北斗衛星導航系統在反衛星偵察中的應用

桑飛 楊昌俊 王振宇

摘要：介紹了衛星偵察的典型方式，根據反衛星偵察的技術需求和北斗衛星導航系統的功能，設計了基于北斗系統的面向服務的反衛星偵察預警系統。實驗證明系統能夠滿足機動中的反衛星偵察的需求。

關鍵詞：反偵察;衛星偵察;北斗衛星導航系統;機動

一、、北斗衛星導航系統

北斗衛星導航系統（簡稱北斗系統）是中國自行研制的衛星 導航系統，和美國 GPS、俄羅斯 GLONASS、歐盟 GALILEO 一同被聯合國衛星導航委員會認定為供應商。

截止 2012 年年底，北斗二號系統已經完成 14 顆衛星（5 顆地球靜止軌道衛星、5 顆傾斜地球同步軌道衛星和 4 顆中圓 地球軌道衛星）發射組網。北斗二號系統在兼容北斗一號技術 體制基礎上，增加無源定位體制，為亞太地區用戶提供定位、 測速、授時、廣域差分和短報文通信服務。目前，正在運行的 北斗二號系統發播 B1I 和 B2I 公開服務信號，免費向亞太地區 提供公開服務。服務區為南北緯 55 度、東經 55 度到 180 度區 域，定位精度優于 10 米，測速精度優于 0.2 米/秒，授時精度 優于 50 納秒。雙向短報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。

與其他衛星導航系統相比，北斗系統具備以下優勢：一是 北斗系統空間段采用中圓地球軌道衛星 MEO 、靜止地球軌道 GEO 和傾斜地球同步軌道 IGSO 三種軌道衛星組成的混合星 座，高軌道衛星更多，抗遮擋能力更強，在低緯度地區性能特 點更為明顯。 二是北斗系統目前發射3個頻率的信號：1561 MHz、 1268 MHz 及 1207 MHz ，用戶可以通過多頻信號組合使用等 方式提高服務精度。三是北斗系統創新融合了導航與通信能力， 是世界上首個集定位、授時和報文通信為一體的衛星導航系統， 解決了“何人、何時、何處”的相關問題， 實現了位置報告、 態勢共享。這些特點使北斗在適于不同用戶，尤其是集團用戶 的應用， 在我國國防建設、森林防火、抗震救災、海洋漁業等 行業已發揮了重要作用。

北斗全球系統建設于 2009 年啟動，繼承北斗有源服務和 無源服務兩種技術體制。2018 年，面向“一帶一路”沿線及周 邊國家提供基本服務，2020 年基本完成 35 顆衛星發射組網， 為全球用戶提供服務。北斗全球系統將采用更先進的信號體制， 不斷強化短報文通信這一優勢，北斗系統的性能將不斷提升， 北斗系統的應用將持續擴展。本文結合北斗系統特點，將其與航天器軌道預報系統和地理信息系統結合，研究其在反衛星偵 察領域的應用，展示北斗系統綜合應用的強大前景。

二、衛星偵察與反衛星偵察

衛星偵察是現代偵察技術的重要組成部分，是和平時期主 要的偵察方式。衛星偵察由于偵察面積大、范圍廣、時效快、 不受國界和地理條件限制，所獲情報確切可靠，已成為最重要 的情報來源之一。

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

目前反衛星偵察技術主要分為三種。第一是規避和偽裝。 規避根據預報的偵察衛星過頂時段，通過隱藏或者無線電靜默 規避衛星偵察;偽裝主要針對成像偵察衛星，通過偽裝措施來 削弱衛星成像能力。第二是電子干擾。對于光學成像衛星使用 強激光干擾技術，使光學傳感器暫時飽和，無法獲取地面圖像; 對雷達成像衛星發射壓制或者欺騙干擾信號使其無法正常成 像;對于電子偵察衛星使用噪聲干擾，降低其接收機的檢測概 率。第三是硬摧毀，主要是直接破壞其傳感器或者衛星載體。

對偵察衛星的反偵察和對抗，一般是依賴航天器軌道預報 系統，通過建立偵察衛星軌道預報模型和衛星傳感器覆蓋模型， 選取合適的時間窗口和對抗區域，針對性的選擇適當的對抗措 施。

三、北斗系統在反衛星偵察中的優勢

反衛星偵察系統根據衛星位置數據和目標位置數據，為目 標提供衛星過頂的信息，提示目標采取對應的措施。目前反衛 星偵察的研究多數基于固定區域的反衛星偵察研究，研究重點 是偵察衛星對抗技術，側重于固定目標的事先規劃。因缺乏位 置采集、預警信息發布等實時性交互手段的支持，對于目標機 動過程中沒有很好的反衛星偵察預警支持。機動過程中的反衛 星偵察具有諸多近實時性需求，而北斗系統能夠滿足這些需求：

一是時間空間一致性。反衛星偵察系統根據為多個機動目 標提供預警信息服務。該系統是時間和空間敏感的系統，即機 動目標和預警服務端交互信息包含目標定位時間、定位坐標、 服務端計算的衛星偵察威脅時段等信息，涉及位置和時間描述 的一致性。反衛星偵察服務端的衛星軌道預報、傳感器地面覆 蓋計算也依賴時間和位置信息，為保證反衛星偵察預警科學可 用，必須保證機動目標與服務端時間上保持同步，位置上描述 的標準相同。北斗系統建立并保持了 CGCS2000 空間坐標基準 及 BDT 時間基準，其定位結果采用 CGCS2000 坐標系，其授 時標準是 BDT 時間標準，建立在北斗系統基礎上的反衛星偵 察預警系統能夠完美解決系統服務端和各機動目標時間空間 一致性問題。

二是目標位置采集實時性。預警信息生成依賴衛星覆蓋范 圍與機動目標在同一時刻的位置關系。衛星覆蓋范圍通過衛星 軌道預報和傳感器覆蓋模型計算來獲取，而機動目標位置不斷 變化，為保證預警信息科學準確，需要實時采集機動目標位置 數據。北斗系統自身具備快速定位和位置上報功能，能夠滿足 反衛星偵察系統對目標位置采集實時性要求。

三是預警信息播發實時性。當傳感器覆蓋模型計算出機動 目標處于衛星偵察范圍內，則會生成預警信息，并將預警信息 實時播發給相關目標，使其能夠采取針對性的反衛星偵察手段。 北斗系統具備短報文通信功能，依托這一功能可以完成預警信 息的播發，無需建立新的通信鏈路。

四、反衛星偵察預警系統設計

（一）系統設計

為保證反衛星偵察系統的松耦合、可擴展、易維護，整個 系統采用面向服務的結構，由若干客戶端和一個服務端組成。 客戶端持續向服務端提供定位數據，服務端通過一系列計算后 向客戶端反饋對應的預警信息。整個系統硬件組織如圖 1所示， 系統各部分邏輯關系見圖 2。

客戶端只需配備具備定位、授時及短報文通信功能的北斗 手持或者車載終端?？蛻舳斯δ芤皇秦撠煱匆欢ǖ念l度完成時 間同步和自身定位，并將定位時間、定位位置、速度、行進方 向等信息上報給指定的服務端指揮機;二是以短報文方式接收 指揮機發布的預警信息。

服務端配備一組具備短報文通信及授時功能的北斗指揮 機，指揮機通過網絡與服務器連接。指揮機負責時間同步、接 收客戶端位置信息以及發布預警信息;服務器負責維持和更新 衛星及客戶端的相關業務信息，經過位置修正、衛星軌道預報、 傳感器覆蓋計算等操作生成預警信息，并由指揮機將預警信息 發布給對應的終端。系統工作流程如圖 3 所示。

（二）客戶端功能實現

客戶端由北斗終端組成，采用 RNSS 定位，每次定位都能 夠計算當前終端位置，同時獲取終端時間與北斗時的鐘差，并 進行自動校正終端本地時間，完成授時和定位兩項功能。終端 按照短報文頻度上報定位的時間、位置、速度、方向四類位置 信息。預警信息的接收以短報文接收的方式獲取。目前市場北 斗手持設備多數具備上述功能。

（三）服務端功能實現

北斗指揮機自身具備北斗授時、短報文通信、衛星定位等 功能，此外還開放了開發接口，允許用戶遠程調用來獲取北斗 時間、接收定位和通信數據、發送短報文以及查看狀態信息。

服務器功能的實現依賴兩類數據，服務器需要維持這些業 務數據。一類數據是目標定位數據，包含目標的定位時間、位 置、速度及方向信息;另一類是衛星數據，包括衛星的 TLE 參 數以及衛星姿態及傳感器參數，TLE 參數用來進行衛星軌道預 報，衛星姿態及傳感器數據用于傳感器覆蓋范圍計算。

服務器的位置接收、預警發布和時間同步三項功能是調用 指揮機實現的。位置接收是響應指揮機短報文接收事件，解析 短報文，獲取目標的位置數據并進行更新;預警發布時調用指 揮機短報文發送接口，將衛星名稱、威脅時段以短報文的方式 發送給客戶端;時間同步是定期調用指揮機衛星授時接口，獲 取北斗時，并進行系統時間更新。

位置修正用于預測運動目標當前時刻的位置。服務器在每 次計算時，先獲取當前時間，根據目標最后定位的位置、速度、 方向和時間信息，按照線性變化的原則估算出目標當前的位置。

衛星軌道預報的目的是預測衛星在某一時刻的空間位置， 為衛星覆蓋模型計算提供衛星位置。實踐中獲得廣泛應用的計 算模型是 SGP4 （Simplified General Perturbations Version4 ）模型。 原理是在 TLE 的基礎上通過重構短、長周期項以及長期項的攝 動力大小而對軌道進行預報，當使用特定的 TLE 作為輸入時可 較準確的對近地目標軌道進行預報。TLE（Two-line mean element）是基于一般攝動理論產生的用于預報地球軌道飛行器 位置和速度的一組軌道根數。與利用測軌數據進行的軌道確定或者軌道預報獲得的瞬時軌道六根數不同，兩行根數是在真赤 道、平春分點坐標下的“平均”根數，是利用特定方法去除了 周期攝動影響的根數，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影響，以及大氣 阻力模型產生的引力共振和軌道衰退。

衛星覆蓋計算是計算衛星的傳感器在某一時刻或在一段 較長時期內能觀測到的地球的那一區域。評價覆蓋時，要區分 瞬時視場和尋訪區。瞬時視場是傳感器在任一時刻可以探測到 的有效區域。尋訪區是指通過航天器或傳感器的擺動在任一時 刻可能觀測到的地面區域的總和。功能實現采用適用多傳感器 的衛星對地覆蓋計算模型，根據傳感器視場的幾何形狀及參數 建立初始觀測矢量，同時基于衛星位置、姿態參數和地球橢球 模型，計算傳感器邊界單元對應的地球表面映射位置，從而實 現覆蓋計算。在缺乏衛星姿態及傳感器參數的情況下以尋訪區 代替瞬時視場。

預警生成根據衛星傳感器覆蓋范圍和目標的位置，判斷目 標是否將處于衛星的監視范圍內，一旦發現目標可能被偵察， 則生成預警信息。對于任務目標點定義為點 T，傳感器作用范 圍定義為多邊形 P，P 的各頂點按照順時針順序定義為 {V1，V2….Vn} ，那么定義關系函數為

其中 S⊿TV1V2表示以點 T、V1、V2為頂點的三角形面積， SP 表示多邊形 P 的面積。根據圖 4 可知，關系函數 g 最小值是 當點 T 位于多邊形內，此時值為 1。當 g 值大于 1 時，如圖 5 所示，表示點位于多邊形外，且值越大目標點距離多邊形可能 越遠。

態勢顯示是在三維平臺顯示衛星的軌道、衛星的位置、衛 星的覆蓋范圍、目標的位置等信息，這是一個地理信息系統的 功能。三維顯示技術選擇了 Skyline 作為 3DGIS 的開發軟件。 Skyline 技術是全球最早專注于研究三維數字地球的技術之一， 利用航空影像、衛星圖片、地形數據、數字高程模型以及各種 矢量地理數據的疊加，可以生成真實質感的三維場景。 TerraExplorer Pro API，具有增強的 COM 接口，可控制三維場 景中所有的對象及其動作。

五、系統驗證

試驗系統按照第四章設計結構進行實現，指揮機采用振芯 科技的“普通型北斗指揮型終端”，客戶端采用“北斗手持導 航通信終端” ，服務器采用 Think-server RD440，服務器與指揮機接入同一個局域網，二者通過網絡進行信息交換。

衛星軌道預報及傳感器覆蓋計算結果見圖 6，經預報結果 和實際軌道比對，軌道預報精度由預報時間決定，預報的時間 距離 TLE 軌道根數時間越長，軌道預報精度越低，但是預報精 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，將位置修正結果與同時刻手持機自身 RNSS 定位存貯結果對比，100 個點位平均差為 13.2 米，比北 斗衛星導航系統定位精度稍差，主要原因是終端在彎道時位置 變化頻繁，位置修正的線性算法造成誤差。系統能夠完成預警 生成及預警信息播發，如圖 8 所示

經服務能力測試，單顆衛星預報 24 小時軌道，生成 86400 次位置（每秒 1 次），計算需要 44 毫秒;單顆矩形傳感器覆蓋 計算一次需要 0.25 毫秒;判斷單一目標是否處于單一傳感器內 部，計算 1 次需要 0.06 毫秒;北斗短報文發送至接收延遲約 1 秒;整個系統瓶頸在于指揮機的通信頻度，建設實用的預警系 統需要根據移動目標和偵察衛星的具體規?？茖W設計硬件，尤 其是指揮機配置。

結束語：

本文將北斗衛星導航系統與地理信息系統、航天器軌道預 報系統結合應用，構建了適用于機動目標的反衛星偵察預警系 統。該系統充分發揮了北斗衛星導航系統的定位、授時、短報 文通信功能，具有結構簡單、維護方便、硬件可與指揮控制系 統共享的特點。隨著北斗衛星導航系統全球化步伐的推進，相 信其在國民經濟、國防建設中的信息基礎設施作用更加凸顯。