摘 要：针对海上作战中对海洋动目标的航天侦察需求，为有效提高获取信息的准确性和时效性，设计并提出以搭载不同载荷的小卫星为核心，适用于短期战术任务的联合侦察卫星系统。为有效评估系统的侦察效能，文章构建了相关的评估指标体系，并基于STK与MATLAB的联合仿真程序，综合MATLAB解析建模和STK轨道仿真的优势，通过仿真实例对系统的侦察效能进行分析研究，为系统的设计优化提供参考依据。
关键词：小卫星;侦察效能;STK;MATLAB
中图分类号：TP391.9;V474.2+7 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）13-0042-04
Effectiveness Simulation of Small Satellite Reconnaissance System for Marine Moving Targets
WANG Boqing
（Graduate School， PLA Strategic Support Force University of Aerospace Engineering， Beijing 101416， China）
Abstract： Aiming at the aerospace reconnaissance requirements of marine moving targets in maritime operations， in order to effectively improve the accuracy and timeliness of information， this paper design and propose a joint reconnaissance satellite system with small satellites carrying different loads as the core and suitable for short-term tactical missions. In order to effectively evaluate the reconnaissance efficiency of the system， this paper build the relevant evaluation index system， based on the joint simulation program of STK and MATLAB， this paper combining the advantages of MATLAB analytical modeling and STK track simulation， analyzing and studying the reconnaissance efficiency of the system through simulation examples， so as to provide reference basis for system design optimization.
Keywords： small satellite; reconnaissance efficiency; STK; MATLAB
0 引 言
随着智能化海上作战对获取目标信息的准确性和时效性要求不断提高，航天侦察监视系统的重要性日益突出，而传统空间系统更侧重全球覆盖，响应时间长，不适合执行战术侦察任务，在实时支援海上作战上将面临诸多限制和困难。针对这一问题，本文开展了基于小卫星的联合侦察系统效能仿真研究，小卫星侦察系统即针对预定侦察区域，通过快速部署多颗不同载荷的低成本小卫星，构建可灵活重构、优势互补的联合侦察卫星星座，在空间形成组网，实现对区域的快速覆盖，短时间内有效提高侦察效能。
1 小卫星侦察系统设计
1.1 有效载荷选取
有效载荷是形成侦察效能的第一要素，直接影响系统的设计方案。以100千克级的模块化小卫星作为基本平台，通过通用接口可与有效载荷快速集成，搭载小型固体火箭实现快速发射，快速入轨应用。
下文以大型舰船为侦察目标，结合海上动目标特性，选取系统成员卫星的有效载荷：
（1）电子侦察载荷。大型舰船上的电子设备繁多，这些设备时刻在发射各种无线电信号，包括对空警戒、导航、测控、通信等无线电信号，构成一个巨大的有源辐射体。小卫星可携带小型电子侦察装备，在目标工作频段的覆盖范围内截获其发出的无线电信号。电子信号通过星上计算机处理，基于基线干涉或三星时差定位原理测定目标的位置、航向、航速等信息。
（2）可见光成像载荷。大型舰船在单一广阔的海洋背景中，不易隐藏，利于通过光学遥感器进行成像侦察。可见光遥感器作用于紫外光至红光波段，工作波长短、图像分辨率高，易于更直观地识别分析，但是因为其成像特点，易受光照和云雾天气影响，不具有夜视能力。
（3）红外成像载荷。大型舰船在行驶过程中其动力系统的红外线辐射值高，特征明显，红外遥感器在昼夜都能工作，可以配合可见光帮助识别、详查目标。
（4）SAR成像载荷。由钢铁制造的舰船目标雷达反射面积大，有限载荷可选取小型合成孔径雷达，对目标进行微波成像，不会受到海上云雾以及夜暗影响，弥补可见光侦察的不足，但微波成像属于主动探测，容易被敌方发现和干扰。
（5）视频成像载荷。传统遥感器难以满足对目标的实时观测需求，视频卫星的出现将时间分辨率提升到秒级[1]。多颗视频卫星采用“同轨接力”的串联飞行模式，星上的视频相机利用光学遥感器的视频成像模式，控制遥感器盯住目标，以“凝视”方式进行连续观测，并以视频格式实时记录目标运动变化信息，通过星间和星地链路传回地面。
1.2 任务轨道设计
任务轨道的选择是系统设计的重要环节，根据任务特点，明确任务轨道设计的基本要求有：
（1）轨道设计应满足侦察大型舰船所需的分辨率和覆盖特性要求。
（2）部署卫星采用“一箭多星”的发射方式，同时适合小卫星发射的小型固体运载火箭的运载能力较低，轨道高度受限制，典型参数为：近地轨道300 kg/500 km。
（3）将轨道倾角的取值限定在预定侦察区域最高纬度的正负5°范围内，以提高对区域的覆盖次数和侦察时间。
（4）由于侦察任务周期较短，不需要考虑卫星的轨道维持和较高的使用寿命，轨道摄动力只考虑短期内影响最大的J2项摄动。
（5）为消除轨道偏心率对传感器成像的影响，除特殊要求外，所有卫星轨道偏心率为零。
（6）侦察目标属于海上移动目标，位置时刻变化，轨道不需要具备回归特性。
1.3 系统组成结构
面向海上动目标的小卫星侦察系统需要的卫星资源类型多样，实体之间的信息交互复杂，链路切换频繁，所需辅助保障的实体资源也必不可少，根据系统工程理论，本节按照各实体功能特点，把系统划分为以下三个分系统：
（1）空间侦察分系统。由各类小卫星成员组成，星上可搭载微波或激光通信载荷，具备构建星地、星间的通信链路能力，对于星上处理后的信息可快速传输给战术单元，实现信息的高效应用。当系统能力不足或冗余时，成员卫星可根据任务需要快速动态接入或退出。所以系统编程灵活，具有对任务的快速适应能力。
（2）地面指挥分系统。指地面上的保障人员和设备，包括负责系统运维、行动指挥的地面指挥控制中心、融合数据生成情报产品的情报处理中心、提出需求和接收情报产品并进行应用的战术终端用户。
（3）天基网络分系统。由已在轨部署的天基网络基础设施组成，为成员卫星、战术用户、指挥中心提供基础数据传输、时空基准和调度控制等基础服务。
小卫星侦查系统组成结构如图1所示。
2 侦察效能仿真与分析
2.1 指标体系
为了对有效评估侦察效能提供标准和依据，首先需要构建科学的效能评估指标体系，依照可测性、独立性、客观性等原则[2]，确定系统侦察效能的指标体系如图2所示。
系统侦察效能是系统在规定的作战时间、环境条件下执行侦察任务的完成程度，是系统能力与随机因素综合影响的结果。根据侦察子任务的特点和类型，侦察效能可分为针对侦察对象的广域搜索、精确定位、识别描述、跟踪监视这四项一级能力指标，系统成员卫星独立或者配合来完成对应的侦察子任务。
其中，广域搜索能力特指电子侦察卫星在特定任务区域执行对目标电磁信号搜索的能力，选取电子侦察的覆盖面积、搜索分辨率、接收信号强度作为其下层指标;精确定位能力最重要的指标是定位精度，除了电子侦察卫星，成像侦察卫星在已知星历和姿态信息的前提下，同样可用于目标定位，因此，选取电子侦察定位精度、光学成像定位精度、SAR成像定位精度作为下层指标。成像侦察卫星担负了对目标的识别描述任务，以三类成像卫星的地面分辨率作为该任务能力的下层指标，体现不同侦察图像上再现目标细节的能力;由视频卫星组成的卫星编队担负对目标的跟踪监视任务，选取视频侦察的空间分辨率、传输时延、连续跟踪时长作为下层指标。
受篇幅所限，各级指标的计算方法不在此说明，部分底层性能指标的解析计算方法可参考文献[3-5]，没有解析式的指标需通过STK与MATLAB的联合仿真计算得到。底层性能指标的量化值需要先通过指标规范化转换为[0，1]之间的数值，再根据预设的权重，逐层聚合确定上层指标值，指标规范和聚合方法可参考文献[6，7]。
2.2 仿真参数
结合当前小卫星技术发展，通过合理改变星座构型（如卫星数量、轨道高度等），有效载荷参数（如视场角、像元尺寸等），设计了四类小卫星的方案参数，包括4种电子侦察卫星方案（代号A）、3种光学（红外）卫星方案（代号B）、2种SAR星部署方案（代号C）、3种视频卫星部署方案（代号D）。每类卫星通过排列组合，共得到4×3×2×3=72组系统配置方案的仿真输入参数。
设定所探测的舰船目标初始位置在（132°E，29°N），最大航速为30节，航向在200°～260°之间，活动时间为18个小时，在北纬27°～29°，东经126°～132°范围内航行;环境条件为：活动区域上空云量等级为2，光照条件由STK仿真获取;约束条件为：视频卫星跟踪观测的最小仰角为25°，光学卫星观测时的太阳高度角大于15°，其他最小观测仰角设为5°。
2.3 仿真过程
在仿真过程中，MATLAB利用与STK的互联接口，通过脚本实现对STK对象的复杂操作以及仿真数据读取。这种互联工作模式充分整合了这两个软件的优势功能。MATLAB擅长开发算法、解析计算，如利用嵌套迭代提高计算效率，建立复杂解析模型进行指标计算，这是STK所不具备的;STK擅长仿真和轨道计算，模拟真实的轨道飞行动力学环境，两者互相配合可以完成对复杂航天任务的仿真分析。
效能仿真过程可用图3表示。
2.4 结果分析
输入所有仿真参数到基于STK和MATLAB的仿真平台中，进行仿真模拟和解析计算，可得到效能值结果。选取侦察效能值处在不同区间的10个方案，降序排列，包括一级指标在内的计算结果如表1所示。
为更直观地分析效能值变化情况，分别对所有方案的效能值降序排列，如图4所示。
从图4可以看出，通过对不同卫星方案的组合排列，侦察效能值及其一级指标都出现了不同程度的浮动变化，侦察效能值最大相差了0.39，可有效地区分出各方案侦察效能的优劣情况。结合表1中的数据，横向对比每个方案中的一级指标，数值低的指标看作该方案的薄弱环节，是系统重点优化的方向。纵向对比E1与E2指标，发现两个数值呈对立制衡关系，通过分析组成方案参数，原因主要与轨道高度有关，轨道高度越高，覆盖幅宽越长，广域搜索能力越强，但也增加了接收信号的自由空间损耗，从而削弱由信号解析的定位精度，在优化系统时需要权衡考虑。E3指标权重占比较多，影响侦察效能最大，E3指标值高于0.9的方案中都采用分辨率最高的B2光学卫星，说明光学空间分辨率越高，对识别描述能力提升最明显，应重点关注。E4指标值随着视频卫星的数量和载荷性能的增加而上升明显，尤其是增加数量对连续跟踪时间的提升最明显。
3 结 论
本文以海上动目标作为侦察对象，初步设计一种基于小卫星的战术侦察系统，满足覆盖快、响应短、精度高的海上作战需求。围绕优化提升系统的侦察效能，提出了评估所需的指标体系，并通过仿真实例，有效验证了指标体系的科学性，评估结果能够真实反映系统整体和成员卫星执行海上侦察任务的能力，为系统优化和装备论证提供重要的客观数据支撑和参考依据。
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作者简介：王波清（1993.08—），男，汉族，内蒙古林西人，助理工程师，硕士研究生，研究方向：卫星应用仿真设计。
