天基地基一體化測(cè)控系統(tǒng)研究及應(yīng)用

李樹(shù)國(guó),李 進(jìn),朱曉峰,李海鵬

(中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì),遼寧葫蘆島125001)

0 引言

隨著未來(lái)新武器裝備飛行試驗(yàn)向著低空、高速、遠(yuǎn)程和多目標(biāo)的方向發(fā)展,目前海上測(cè)控只具備用單一地基鏈路測(cè)控網(wǎng)完成近距離測(cè)控任務(wù)的能力,無(wú)法完成對(duì)大射程、多目標(biāo)全航程的測(cè)控任務(wù)。因此有必要研究并采用新的測(cè)控方法,即利用平流層飛艇,將小型化的測(cè)控裝備(光、雷、遙、通信等)布設(shè)在飛艇上,以實(shí)現(xiàn)海上測(cè)控的天基地基一體化測(cè)控網(wǎng),力求以天基單一載波對(duì)數(shù)字信號(hào)的傳輸,實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的測(cè)控、通信、圖像傳輸甚至跟蹤導(dǎo)航等綜合功能,以求獲得更好的性價(jià)比,實(shí)現(xiàn)近于千公里的試驗(yàn)測(cè)控覆蓋率和全面的自主性,以適應(yīng)未來(lái)新型武器試驗(yàn)的需求。

平流層飛艇是指工作在平流層下部弱風(fēng)區(qū)(20～30 km),通過(guò)動(dòng)力、飛控及遙測(cè)遙控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛行和定點(diǎn)懸停的浮空器。作為一種新型空中平臺(tái),在測(cè)控、高分辨率實(shí)時(shí)監(jiān)視、預(yù)警和武器防御、通信、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面都有極大的應(yīng)用價(jià)值,近年來(lái)已受到世界上許多國(guó)家的廣泛關(guān)注及研制應(yīng)用。

1 國(guó)內(nèi)外天基測(cè)控網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

天基測(cè)控網(wǎng)開(kāi)始于20世紀(jì)80年代末,由地基測(cè)控網(wǎng)逐步過(guò)渡而成,以美國(guó)與俄羅斯為代表的天基測(cè)控網(wǎng)在90年代已基本完成了這種過(guò)渡,歐洲與日本的航天測(cè)控網(wǎng)計(jì)劃在21世紀(jì)初亦將開(kāi)始這種過(guò)渡。隨著美國(guó)高級(jí)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(ATDRSS)的部署與完善,美國(guó)的航天測(cè)控網(wǎng)將在21世紀(jì)初走向更高的階段。

在國(guó)內(nèi),隨著神州七號(hào)試驗(yàn)飛船的升空與回收,揭開(kāi)了中國(guó)航天測(cè)控的新篇章,相關(guān)單位已經(jīng)有了規(guī)劃,在今后的航天測(cè)控建設(shè)中,將力求適應(yīng)現(xiàn)代航天測(cè)控綜合化、數(shù)字化、空間化和多目標(biāo)的總趨勢(shì);適當(dāng)處理現(xiàn)行測(cè)控標(biāo)準(zhǔn)與超前標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系。新時(shí)期中的航天測(cè)控既要基本符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),亦應(yīng)盡早貫徹協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。人們期望,在即將到來(lái)的21世紀(jì)前期的一段不長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),我國(guó)的測(cè)控網(wǎng)將由地基為主,天基應(yīng)用為輔的格局過(guò)渡到以天基為主,天地結(jié)合的格局,建立起有自己特色的天基測(cè)控網(wǎng)。

2 天基地基一體化測(cè)控網(wǎng)方案設(shè)想

2.1 基于平流層飛艇的天地一體化測(cè)控網(wǎng)

利用平流層飛艇建設(shè)的天地一體化測(cè)控網(wǎng),不僅能有效地提高測(cè)控網(wǎng)的覆蓋區(qū)域、定軌精度、飛行目標(biāo)全程測(cè)量和同時(shí)多目標(biāo)測(cè)控能力,而且能夠完成各類對(duì)地觀測(cè)飛艇的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。在平流層飛艇平臺(tái)上主要加載小型化的光、雷、遙和通信等裝備,與海上、地面測(cè)控站一起組成天地一體化測(cè)控網(wǎng),遙測(cè)測(cè)量采用擴(kuò)頻碼分及多體制小型化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄和轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)備方式,完成多目標(biāo)內(nèi)彈道測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù);光測(cè)測(cè)量采用小型化高分辨率的激光紅外測(cè)量設(shè)備方式,完成確定目標(biāo)的測(cè)量和圖像傳輸任務(wù);雷達(dá)測(cè)量采用小型化高質(zhì)量成像的新體制雷達(dá)方式,完成多目標(biāo)測(cè)軌和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù);遙控采用小型化的轉(zhuǎn)發(fā)器方式,完成目標(biāo)的控制和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù);天線采用小型化相控陣碳纖維天線等技術(shù),用以完成遙測(cè)、遙控、雷達(dá)信號(hào)的收發(fā);飛艇與地面數(shù)據(jù)通信采用CCSDS空間數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。天地一體化測(cè)控網(wǎng)如圖1所示。

圖1 天地一體化測(cè)控網(wǎng)

天地一體化測(cè)控網(wǎng)在靶場(chǎng)應(yīng)用前主要攻克關(guān)鍵技術(shù),是天基綜合測(cè)控裝備一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、小型化相控陣天線技術(shù)、高靈敏度傳感器技術(shù)、小型化標(biāo)準(zhǔn)化可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)、天地測(cè)控網(wǎng)電磁兼容設(shè)計(jì)技術(shù)和CCSDS空間數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等,其主要解決的途徑就是確定飛行目標(biāo)、平流層飛艇、地面測(cè)控裝備所建立的天地測(cè)控網(wǎng)的技術(shù)協(xié)議和重點(diǎn)項(xiàng)目等。

2.2 飛艇覆蓋區(qū)域計(jì)算

飛艇對(duì)地球表面的覆蓋示意圖如圖2所示。

圖2 飛艇對(duì)地覆蓋示意圖

圖2中,Q為地心,S為飛艇的星下點(diǎn);h為飛艇距離地面高度;α為仰角;R為地球半徑,R=6 384.1 km;β為飛艇覆蓋角,β=∠PQS。

飛艇對(duì)地的覆蓋角公式為:

對(duì)應(yīng)覆蓋的半徑r為:

用于平流層飛艇,宜布設(shè)在風(fēng)切變最小的空域,有關(guān)資料表明,20～30 km是作為平流層飛艇布設(shè)的“黃金空段”,取值范圍為20～30 km,計(jì)算飛艇覆蓋半徑如表1所示。從表1中可以看出,飛艇的飛行高度越高,其視野就越寬,覆蓋區(qū)域就越大。

表1 飛艇覆蓋半徑

2.3 平流層飛艇平臺(tái)優(yōu)勢(shì)

平流層飛艇相對(duì)衛(wèi)星和航空平臺(tái),具有綜合優(yōu)勢(shì)。相對(duì)衛(wèi)星平臺(tái),平流層飛艇具有如下優(yōu)點(diǎn):

①效費(fèi)比高、機(jī)動(dòng)性好、易于更新和維護(hù):平流層飛艇易于升空、回收,可重復(fù)使用,根據(jù)任務(wù)需求更換或增加載荷,機(jī)動(dòng)部署到特定空域,而衛(wèi)星只能按照一定軌道飛行,且成本要高得多;

②有效載荷技術(shù)難度小:平流層飛艇據(jù)目標(biāo)的距離一般只是低軌衛(wèi)星的1/10～1/20,可收到衛(wèi)星不能監(jiān)聽(tīng)到的低功率傳輸信號(hào),容易實(shí)現(xiàn)高分辨率對(duì)地觀測(cè),對(duì)任務(wù)載荷的技術(shù)難度要求相對(duì)較低;

③衛(wèi)星遙感是一種瞬時(shí)的行為,只能通過(guò)多顆衛(wèi)星組網(wǎng)來(lái)提高時(shí)間分辨率,而平流層飛艇可定點(diǎn)懸停,“凝視”觀測(cè),全天時(shí)連續(xù)監(jiān)視某一地區(qū),時(shí)間分辨率明顯優(yōu)于中低軌衛(wèi)星。

相對(duì)航空平臺(tái),平流層飛艇具有如下優(yōu)點(diǎn):

①升空高度高、覆蓋范圍廣,平流層飛艇工作在20～30 km高空,可克服地球曲率對(duì)任務(wù)載荷的影響,覆蓋范圍比對(duì)流層飛艇、飛機(jī)等空中平臺(tái)廣;

②留空時(shí)間長(zhǎng),平流層飛艇工作所需能源主要取自太陽(yáng)能再造循環(huán),可確保飛艇平臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間工作,滯空時(shí)間可達(dá)0.5年～3年,可長(zhǎng)時(shí)間留空?qǐng)?zhí)行任務(wù),不間斷地獲取對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù);

③生存能力強(qiáng),平流層飛艇囊體材料能透過(guò)電磁波,雷達(dá)和熱橫截面一般都很小,難以被發(fā)現(xiàn)和跟蹤,一般導(dǎo)彈和作戰(zhàn)飛機(jī)難以對(duì)其造成威脅,即使飛艇受到攻擊,由于氦氣的泄漏速度較慢,也能夠安全返回預(yù)定地點(diǎn),因此具有很高的生存能力。

3 仿真計(jì)算

通過(guò)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的主要性能指標(biāo)進(jìn)行仿真分析,其內(nèi)容包括測(cè)量覆蓋范圍、飛行器飛行彈道測(cè)量精度和系統(tǒng)可靠性仿真等。測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)量覆蓋范圍受多種因素的影響和制約,通過(guò)仿真可進(jìn)行較準(zhǔn)確而快捷的分析。仿真的基本流程如下:根據(jù)飛行器的理論彈道和靶場(chǎng)觀測(cè)站坐標(biāo)導(dǎo)出觀測(cè)元素,即把直角坐標(biāo)的理論彈道參數(shù)換算為測(cè)量站的觀測(cè)元素,如距離R、方位角A和俯仰角E等。最后,在彈載設(shè)備性能和環(huán)境條件已知的前提下,對(duì)跟蹤范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理分析。外彈道測(cè)量精度通過(guò)仿真分析可以得到更可信的結(jié)果,由標(biāo)準(zhǔn)彈道按測(cè)量體制和站址反算出各設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量元素,從而導(dǎo)出觀測(cè)元素。外測(cè)精度仿真圖如圖3所示。

圖3 外測(cè)精度仿真流程

4 結(jié)束語(yǔ)

以平流層飛艇為平臺(tái),建立天地一體化機(jī)動(dòng)靈活的測(cè)控網(wǎng)系統(tǒng),完成大區(qū)域、全天候、信息化、多目標(biāo)、高精度對(duì)地飛行目標(biāo)的測(cè)控及觀測(cè),適合我國(guó)國(guó)情,具有十分重要的戰(zhàn)略意義。將會(huì)給靶場(chǎng)試驗(yàn)帶來(lái)一次新的技術(shù)革命,使靶場(chǎng)測(cè)控裝備從量到質(zhì)的飛躍,可大大提升靶場(chǎng)綜合試驗(yàn)?zāi)芰?。建立天地一體化的測(cè)控網(wǎng)系統(tǒng),需要做大量的預(yù)研和研究工作。為推動(dòng)平流層飛艇平臺(tái)在靶場(chǎng)測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用,在發(fā)展飛艇平臺(tái)的同時(shí),要做好統(tǒng)籌規(guī)劃,同步發(fā)展艇載任務(wù)設(shè)備研究工作。

[1]何彥峰.淺析臨近空間平臺(tái)的軍事應(yīng)用[J].國(guó)防科技,2007(6):33-34.

[2]張 翠.平流層飛艇的發(fā)展和應(yīng)用[C].北京:浮空器發(fā)展與應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會(huì),2005:59-60.

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