美國DSP 衛(wèi)星探測能力及對潛射彈道導(dǎo)彈突防產(chǎn)生的影響

李世令，孫東平，李劍博

(1.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266071;2. 92330 部隊(duì)司令部，山東 青島 266071)

在現(xiàn)階段，美國彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)役的預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)仍然是國防支援計(jì)劃(DSP)衛(wèi)星系統(tǒng)［1］，而天基紅外系統(tǒng)(SBIRS)正處在研制和發(fā)射階段，尚未構(gòu)成真正的全球預(yù)警能力。從彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)攔截彈道導(dǎo)彈的整個(gè)過程中可以看出，為了提高攔截概率，該系統(tǒng)必須首先通過預(yù)警衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)彈道導(dǎo)彈，以便為反導(dǎo)系統(tǒng)提供較多的反應(yīng)時(shí)間。所以對于反導(dǎo)系統(tǒng)的攔截概率來說，彈道導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的預(yù)警能力起到了至關(guān)重要的作用。

1 美國國防支援計(jì)劃衛(wèi)星的預(yù)警范圍

1.1 美國國防支援計(jì)劃衛(wèi)星的部署情況

按照設(shè)計(jì)要求，美國國防支援計(jì)劃衛(wèi)星的首要任務(wù)是實(shí)時(shí)地探測和報(bào)告導(dǎo)彈和航天器的發(fā)射，同時(shí)還承擔(dān)監(jiān)視核爆炸、監(jiān)督核試驗(yàn)條約的執(zhí)行情況和收集其他感興趣的紅外輻射數(shù)據(jù)的任務(wù)［2-3］。美國的國防支援計(jì)劃衛(wèi)星屬于地球同步軌道靜止衛(wèi)星，即衛(wèi)星始終處于赤道正上方，軌道面的傾角為零度，而且衛(wèi)星的軌道周期等于地球在慣性空間中的自轉(zhuǎn)周期(23 h 56 min 4 s)，其運(yùn)轉(zhuǎn)方向也與地球自轉(zhuǎn)方向相一致。這種軌道衛(wèi)星距離地面的高度大約為3.6 ×104km。國防支援計(jì)劃衛(wèi)星系統(tǒng)的在軌衛(wèi)星一般保持5 顆，其中4 顆為工作星，1 顆為備份星。4 顆工作星的典型定點(diǎn)位置是:西經(jīng)37°、東經(jīng)10°、東經(jīng)69°和西經(jīng)152°，分別負(fù)責(zé)對大西洋、歐洲、東半球、印度洋以及太平洋進(jìn)行觀測。國防支援計(jì)劃衛(wèi)星的備份星定點(diǎn)于印度洋東部，具體經(jīng)度是東經(jīng)152°。當(dāng)工作星出現(xiàn)故障，或者需要進(jìn)一步提高探測精度和擴(kuò)大探測范圍時(shí)，地面站可以發(fā)送指令，調(diào)動(dòng)備份星改變軌道，運(yùn)行至指定的位置點(diǎn)對目標(biāo)進(jìn)行觀測。

1.2 美國國防支援計(jì)劃衛(wèi)星的預(yù)警范圍

美國國防支援計(jì)劃衛(wèi)星的有效載荷主要是紅外望遠(yuǎn)鏡和高分辨率電視攝像機(jī)，其星體軸線指向地面，紅外望遠(yuǎn)鏡和星體軸線之間的夾角為7.5°。當(dāng)衛(wèi)星星體以6(°)/min 的角速度自轉(zhuǎn)時(shí)，國防支援計(jì)劃衛(wèi)星將對地球表面進(jìn)行恒定地掃描，其掃描的空間范圍構(gòu)成了一個(gè)圓錐體。

當(dāng)國防支援計(jì)劃衛(wèi)星在赤道上空運(yùn)行時(shí)，不妨假設(shè)地球?yàn)檎蝮w，OB 為地球赤道。那么衛(wèi)星對北半球的探測范圍如圖1 所示，它對南半球的觀察范圍與之相對稱。

圖1 國防支援計(jì)劃預(yù)警衛(wèi)星探測范圍示意圖

當(dāng)衛(wèi)星位于赤道的正上方，也就是A 點(diǎn)時(shí)，衛(wèi)星星體軸線與紅外線望遠(yuǎn)鏡之間的夾角為∠CAO，其觀察范圍的最北端位于C 點(diǎn)。由地理緯度的劃定方法可知，地心角∠COA 的角度即為C 點(diǎn)的地理緯度。因此，只要根據(jù)幾何計(jì)算公式求出∠COA 的角度就能計(jì)算出國防支援計(jì)劃衛(wèi)星最北端的觀察范圍。但是要計(jì)算C 的緯度值就必須使用地球的半徑，地球的半徑通常有3 個(gè)常用值:極半徑、赤道半徑和平均半徑。其中，赤道半徑大約為6 378. 140 km，平均半徑大約為6 371.004 km。因此，赤道半徑可以采用6 378. 140 km，即OB=6 378.140 km，而OC =6 371.004 km，衛(wèi)星高度AB=36 000 km。由幾何計(jì)算公式可知

即

于是，可以得到

由圖1 可知，

那么

即C 點(diǎn)的地理緯度為52.750 1°。也就是說國防支援計(jì)劃衛(wèi)星觀察范圍的最北端為北緯52.750 1°緯線。

2 DSP 衛(wèi)星預(yù)警范圍對潛射彈道導(dǎo)彈突防概率的影響

由彈道導(dǎo)彈的戰(zhàn)技術(shù)性能可知，彈道導(dǎo)彈主動(dòng)段飛行的最大高度為200 ～800 km［4］，不妨假設(shè)為500 km。那么，如果用D 點(diǎn)表示彈道導(dǎo)彈主動(dòng)段的關(guān)機(jī)點(diǎn)，則DE=500 km，而OE=6 371.004 km。根據(jù)幾何計(jì)算公式可知:

那么

由圖1 可知，在北緯46.110 3°以北的海域，盡管彈道導(dǎo)彈仍然處在主動(dòng)段，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然在工作，但是國防支援計(jì)劃衛(wèi)星將無法在整個(gè)主動(dòng)段始終都能探測到彈道導(dǎo)彈。因?yàn)樵趶椀缹?dǎo)彈達(dá)到關(guān)機(jī)點(diǎn)的最大高度——500 km 之前，導(dǎo)彈在主動(dòng)段最后一個(gè)階段內(nèi)的飛行高度將超出國防支援計(jì)劃衛(wèi)星的圓錐體探測范圍。因此，對于分布在赤道上空的3 顆工作星和1 顆備份星來說，其探測范圍如圖2 所示。圖2 中部的1 ～4 分別代表國防支援計(jì)劃衛(wèi)星，上部的1 ～4 分別表示預(yù)警衛(wèi)星能夠探測到的最北部的地理緯度，其下部對應(yīng)的A～D 表示預(yù)警衛(wèi)星在彈道導(dǎo)彈主動(dòng)段能完全探測到該導(dǎo)彈的最北部邊界。圖中由圓弧圍成的標(biāo)有字母A 的區(qū)域表示彈道導(dǎo)彈核潛艇在該海域發(fā)射彈道導(dǎo)彈時(shí)，2 顆預(yù)警衛(wèi)星都能全程監(jiān)測到該導(dǎo)彈;標(biāo)有字母B 的區(qū)域表示彈道導(dǎo)彈核潛艇在該海域發(fā)射導(dǎo)彈時(shí)，有一顆預(yù)警衛(wèi)星無法在彈道導(dǎo)彈的主動(dòng)段完全監(jiān)測到該導(dǎo)彈，而另外一顆卻可以全程對彈道導(dǎo)彈進(jìn)行監(jiān)測;標(biāo)有字母C 的區(qū)域表示彈道導(dǎo)彈核潛艇在該海域發(fā)射導(dǎo)彈時(shí)，只有1 顆預(yù)警衛(wèi)星可以全程監(jiān)測該導(dǎo)彈;標(biāo)有字母D 的區(qū)域表示彈道導(dǎo)彈核潛艇在該海域發(fā)射彈道導(dǎo)彈時(shí)，2 顆預(yù)警衛(wèi)星都無法在彈道導(dǎo)彈的主動(dòng)段完全監(jiān)測到該導(dǎo)彈;標(biāo)有字母E 的區(qū)域表示彈道導(dǎo)彈核潛艇在該海域發(fā)射導(dǎo)彈時(shí)，只有1 顆預(yù)警衛(wèi)星能在導(dǎo)彈主動(dòng)段的部分時(shí)間里對其進(jìn)行監(jiān)測。

當(dāng)彈道導(dǎo)彈核潛艇在上述標(biāo)有字母的海域發(fā)射導(dǎo)彈時(shí)，按照預(yù)警衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)彈道導(dǎo)彈的概率，從高到低對上述海域進(jìn)行排序，預(yù)警衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈概率最高的海域是A 海域，而預(yù)警衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈概率最低的海域是E 海域。對于圓弧以外的海域，國防支援計(jì)劃預(yù)警衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)概率基本為零。因此，當(dāng)彈道導(dǎo)彈核潛艇在圓弧以外的海域發(fā)射彈道導(dǎo)彈時(shí)，突防能力較高;當(dāng)彈道導(dǎo)彈核潛艇在圓弧內(nèi)部海域發(fā)射彈道導(dǎo)彈時(shí)，突防能力從高到低的海域范圍分別是E 海域、D 海域、C 海域、B 海域和A 海域。

圖2 國防支援計(jì)劃衛(wèi)星的探測范圍

3 提高潛射彈道導(dǎo)彈突防能力的具體措施

雖然國防支援計(jì)劃衛(wèi)星系統(tǒng)能對發(fā)射的彈道導(dǎo)彈進(jìn)行有效預(yù)警，但是該系統(tǒng)中的預(yù)警衛(wèi)星仍然存在一定的缺陷，彈道導(dǎo)彈核潛艇利用這些缺陷有利于提高彈道導(dǎo)彈的突防概率。

3.1 利用預(yù)警衛(wèi)星的不連續(xù)監(jiān)測缺陷發(fā)射導(dǎo)彈

國防支援計(jì)劃衛(wèi)星一個(gè)明顯的缺點(diǎn)就是無法對星下的同一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，在對同一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行掃描時(shí)，相鄰2 次掃描存在10 s 左右的空白期。因此，彈道導(dǎo)彈核潛艇可以利用預(yù)警衛(wèi)星的監(jiān)視間歇期組織導(dǎo)彈發(fā)射，也就是說2枚導(dǎo)彈的發(fā)射間隔盡量為10 s 的整數(shù)倍，以此來獲得最大的衛(wèi)星預(yù)警時(shí)間誤差。

3.2 利用預(yù)警衛(wèi)星的虛警率掩護(hù)彈道導(dǎo)彈突防

國防支援計(jì)劃衛(wèi)星的另外一個(gè)缺陷就是對于高空云層反射的太陽光容易產(chǎn)生虛警，而且在地面存在強(qiáng)烈的紅外輻射源時(shí)也容易產(chǎn)生較高的虛警率。因此，彈道導(dǎo)彈核潛艇在待機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意接收氣象預(yù)報(bào)，爭取在發(fā)射海域云層較厚的時(shí)候發(fā)射導(dǎo)彈，依靠云層反射的太陽光來掩護(hù)彈道導(dǎo)彈。如果條件允許，在衛(wèi)星覆蓋的探測范圍內(nèi)，還可以通過地面燃燒易燃物、海上油井平臺燃燒油氣等措施來產(chǎn)生強(qiáng)烈的紅外輻射，以此來吸引預(yù)警衛(wèi)星，為彈道導(dǎo)彈的突防爭取時(shí)間。

3.3 利用系統(tǒng)對機(jī)動(dòng)發(fā)射的導(dǎo)彈預(yù)警能力較差的弱點(diǎn)發(fā)射導(dǎo)彈

對于采用機(jī)動(dòng)發(fā)射方式發(fā)射的彈道導(dǎo)彈來說，國防支援計(jì)劃衛(wèi)星的預(yù)警時(shí)間受預(yù)測軌道參數(shù)的影響比較大。也就是說，如果彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)想要推測出導(dǎo)彈發(fā)射的位置點(diǎn)，那么它必須事先知道對方可能的彈道導(dǎo)彈發(fā)射地點(diǎn)，并以此對來襲導(dǎo)彈的軌道參數(shù)進(jìn)行擬合。因此，彈道導(dǎo)彈核潛艇在發(fā)射導(dǎo)彈時(shí)，應(yīng)當(dāng)在對方出其不意的地點(diǎn)發(fā)射，以便增加彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的軌道參數(shù)擬合難度，增加系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間，進(jìn)而提高彈道導(dǎo)彈的突防概率。

3.4 利用預(yù)警衛(wèi)星的預(yù)警盲區(qū)進(jìn)行突防

由上述計(jì)算可知，DSP 衛(wèi)星的探測范圍并沒有完全覆蓋地球的2 個(gè)極點(diǎn)。也就是說，對于在極點(diǎn)發(fā)射的彈道導(dǎo)彈來說，只有當(dāng)導(dǎo)彈飛行到DSP 衛(wèi)星的預(yù)警范圍內(nèi)時(shí)，該系統(tǒng)才能對其進(jìn)行有效預(yù)警。在這種情況下，DSP 衛(wèi)星的預(yù)警時(shí)間比較短，早期預(yù)警能力非常有限。因此，對于像俄羅斯這樣能在北冰洋冰蓋下面部署戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇的國家來說，在極點(diǎn)附近發(fā)射彈道導(dǎo)彈是一個(gè)比較不錯(cuò)的選擇，通常能比較隱蔽地進(jìn)行導(dǎo)彈發(fā)射，而且留給敵方的預(yù)警時(shí)間也比較短。

［1］崔茂東，李華.美國彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)［J］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2004(6):22-25.

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