北斗卫星导航系统在反卫星侦察中的应用

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　　摘 要：介绍了卫星侦察的典型方式，根据反卫星侦察的技术需求和北斗卫星导航系统的功能，设计了基于北斗系统的面向服务的反卫星侦察预警系统。实验证明系统能够满足机动中的反卫星侦察的需求。
　　关键词：反侦察;卫星侦察;北斗卫星导航系统;机动
　　一、、北斗卫星导航系统
　　北斗卫星导航系统（简称北斗系统）是中国自行研制的卫星 导航系统，和美国 GPS、俄罗斯 GLONASS、欧盟 GALILEO 一同被联合国卫星导航委员会认定为供应商。
　　截止 2012 年年底，北斗二号系统已经完成 14 颗卫星（5 颗地球静止轨道卫星、5 颗倾斜地球同步轨道卫星和 4 颗中圆 地球轨道卫星）发射组网。北斗二号系统在兼容北斗一号技术 体制基础上，增加无源定位体制，为亚太地区用户提供定位、 测速、授时、广域差分和短报文通信服务。目前，正在运行的 北斗二号系统发播 B1I 和 B2I 公开服务信号，免费向亚太地区 提供公开服务。服务区为南北纬 55 度、东经 55 度到 180 度区 域，定位精度优于 10 米，测速精度优于 0.2 米/秒，授时精度 优于 50 纳秒。双向短报文通信能力随着军民用户不同而异， 存在频度和容量之别： 军事用户最高等级频度为每秒一次，每 次 1680bit（120 汉字）;民间用户频度是每 60 秒一次，每次 40 汉 字。
　　与其他卫星导航系统相比，北斗系统具备以下优势：一是 北斗系统空间段采用中圆地球轨道卫星 MEO 、静止地球轨道 GEO 和倾斜地球同步轨道 IGSO 三种轨道卫星组成的混合星 座，高轨道卫星更多，抗遮挡能力更强，在低纬度地区性能特 点更为明显。 二是北斗系统目前发射3个频率的信号：1561 MHz、 1268 MHz 及 1207 MHz ，用户可以通过多频信号组合使用等 方式提高服务精度。三是北斗系统创新融合了导航与通信能力， 是世界上首个集定位、授时和报文通信为一体的卫星导航系统， 解决了“何人、何时、何处”的相关问题， 实现了位置报告、 态势共享。这些特点使北斗在适于不同用户，尤其是集团用户 的应用， 在我国国防建设、森林防火、抗震救灾、海洋渔业等 行业已发挥了重要作用。
　　北斗全球系统建设于 2009 年启动，继承北斗有源服务和 无源服务两种技术体制。2018 年，面向“一带一路”沿线及周 边国家提供基本服务，2020 年基本完成 35 颗卫星发射组网， 为全球用户提供服务。北斗全球系统将采用更先进的信号体制， 不断强化短报文通信这一优势，北斗系统的性能将不断提升， 北斗系统的应用将持续扩展。本文结合北斗系统特点，将其与航天器轨道预报系统和地理信息系统结合，研究其在反卫星侦 察领域的应用，展示北斗系统综合应用的强大前景。
　　二、卫星侦察与反卫星侦察
　　卫星侦察是现代侦察技术的重要组成部分，是和平时期主 要的侦察方式。卫星侦察由于侦察面积大、范围广、时效快、 不受国界和地理条件限制，所获情报确切可靠，已成为最重要 的情报来源之一。
　　目前侦察卫星主要分为两类：成像侦察卫星和电子侦察卫 星。成像侦察卫星根据成像传感器的不同大致可分为照相侦察 卫星和雷达成像卫星。成像侦察卫星通过地球物表的成像，获 取各种重要区域设施的布局，为各类行动提供可靠情报。电子 侦察卫星是通过对诸如雷达、通信设备所辐射的电磁信号的获 取，确定辐射源的方位及活动情况，生成侦察信息。
　　目前反卫星侦察技术主要分为三种。第一是规避和伪装。 规避根据预报的侦察卫星过顶时段，通过隐藏或者无线电静默 规避卫星侦察;伪装主要针对成像侦察卫星，通过伪装措施来 削弱卫星成像能力。第二是电子干扰。对于光学成像卫星使用 强激光干扰技术，使光学传感器暂时饱和，无法获取地面图像; 对雷达成像卫星发射压制或者欺骗干扰信号使其无法正常成 像;对于电子侦察卫星使用噪声干扰，降低其接收机的检测概 率。第三是硬摧毁，主要是直接破坏其传感器或者卫星载体。
　　对侦察卫星的反侦察和对抗，一般是依赖航天器轨道预报 系统，通过建立侦察卫星轨道预报模型和卫星传感器覆盖模型， 选取合适的时间窗口和对抗区域，针对性的选择适当的对抗措 施。
　　三、北斗系统在反卫星侦察中的优势
　　反卫星侦察系统根据卫星位置数据和目标位置数据，为目 标提供卫星过顶的信息，提示目标采取对应的措施。目前反卫 星侦察的研究多数基于固定区域的反卫星侦察研究，研究重点 是侦察卫星对抗技术，侧重于固定目标的事先规划。因缺乏位 置采集、预警信息发布等实时性交互手段的支持，对于目标机 动过程中没有很好的反卫星侦察预警支持。机动过程中的反卫 星侦察具有诸多近实时性需求，而北斗系统能够满足这些需求：
　　一是时间空间一致性。反卫星侦察系统根据为多个机动目 标提供预警信息服务。该系统是时间和空间敏感的系统，即机 动目标和预警服务端交互信息包含目标定位时间、定位坐标、 服务端计算的卫星侦察威胁时段等信息，涉及位置和时间描述 的一致性。反卫星侦察服务端的卫星轨道预报、传感器地面覆 盖计算也依赖时间和位置信息，为保证反卫星侦察预警科学可 用，必须保证机动目标与服务端时间上保持同步，位置上描述 的标准相同。北斗系统建立并保持了 CGCS2000 空間坐标基准 及 BDT 时间基准，其定位结果采用 CGCS2000 坐标系，其授 时标准是 BDT 时间标准，建立在北斗系统基础上的反卫星侦 察预警系统能够完美解决系统服务端和各机动目标时间空间 一致性问题。
　　二是目标位置采集实时性。预警信息生成依赖卫星覆盖范 围与机动目标在同一时刻的位置关系。卫星覆盖范围通过卫星 轨道预报和传感器覆盖模型计算来获取，而机动目标位置不断 变化，为保证预警信息科学准确，需要实时采集机动目标位置 数据。北斗系统自身具备快速定位和位置上报功能，能够满足 反卫星侦察系统对目标位置采集实时性要求。 　　三是预警信息播发实时性。当传感器覆盖模型计算出机动 目标处于卫星侦察范围内，则会生成预警信息，并将预警信息 实时播发给相关目标，使其能够采取针对性的反卫星侦察手段。 北斗系统具备短报文通信功能，依托这一功能可以完成预警信 息的播发，无需建立新的通信链路。
　　四、反卫星侦察预警系统设计
　　（一）系统设计
　　为保证反卫星侦察系统的松耦合、可扩展、易维护，整个 系统采用面向服务的结构，由若干客户端和一个服务端组成。 客户端持续向服务端提供定位数据，服务端通过一系列计算后 向客户端反馈对应的预警信息。整个系统硬件组织如图 1所示， 系统各部分逻辑关系见图 2。
　　客户端只需配备具备定位、授时及短报文通信功能的北斗 手持或者车载终端。客户端功能一是负责按一定的频度完成时 间同步和自身定位，并将定位时间、定位位置、速度、行进方 向等信息上报给指定的服务端指挥机;二是以短报文方式接收 指挥机发布的预警信息。
　　服务端配备一组具备短报文通信及授时功能的北斗指挥 机，指挥机通过网络与服务器连接。指挥机负责时间同步、接 收客户端位置信息以及发布预警信息;服务器负责维持和更新 卫星及客户端的相关业务信息，经过位置修正、卫星轨道预报、 传感器覆盖计算等操作生成预警信息，并由指挥机将预警信息 发布给对应的终端。系统工作流程如图 3 所示。
　　（二）客户端功能实现
　　客户端由北斗终端组成，采用 RNSS 定位，每次定位都能 够计算当前终端位置，同时获取终端时间与北斗时的钟差，并 进行自动校正终端本地时间，完成授时和定位两项功能。终端 按照短报文频度上报定位的时间、位置、速度、方向四类位置 信息。预警信息的接收以短报文接收的方式获取。目前市场北 斗手持设备多数具备上述功能。
　　（三）服务端功能实现
　　北斗指挥机自身具備北斗授时、短报文通信、卫星定位等 功能，此外还开放了开发接口，允许用户远程调用来获取北斗 时间、接收定位和通信数据、发送短报文以及查看状态信息。
　　服务器功能的实现依赖两类数据，服务器需要维持这些业 务数据。一类数据是目标定位数据，包含目标的定位时间、位 置、速度及方向信息;另一类是卫星数据，包括卫星的 TLE 参 数以及卫星姿态及传感器参数，TLE 参数用来进行卫星轨道预 报，卫星姿态及传感器数据用于传感器覆盖范围计算。
　　服务器的位置接收、预警发布和时间同步三项功能是调用 指挥机实现的。位置接收是响应指挥机短报文接收事件，解析 短报文，获取目标的位置数据并进行更新;预警发布时调用指 挥机短报文发送接口，将卫星名称、威胁时段以短报文的方式 发送给客户端;时间同步是定期调用指挥机卫星授时接口，获 取北斗时，并进行系统时间更新。
　　位置修正用于预测运动目标当前时刻的位置。服务器在每 次计算时，先获取当前时间，根据目标最后定位的位置、速度、 方向和时间信息，按照线性变化的原则估算出目标当前的位置。
　　卫星轨道预报的目的是预测卫星在某一时刻的空间位置， 为卫星覆盖模型计算提供卫星位置。实践中获得广泛应用的计 算模型是 SGP4 （Simplified General Perturbations Version4 ）模型。 原理是在 TLE 的基础上通过重构短、长周期项以及长期项的摄 动力大小而对轨道进行预报，当使用特定的 TLE 作为输入时可 较准确的对近地目标轨道进行预报。TLE（Two-line mean element）是基于一般摄动理论产生的用于预报地球轨道飞行器 位置和速度的一组轨道根数。与利用测轨数据进行的轨道确定或者轨道预报获得的瞬时轨道六根数不同，两行根数是在真赤 道、平春分点坐标下的“平均”根数，是利用特定方法去除了 周期摄动影响的根数，通常与 SGP4、 SDP4 模型一起使用。TLE 考虑了地球扁率、日月引力的长期和周期摄动影响，以及大气 阻力模型产生的引力共振和轨道衰退。
　　卫星覆盖计算是计算卫星的传感器在某一时刻或在一段 较长时期内能观测到的地球的那一区域。评价覆盖时，要区分 瞬时视场和寻访区。瞬时视场是传感器在任一时刻可以探测到 的有效区域。寻访区是指通过航天器或传感器的摆动在任一时 刻可能观测到的地面区域的总和。功能实现采用适用多传感器 的卫星对地覆盖计算模型，根据传感器视场的几何形状及参数 建立初始观测矢量，同时基于卫星位置、姿态参数和地球椭球 模型，计算传感器边界单元对应的地球表面映射位置，从而实 现覆盖计算。在缺乏卫星姿态及传感器参数的情况下以寻访区 代替瞬时视场。
　　预警生成根据卫星传感器覆盖范围和目标的位置，判断目 标是否将处于卫星的监视范围内，一旦发现目标可能被侦察， 则生成预警信息。对于任务目标点定义为点 T，传感器作用范 围定义为多边形 P，P 的各顶点按照顺时针顺序定义为 {V1，V2….Vn} ，那么定义关系函数为
　　其中 S⊿TV1V2表示以点 T、V1、V2为顶点的三角形面积， SP 表示多边形 P 的面积。根据图 4 可知，关系函数 g 最小值是 当点 T 位于多边形内，此时值为 1。当 g 值大于 1 时，如图 5 所示，表示点位于多边形外，且值越大目标点距离多边形可能 越远。
　　态势显示是在三维平台显示卫星的轨道、卫星的位置、卫 星的覆盖范围、目标的位置等信息，这是一个地理信息系统的 功能。三维显示技术选择了 Skyline 作为 3DGIS 的开发软件。 Skyline 技术是全球最早专注于研究三维数字地球的技术之一， 利用航空影像、卫星图片、地形数据、数字高程模型以及各种 矢量地理数据的叠加，可以生成真实质感的三维场景。 TerraExplorer Pro API，具有增强的 COM 接口，可控制三维场 景中所有的对象及其动作。
　　五、系统验证
　　试验系统按照第四章设计结构进行实现，指挥机采用振芯 科技的“普通型北斗指挥型终端”，客户端采用“北斗手持导 航通信终端” ，服务器采用 Think-server RD440，服务器与指挥机接入同一个局域网，二者通过网络进行信息交换。
　　卫星轨道预报及传感器覆盖计算结果见图 6，经预报结果 和实际轨道比对，轨道预报精度由预报时间决定，预报的时间 距离 TLE 轨道根数时间越长，轨道预报精度越低，但是预报精 度会于 20 分钟左右开始逐渐收敛于 50 米左右，见图 7
　　位置修正误差，将位置修正结果与同时刻手持机自身 RNSS 定位存贮结果对比，100 个点位平均差为 13.2 米，比北 斗卫星导航系统定位精度稍差，主要原因是终端在弯道时位置 变化频繁，位置修正的线性算法造成误差。系统能够完成预警 生成及预警信息播发，如图 8 所示
　　经服务能力测试，单颗卫星预报 24 小时轨道，生成 86400 次位置（每秒 1 次），计算需要 44 毫秒;单颗矩形传感器覆盖 计算一次需要 0.25 毫秒;判断单一目标是否处于单一传感器内 部，计算 1 次需要 0.06 毫秒;北斗短报文发送至接收延迟约 1 秒;整个系统瓶颈在于指挥机的通信频度，建设实用的预警系 统需要根据移动目标和侦察卫星的具体规模科学设计硬件，尤 其是指挥机配置。
　　结束语：
　　本文将北斗卫星导航系统与地理信息系统、航天器轨道预 报系统结合应用，构建了适用于机动目标的反卫星侦察预警系 统。该系统充分发挥了北斗卫星导航系统的定位、授时、短报 文通信功能，具有结构简单、维护方便、硬件可与指挥控制系 统共享的特点。随着北斗卫星导航系统全球化步伐的推进，相 信其在国民经济、国防建设中的信息基础设施作用更加凸显。
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