基于STK的偵察衛(wèi)星系統(tǒng)效能仿真?

周李春

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

基于STK的偵察衛(wèi)星系統(tǒng)效能仿真?

周李春

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

設(shè)計了一種在STK的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)的電子偵察衛(wèi)星效能仿真系統(tǒng)。首先介紹了仿真系統(tǒng)的組成構(gòu)架、工作流程，然后對偵察載荷、覆蓋分析、鏈路分析和STK／CONNECT接口等主要功能模塊進行了說明，最后將該仿真系統(tǒng)應(yīng)用于某假定場景并舉例分析。通過應(yīng)用指出，該仿真系統(tǒng)可在航天偵察總體設(shè)計論證過程中發(fā)揮重要的作用。

偵察衛(wèi)星；效能仿真；覆蓋；鏈路；性能分析；性能評估

1 引言

航天裝備的研制周期長，耗資大，系統(tǒng)效能只有在衛(wèi)星上天以后才能得以真實驗證。因此，在前期的論證過程中系統(tǒng)仿真具有重要意義。利用仿真技術(shù)對偵察系統(tǒng)的性能進行分析與評估，可為系統(tǒng)的論證和設(shè)計提供有力的支撐。根據(jù)仿真功能需求，可采用不同的方式來實現(xiàn)。若僅對衛(wèi)星的軌道特性進行分析，可使用專業(yè)的仿真軟件如STK（Satellite Tool Kit）來實現(xiàn)［1-2］；若僅對載荷或系統(tǒng)某種特定的功能進行分析，可建立獨立的仿真模型［3-4］來實現(xiàn)；若要對系統(tǒng)能力進行綜合分析，則可在專業(yè)仿真軟件基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)［5-6］。

在進行電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)的總體論證與設(shè)計時，需要對過境時間、覆蓋范圍和偵察鏈路等能力全面準確地分析，從而為系統(tǒng)戰(zhàn)技指標的確定提供參考依據(jù)。本文針對電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)的特點，采用基于STK／CONNECT模塊進行二次開發(fā)的方式建立的偵察效能仿真系統(tǒng)，既可充分利用STK強大的軌道計算和動態(tài)演示功能，又建立了偵察載荷、分析評估等專用的仿真模型，通過集成兩者優(yōu)勢，統(tǒng)一調(diào)度，可以滿足總體設(shè)計人員的需要。

2 仿真系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

仿真系統(tǒng)采用開放式、模塊化的設(shè)計思路，以仿真管理控制平臺為中心，包括了系統(tǒng)輸入、系統(tǒng)輸出和STK接口三大部分，基本構(gòu)架如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Constitution and structure of the simulation system

管理控制平臺主要完成仿真任務(wù)的調(diào)度、各功能模塊接口控制和數(shù)據(jù)交互；系統(tǒng)輸入部分的主要功能是為仿真系統(tǒng)的運行輸入必要的參數(shù)，包括地面輻射源參數(shù)、軌道參數(shù)和偵察載荷參數(shù)的設(shè)置；系統(tǒng)輸出部分提供系統(tǒng)仿真運行后的各種分析結(jié)果，包括衛(wèi)星對地覆蓋分析、星地鏈路分析、信號處理結(jié)果和三維動態(tài)場景演示。

仿真系統(tǒng)的主要工作流程如圖2所示。首先想定仿真場景，設(shè)置仿真系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道、輻射源和偵察載荷等輸入?yún)?shù)，然后通過管理控制平臺啟動任務(wù)，并在運行過程中調(diào)用STK庫函數(shù)和相關(guān)的模塊進行分析計算，最后輸出仿真系統(tǒng)的分析結(jié)果并對系統(tǒng)的偵察效能進行綜合評估。

圖2 仿真系統(tǒng)工作流程Fig.3Work flow of the simulation system

2.2 系統(tǒng)各模塊功能

（1）管理控制平臺

管理控制平臺為仿真系統(tǒng)的控制中心，通過下拉菜單可靈活調(diào)用各功能模塊，是人機交互的主要界面。

（2）地面輻射源

地面輻射源包括通信輻射源和雷達輻射源兩類，設(shè)置的主要參數(shù)有輻射源名稱、輻射源位置（經(jīng)緯度）、載波頻率、發(fā)射功率、發(fā)射天線類型、方向圖和天線指向等相關(guān)參數(shù)；通信信號可設(shè)置調(diào)制類型及相關(guān)參數(shù)，雷達信號可設(shè)置脈寬、重頻等參數(shù)，雷達天線還可以設(shè)置掃描方式。

（3）軌道設(shè)計

在仿真系統(tǒng)中，可以采用兩種方式確定衛(wèi)星的軌道：一是用戶直接輸入軌道六要素（升交點赤經(jīng)、軌道傾角、近地點角、軌道長半軸、軌道偏心率及衛(wèi)星近地點時刻），確定衛(wèi)星軌道；二是通過軟件向?qū)нx擇或輸入相關(guān)參數(shù)，自動設(shè)計滿足用戶需求的軌道。軟件向?qū)н€可設(shè)計太陽同步軌道、回歸軌道、太陽同步回歸軌道和臨界傾角軌道等幾類特殊軌道。

（4）偵察載荷

星載偵察載荷主要包括偵察天線、偵察接收機和信號處理模塊，可根據(jù)用戶的需要設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)。

偵察天線模塊主要由天線模型庫組成，常見的有拋物面天線、喇叭天線、螺旋天線等可供選擇，另外還可以自定義天線方向圖，按照規(guī)定的格式添加到天線模塊庫。

偵察接收機簡化模型如圖3所示，可設(shè)置接收機工作頻率、噪聲系數(shù)、增益、中頻輸出頻率和帶寬等參數(shù)。

圖3 偵察接收機模型Fig.3Model of reconnaissance receiver

信號處理模塊主要輸出中頻采樣后的數(shù)據(jù)，可為星載環(huán)境下的各種偵察信號處理算法提供接口，為高動態(tài)、大多普勒頻移下的參數(shù)測量、識別解調(diào)、脈沖分選、測向定位等算法的驗證提供條件。

（5）STK接口

STK／CONNECT模塊是STK的重要模塊之一，提供用戶在客戶機／服務(wù)器環(huán)境下與STK連接的功能，使用TCP／IP或UNIX Domain Sockets在第三方應(yīng)用軟件與STK之間傳輸數(shù)據(jù)（包括實時數(shù)據(jù)傳輸），為其他應(yīng)用程序提供了一個向STK發(fā)送消息和接收數(shù)據(jù)的通信工具，可支持VC、VB、C++Builder和Matlab等開發(fā)工具。仿真管理控制平臺通過STK／CON模塊將設(shè)置的輻射源、衛(wèi)星軌道等參數(shù)輸入STK中，調(diào)用STK強大的三維顯示和數(shù)據(jù)分析功能，輸出需要的數(shù)據(jù)到仿真系統(tǒng)中作進一步的分析。

圖4 應(yīng)用程序與STK接口Fig.4 Interface between application software and STK

（6）動態(tài)場景演示

該模塊主要通過STK以圖形化的方式顯示衛(wèi)星運行的二維、三維場景。仿真過程中，可動態(tài)顯示衛(wèi)星在空間中的運動情況、衛(wèi)星的波束覆蓋情況以及衛(wèi)星與地面輻射源的相對位置，具體有：衛(wèi)星運行軌道及星下點軌跡動態(tài)顯示、衛(wèi)星波束瞬時及動態(tài)覆蓋區(qū)域顯示、衛(wèi)星過境告警、輻射源天線動態(tài)掃描。

（7）覆蓋分析

該模塊從時間上和空間上來描述衛(wèi)星對輻射源的動態(tài)覆蓋情況，根據(jù)時間步進輸出數(shù)據(jù)文件及圖表，如果衛(wèi)星用于對一些特定的目標進行偵察，那么可根據(jù)覆蓋分析輸出結(jié)果來分析衛(wèi)星的軌道設(shè)計是否滿足指標要求。覆蓋分析輸出主要包括：衛(wèi)星對目標的過境時間，衛(wèi)星對目標的重訪間隔，衛(wèi)星過境時目標的方位角、俯仰角及距離，衛(wèi)星運動參數(shù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)。

（8）鏈路分析

鏈路分析模塊主要計算衛(wèi)星過境時信號從輻射源傳送到衛(wèi)星的鏈路動態(tài)變化情況，包括發(fā)射端的發(fā)射功率與天線增益、傳輸過程中的各種損耗、傳輸過程中所引入的各種噪聲與干擾以及接收系統(tǒng)的天線增益、噪聲性能等因素。通過鏈路分析，計算偵察載荷接收信號的功率，可以確定輻射源是否能被有效載荷所偵收，從而對有效載荷的指標提出要求。主要輸出有：衛(wèi)星過境時信號在自由空間的傳播損耗動態(tài)變化情況，輻射源信號到達接收機功率的動態(tài)變化情況，接收信號多普勒頻率動態(tài)變化情況。

3 仿真應(yīng)用分析

下面設(shè)計一個典型應(yīng)用場景來說明仿真系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的作用。假設(shè)某低軌偵察衛(wèi)星的軌道高度為600 km，要求偵察天線波束瞬時覆蓋的寬度大于2 500 km，并對該范圍內(nèi)的地面某典型通信終端實現(xiàn)偵收，主要參數(shù)：EIRP為15 dBW，帶寬25 kHz，工作頻率1 600 MHz。偵察載荷的初步設(shè)計參數(shù)：天線增益大于等于0 dB（俯仰大于等于120°，方位0～360°），接收機噪聲系數(shù)F0為3 dB，信號處理所需最小SNR為10 dB，分析當前載荷的設(shè)計參數(shù)是否滿足要求。

根據(jù)已知條件首先設(shè)置衛(wèi)星軌道、偵察載荷、地面輻射源等相關(guān)參數(shù)，并添加偵察天線的仿真方向圖數(shù)據(jù)。啟動仿真任務(wù)后，在STK中的二維三維場景顯示如圖5所示，輻射源Comm1即為系統(tǒng)的偵察對象。二維場景中的坐標為經(jīng)緯度坐標，顯示了星下點運行軌跡和天線方向圖的不同增益在地面上的瞬時覆蓋區(qū)域。從圖中看出，越靠近星下點，天線的增益越大，0 dB增益即對應(yīng)天線120°波束。

圖5 STK中二維和三維場景演示Fig.5 Demonstration of two-dimensional and three-dimensional scene in STK

根據(jù)系統(tǒng)的要求和初步設(shè)計，首先通過覆蓋分析模塊判斷天線的120°波束覆蓋寬度是否大于2 500 km。覆蓋分析計算結(jié)果以文本方式輸出，如圖6所示。

圖6 衛(wèi)星覆蓋分析報告Fig.6 Report of satellite′s coverage analysis

覆蓋分析報告輸出了衛(wèi)星在軌道高度600 km、波束寬度120°的條件下對地覆蓋面積、掃過地面的寬度和最大斜距等參數(shù)，還輸出了衛(wèi)星在仿真場景時間內(nèi)對輻射源Comm1的覆蓋次數(shù)、起止時刻和持續(xù)時間，并進行統(tǒng)計分析，輸出最大、最小和平均覆蓋時間。根據(jù)覆蓋分析報告：天線120°波束掃過地面寬度為2 527 km，大于2 500 km的要求。

在覆蓋寬度滿足要求時，再計算衛(wèi)星過境時偵察鏈路是否滿足要求。圖7和圖8的曲線表示衛(wèi)星過境時對Comm1的鏈路分析情況。

圖7 表示衛(wèi)星一次過境過程中，偵察接收機輸入端接收到輻射源信號的功率變化曲線，其中包括空間衰減、大氣降雨等3 dB的損耗和接收天線增益。

根據(jù)接收機靈敏度（單位dBmW）計算公式［7］：

Smin=-114 dB+10 lg Bn+F0+SNRmin

在當前條件下，計算出接收機靈敏度為-117 dBmW。從圖中看出，衛(wèi)星過境時接收信號的功率大部分時間大于靈敏度，因此，在該次過境時間段內(nèi)，能實現(xiàn)對Comm1信號的偵收。圖8反映了衛(wèi)星接收信號的多普勒頻移變化情況，通過該曲線可得出接收信號的最大頻偏及變化趨勢，可為載頻測量、解調(diào)及其他處理算法進行多普勒補償。

圖8 接收信號多普勒頻移變化曲線Fig.8 Doppler frequency curve of received signal

通過仿真分析得出以下結(jié)論：

（1）在衛(wèi)星軌道高度600 km時，偵察天線波束寬度120°時掃過的寬度能滿足大于等于2 500 km的要求；

（2）在波束寬度120°范圍內(nèi)，增益大于等于0 dB時，能滿足要求偵收大部分范圍內(nèi)的地面典型輻射源信號；但在波束邊緣處，接收信號功率低于靈敏度約1 dB，并考慮到設(shè)計余量，不能滿足系統(tǒng)要求。

因此，在設(shè)計時有兩種途徑解決：一是提高天線波束邊緣處的增益以增大接收信號的功率，從而使接收信號大于接收靈敏度；二是降低噪聲系數(shù)或降低處理信噪比以提高接收機的靈敏度。若兩種途徑實現(xiàn)都有困難，則可考慮降低系統(tǒng)覆蓋寬度的要求。

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了一個開放式、模塊化的衛(wèi)星偵察效能仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)結(jié)合實際應(yīng)用需求，建立了專用的偵察分析計算模型，并集成了STK的軌道計算和動態(tài)演示功能。通過仿真應(yīng)用說明，該系統(tǒng)可為航天偵察系統(tǒng)總體設(shè)計及指標論證提供參考依據(jù)。該系統(tǒng)目前僅適用于單星，下一步可在此基礎(chǔ)上進行適當擴展，實現(xiàn)多星組網(wǎng)或星座系統(tǒng)的偵察效能仿真。

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Efficiency Simulation of Reconnaissance Satellite System Based on STK

ZHOU Li-chun
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

An efficiency simulation system for electronic reconnaissance satellite based on STK is designed. Firstly，the architecture and workflow of the system are introduced，and then themain functionmodules such as reconnaissance payload，coverage analysis，link analysis，interface of STK／CONNECT are explained.Finally，the simulation system isapplied to a hypothetical scene and analysed with an example.Application indicates that the simulation system can play an important role in overall design and demonstration of space reconnaissance.

reconnaissance satellite；efficiency simulation；coverage；link；performance analysis；performance evaluation

?信號功率變化曲線 Fig.7 Power curve of

signal

TN97；TP391.9

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.035

周李春（1979—），男，四川儀隴人，2005年于電子科技大學獲碩士學位，現(xiàn)為工程師，主要從事電子偵察系統(tǒng)設(shè)計工作。

1001-893X（2012）04-0595-05

2011-11-11；

2012-03-27

ZHOU Li-chun was born in Yilong，Sichuan Province，in 1979.He received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2005.He is now an engineer. His research concerns system design of electronic reconnaissance.

Email：okzlc＠163.com