桑飛 楊昌俊 王振宇

摘要：介紹了衛(wèi)星偵察的典型方式，根據(jù)反衛(wèi)星偵察的技術(shù)需求和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)了基于北斗系統(tǒng)的面向服務(wù)的反衛(wèi)星偵察預(yù)警系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)能夠滿足機(jī)動(dòng)中的反衛(wèi)星偵察的需求。

關(guān)鍵詞：反偵察;衛(wèi)星偵察;北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);機(jī)動(dòng)

一、、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱北斗系統(tǒng)）是中國自行研制的衛(wèi)星 導(dǎo)航系統(tǒng)，和美國 GPS、俄羅斯 GLONASS、歐盟 GALILEO 一同被聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會認(rèn)定為供應(yīng)商。

截止 2012 年年底，北斗二號系統(tǒng)已經(jīng)完成 14 顆衛(wèi)星（5 顆地球靜止軌道衛(wèi)星、5 顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和 4 顆中圓 地球軌道衛(wèi)星）發(fā)射組網(wǎng)。北斗二號系統(tǒng)在兼容北斗一號技術(shù) 體制基礎(chǔ)上，增加無源定位體制，為亞太地區(qū)用戶提供定位、 測速、授時(shí)、廣域差分和短報(bào)文通信服務(wù)。目前，正在運(yùn)行的 北斗二號系統(tǒng)發(fā)播 B1I 和 B2I 公開服務(wù)信號，免費(fèi)向亞太地區(qū) 提供公開服務(wù)。服務(wù)區(qū)為南北緯 55 度、東經(jīng) 55 度到 180 度區(qū) 域，定位精度優(yōu)于 10 米，測速精度優(yōu)于 0.2 米/秒，授時(shí)精度 優(yōu)于 50 納秒。雙向短報(bào)文通信能力隨著軍民用戶不同而異， 存在頻度和容量之別： 軍事用戶最高等級頻度為每秒一次，每 次 1680bit（120 漢字）;民間用戶頻度是每 60 秒一次，每次 40 漢 字。

與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：一是 北斗系統(tǒng)空間段采用中圓地球軌道衛(wèi)星 MEO 、靜止地球軌道 GEO 和傾斜地球同步軌道 IGSO 三種軌道衛(wèi)星組成的混合星 座，高軌道衛(wèi)星更多，抗遮擋能力更強(qiáng)，在低緯度地區(qū)性能特 點(diǎn)更為明顯。 二是北斗系統(tǒng)目前發(fā)射3個(gè)頻率的信號：1561 MHz、 1268 MHz 及 1207 MHz ，用戶可以通過多頻信號組合使用等 方式提高服務(wù)精度。三是北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力， 是世界上首個(gè)集定位、授時(shí)和報(bào)文通信為一體的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)， 解決了“何人、何時(shí)、何處”的相關(guān)問題， 實(shí)現(xiàn)了位置報(bào)告、 態(tài)勢共享。這些特點(diǎn)使北斗在適于不同用戶，尤其是集團(tuán)用戶 的應(yīng)用， 在我國國防建設(shè)、森林防火、抗震救災(zāi)、海洋漁業(yè)等 行業(yè)已發(fā)揮了重要作用。

北斗全球系統(tǒng)建設(shè)于 2009 年啟動(dòng)，繼承北斗有源服務(wù)和 無源服務(wù)兩種技術(shù)體制。2018 年，面向“一帶一路”沿線及周 邊國家提供基本服務(wù)，2020 年基本完成 35 顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)， 為全球用戶提供服務(wù)。北斗全球系統(tǒng)將采用更先進(jìn)的信號體制， 不斷強(qiáng)化短報(bào)文通信這一優(yōu)勢，北斗系統(tǒng)的性能將不斷提升， 北斗系統(tǒng)的應(yīng)用將持續(xù)擴(kuò)展。本文結(jié)合北斗系統(tǒng)特點(diǎn)，將其與航天器軌道預(yù)報(bào)系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)結(jié)合，研究其在反衛(wèi)星偵 察領(lǐng)域的應(yīng)用，展示北斗系統(tǒng)綜合應(yīng)用的強(qiáng)大前景。

二、衛(wèi)星偵察與反衛(wèi)星偵察

衛(wèi)星偵察是現(xiàn)代偵察技術(shù)的重要組成部分，是和平時(shí)期主 要的偵察方式。衛(wèi)星偵察由于偵察面積大、范圍廣、時(shí)效快、 不受國界和地理?xiàng)l件限制，所獲情報(bào)確切可靠，已成為最重要 的情報(bào)來源之一。

目前偵察衛(wèi)星主要分為兩類：成像偵察衛(wèi)星和電子偵察衛(wèi) 星。成像偵察衛(wèi)星根據(jù)成像傳感器的不同大致可分為照相偵察 衛(wèi)星和雷達(dá)成像衛(wèi)星。成像偵察衛(wèi)星通過地球物表的成像，獲 取各種重要區(qū)域設(shè)施的布局，為各類行動(dòng)提供可靠情報(bào)。電子 偵察衛(wèi)星是通過對諸如雷達(dá)、通信設(shè)備所輻射的電磁信號的獲 取，確定輻射源的方位及活動(dòng)情況，生成偵察信息。

目前反衛(wèi)星偵察技術(shù)主要分為三種。第一是規(guī)避和偽裝。 規(guī)避根據(jù)預(yù)報(bào)的偵察衛(wèi)星過頂時(shí)段，通過隱藏或者無線電靜默 規(guī)避衛(wèi)星偵察;偽裝主要針對成像偵察衛(wèi)星，通過偽裝措施來 削弱衛(wèi)星成像能力。第二是電子干擾。對于光學(xué)成像衛(wèi)星使用 強(qiáng)激光干擾技術(shù)，使光學(xué)傳感器暫時(shí)飽和，無法獲取地面圖像; 對雷達(dá)成像衛(wèi)星發(fā)射壓制或者欺騙干擾信號使其無法正常成 像;對于電子偵察衛(wèi)星使用噪聲干擾，降低其接收機(jī)的檢測概 率。第三是硬摧毀，主要是直接破壞其傳感器或者衛(wèi)星載體。

對偵察衛(wèi)星的反偵察和對抗，一般是依賴航天器軌道預(yù)報(bào) 系統(tǒng)，通過建立偵察衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)模型和衛(wèi)星傳感器覆蓋模型， 選取合適的時(shí)間窗口和對抗區(qū)域，針對性的選擇適當(dāng)?shù)膶勾?施。

三、北斗系統(tǒng)在反衛(wèi)星偵察中的優(yōu)勢

反衛(wèi)星偵察系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)和目標(biāo)位置數(shù)據(jù)，為目 標(biāo)提供衛(wèi)星過頂?shù)男畔ⅲ崾灸繕?biāo)采取對應(yīng)的措施。目前反衛(wèi) 星偵察的研究多數(shù)基于固定區(qū)域的反衛(wèi)星偵察研究，研究重點(diǎn) 是偵察衛(wèi)星對抗技術(shù)，側(cè)重于固定目標(biāo)的事先規(guī)劃。因缺乏位 置采集、預(yù)警信息發(fā)布等實(shí)時(shí)性交互手段的支持，對于目標(biāo)機(jī) 動(dòng)過程中沒有很好的反衛(wèi)星偵察預(yù)警支持。機(jī)動(dòng)過程中的反衛(wèi) 星偵察具有諸多近實(shí)時(shí)性需求，而北斗系統(tǒng)能夠滿足這些需求：

一是時(shí)間空間一致性。反衛(wèi)星偵察系統(tǒng)根據(jù)為多個(gè)機(jī)動(dòng)目 標(biāo)提供預(yù)警信息服務(wù)。該系統(tǒng)是時(shí)間和空間敏感的系統(tǒng)，即機(jī) 動(dòng)目標(biāo)和預(yù)警服務(wù)端交互信息包含目標(biāo)定位時(shí)間、定位坐標(biāo)、 服務(wù)端計(jì)算的衛(wèi)星偵察威脅時(shí)段等信息，涉及位置和時(shí)間描述 的一致性。反衛(wèi)星偵察服務(wù)端的衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)、傳感器地面覆 蓋計(jì)算也依賴時(shí)間和位置信息，為保證反衛(wèi)星偵察預(yù)警科學(xué)可 用，必須保證機(jī)動(dòng)目標(biāo)與服務(wù)端時(shí)間上保持同步，位置上描述 的標(biāo)準(zhǔn)相同。北斗系統(tǒng)建立并保持了 CGCS2000 空間坐標(biāo)基準(zhǔn) 及 BDT 時(shí)間基準(zhǔn)，其定位結(jié)果采用 CGCS2000 坐標(biāo)系，其授 時(shí)標(biāo)準(zhǔn)是 BDT 時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，建立在北斗系統(tǒng)基礎(chǔ)上的反衛(wèi)星偵 察預(yù)警系統(tǒng)能夠完美解決系統(tǒng)服務(wù)端和各機(jī)動(dòng)目標(biāo)時(shí)間空間 一致性問題。

二是目標(biāo)位置采集實(shí)時(shí)性。預(yù)警信息生成依賴衛(wèi)星覆蓋范 圍與機(jī)動(dòng)目標(biāo)在同一時(shí)刻的位置關(guān)系。衛(wèi)星覆蓋范圍通過衛(wèi)星 軌道預(yù)報(bào)和傳感器覆蓋模型計(jì)算來獲取，而機(jī)動(dòng)目標(biāo)位置不斷 變化，為保證預(yù)警信息科學(xué)準(zhǔn)確，需要實(shí)時(shí)采集機(jī)動(dòng)目標(biāo)位置 數(shù)據(jù)。北斗系統(tǒng)自身具備快速定位和位置上報(bào)功能，能夠滿足 反衛(wèi)星偵察系統(tǒng)對目標(biāo)位置采集實(shí)時(shí)性要求。

三是預(yù)警信息播發(fā)實(shí)時(shí)性。當(dāng)傳感器覆蓋模型計(jì)算出機(jī)動(dòng) 目標(biāo)處于衛(wèi)星偵察范圍內(nèi)，則會生成預(yù)警信息，并將預(yù)警信息 實(shí)時(shí)播發(fā)給相關(guān)目標(biāo)，使其能夠采取針對性的反衛(wèi)星偵察手段。 北斗系統(tǒng)具備短報(bào)文通信功能，依托這一功能可以完成預(yù)警信 息的播發(fā)，無需建立新的通信鏈路。

四、反衛(wèi)星偵察預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證反衛(wèi)星偵察系統(tǒng)的松耦合、可擴(kuò)展、易維護(hù)，整個(gè) 系統(tǒng)采用面向服務(wù)的結(jié)構(gòu)，由若干客戶端和一個(gè)服務(wù)端組成。 客戶端持續(xù)向服務(wù)端提供定位數(shù)據(jù)，服務(wù)端通過一系列計(jì)算后 向客戶端反饋對應(yīng)的預(yù)警信息。整個(gè)系統(tǒng)硬件組織如圖 1所示， 系統(tǒng)各部分邏輯關(guān)系見圖 2。

客戶端只需配備具備定位、授時(shí)及短報(bào)文通信功能的北斗 手持或者車載終端?？蛻舳斯δ芤皇秦?fù)責(zé)按一定的頻度完成時(shí) 間同步和自身定位，并將定位時(shí)間、定位位置、速度、行進(jìn)方 向等信息上報(bào)給指定的服務(wù)端指揮機(jī);二是以短報(bào)文方式接收 指揮機(jī)發(fā)布的預(yù)警信息。

服務(wù)端配備一組具備短報(bào)文通信及授時(shí)功能的北斗指揮 機(jī)，指揮機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器連接。指揮機(jī)負(fù)責(zé)時(shí)間同步、接 收客戶端位置信息以及發(fā)布預(yù)警信息;服務(wù)器負(fù)責(zé)維持和更新 衛(wèi)星及客戶端的相關(guān)業(yè)務(wù)信息，經(jīng)過位置修正、衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)、 傳感器覆蓋計(jì)算等操作生成預(yù)警信息，并由指揮機(jī)將預(yù)警信息 發(fā)布給對應(yīng)的終端。系統(tǒng)工作流程如圖 3 所示。

（二）客戶端功能實(shí)現(xiàn)

客戶端由北斗終端組成，采用 RNSS 定位，每次定位都能 夠計(jì)算當(dāng)前終端位置，同時(shí)獲取終端時(shí)間與北斗時(shí)的鐘差，并 進(jìn)行自動(dòng)校正終端本地時(shí)間，完成授時(shí)和定位兩項(xiàng)功能。終端 按照短報(bào)文頻度上報(bào)定位的時(shí)間、位置、速度、方向四類位置 信息。預(yù)警信息的接收以短報(bào)文接收的方式獲取。目前市場北 斗手持設(shè)備多數(shù)具備上述功能。

（三）服務(wù)端功能實(shí)現(xiàn)

北斗指揮機(jī)自身具備北斗授時(shí)、短報(bào)文通信、衛(wèi)星定位等 功能，此外還開放了開發(fā)接口，允許用戶遠(yuǎn)程調(diào)用來獲取北斗 時(shí)間、接收定位和通信數(shù)據(jù)、發(fā)送短報(bào)文以及查看狀態(tài)信息。

服務(wù)器功能的實(shí)現(xiàn)依賴兩類數(shù)據(jù)，服務(wù)器需要維持這些業(yè) 務(wù)數(shù)據(jù)。一類數(shù)據(jù)是目標(biāo)定位數(shù)據(jù)，包含目標(biāo)的定位時(shí)間、位 置、速度及方向信息;另一類是衛(wèi)星數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星的 TLE 參 數(shù)以及衛(wèi)星姿態(tài)及傳感器參數(shù)，TLE 參數(shù)用來進(jìn)行衛(wèi)星軌道預(yù) 報(bào)，衛(wèi)星姿態(tài)及傳感器數(shù)據(jù)用于傳感器覆蓋范圍計(jì)算。

服務(wù)器的位置接收、預(yù)警發(fā)布和時(shí)間同步三項(xiàng)功能是調(diào)用 指揮機(jī)實(shí)現(xiàn)的。位置接收是響應(yīng)指揮機(jī)短報(bào)文接收事件，解析 短報(bào)文，獲取目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)并進(jìn)行更新;預(yù)警發(fā)布時(shí)調(diào)用指 揮機(jī)短報(bào)文發(fā)送接口，將衛(wèi)星名稱、威脅時(shí)段以短報(bào)文的方式 發(fā)送給客戶端;時(shí)間同步是定期調(diào)用指揮機(jī)衛(wèi)星授時(shí)接口，獲 取北斗時(shí)，并進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)間更新。

位置修正用于預(yù)測運(yùn)動(dòng)目標(biāo)當(dāng)前時(shí)刻的位置。服務(wù)器在每 次計(jì)算時(shí)，先獲取當(dāng)前時(shí)間，根據(jù)目標(biāo)最后定位的位置、速度、 方向和時(shí)間信息，按照線性變化的原則估算出目標(biāo)當(dāng)前的位置。

衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)的目的是預(yù)測衛(wèi)星在某一時(shí)刻的空間位置， 為衛(wèi)星覆蓋模型計(jì)算提供衛(wèi)星位置。實(shí)踐中獲得廣泛應(yīng)用的計(jì) 算模型是 SGP4 （Simplified General Perturbations Version4 ）模型。 原理是在 TLE 的基礎(chǔ)上通過重構(gòu)短、長周期項(xiàng)以及長期項(xiàng)的攝 動(dòng)力大小而對軌道進(jìn)行預(yù)報(bào)，當(dāng)使用特定的 TLE 作為輸入時(shí)可 較準(zhǔn)確的對近地目標(biāo)軌道進(jìn)行預(yù)報(bào)。TLE（Two-line mean element）是基于一般攝動(dòng)理論產(chǎn)生的用于預(yù)報(bào)地球軌道飛行器 位置和速度的一組軌道根數(shù)。與利用測軌數(shù)據(jù)進(jìn)行的軌道確定或者軌道預(yù)報(bào)獲得的瞬時(shí)軌道六根數(shù)不同，兩行根數(shù)是在真赤 道、平春分點(diǎn)坐標(biāo)下的“平均”根數(shù)，是利用特定方法去除了 周期攝動(dòng)影響的根數(shù)，通常與 SGP4、 SDP4 模型一起使用。TLE 考慮了地球扁率、日月引力的長期和周期攝動(dòng)影響，以及大氣 阻力模型產(chǎn)生的引力共振和軌道衰退。

衛(wèi)星覆蓋計(jì)算是計(jì)算衛(wèi)星的傳感器在某一時(shí)刻或在一段 較長時(shí)期內(nèi)能觀測到的地球的那一區(qū)域。評價(jià)覆蓋時(shí)，要區(qū)分 瞬時(shí)視場和尋訪區(qū)。瞬時(shí)視場是傳感器在任一時(shí)刻可以探測到 的有效區(qū)域。尋訪區(qū)是指通過航天器或傳感器的擺動(dòng)在任一時(shí) 刻可能觀測到的地面區(qū)域的總和。功能實(shí)現(xiàn)采用適用多傳感器 的衛(wèi)星對地覆蓋計(jì)算模型，根據(jù)傳感器視場的幾何形狀及參數(shù) 建立初始觀測矢量，同時(shí)基于衛(wèi)星位置、姿態(tài)參數(shù)和地球橢球 模型，計(jì)算傳感器邊界單元對應(yīng)的地球表面映射位置，從而實(shí) 現(xiàn)覆蓋計(jì)算。在缺乏衛(wèi)星姿態(tài)及傳感器參數(shù)的情況下以尋訪區(qū) 代替瞬時(shí)視場。

預(yù)警生成根據(jù)衛(wèi)星傳感器覆蓋范圍和目標(biāo)的位置，判斷目 標(biāo)是否將處于衛(wèi)星的監(jiān)視范圍內(nèi)，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)可能被偵察， 則生成預(yù)警信息。對于任務(wù)目標(biāo)點(diǎn)定義為點(diǎn) T，傳感器作用范 圍定義為多邊形 P，P 的各頂點(diǎn)按照順時(shí)針順序定義為 {V1，V2….Vn} ，那么定義關(guān)系函數(shù)為

其中 S⊿TV1V2表示以點(diǎn) T、V1、V2為頂點(diǎn)的三角形面積， SP 表示多邊形 P 的面積。根據(jù)圖 4 可知，關(guān)系函數(shù) g 最小值是 當(dāng)點(diǎn) T 位于多邊形內(nèi)，此時(shí)值為 1。當(dāng) g 值大于 1 時(shí)，如圖 5 所示，表示點(diǎn)位于多邊形外，且值越大目標(biāo)點(diǎn)距離多邊形可能 越遠(yuǎn)。

態(tài)勢顯示是在三維平臺顯示衛(wèi)星的軌道、衛(wèi)星的位置、衛(wèi) 星的覆蓋范圍、目標(biāo)的位置等信息，這是一個(gè)地理信息系統(tǒng)的 功能。三維顯示技術(shù)選擇了 Skyline 作為 3DGIS 的開發(fā)軟件。 Skyline 技術(shù)是全球最早專注于研究三維數(shù)字地球的技術(shù)之一， 利用航空影像、衛(wèi)星圖片、地形數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型以及各種 矢量地理數(shù)據(jù)的疊加，可以生成真實(shí)質(zhì)感的三維場景。 TerraExplorer Pro API，具有增強(qiáng)的 COM 接口，可控制三維場 景中所有的對象及其動(dòng)作。

五、系統(tǒng)驗(yàn)證

試驗(yàn)系統(tǒng)按照第四章設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，指揮機(jī)采用振芯 科技的“普通型北斗指揮型終端”，客戶端采用“北斗手持導(dǎo) 航通信終端” ，服務(wù)器采用 Think-server RD440，服務(wù)器與指揮機(jī)接入同一個(gè)局域網(wǎng)，二者通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。

衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)及傳感器覆蓋計(jì)算結(jié)果見圖 6，經(jīng)預(yù)報(bào)結(jié)果 和實(shí)際軌道比對，軌道預(yù)報(bào)精度由預(yù)報(bào)時(shí)間決定，預(yù)報(bào)的時(shí)間 距離 TLE 軌道根數(shù)時(shí)間越長，軌道預(yù)報(bào)精度越低，但是預(yù)報(bào)精 度會于 20 分鐘左右開始逐漸收斂于 50 米左右，見圖 7

位置修正誤差，將位置修正結(jié)果與同時(shí)刻手持機(jī)自身 RNSS 定位存貯結(jié)果對比，100 個(gè)點(diǎn)位平均差為 13.2 米，比北 斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度稍差，主要原因是終端在彎道時(shí)位置 變化頻繁，位置修正的線性算法造成誤差。系統(tǒng)能夠完成預(yù)警 生成及預(yù)警信息播發(fā)，如圖 8 所示

經(jīng)服務(wù)能力測試，單顆衛(wèi)星預(yù)報(bào) 24 小時(shí)軌道，生成 86400 次位置（每秒 1 次），計(jì)算需要 44 毫秒;單顆矩形傳感器覆蓋 計(jì)算一次需要 0.25 毫秒;判斷單一目標(biāo)是否處于單一傳感器內(nèi) 部，計(jì)算 1 次需要 0.06 毫秒;北斗短報(bào)文發(fā)送至接收延遲約 1 秒;整個(gè)系統(tǒng)瓶頸在于指揮機(jī)的通信頻度，建設(shè)實(shí)用的預(yù)警系 統(tǒng)需要根據(jù)移動(dòng)目標(biāo)和偵察衛(wèi)星的具體規(guī)?？茖W(xué)設(shè)計(jì)硬件，尤 其是指揮機(jī)配置。

結(jié)束語：

本文將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)、航天器軌道預(yù) 報(bào)系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用，構(gòu)建了適用于機(jī)動(dòng)目標(biāo)的反衛(wèi)星偵察預(yù)警系 統(tǒng)。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、授時(shí)、短報(bào) 文通信功能，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、硬件可與指揮控制系 統(tǒng)共享的特點(diǎn)。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球化步伐的推進(jìn)，相 信其在國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)中的信息基礎(chǔ)設(shè)施作用更加凸顯。