基于STK 的美国天基预警系统仿真研究

2020-05-22李旻昊张亚坤中国人民解放军303部队中国人民解放军战略支援部队航天工程大学

国际太空 2020年4期

李旻昊张亚坤（中国人民解放军303 部队，中国人民解放军战略支援部队航天工程大学）

本文基于STK 软件对美国天基预警系统进行了仿真和分析。首先调研了美国天基预警系统的组成和星载探测器参数，在此基础上基于STK 软件构建了美国天基预警系统的仿真模型，最后从天基预警系统覆盖性能和探测效果两方面分析了该系统的威力范围和探测能力。

1 引言

美国分析图形公司（AGI）开发的系统工具箱（STK）是目前航天领域最先进的仿真分析软件，它具有强大的数据、图形报告生成和可视化仿真功能，在导弹设计与分析、雷达探测与仿真、红外光电传感器、电子信息对抗等与航空动力学相关的几乎所有领域中得到了广泛的应用。STK 提供了一整套集成的二、三维综合显示环境，各种不同的视点和辅助分析工具，STK 和其他附加模块可以为用户提供高逼真度的显示环境，可以将复杂的航天任务生动、鲜明地呈现给用户，根据数据研究表明其仿真分析结果的置信度高达99.50%[1]。

2 美国天基预警系统组成

天基预警卫星是美国导弹预警系统的重要组成部分，美国的导弹预警卫星主要经历了三大阶段：“导弹探测警报系统”（MIDAS）、“国防支援计划”（DSP）和“天基红外探测系统”（SBIRS）。

“天基红外探测系统”由高轨道（SBIRS-High）卫星系统和低轨道（SBIRS-Low）卫星系统及相关地面系统构成。其中，高轨道部分包括主要用于探测弹道导弹主动段的4 颗地球同步轨道（GEO）卫星和主要用于覆盖北半球高纬度地区的3 颗高椭圆轨道（HEO）卫星，其多次参与导弹发射监测试验，验证了预警指示和全程跟踪能力。低地球轨道（LEO）部分包括3 颗空间跟踪与监视系统（STSS）卫星，其多次观测战略导弹飞行试验，验证了探测助推段的弹道导弹尾焰，全弹道跟踪以及实时通信能力[2-3]。该系统的有效载荷包含了可见光、中波红外和长波红外等不同谱段，采用扫描与凝视结合的手段进行跟踪探测，可以对全球重点海区和地区发射的弹道导弹和洲际导弹分别提供15 ～30min 的预警时间[4-5]。

3 天基预警系统建模仿真

为构建美国天基预警系统模型，本文从天基预警卫星星座、天基预警卫星传感器以及导弹目标三个方面进行建模仿真。

美国现役预警卫星基本情况

天基预警卫星星座建模仿真

STK 软件提供了二体、J2 摄动、高精度等传统轨道预报器，轨道机动仿真模块（Astrogator）以及外部两行轨道根数（TLE）文件驱动等多种星座建模方法。本文使用最新的TLE 文件，结合STK 软件中的简化通用摄动（SGP4）轨道预报器对预警卫星星座进行仿真，并依据资料插入相对应的3D 模型，增强预警卫星星座可视化效果。

天基预警卫星传感器建模仿真

传感器对象通常用来模拟各类光学、雷达、激光、收发机等传感器，还可以定义运载器对象、地面站对象、目标对象的视场等。本文利用传感器对象对星载传感器的载荷类型和扫描模式进行了建模仿真，对美国天基预警系统的威力范围和探测能力开展了研究。

光电与红外传感模块（EOIR）可对任务场景中的目标对象和星载光学传感器建模。多个独立的光电与红外传感器对象可以同时查看空间环境，横跨短波、长波、紫外、可见光和红外波长(0.28 ～28μm)，同时能够生成图像和报表。EOIR 模块充分考虑了传感器、目标物体和环境之间的相互作用，建立了高可信度的无线电传感器模型。本文基于此模块对美国天基早期红外预警进行可视化仿真，并生成相应的图像和报表。预警卫星利用导弹尾焰的红外辐射对目标进行探测和识别。弹道发射时，火箭发动机工作辐射功率可达105～106W，发动机喷射出的燃气可产生强烈的红外辐射。主动段的弹道导弹，尾焰的红外辐射相当于2000 ～3000K 的黑体辐射源。由于尾焰羽流的主要成分是H2O 和CO2，且在高温时CO2的吸收谱线强度更强，所以尾焰羽流的辐射强度更接近于CO2的辐射吸收谱线，在2.7μm 和4.3μm 波段出现了较强的峰值[6]。

天基红外探测系统预警卫星模型图

综上，传感器探测波段参数为2.5 ～3μm，传感器相机参数设置如下。

传感器相机参数

导弹目标建模仿真

导弹对象通常用来模拟起点和落点都在中心体表面沿着椭圆弹道运动运载器的特性和动作。运用导弹模块设置导弹的飞行模式、导弹发射点、攻击目标点以及最大飞行高度，对导弹目标弹道进行建模仿真。根据目标特性设置导弹的红外属性和外部形状、材料和温度，实现对导弹目标特性进行建模仿真。导弹形状由圆锥形弹头、圆台形结合部和圆柱形弹体组成。弹头使用铝制多层隔离层材料，温度为350K；弹体使用白色热控图层材料，温度为350K；导弹尾焰温度为3000K。

4 仿真结果与分析

美国天基预警系统覆盖性分析

在所有的预警卫星中，地球同步轨道卫星的轨道高度很高、具有大的覆盖范围，并且能不受地形地物遮挡影响，可实现远距离、大容量的覆盖。除两极地区是盲区外，地球同步轨道－1 ～3（GEO－1 ～3）卫星组成的星座系统能够覆盖全球，地球同步轨道－4（GEO－4）卫星部署在东经185°附近，以加强对亚太地区的重点监控。

高椭圆轨道预警卫星有较低近地点和极高远地点，卫星对远地点下方地面区域的覆盖时间可以超过12h，通过轨道倾角的设计可以抵消由地球扁率引起的进动，避免了远地点位置的移动，使得远地点始终在北半球高纬度地区上空，保持较长的监控时间。军号－1 ～3（Trumpet－1 ～3）高椭圆轨道卫星能够对北半球高纬度地区接力监控，补充了地球同步轨道卫星在北极地区的盲区，保证了对战略地区的全时监控。

低地球轨道预警卫星轨道高度低，卫星与弹道导弹距离短，空域干扰少，分辨率高，便于对导弹进行连续探测识别和跟踪。其运行速度快，重访周期短，空基监视能力强。空间跟踪与监视系统卫星在低地轨道运行，对全球区域进行连续访问，拥有探测弹道导弹助推段尾焰和跟踪导弹中段及再入段的能力，补充了高轨卫星在火箭发动机关机后无法持续跟踪的局限。

预警卫星探测效果分析

地球同步轨道预警卫星部署及监控范围

高椭圆轨道预警卫星部署及监控范围

低地球轨道预警卫星部署及监控范围

根据EOIR 目标有效辐照度报告，预警卫星从场景时间12s 开始探测到导弹目标尾焰羽流红外特性。有效目标辐照度由－ 131.223dBW/m2激升到－ 64.2624dBW/m2，探测器发现导弹目标并转换凝视模式，持续观测目标。尾焰羽流持续228s，至场景时间240s，导弹发动机关机，有效目标辐照度由－ 64.2624dBW/m2降至－ 131.223dBW/m2，目标从探测器视场中消失。