一种卫星隐身构型优化设计方法

摘要

本发明公开了一种卫星隐身构型优化设计方法，属于卫星隐身设计领域，本发明在已有底面为正六边形的多棱面隐身卫星的基础上，通过改变正多边形底面边数来优化构型。本发明包括底面分别为正五边形、正六边形、正八边形、正十二边形和正十六边形的多棱面锥体；通过对优化方法中的五种隐身构型进行RCS对比仿真得到了构型RCS算术均值会随着多边形边数增加而出现先降低后升高的特点，当底面为正八边形时RCS算术均值达到最小，即卫星隐身效果最优，相较于现有技术，本发明卫星隐身构型的周向RCS算术均值下降了6.95dBsm，下降幅度达到了34.42%，隐身性能更优。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星构型设计领域，尤其涉及用于微小卫星隐身构型优化设计，具体为一种卫星隐身构型优化设计方法。

背景技术

隐身卫星对未来空间攻防中起着至关重要的作用。针对卫星在不同探测系统下所面临的不同威胁，卫星隐身技术可以分为雷达隐身、射频隐身、可见光隐身和红外隐身，其中卫星的主要威胁之一来自雷达，设计和优化卫星隐身构型可进一步降低目标RCS、提高卫星隐身能力。

也许是出于保密的原因，国内外对卫星隐身这一领域的研究还相对较少，对已有隐身卫星进行隐身构型优化就更为罕见。1990年，美国朦胧计划的首星(Misty-1)成功发射，圆柱形的卫星本体下方有一锥形充气罩，地面发射的雷达波照射至锥形充气罩会折射至其他方向，使回波能量得到极大抑制，同时这也是世界上首颗在轨运行的隐身卫星。郑侃依据多棱面设计思路，提出了3种隐身微小卫星构型并通过RCS对比仿真，得到了多棱面锥体的隐身效果较优这一结论。朱冬骏等提出了一种兼顾雷达隐身和光学隐身的卫星构型，它的光学横截面积(OCS)峰值仅为0.082m

已有隐身卫星天巡一号(底面为正六边形)进行了RCS数值计算、样星地面隐身性能试验、正星在轨运行测试等验证手段证实了其具备低雷达目标特性。然而，天巡一号的隐身构型并不是最优的一种构型，还可以在它的基础上继续优化构型来进一步降低卫星RCS。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种卫星隐身构型优化设计方法，得到一种更优的构型，在重点角域和全向角域RCS算术均值的进一步缩减，对初始构型，即底面为正六边形的天巡一号的底面进行优化，即从减少和增加正多边形边数来着手优化构型，得到隐身性能更优的底面为正五边形、正六边形、正八边形、正十二边形、正十六边形多棱面锥体，本发明的多棱面锥体提高了卫星的隐身能力，为今后微小卫星隐身设计和优化提供了技术参考。

本发明是这样实现的：

一种卫星隐身构型优化设计方法，其特征在于，所述的卫星隐身构型为三段几何体结构的多棱面锥体，所述的多棱面锥体从上至下依次为多棱边棱锥、多棱边棱台、多棱边棱柱；所述的多棱面锥体为正八棱边三段体，即多棱面锥体的底面为正八边形。

进一步，所述的多棱面锥体底面还可以为正五边形、正六边形、正十二边形、正十六边形，底面多边形均在同一直径的圆形包络内；所述的多棱面锥体的第一段高度为262mm、第二段高度为374mm、第三段高度为185mm。

进一步，不同底面的多棱面锥体隐身性能不同，所述的多棱面锥体底面的正多边形边数发生变动时，卫星每个棱面的大小和倾斜的角度也会随之发生变化，进而导致卫星的后向雷达散射截面发生变化，即卫星隐身性能发生变化。

进一步，所述的卫星隐身性能用RCS值衡量；通过对正五边形、正六边形、正八边形、正十二边形和正十六边形的多棱面锥体的卫星在X波段下的RCS对比仿真，统计了重点角域和全向角域下的RCS算术均值，所述的重点角域选取以卫星尖端处为中心的±60°角域；所述的正五边形周向RCS均值为-16.19dBsm，重点角域RCS均值为-32.28dBsm；所述的正六边形周向RCS均值为-20.19dBsm，重点角域RCS均值为-20.19dBsm；所述的正八边形周向RCS均值为-27.14dBsm，重点角域RCS均值为-24.03dBsm；所述的正十二边形周向RCS均值为-23.65dBsm，重点角域RCS均值为-15.26dBsm；所述的正十六边形周向RCS均值为-21.94dBsm，重点角域RCS均值为-11.75dBsm。

进一步，所述的底面为正五边形、正六边形、正八边形、正十二边形和正十六边形的多棱面锥体的电磁散射机理均是一致的，包括镜面反射、边缘绕射、尖顶散射；不同的多棱面锥体构型棱面面积和斜置的角度不同导致其散射场和RCS不同。

本发明一种卫星隐身构型优化设计方法，所述的优化方法为：

步骤一、通过改变底面为正六边形的天巡一号隐身卫星底面多边形形状来获得不同构型的卫星隐身构型；正六边形边数向下迭代可得到正五边形，向上迭代可得到正八边形、正十二边形和正十六边形，并以此得到了五种不同的多棱面隐身卫星；

步骤二、针对该类型的多棱面隐身卫星的散射特性，采用物理光学法以及等效电磁流法的混合求解方法，求解出多棱面隐身卫星的RCS；

所述的物理光学法(PO)适用于目标在光学区的散射特性求解，从斯特拉顿-朱兰成(Stratton-Chu)散射场积分方程出发，通过切平面近似方法假设目标表面电流值等于积分面元处目标为理想光滑平面时的电流值，并据此来对物理光学电流进行积分得到目标远区散射场；根据切平面近似所得到面元RCS的平方根为：

式中：n表示积分面元处的法向矢量，k为入射电磁波数量，j为虚数单位，S为小面元的面积，e

PO对于镜面反射的具备很高的求解精度，但对于边缘和尖端处的散射问题求解效果却并不理想；故对于卫星的边缘绕射和尖顶散射采用等效电磁流法来进行求解计算，基于等效电磁流理论的面元RCS平方根为：

式中：t是边缘单位矢量方向，θ是包括入射方向i和t的角度，

此时卫星的总RCS叠加方程为：

步骤三、对采用混合方法，即PO+ECM求出的卫星RCS数据进行后处理，计算出其周向RCS均值和重点角域下的RCS均值并进行对比分析；由仿真结果不难发现，卫星隐身性能随着卫星底面多边形边数的增加出现先上升后下降的特点，最佳隐身构型出现在底面为正八边形时，证明了本优化方法的有效性，通过改变卫星构型可降低隐身卫星的RCS均值，进一步提升卫星隐身性能，即通过迭代卫星底面多边形边数可以得到隐身效果更优的卫星构型。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：通过对已有卫星构型的进一步优化得到了新的隐身构型，其全向RCS均值和重点角域内RCS均值分别低于原设计(天巡一号)6.95dBsm和3.12dBsm，下降幅度达到了34.42％和14.92％，隐身性能得到了显著提升。

附图说明

图1为本发明中的卫星构型优化方法中底面为正五边形的三段体多棱面隐身构型；

图2为本发明中的卫星构型优化方法中底面为正六边形的三段体多棱面隐身构型；

图3为本发明中的卫星构型优化方法中底面为正八边形的三段体多棱面隐身构型；

图4为本发明中的卫星构型优化方法中底面为正十二边形的三段体多棱面隐身构型；

图5为本发明中的卫星构型优化方法中底面为正十六边形的三段体多棱面隐身构型；

图6为本发明中五种隐身卫星构型在X波段的中心频点(10GHz)下的RCS对比仿真；

图7为本发明中的卫星构型优化方法的流程图；

图8为本发明一种卫星隐身构型优化设计方法得到的卫星隐身构型。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下结合仿真实例和附图对本发明作进一步说明，以方便更好地理解本发明中的优化构型在隐身性能上的显著提升。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开的一种卫星隐身构型优化设计方法，所述的优化方法为：

步骤一、通过改变天巡一号隐身卫星底面多边形形状来获得几种不同构型的卫星隐身构型。正六边形边数向下迭代可得到正五边形，向上迭代可得到正八边形、正十二边形和正十六边形，并以此得到了五种不同的多棱面隐身卫星。

步骤二、针对该类型的多棱面隐身卫星的散射特性，采用物理光学法+等效电磁流法的混合求解方法，既可以准确求解出多棱面隐身卫星的RCS又可大幅降低计算机内存需求，节约在RCS数值计算上所花时间。

物理光学法(PO)主要适用于目标在光学区的散射特性求解，从斯特拉顿-朱兰成(Stratton-Chu)散射场积分方程出发，通过切平面近似方法假设目标表面电流值等于积分面元处目标为理想光滑平面时的电流值，并据此来对物理光学电流进行积分得到目标远区散射场。根据切平面近似所得到面元RCS的平方根为：

式中：n表示积分面元处的法向矢量，k为入射电磁波数量，j为虚数单位，S为小面元的面积，e

PO对于镜面反射的具备很高的求解精度，但对于边缘和尖端处的散射问题求解效果却并不理想。故对于卫星的边缘绕射和尖顶散射采用等效电磁流法来进行求解计算，基于等效电磁流理论的面元RCS平方根为：

式中：t是边缘单位矢量方向，θ是包括入射方向i和t的角度，

此时卫星的总RCS叠加方程为：

步骤三、对采用混合方法(PO+ECM)所求出的卫星RCS数据进行后处理，计算出其周向RCS均值和重点角域下的RCS均值并进行对比分析。由仿真结果不难发现，卫星隐身性能随着卫星底面多边形边数的增加出现先上升后下降的特点，最佳隐身构型出现在底面为正八边形时。证明了本优化方法的有效性，通过改变卫星构型可降低隐身卫星的RCS均值，进一步提升卫星隐身性能，即通过迭代卫星底面多边形边数可以得到隐身效果更优的卫星构型。

上述的方法得到的卫星隐身构型为三段几何体结构的多棱面锥体，如图1～图5所示，所述的多棱面锥体从上至下依次为多棱边棱锥(1)、多棱边棱台(2)、多棱边棱柱(3)；多棱面锥体底面为正五边形、正六边形、正八边形、正十二边形、正十六边形，底面多边形均在同一直径的圆形包络内；所述的多棱面锥体的三段几何体所对应的高度均相同，第一段高度为262mm、第二段高度为374mm、第三段高度为185mm。

本发明的五种隐身卫星它们的隐身外形比较相似，但具体的RCS分布却差异显著。通过改变底面正多边形形状使得棱锥、棱台、棱柱的棱面面积、数量以及斜置棱面倾斜角度不同，进而改变其后向雷达散射截面。

卫星的隐身性能是用RCS来衡量的，为验证构型优化方法，图6给出在X波段中心频点下(10GHz)构型优化方法中所有卫星的周向RCS分布和RCS对比图。

除正五边形外的其他构型RCS分布均是以180°为对称中心对称分布的，在180°处所有构型均有一最大的散射波峰，这正好对应了多边形底面强烈的镜面反射。它们除中心处的明显主瓣外，左右各有3处对称的散射波峰且随着多边形边数增加逐渐向两边靠拢。这是由于底面多边形边数不同导致的每块棱面面积和斜置角度不同，从而影响了卫星总RCS。具体来看，图6(a)为五棱边三段体构型的RCS仿真结果，由于它并不是中心对称结构所以它的RCS曲线并非沿着180°对称分布，主瓣出现在180°处，此外其在270°附近角域也有两处较强的散射波峰。除去主瓣外，其余角域RCS基本分布在20dB以下的水准，总体隐身效果很差。图6(b)到图6(e)散射特性类似，在180°处有一强烈的散射波峰，这对应了雷达波垂直入射至多边形底面的情况，其余角域下RCS均处在一个较低的水平。其中图6(b)除去主瓣外，其余角域RCS基本处在-5dB以下的水准，隐身效果较好；图6(c)中较多角域下RCS处于一个极低的水准，可达到-40dB以下。除去主瓣外，其余角域RCS基本处在0dB以下的水准，隐身效果较好；图(d)除去主瓣外，其余角域RCS基本处在5dB以下的水准；图(e)除去主瓣外，其余角域RCS基本处在15dB以下的水准，隐身效果较差。图6(f)的RCS对比仿真可知，天巡一号、正八边形和正十二边形RCS整体较低而正五边形和正十六边形RCS整体较高。

为了具体地分析优化方法中的卫星构型隐身性能，将RCS分布曲线求算术均值作为参考指标。先从周向RCS出发，不难发现，随着卫星底面正多边形棱边数的增加，周向RCS均值出现先降低再升高的特点，即天巡一号的构型还可以继续优化来进一步提高其雷达隐身性能，最佳的隐身构型应选择正八棱边三段体(八棱边棱柱+八棱边棱台+八棱边棱锥)。选取0-60°为重点角域，该角域也是主要的雷达波照射角域。可以发现在重点角域内构型隐身效果排序发生改变，RCS均值最小的为正五棱边三段体构型，其次为正八棱边三段体。当除去正五边形后，四种构型隐身性能还是出现先提高后下降的特点，这主要是因为政务正五边形并非高度对称的几何体，其RCS分布特性并不会像其他四种构型那样有规律地呈现对称分布。虽然正五棱边三段体在重点角域内效果最优，但卫星的全向隐身能力在未来的空天地一体化雷达监视系统下会显得尤为重要，所以综合考虑下应选择正八棱边三段体为最佳隐身构型。

通过在已有隐身卫星的基础上，通过一种隐身构型优化设计方法得到了正八棱边三段体构型，其周向和重点角域内RCS均值分别低于原设计(天巡一号)6.95dBsm和3.12dBsm，下降幅度达到了34.42％和14.92％。具体如表1所示。

表1隐身构型RCS均值对比

从上表可以知道：正五边形的隐身效果最差，比原设计的RCS均值还要高出4dBsm，此构型不做考虑。其余3种构型的周向RCS均有不同程度上的下降，正八边形周向RCS均值要低于天巡一号6.95dBsm,正十二边形和正十六边形的周向RCS均值分别低于天巡一号3.46dBsm和1.75dBsm，缩减幅度相对较小。由上述分析不难得出：多棱面锥体的隐身卫星的隐身性能会随底面正多边形棱边数的增加而出现先上升后下降；当底面为正八边形时，构型隐身性能达到最优。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。