STK：侦察卫星过境预警仿真与软件实现

侦察卫星过境预警仿真与软件实现

党同心，骆丽萍，孟凡坤，张俊华

摘 要：侦察卫星可以全方位全天候的对全球进行侦察，对侦察卫星的过境预警是必要的。本文针对光学成像、雷达成像以及电子侦察三类侦察卫星，建立了基于STK 的侦察卫星预警仿真分析模型，利用STK/Connect 模块实现了STK 与Matlab 通信,从STK 中提取侦察卫星对特定区域的访问报告，再利用Matlab 进行处理可得到侦察卫星对该区域的侦察情况的各种统计结果和非侦察情况，进而实现敏感军事区域对侦察卫星过境的预警，为军事行动反侦察提供依据。该方法和软件对侦察卫星的预警具有普遍意义。
关键词：侦察卫星； 轨道预报； STK/Connect

0 引言

卫星侦察是现代军事航天应用的重要组成，侦察卫星也是各种军事卫星的最主要的种类，各个军事大国都高度重视发展军事侦察卫星，以实现对敌对方和全球重点军事信息的获取。侦察卫星可以根据所携带的载荷分为光学成像侦察、雷达成像侦察和电子侦察三种。光学成像侦察主要是利用高分辨率相机实现对地面景象的可见光成像，雷达成像侦察主要是利用SAR 实现对地面的微波成像，从而解决光学侦察难以实现全天时、全天候的问题。电子侦察根据侦察对象又可细分为通信信号侦察和雷达信号侦察，可以利用星载侦察接收机侦收地面通信、雷达、遥测等信号的侦察和定位。侦察卫星代表分别为美军的KH-12(光学成像)、长曲棍球(雷达成像)和大酒瓶(电子侦察)。由于侦察卫星具有的优势和能力，对于我方的军事设施和军事行动而言，开展针对卫星侦察的反侦察就极为必要。而针对侦察卫星的过境预警则是其中首要和重要的一个内容。

对侦察卫星的过境预警的多种方法中，利用一款成熟的商用航天任务仿真软件STK（Satellite Tool Kit）进行轨道预报和分析是一个较好的方法，但它提供的菜单结构和界面比较复杂，所得到的数据比较零散，使用起来不够方便，所以，文中利用STK 作为后台进行仿真分析，提供侦察卫星对指定区域的过境侦察数据，然后利用STK/Connect 模块，把STK
中产生的侦察卫星对侦察区域的访问报告输出给Matlab 进行处理，得到侦察卫星对特定区域侦察情况的各种统计结果和侦察卫星对该区域的非侦察时间段，并利用STKX 对仿真场景进行三维建模显示，实现过境场景的可视化。分析产生的结果可为敏感军事行动的时间方案提供决策依据，实现敏感军事行动对军事侦察卫星的规避，为军事行动反侦察提供依据。

1 卫星过境预警的原理与仿真

1.1 卫星过境预警的原理

人造地球卫星在轨道上的每一个位置都会在地球表面上有一个投影，它叫星下点。所有星下点连成的曲线叫星下点轨迹。由于地球自转，星下点轨迹不只一条。相邻两条轨迹在同一纬度上的间隔正好等于地球在卫星轨道周期内转过的角度。根据星下点轨迹，可以预报卫星什么时候从什么地方上空经过，即进行卫星过境预警。根据开普勒定律,人造地球卫星在空间的位置可以用几个特定的参数来确定,这些数据称为轨道参数。轨道参数主要有轨道平面倾角(Inclination of orbital plane)、升交点赤经（Right ascension of the ascending node）、轨道椭圆长半轴（Semimajor axis of orbital ellipse ）、轨道椭圆偏心率（Numerical eccentricity of ellipse）、近地点角距（Argument of perigee）和平近点角（Mean anomaly）六个。对于卫星跟踪和预报来说，最重要的轨道参数是轨道倾角和升交点赤经，它们决定了卫星的轨道相对于地球的方位。通过卫星轨道的六参数可以计算任何时刻卫星的位置和速度，从而可实时确定卫星在轨道中的位置，为卫星过境预警提供依据。卫星在轨位置的确定如式（1）所示。

1.2 基于STK 卫星过境预警的建模与仿真

卫星仿真工具包 STK 是航天领域中先进的系统分析软件，主要用于分析复杂的陆地、海洋、航空及航天任务。STK 作为先进的专业卫星分析工具软件，具有强大的分析能力，它可以快速而准确地计算卫星的位置和姿态，评估航天器与太空、陆地、海洋和天空中的目标之间的相互关系。它可提供逼真的2 维、3 维可视化动态场景以及精确的图表、报告等多种分析结果，对于军事遥感卫星的战场监测、覆盖分析、打击效果评估具有极大的应用潜力。

在利用 STK 进行过境预警仿真的时候，需要对侦察卫星的星载传感器进行建模以反映出不同类型传感器不同的侦察和地面覆盖性能。在STK 中可以用Sensor 对象进行对星载传感器进行建模和仿真。Sensor 类型主要包括单圆锥体（Simple Conic）、复杂圆锥体（Complex Conic）、半功率点（Half Power）、矩形（Rectangular）和SAR 五种类型，每种类型所需要的参数不同，对应着不同的星载传感器。具体的建模和参数定义可见下表。

2 基于STK/Connect 的侦察卫星过境预警软件实现

STK 虽然可以得到对被侦察区域的访问报告,但不能得到侦察卫星对该区域的侦察情况的各种统计结果和侦察卫星对区域的非侦察时段，即安全时间段。基于STK/Connect 的侦察卫星过境预警软件通过STK/Connect 模块实现Matlab 与STK 的连接，把STK中得到的侦察卫星对该区域访问报告导入到Matlab中进行处理，得出侦察卫星对该区域侦察的统计结果和侦察卫星对该区域的非侦察时间段，通过非侦察时间段，制定敏感军事行动的时间方案，实现特定区域对侦察卫星的预警，为军事行动反侦察提供依据。

2.1 STK/Connect 模块

STK/Connect 模块是一个非常重要的模块，为用户和STK 之间的交互提供了基本的保障。该模块允许STK 以服务器方式运行，通过接收用户经连接模块转发的指令来控制STK 的运行。该模块提供了一种使用客户—服务器端连接STK 的快捷工作方式。STK/Connect 模块的设计是用于给第三方的应用程序提供一个向STK 引擎发送指令和接受数据的通信路径。使用STK/Connect 时，只需要提供连接名和端口以便STK 进行数据通信。STK/Connect 指令可以用单一函数发送并返回任何所期望的数据。因此，利用STK8.1 和Matlab 可以实现STK 访问报告的获取和处理。STK 与Matlab 的连接关系如图1 所示。

2.2 模型功能模块图

（1）功能模块划分

软件从功能上划分为预警时间定义、预警对象定义、侦察卫星定义设置、过境场景仿真和程序运行控制五个模块。
预警时间定义模块，用来定义仿真时间的起点，仿真的时间长度，主要完成侦察时间段的定义。
预警对象定义模块，用来设定被侦察的对象，它可以是某个城市，也可以是某个区域，城市定义使用这个城市的经纬度即可，区域定义，则是用区域的每个顶点的经纬度来定义。
侦察卫星定义模块，用来设定我们所关注的侦察卫星，主要设定其轨道参数及所携带的传感器的参数，可以完成对任意关心的侦察卫星添加和删除，把我们关心的侦察卫星组成一个星座，用列表框实时显示出来。
过境场景仿真模块，利用STK8.1 中集成的STKX 技术将STK 三维场景集成到软件中，实现对侦察卫星过境场景的显示和播放控制。
程序运行控制模块，主要控制程序的进程，包括预警开始、预警计算，预警报告和保存并退出四个按钮控件。

根据上述模块设计的的 Matlab GUI 界面如图3。

图 3 侦察卫星过境预警软件的Matlab GUI 界面

图4 基于STKX 的3D 场景显示

3 仿真实例分析

3.1 仿真实例参数设定

系统仿真分析的参数如下：
分析时间：600 分钟（2010-5-1 00：00：00.00到2010-5-1 10: 00：00.00）；

侦察卫星参数：卫星信息包括卫星侦察类型、卫星轨道六参数、传感器类型和传感器参数。侦察类型主要指光学成像、雷达成像以及电子侦察三类。卫星轨道六参数指轨道平面倾角i、升交点赤经Ω 、轨道椭圆长半轴a、轨道椭圆偏心率e、近地点角距ω 、平近点角M，通过这六个参数来确定为卫星的轨道位置。本次仿真中设定各个侦察卫星的六个轨道参数和其所携带的各种传感器的参数如表2 所示。

3.2 仿真区域

区域名称：郑州地区；
区域位置设定：以郑州市为中心经度和纬度宽都为6 度的矩形区域为例（区域的四个顶点经纬度）如表3 所示。

3.3 仿真结果

利用软件对上述参数进行定义后，通过侦察卫星对区域的访问报告可以进行卫星过境预报，得到侦察卫星对区域侦察的各种统计结果和侦察卫星对该区域的安全时间段的统计结果。其具体情况如表4、表5 和表6 所示。

从表 5 中可以看出在设置的600 分钟内有八个安全时段，每个时段的安全时间不同，针对不同的任务需求可在不同的安全时段内完成。例如某个任务的时间是一个半小时，则可以选择在00:20:24 到01:51:00、01:56:22 到03:26:44、03:31:49 到05:02:13、05:07:31到06:37:56 和08:13:18 到09:47:38 这五个时间段内实施，由表3-3 可知，最大安全时间段为08:13:18 到09:47:38 持续时间为01:34:20。

4 结束语

针对常见的光学成像、雷达成像以及电子侦察三类侦察卫星建立基于STK 的侦察卫星过境预警仿真分析模型，并设计实现了基于软件的分析。通过Matlab GUI 界面来设定侦察卫星参数、被侦察区域的位置和侦察时间等参数，基于STK 的强大显示分析功能，把侦察卫星的运行以二维和三维的形式展现出来，实时的显示卫星轨道、星下点轨迹以及卫星传感器的对地覆盖情形。基于STK 的报告生成功能来生成侦察卫星对区域的侦察情形，再利用STK/Connect模块实现STK 与Matlab 的连接,进而使用Matlab 对访问报告进行处理,得到每次侦察卫星对特定区域侦察情况的各种统计结果和侦察卫星对区域的非侦察时间段，通过非侦察时间段，制定敏感军事行动的时间方案，实现特定区域对侦察卫星的过境预警，进而完成敏感军事行动对军事侦察卫星的规避，为军事行动反侦察提供依据。

参考文献

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[2] 屈亭,皮亦鸣,曹宗杰.基于STK/Matlab的GPS 卫星可见性仿真分析[J]．科学技术与工程 2009.7
[3] 秦大国,陈星．STK及其在卫星组网仿真演示中的应用研究[J],指挥技术学院学报, 2001.8,12(4):66-69
[4] 杨颖,王琦.STK在计算机仿真中的应用[M].北京:国防工业出版社，2005.
[5] 黄洁,党同心,赵拥军. VC和STK集成的途径及其在仿真中的应用[J],计算机仿真. 2007.01

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