.1威胁要素分析

预警卫星对弹道导弹形成威胁不仅取决于卫星、导弹的能力，也取决于外部环境及作战状态的影响，是多种因素综合作用的结果，遵循重要性、独立性及易测性原则，选取了潜在威胁、探测次数、空间距离、探测价值等作为影响预警卫星威胁度的关键要素进行分析。

1) 潜在威胁

2) 探测次数

探测次数是与预警卫星对导弹的探测弧段以及探测器探测周期密切相关，对于特定弹道来说，如果探测弧段越长，则探测次数就越多，探测概率就越高，为预警雷达提供的用于引导的预警信息误差就越小，预警卫星对弹道导弹作战的威胁度就越大。

3) 卫星与导弹之间的空间距离

在导弹飞行过程中，预警卫星对导弹进行探测，由于两者均处于运动之中，其相对空间距离便时刻处于变化之中，且是一个关于自变量为时间t的连续函数。在预警卫星的有效探测距离之内(探测距离之外威胁度为0)，若空间相对距离越近，则预警卫星对弹道导弹的威胁就越大，否则就越小。

4) 威胁环境

威胁环境包括自然环境和非自然环境。自然环境是指空间的自然环境条件，对预警卫星来说，主要体现在云层高度、厚度以及导弹航区分布情况等三个方面，自然环境会直接影响预警卫星探测器对弹道导弹的探测效果。非自然环境是指为确保空间战略安全由国际法构成的国际空间安全战略格局[2]，如《空间法》《外空条约》等则会对预警卫星的使用带来软性限制。

5) 威胁意图

只有预警卫星存有威胁意图的前提下，才有开展预警卫星威胁评估的必要。意图是指希望达到某种目的打算，这里的威胁意图主要指处于敌我对抗环境中，具有敌对性与对抗性的作战意图。要获知敌方隐含的威胁意图，只有通过对敌方威胁源的事件与行动进行判断并推理来获得[3]，预警卫星的威胁意图主要是通过空间目标监视系统监视预警卫星的行为状态来进行推理，如预警卫星是否开机、针对我方导弹威胁，敌方预警卫星姿态是否进行了调整、轨道是否存在机动等。

6) 探测价值

探测价值主要是指即使预警卫星对弹道导弹的探测效果相同，但由于探测时间先后的因素，探测对武器拦截系统产生的价值是不同的，而是具有随导弹飞行时间不断衰减的时间属性，即探测时间越早，则探测的价值度就越大，否则就越小。

1.2威胁度函数构造

1.2.1构造思路

威胁即为施者方对受者方施加的不良之影响(有利之影响可谓之“援助”)，它是一个模糊性概念，为开展威胁评估，此处定义威胁度为[0,1]间的数值，假设自弹道导弹起飞后，在时间区间[0，t1]，预警卫星未探测到导弹，此时威胁度为0；自t1时刻预警卫星开始探测到导弹，而t2时刻之后预警卫星结束探测，即在时间区间 [t1，t2]，预警卫星的威胁度与潜在威胁、探测次数、导弹与卫星的距离变化、威胁环境、威胁意图及探测价值密切相关；t3时刻之后武器拦截系统已无足够拦截时间实施拦截，因此t3时刻之后威胁度亦为0，而在时间区间[t2，t3]，虽然预警未能再探测到导弹，但由于预警卫星先前产生的预警信息对武器拦截系统依然存有不良影响，所以预警卫星对弹道导弹突防产生的威胁度不为0，而是会随着时间t的推移，预警误差逐步增大，其威胁度呈现出“连续下降”的趋势，直至t3时刻，拦截系统已不具备拦截能力为止，预警卫星威胁度下降为0。

1.2.2要素函数构造

鉴于威胁度T(t)∈[0,1]，因此假设各要素函数的值域∈[0,1]。各要素函数构造如下：

1) 探测次数要素函数N

2) 距离要素函数F(t)

3) 探测价值要素函数ψ(t)

另外，潜在威胁要进行归一化处理c*，环境要素系数η，威胁意图系数I可进行定性处理。当威胁环境为优时，η=1，当自然环境环境为良时，η=0.7，当威胁环境为中时，η=0.5，威胁环境为差时，η=0.3。威胁意图则可假设为I=1。

4) [t2，t3]区间函数V*(t)构造

由此预警卫星威胁度函数T(t)为

2实例分析

以一发发射时间为2015年4月28日04:31:20；发射点经度为29.26°、纬度为120.216°；落点经度为26.27°、纬度为127.748°；飞行高度为653 km的弹道导弹以及美国STSS_Demo1为对象进行实例分析。

2.1威胁度函数参数获取

2.1.1探测次数获取

1) STK仿真预警卫星对弹道导弹的覆盖弧段

STK[6](Satellite Tool Kit)是由美国Analytical Graphics，Inc.(AGI)公司开发的分析软件，可快速准确分析预警卫星及弹道导弹等对象的定位和交互任务，并提供图表及文本形式的分析结果。

STK仿真覆盖弧段步骤如下：

建立STSS_Demo1/Demo2预警卫星对象，并对卫星探测器进行了设置，STSS_Demo1/Demo2卫星采用扫描探测器与凝视探测器配合工作的双探测器模式，即先由扫描探测器对导弹进行机械重复扫描来探测目标，探测到目标后，将探测信息提供给凝视探测器，凝视探测器紧盯导弹目标直至消失为止，STSS_Demo1/Demo2预警卫星探测器设置如图1所示。

创建弹道导弹对象；建立STSS_Demo1卫星与Missile的chain连接，获取Demo1卫星扫描探测器/凝视探测器对Missile的威胁时间弧段。其中，STSS_Demo1卫星凝视探测器威胁弧段[t1、t2]如图2所示。

图1　STSS_Demo1、Demo2探测器STK示意图

图2　STSS_Demo1凝视探测器威胁弧段STK仿真

2) 探测次数模型

探测次数nstare为

其中：t1，t2为凝视探测器覆盖弧段的起始终止时间；tcloud=17 s为导弹穿出云层的时间；Tscan=1 s为扫描探测器周期；Tstare=0.1 s为凝视探测器周期；nscan=3为扫描探测器次数，即假设扫描探测器扫描3次后转换至凝视探测器工作。

通过STK软件仿真及模型计算可得STSS_Demo1预警卫星的威胁时间弧段为82.364～320.652 s，nstare=2 380。

2.1.2空间距离仿真

以前文设置的导弹为对象，通过模型仿真可得到STSS_Demo1卫星与该导弹在[t1、t2]时间段内的距离变化曲线如图3所示。

图3　预警卫星与导弹的距离变化曲线

2.1.3其他参数设置

假设导弹防御系统响应时间，即从预警卫星给出预警信息到拦截弹发射需要的时间为206 s，即t3=806-206=600 s，a=5,b=12 000,η=0.7,c*=0.8,I=1,t1=83 s,t2=320s。

2.2仿真结果分析

采用Matlab软件对STSS_Demo1预警卫星威胁度进行了仿真，其变化曲线如图4所示。

图4　预警卫星威胁度变化曲线

从图4可以看出，在[t1，t2]时间段里，由于预警卫星与导弹间的相对距离增大，以及随着时间推移，探测价值度的降低，导致了威胁曲线呈现出下降趋势。在[t2，t3]时间段内，由于预警卫星不能再探测到导弹而导致威胁度逐渐下降至0，符合常理。

由此，STSS_Demo1预警卫星对本次导弹作战任务的平均威胁度为总威胁度(面积聚合)与导弹总飞行时间之比，即

同理，可求解出其他预警卫星的平均威胁度并进行排序。

3结束语

针对预警卫星对导弹作战带来威胁的问题，构造了基于威胁要素的预警卫星威胁度函数。由于威胁评估是一个有关对抗双方以及作战环境等多方因素的评估过程，因而预警卫星威胁度是相当复杂的，为便于仿真，函数中部分参数例如威胁能力、威胁环境等设置比较简单，下一步可在威胁要素提取以及参数设置等方面进行分析研究，进而获取更合理的威胁度，为导弹作战中指挥员重点目标选择并进行辅助决策提供依据。

参考文献：

[1]文江平.卫星军事应用技术[M].北京:国防工业出版社，2007:120.

[2]刘进军.空间战场威胁评估方法研究[D].长沙:国防科技大学,2008.

[3]HATAKEYAN,FUNRUTAK.BayesianNetworkModelingofOperator’sIntentInference[C]//IEEE7thHumanFactorsMeeting.[S.l.]:[s.n.],2002:55-60.

[4]谢兆鸿，范正森.数学建模技术[M].北京:中国水利水电出版社，2003:167.

[5]吴晋峰，包浩生．旅游流距离衰减现象演绎研究[J]．人文地理,2005,20(2)：62-65．

[6]张雅声，樊鹏山，刘海洋,等.掌握和精通卫星工具箱STK[M].北京:国防工业出版社，2011:1-2.

[7]徐福祥.卫星工程概论[M].北京:中国宇航出版社，2004:88.

(责任编辑周江川)

【装备理论与装备技术】

Research of Early Warning Satellite Threat Assessment

Based on Threat Degree Function

ZHANG An-li1a, LI Zhi1b, ZHANG Ya-sheng1c, WANG Qing-wen2

(1.a.Company of Postgraduate Management; b.Department of Space Command;

c.Department of Space Equipment, Academy of Equipment, Beijing 101416, China;

2.Department of Space Engineering, the Second Artillery Engineering University, Xi’an 710025, China)

Abstract:For early warning satellite, as one of the important space-based threat in the missile combat, now its effectiveness evaluation of early warning satellite was made, but was not for threat assessment. Through the analysis of the threat of early warning satellite elements and extract, we put forward a threat assessment method based on threat degree function. This method combined the static indicators and operational status. It allowed the commander to grasp the degree of the threat of early warning satellite more accurately, which provided the basis for commander’s decision. The feasibility and effectiveness of this method were proved by a practical example.

Key words:early warning satellite; threat assessment; threat factor; number of detection; space distance

文章编号：1006-0707(2016)01-0066-04

中图分类号：V474.2+7；TJ8

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.016

作者简介：张安理(1979—)，男，硕士，工程师，主要从事军队指挥学研究；李智(1973—),男，教授，主要从事空间安全研究；张雅声(1974—)，女，教授，主要从事飞行器设计与应用研究；王庆文(1982—)，男，博士，主要从事空间信息网络研究。

收稿日期：2015-06-18；修回日期：2015-07-09