基于STK 的侦察卫星系统效能仿真
基于ＳＴＫ 的侦察卫星系统效能仿真
周李春
摘要：设计了一种在ＳＴＫ的基础上进行二次开发的电子侦察卫星效能仿真系统。首先介绍了仿真系统的组成构架、工作流程，然后对侦察载荷、覆盖分析、链路分析和ＳＴＫ／ ＣＯＮＮＥＣＴ 接口等主要功能模块进行了说明，最后将该仿真系统应用于某假定场景并举例分析。通过应用指出，该仿真系统可在航天侦察总体设计论证过程中发挥重要的作用。
关键词：侦察卫星；效能仿真；覆盖；链路；性能分析；性能评估
１ 引言
航天装备的研制周期长，耗资大，系统效能只有在卫星上天以后才能得以真实验证。因此，在前期的论证过程中系统仿真具有重要意义。利用仿真技术对侦察系统的性能进行分析与评估，可为系统的论证和设计提供有力的支撑。根据仿真功能需求，可采用不同的方式来实现。若仅对卫星的轨道特性进行分析，可使用专业的仿真软件如ＳＴＫ（ＳａｔｅｌｌｉｔｅＴｏｏｌ Ｋｉｔ）来实现；若仅对载荷或系统某种特定的功能进行分析，可建立独立的仿真模型来现；若要对系统能力进行综合分析，则可在专业仿真软件基础上进行二次开发。在进行电子侦察卫星系统的总体论证与设计时，需要对过境时间、覆盖范围和侦察链路等能力全面准确地分析，从而为系统战技指标的确定提供参考依据。本文针对电子侦察卫星系统的特点，采用基于ＳＴＫ／ ＣＯＮＮＥＣＴ模块进行二次开发的方式建立的侦察效能仿真系统，既可充分利用ＳＴＫ 强大的轨道计算和动态演示功能，又建立了侦察载荷、分析评估等专用的仿真模型，通过集成两者优势，统一调度，可以满足总体设计人员的需要。
２ 仿真系统组成
２．１ 系统构架
仿真系统采用开放式、模块化的设计思路，以仿真管理控制平台为中心，包括了系统输入、系统输出和ＳＴＫ接口三大部分，基本构架如图１所示。
管理控制平台主要完成仿真任务的调度、各功能模块接口控制和数据交互；系统输入部分的主要功能是为仿真系统的运行输入必要的参数，包括地面辐射源参数、轨道参数和侦察载荷参数的设置；系统输出部分提供系统仿真运行后的各种分析结果，包括卫星对地覆盖分析、星地链路分析、信号处理结果和三维动态场景演示。
仿真系统的主要工作流程如图２所示。首先想定仿真场景，设置仿真系统的卫星轨道、辐射源和侦察载荷等输入参数，然后通过管理控制平台启动任务，并在运行过程中调用ＳＴＫ库函数和相关的模块进行分析计算，最后输出仿真系统的分析结果并对系统的侦察效能进行综合评估。
２．２ 系统各模块功能
（１）管理控制平台管理控制平台为仿真系统的控制中心，通过下拉菜单可灵活调用各功能模块，是人机交互的主要界面。
（２）地面辐射源
地面辐射源包括通信辐射源和雷达辐射源两类，设置的主要参数有辐射源名称、辐射源位置（经纬度）、载波频率、发射功率、发射天线类型、方向图和天线指向等相关参数；通信信号可设置调制类型及相关参数，雷达信号可设置脉宽、重频等参数，雷达天线还可以设置扫描方式。
（３）轨道设计
在仿真系统中，可以采用两种方式确定卫星的轨道：一是用户直接输入轨道六要素（升交点赤经、轨道倾角、近地点角、轨道长半轴、轨道偏心率及卫星近地点时刻），确定卫星轨道；二是通过软件向导选择或输入相关参数，自动设计满足用户需求的轨道。软件向导还可设计太阳同步轨道、回归轨道、太阳同步回归轨道和临界倾角轨道等几类特殊轨道。
（４）侦察载荷
星载侦察载荷主要包括侦察天线、侦察接收机和信号处理模块，可根据用户的需要设定相应的参数。侦察天线模块主要由天线模型库组成，常见的有抛物面天线、喇叭天线、螺旋天线等可供选择，另外还可以自定义天线方向图，按照规定的格式添加到天线模块库。侦察接收机简化模型如图３ 所示，可设置接收机工作频率、噪声系数、增益、中频输出频率和带宽等参数。信号处理模块主要输出中频采样后的数据，可为星载环境下的各种侦察信号处理算法提供接口，为高动态、大多普勒频移下的参数测量、识别解调、脉冲分选、测向定位等算法的验证提供条件。
（５）ＳＴＫ接口
ＳＴＫ／ ＣＯＮＮＥＣＴ模块是ＳＴＫ的重要模块之一，提供用户在客户机／ 服务器环境下与ＳＴＫ 连接的功能，使用ＴＣＰ／ ＩＰ或ＵＮＩＸ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｏｃｋｅｔｓ在第三方应用软件与ＳＴＫ之间传输数据（包括实时数据传输），为其他应用程序提供了一个向ＳＴＫ 发送消息和接收数据的通信工具，可支持ＶＣ、ＶＢ、Ｃ ＋ ＋ Ｂｕｉｌｄｅｒ 和Ｍａｔｌａｂ等开发工具。仿真管理控制平台通过ＳＴＫ／ＣＯＮ模块将设置的辐射源、卫星轨道等参数输入ＳＴＫ中，调用ＳＴＫ强大的三维显示和数据分析功能，输出需要的数据到仿真系统中作进一步的分析。
（６）动态场景演示
该模块主要通过ＳＴＫ 以图形化的方式显示卫星运行的二维、三维场景。仿真过程中，可动态显示卫星在空间中的运动情况、卫星的波束覆盖情况以及卫星与地面辐射源的相对位置，具体有：卫星运行轨道及星下点轨迹动态显示、卫星波束瞬时及动态覆盖区域显示、卫星过境告警、辐射源天线动态扫描。
（７）覆盖分析
该模块从时间上和空间上来描述卫星对辐射源的动态覆盖情况，根据时间步进输出数据文件及图表，如果卫星用于对一些特定的目标进行侦察，那么可根据覆盖分析输出结果来分析卫星的轨道设计是否满足指标要求。覆盖分析输出主要包括：卫星对目标的过境时间，卫星对目标的重访间隔，卫星过境时目标的方位角、俯仰角及距离，卫星运动参数、姿态数据。
（８）链路分析
链路分析模块主要计算卫星过境时信号从辐射源传送到卫星的链路动态变化情况，包括发射端的发射功率与天线增益、传输过程中的各种损耗、传输过程中所引入的各种噪声与干扰以及接收系统的天线增益、噪声性能等因素。通过链路分析，计算侦察载荷接收信号的功率，可以确定辐射源是否能被有效载荷所侦收，从而对有效载荷的指标提出要求。
主要输出有：卫星过境时信号在自由空间的传播损耗动态变化情况，辐射源信号到达接收机功率的动态变化情况，接收信号多普勒频率动态变化情况。
３ 仿真应用分析
下面设计一个典型应用场景来说明仿真系统在实际应用中的作用。假设某低轨侦察卫星的轨道高度为６００ ｋｍ，要求侦察天线波束瞬时覆盖的宽度大于２ ５００ ｋｍ，并对该范围内的地面某典型通信终端实现侦收，主要参数：ＥＩＲＰ 为１５ ｄＢＷ，带宽２５ ｋＨｚ，工作频率１ ６００ ＭＨｚ。侦察载荷的初步设计参数：天线增益大于等于０ ｄＢ（俯仰大于等于１２０°，方位０ ～３６０°），接收机噪声系数Ｆ０为３ ｄＢ，信号处理所需最小ＳＮＲ为１０ ｄＢ，分析当前载荷的设计参数是否满足要求。
根据已知条件首先设置卫星轨道、侦察载荷、地面辐射源等相关参数，并添加侦察天线的仿真方向图数据。启动仿真任务后，在ＳＴＫ中的二维三维场景显示如图５所示，辐射源Ｃｏｍｍ１ 即为系统的侦察对象。
二维场景中的坐标为经纬度坐标，显示了星下点运行轨迹和天线方向图的不同增益在地面上的瞬时覆盖区域。从图中看出，越靠近星下点，天线的增益越大，０ ｄＢ增益即对应天线１２０°波束。根据系统的要求和初步设计，首先通过覆盖分析模块判断天线的１２０°波束覆盖宽度是否大于２ ５００ ｋｍ。覆盖分析计算结果以文本方式输出，如图６所示。
覆盖分析报告输出了卫星在轨道高度６００ ｋｍ、波束宽度１２０°的条件下对地覆盖面积、扫过地面的宽度和最大斜距等参数，还输出了卫星在仿真场景时间内对辐射源Ｃｏｍｍ１的覆盖次数、起止时刻和持续时间，并进行统计分析，输出最大、最小和平均覆盖时间。根据覆盖分析报告：天线１２０°波束扫过地面宽度为２ ５２７ ｋｍ，大于２ ５００ ｋｍ的要求。在覆盖宽度满足要求时，再计算卫星过境时侦察链路是否满足要求。图７和图８的曲线表示卫星过境时对Ｃｏｍｍ１的链路分析情况。
图７表示卫星一次过境过程中，侦察接收机输入端接收到辐射源信号的功率变化曲线，其中包括空间衰减、大气降雨等３ ｄＢ的损耗和接收天线增益。根据接收机灵敏度（单位ｄＢｍＷ）计算公式：
在当前条件下，计算出接收机灵敏度为－ １１７ ｄＢｍＷ。从图中看出，卫星过境时接收信号的功率大部分时间大于灵敏度，因此，在该次过境时间段内，能实现对Ｃｏｍｍ１信号的侦收。
图８ 反映了卫星接收信号的多普勒频移变化情况，通过该曲线可得出接收信号的最大频偏及变化趋势，可为载频测量、解调及其他处理算法进行多普勒补偿通过仿真分析得出以下结论：
（１）在卫星轨道高度６００ ｋｍ 时，侦察天线波束宽度１２０°时扫过的宽度能满足大于等于２ ５００ ｋｍ的要求；
（２）在波束宽度１２０°范围内，增益大于等于０ ｄＢ时，能满足要求侦收大部分范围内的地面典型辐射源信号；但在波束边缘处，接收信号功率低于灵敏度约１ ｄＢ，并考虑到设计余量，不能满足系统要求。
因此，在设计时有两种途径解决：一是提高天线波束边缘处的增益以增大接收信号的功率，从而使接收信号大于接收灵敏度；二是降低噪声系数或降低处理信噪比以提高接收机的灵敏度。若两种途径实现都有困难，则可考虑降低系统覆盖宽度的要求。
４ 结束语
本文构建了一个开放式、模块化的卫星侦察效能仿真系统。该仿真系统结合实际应用需求，建立了专用的侦察分析计算模型，并集成了ＳＴＫ 的轨道计算和动态演示功能。通过仿真应用说明，该系统可为航天侦察系统总体设计及指标论证提供参考依据。该系统目前仅适用于单星，下一步可在此基础上进行适当扩展，实现多星组网或星座系统的侦察效能仿真。
参考文献
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