摘 要

导弹预警卫星系统是现代化国防里的重要装备，本文运用STK软件对美国的空间跟踪与监视系统（STSS）进行仿真研究，对我国导弹预警卫星系统的发展有一定参考意义。论文首先对STK平台仿真研究方法进行了简介，在确定STSS系统参数后，通过STK与MATLAB的互联，在STK场景下完成STSS的建模，使用STK的分析模块研究STSS对弹道导弹的覆盖性能，验证其对全球导弹动态的掌握性。本文还对STSS场景下的雷达监测与反导拦截进行了研究，进一步演示了导弹防御的动态过程，综合分析了STSS在导弹防御中的重要作用。

在STSS对弹道目标的覆盖仿真研究中，仿真报告和图表显示STSS可对全球各地区导弹的发射动态实时监视，并进行不间断的覆盖。在对地面雷达与导弹拦截的仿真研究中，可以发现当STSS与地基预警雷达和拦截导弹进行配合，能实现对来袭目标的精准打击。以上研究为后续详细制订应对STSS的战略奠定了相关基础。

关键词：STSS；导弹预警卫星系统；STK；仿真研究

Abstract

The missile early warning satellite system is an important equipment in modern defense. This paper uses STK software to simulate the US Space Tracking and Surveillance System (STSS), which has certain reference significance for the development of China's missile early warning satellite system. The paper first introduces the STK platform simulation research method. After determining the STSS system parameters, STK and MATLAB are interconnected to complete the STSS modeling in STK scene. The STK analysis module is used to study the coverage performance of STSS on ballistic missiles and verify the STSS's mastery of global missile dynamics. This paper also studies the radar monitoring and anti-missile interception in the STSS scene, further demonstrates the dynamic process of missile defense, and generally analyzes the essential place of STSS in missile defense.

In the STSS simulation study of the coverage of ballistic targets, simulation reports and charts show that STSS can monitor the launch dynamics of missiles in various regions of the world in real time and provide uninterrupted coverage. In the simulation study of ground-based radar and missile interception, it is found that when STSS cooperates with ground-based early warning radar and interceptor missile, it can achieve a precise attack on the incoming target. The above research laid the foundation for further development of strategies to deal with STSS.

Key Words：STSS；early warning satellite system；STK；simulation study

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 美国国家导弹防御系统的组成 1

1.2.2 美国导弹预警卫星发展历程 2

1.2.3 国内研究现状 3

1.3 本文研究内容与预期目标 3

第2章 基于STK平台的仿真方法介绍 5

2.1 STK简介 5

2.2 STK的覆盖分析模块 6

2.3 STK的MATLAB接口模块 6

2.4本章小结 8

第3章 卫星覆盖模型及性能指标 9

3.1 卫星覆盖模型 9

3.2 覆盖性能指标参数 10

3.3本章小结 11

第4章 STSS系统参数的确定 12

4.1轨道高度和倾角 12

4.2卫星数目 12

4.3轨道面数 12

4.4传感器的选择 13

4.5本章小结 13

第5章 STSS对弹道目标覆盖仿真研究 14

5.1 仿真场景构建 14

5.1.1 STSS星座的构建 14

5.1.2 弹道导弹参数设定 15

5.2 仿真结果分析 16

5.3 本章小结 19

第6章 雷达监测与导弹拦截仿真研究 20

6.1 雷达监测仿真 20

6.2 导弹拦截仿真 22

6.3 本章小结 23

第7章 结论 24

参考文献 25

附 录 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及目的与意义

导弹是最有震慑力的现代化火力打击武器，而预警卫星作为导弹的近实时发现者在现代化战争中起着其他武器装备都不可替代的作用^[1]。为了有效地对敌方导弹进行探测、跟踪、预警和拦截，预警卫星系统往往由一系列导弹预警卫星构成。通过在单个预警卫星上装备有效载荷，即搭载合适的传感器，可实现跟踪监视导弹发射和对导弹有关参数的评估预警功能。

以美国和俄罗斯为首的军事强国最早发展了导弹预警卫星系统，目前美国的新一代天基红外系统和空间跟踪监视系统均成功部署，构成了完整的战略预警体系。据了解，我国也先后顺利发射了数颗“前哨”系列天基红外预警卫星，初步建立了覆盖全世界主要地域的导弹预警网络。但不可否认的是，我国在建立天基导弹预警系统方面还有待完善。

2019年2月19日，美国总统特朗普签订新指令，要求国防部起草法案组建“太空军”，并将其作为美国军队的一个分支。可以预见，未来战争将会走向空天一体化，各国竞争太空资源，争取制天权的趋势显而易见。因此，进一步学习了解美国导弹预警卫星系统，有利于认清对我国当前太空形势和面临的挑战，有利于进一步加强建立和开发我国的预警防御系统。

本课题基于实际问题，开展针对导弹预警卫星系统的仿真研究，模拟实际场景下卫星对导弹的探测过程，分析预警卫星系统对导弹监测效果。本课题的开展对我国预警卫星系统的发展有一定借鉴意义。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 美国国家导弹防御系统的组成

自20世纪50年代中期，美国已开始研究和筹划弹道导弹的防御，多年来，其在基础研究方面取得了一些具有实战价值的成果。在苏联解体和冷战结束后，美国及其西方盟友对外鼓吹第三世界有关国家的导弹威胁，于是美国开始实施“弹道导弹防御”计划，这个计划由以下两方面构成：“战区导弹防御”（TMD）系统和“国家导弹防御”(NMD)系统^[2]。这里着重介绍其NMD系统。

NMD系统是用来抵挡能够发射到美国本土地区的远程弹道导弹，即射程超过3000Km以上的弹道导弹。其主要作用是全方位、全天候地监视和跟踪来袭的导弹，并且在导弹再次进入大气层之前进行摧毁。NMD的主要组成部分有：监视与跟踪系统（包含天基红外预警卫星系统和部署在各地区的预警雷达），战斗管理与指挥控制通信系统和反导弹武器（即地基拦截弹）。其中，监视与跟踪系统主要作用是监测，识别，跟踪敌方导弹的发射；地基拦截弹则负责识别真假弹头，进而在有效阶段将敌方导弹拦截和摧毁；战斗管理与指挥控制通信系统可利用互联网和计算机将整个系统连为一体，实施有效及时的操作。其系统示意图如图1.1所示。

图1.1 国家导弹防御系统示意图

1.2.2 美国导弹预警卫星发展历程

美国在20世纪50年代开始发展和研究预警卫星系统，以提醒有关部门注意国外导弹的发射动态^[3]。20世纪60年代初，为了应对来自前苏联的弹道导弹系统威胁，美国建成了“米达斯”实验性导弹预警卫星系统^[4],由于未能有效解决卫星的供电问题且卫星无法分辨导弹尾部辐射和来自太阳光的辐射，这个计划最终宣告失败，但这也为后续预警卫星系统的发展积累了一定的技术经验。

1970年，美国开始研究和建设国防支援计划（DSP）系统，其主要任务是探测和监视全球导弹的发射情况并向有关部门报告^[5]。DSP系统从发射至今共经历了三个阶段，其卫星寿命和性能不断得到提高。对于部署在全球大部分地区的主动段火箭，DSP系统都能及时有效地发现和监视，通常DSP系统可以对洲际弹道导弹可以给出的预警时间约为25分钟，对潜射弹道导弹和陆基战术弹道导弹可以给出的预警时间分别为15分钟和5分钟。该系统还经历过了海湾战争和伊拉克战争等战争的实战检验。然而DSP系统在实践中也暴露出一些问题。例如，它无法对中段飞行的弹道导弹进行跟踪，虚警和漏警问题不便处理，且对本国以外的地面雷达站依赖过度，这些问题导致整个系统无法满足新时代对弹道导弹防御系统提出的新要求。

1995年，美国着手构建新一代天基红外预警系统（SBIRS）,其空间星座由高轨（SBIRS-High）和低轨（SBIRS-Low）两部分组成，SBIRS-High由地球静止轨道卫星和高椭圆轨道卫星组成，用于探测和监视全球导弹的发射并提供相关检测数据。SBIRS-Low后来正式更名为空间跟踪与监视系统（STSS）,主要由设置在海拔高度约1600米的多个轨道面上的24颗大倾角卫星组成，用于导弹再入大气层之前阶段的跟踪和识别。目前美国新一代天基导弹预警卫星系统已实现部署，其中包括天基红外预警系统的4颗地球同步轨道卫星和4颗高椭圆轨道卫星以及3颗空间跟踪与监视系统卫星^[6]。

1.2.3 国内研究现状

随着我国国防新时代的到来，我国也逐渐研究建设自己的预警卫星系统。据了解，自2009年我国陆续顺利发射了数颗“前哨”系列天基红外预警卫星，已初步构建了可以覆盖全世界各地域的导弹预警卫星系统，打破了西方国家的技术封锁。至今，已经建立的天基预警卫星同部署在我国本土的多部地基相控阵预警雷达构成了我国完整的战略预警体系。与此同时，天基导弹预警卫星系统的仿真研究也具有十分重要的意义。基于一些成熟的仿真软件工具，根据实际研究的需要，进行一些场景化仿真可以得到可信的数据结果。

中国电子科学研究院田野,万华等利用STK仿真软件研究了美国STSS预警卫星系统对弹道导弹的跟踪能力，并且针对预警卫星对弹道导弹真假弹头的跟踪时间提出了一种独特的分析方法^[7]。此外，他们在STK场景下还分析了STSS对多弹道目标的跟踪能力，验证了STSS杰出的跟踪性能。国防科技信息中心余二永，徐学文等通过对美国空间跟踪与监视系统的空间覆盖性能研究，分析了它的大致构型和星座参数^[8]。总体而言，国内关于导弹预警卫星系统的研究资料相对较少，且大部分还处于理论阶段。

1.3 本文研究内容与预期目标

本文主要针对美国STSS预警卫星系统，利用STK软件的成熟分析功能对其进行仿真研究，在卫星仿真工具包（STK）中建立STSS的模型后，可以仿真研究分析其各方面性能。本论文主要探讨了STSS对多个弹道导弹目标的覆盖监视能力，和STSS场景下地基雷达配合的反导拦截问题。根据上述研究内容，本文各章节的安排如下：

第二章首先对STK平台进行介绍，阐述了其强大的建模分析能力，以及应用于航天领域的合适性。在介绍STK的分析模块功能时，主要是对覆盖分析模块和MATLAB接口模块进行了详细阐述。覆盖分析模块是本文研究中要用到的重要分析工具，MATLAB接口模块为STK与MATLAB之间的连接构建了桥梁基础，这两个模块在第五章的仿真中会得到应用。

第三章介绍了卫星覆盖的模型，从物理和数学角度分析了二维和三维视角下卫星覆盖的相关公式，对卫星的覆盖区域做出了的细致分析。因为基于覆盖模型对覆盖能力进行分析时需要有定量化的指标，本章重点还介绍了几个评估覆盖性能的指标，这是第五章中覆盖分析的基础。

第四章是本文研究的关键，该章通过文献查阅和数据分析，分别确定了STSS的轨道高度和倾角，卫星数目和轨道面数，并通过一些数据论证了其可能的星座构型，最终确定了本次仿真中所要采用的参数。在传感器的选择方面，首先分析了实际场景下STSS上所包含的传感器类型，然后针对本次研究需求选择了合适的用于仿真的传感器。在第五章的STSS建模中这些参数得到了使用。

第五章是本文仿真的主体部分，在已经确定参数的基础上建立了STK中的STSS模型，其次设置了多个弹道导弹目标，场景中主要采用简单轨道的弹道导弹。该章分析了STSS对弹道导弹目标的探测和覆盖特性时，以期了解预警卫星系统对于导弹发射全过程的动态掌握。为了进一步了解STSS中卫星工作情况，还分析了不同的卫星工作状态下STSS对弹道目标探测和覆盖性能的影响。第五章的研究为第六章提供了场景基础。

第六章对地基反导拦截的过程进行了模拟，在第五章的基础上添加了地面雷达站模型，研究了地面雷达对弹道目标的监测，根据所得监测数据对拦截弹进行参数设定，并对中段反导拦截过程的进行了仿真。该章演示了STSS与地基反导设备配合下的导弹防御场景，使本文仿真研究更为完整。

第七章对本文的仿真研究工作进行总结，对仿真结果及其分析进行了概述，同时基于本次研究指出了后续研究方向。

第2章 基于STK平台的仿真方法介绍

2.1 STK简介

STK的全称是Satellite Tool Kite，即卫星仿真工具包，是一款由美国AGI公司以真实的物理环境为基础开发的商业化轨道仿真分析软件。它可以对航天、防御和情报任务进行建模和仿真分析，可对一个包含卫星、飞机、舰艇、地面雷达等的复杂系统进行建模，并评估其在真实环境下的性能指标。利用该软件可以很容易地对复杂任务进行深入分析，了解一个系统里的设施位置及方向，得到不同设施之间的空间关系，同时还可获取直观的图表分析报告，用来确定实际问题中的最优方案^[9]。

STK功能强大，广泛用于卫星轨道分析、电子对抗、导弹防御和雷达等方面。在使用操作方面，STK易于上手，不需要深厚的专业知识储备便可完成卫星的轨道设计，姿态分析和覆盖分析，并进行系统的效能分析，其交互设计较好。美国NASA等权威机构持续为STK更新数据库，使其具备提供全球运行的卫星数据库和城市数据库等的能力。

STK的仿真界面主要分为二维地图界面和三维场景界面，二维地图界面支持对任意区域进行放大和缩小设置，如图2.1所示。在三维场景仿真界面中，也可以对任意区域进行放大和缩小显示，如图2.2所示，同时还支持设置以系统中任意仿真对象为视觉中心，如地面站、雷达等。

图 2.2三维场景仿真界面

图 2.1二维仿真界面

2.2 STK的覆盖分析模块

STK中拥有一系列任务分析的模块，除了基础的可见性计算（Access）分析模块之外，还拥有覆盖（Coverage）等专业分析模块^[10]。在仿真过程中合理应用STK的覆盖分析模块，可以对卫星对象的区域覆盖问题或者一个星座对象的全球覆盖进行深度分析，分析结果主要为基于所选覆盖区域或者所选网格点的可见性计算。进行覆盖分析的过程中，软件还可以生成具体的分析报告和图表，如覆盖时间报告和覆盖概率报告，同时该分析模块可以随着覆盖的变化发生而同步仿真，尽量防止计算出现误差。

STK中针对覆盖分析的需要还设置了两种对象，分别为覆盖定义对象和覆盖品质参数对象，其中覆盖品质参数对象只能附属在覆盖定义对象上进行分析以提供更为详细的覆盖评估报告。

在实际使用中，可以使用STK的覆盖模块来分析卫星对某一区域的覆盖率或者卫星对某一弹道导弹对象的覆盖情况以评估预警卫星的相关性能。

2.3 STK的MATLAB接口模块

在STK软件中存在一个接口，使得STK与MATLAB能够进行双向联通。STK中还提供了超过600条连接指令，使用一些常用指令可使用户通过MATLAB对STK中的卫星轨道和导弹弹道等进行建模。同时STK中所有数据都可以传送到MATLAB中进行复杂的数学角度分析，用户可使用MATLAB中成熟的数学函数和分析方法进行导弹轨迹拟合等分析。MATLAB作为一款广泛应用于科学计算和工程应用的软件提供的许多分析研究模块明显提高了STK的计算效能，并且极大地拓宽了STK的应用领域。下面介绍一些完成基础建模任务所用到的语句。

（1）初始化

首先使用stkInit语句,可完成MATLAB与STK的互联。要使MATLAB成功连接到STK，需要获取STK的地址，下述语句可以完成必要的操作。

remMachine= stkDefaultHost;

delete(get(0,'children'));

conid=stkOpen(remMachine);

在创建新场景之前，通常需要检查当前STK中的场景，若已存在一个场景，需要使用stkUnload语句关闭场景或者直接利用stkClose语句关闭当前的连接状态。下述程序语句可实现直接关闭已打开场景并建立新场景。

scen_open= stkValidScen;

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