美軍SBIRSGEO－1預(yù)警衛(wèi)星探測預(yù)警能力分析

李小將，金 山，廖海玲，王建華

(1．裝備學(xué)院航天裝備系，北京101416;2．沈陽軍區(qū)司令部，沈陽110805;3．裝備學(xué)院研究生管理大隊，北京101416)

1 引言

天基紅外系統(tǒng)(space based infrared systems，SBIRS)是美軍為取代國防支援計劃(defense support program，DSP)衛(wèi)星而設(shè)計部署的新型天基紅外預(yù)警系統(tǒng)，美軍賦予天基紅外系統(tǒng)的四大任務(wù)為導(dǎo)彈預(yù)警(Missile Warning)、導(dǎo)彈防御(Missile Defense)、技術(shù)情報(Technical Intelligence)和戰(zhàn)場態(tài)勢生成(Battle Space Characterization)［1］。2006 年和2008年美國將兩顆搭載紅外預(yù)警載荷的偵查衛(wèi)星分別送入可觀測北極地區(qū)的2個大橢圓軌道。2011年5月，美國空軍第45太空聯(lián)隊在卡納維拉爾角發(fā)射場第41發(fā)射臺用宇宙神 －5運載火箭將 SBIRS GEO－1衛(wèi)星順利送入預(yù)定軌道。按照美軍計劃，第二顆地球同步軌道衛(wèi)星將于2012年發(fā)射，2016年，前天基紅外系統(tǒng)的4顆地球同步軌道衛(wèi)星將全部部署到位，屆時由地球同步軌道和極地大橢圓軌道構(gòu)建的SBIRS－HIGH高軌部分將全部完成。

美軍研究和建立天基紅外系統(tǒng)基于多方面的考慮，主要包含國際秩序中彈道導(dǎo)彈技術(shù)和核技術(shù)的不斷提升、部分國家和地區(qū)的潛在威脅、美國現(xiàn)役國防支援計劃紅外預(yù)警系統(tǒng)的漏警、虛警缺陷和美國日益重視和致力提升的全球軍事與經(jīng)濟利益這四個因素;此外，新型天基紅外系統(tǒng)的構(gòu)建與實戰(zhàn)部署對加強美軍彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)整體作戰(zhàn)性能和提升導(dǎo)彈預(yù)警效率有著十分重要的意義。

針對美軍新一代天基紅外預(yù)警系統(tǒng)，本文介紹了SBIRS的發(fā)展現(xiàn)狀，探討了首顆天基紅外系統(tǒng)地球靜止軌道(SBIRSGEO－1)衛(wèi)星的覆蓋范圍，建立了SBIRSGEO－1衛(wèi)星的紅外探測模型和彈道預(yù)警模型，對其在軌探測預(yù)警能力進行了初步分析。

2 美軍SBIRS研究發(fā)展現(xiàn)狀

天基紅外系統(tǒng)衛(wèi)星星座由天基紅外系統(tǒng)低軌部分(SBIRS LOW)和天基紅外系統(tǒng)高軌部分(SBIRS HIGH)構(gòu)成。SBIRS LOW由飛行在多個軌道平面上的低軌道(LEO)衛(wèi)星組成;SBIRSHIGH由5顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星和2顆大橢圓軌道(HEO)衛(wèi)星構(gòu)成［2］。

SBIRS LOW:19世紀(jì)80年代，美國戰(zhàn)略防御局提出由多顆近地軌道衛(wèi)星組成的“慧眼”(Brilliant Eyes)衛(wèi)星星座計劃;1993年，該計劃移交美國空軍，1994年，美國國防部提出在該計劃基礎(chǔ)上建造多軌道組合型天基預(yù)警系統(tǒng)——天基紅外系統(tǒng)。同年，“慧眼”系統(tǒng)更命名為“太空與導(dǎo)彈跟蹤系統(tǒng)”(SMTS)，并作為天基紅外系統(tǒng)低軌(SBIRS－LOW)部分;2002年，SBIRS－LOW被導(dǎo)彈防御局(前美國彈道導(dǎo)彈防御辦公室)改名為“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”(STSS)，不久因技術(shù)和經(jīng)費原因，STSS計劃調(diào)整為小規(guī)模試驗計劃;2003年，進行STSS系統(tǒng)的初始硬件檢測，系統(tǒng)能力檢查，載荷設(shè)計和部分地面站設(shè)計工作;2004年，進行系統(tǒng)兼容性測試，2005年～2007年，對STSS系統(tǒng)衛(wèi)星進行綜合與測試;2009年，發(fā)射兩顆演示驗證星，之后美軍一直進行衛(wèi)星在軌測試和載荷驗證等工作［3］。

SBIRSHIGH:SBIRS HIGH衛(wèi)星用以替代DSP星座，由新型地球同步軌道和搭載紅外載荷的大橢圓軌道衛(wèi)星構(gòu)成。1996年，Lockheed Martin公司開始研制SBIRS高軌衛(wèi)星，因進度緩慢和經(jīng)費超支，2002年，項目調(diào)整為紅外傳感器設(shè)計，交付時間由預(yù)計的2003年推遲到2004年;2005年末，五角大樓決定減少SBIRS系統(tǒng)為2個大橢圓軌道和2個地球同步軌道衛(wèi)星;2006年SBIRSHEO－1紅外傳感器搭載于NROL－22偵查衛(wèi)星發(fā)射成功。2007年，研發(fā)(alternative infrared satellite system，ARISS)系統(tǒng)用以替代2～3個SBIRSGEO衛(wèi)星;2008年，SBIRS HEO－2紅外載荷搭載于NROL－28偵查衛(wèi)星成功發(fā)射，ARISS系統(tǒng)更名為IRAS(infrared augmentation satellite)。2009年10月，SBIRSGEO－1衛(wèi)星進行熱真空試驗;2010年1月，驗證其運行狀態(tài)、性能和與地面系統(tǒng)協(xié)作能力;2010年12月，完成集成測試。2011年3月，運送至衛(wèi)星發(fā)射場，5月7日發(fā)射，衛(wèi)星通過6次變軌進入地球同步軌道［4］。SBIRSGEO－2衛(wèi)星2010年完成初期測試;2011年5月，完成集成測試;預(yù)計2012年中期發(fā)射。2012財年的國防預(yù)算中，美國空軍計劃采購第5、6顆SBIRS衛(wèi)星，將于2018年完成SBIRS高軌部署。

3 SBIRSGEO－1衛(wèi)星覆蓋范圍分析

美軍首顆SBIRSGEO衛(wèi)星于2011年5月7日發(fā)射，進入近地點200 km，遠地點36000 km的地球同步轉(zhuǎn)移軌道，8日衛(wèi)星遠地點發(fā)動機首次點火進行軌道提升，開啟太陽能電池板、天線和防護設(shè)備，進行六次變軌后定位于西經(jīng)99°，2011年6月，紅外載荷開始收集短波、中波紅外信息，2012年2月，衛(wèi)星開始傳送過頂紅外情報數(shù)據(jù)，預(yù)計18個月后，衛(wèi)星將具備全面的彈道導(dǎo)彈預(yù)警能力，可參與彈道導(dǎo)彈防御試驗與作戰(zhàn)任務(wù)。

天基紅外系統(tǒng)GEO衛(wèi)星裝有掃描型和凝視型兩種探測器，掃描型探測器負責(zé)快速搜索衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)特定紅外特征目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，掃描型探測器與凝視型探測器進行任務(wù)交接，由凝視型探測器進行紅外目標(biāo)的精跟蹤，獲取詳細信息。GEO衛(wèi)星掃描型探測器掃描視場為10°×20°，文中采用平行于地軸視場角度為10°，垂直于地軸視場角度為20°的觀測方式，該方式可避免對兩級地區(qū)的重復(fù)覆蓋，可對地球近地空間實施較好覆蓋，若采用相反方式，則近地空間會產(chǎn)生掃描盲區(qū)，掃描型探測器掃描周期為9 s，凝視型探測器視場 0．44°×0．44°，掃描周期為 2 s［5］。

美軍將首顆SBIRS地球同步衛(wèi)星定點于西經(jīng)99°與美軍軍事戰(zhàn)略重心有直接聯(lián)系，從保衛(wèi)本土利益的角度出發(fā)，潛射彈道導(dǎo)彈成為美軍的最大威脅。定點于該范圍美軍可有效監(jiān)控美國周邊海洋范圍的紅外威脅，尤其潛射彈道導(dǎo)彈和海軍試驗演習(xí)等戰(zhàn)略動作;此外，定點于該位置對美軍重返亞太地區(qū)可提供重要的情報支撐，對實時監(jiān)測中、俄的彈道導(dǎo)彈發(fā)射和海軍軍事行為有突出的優(yōu)勢。

如圖1所示衛(wèi)星空間覆蓋與地球表面覆蓋示意圖。圖中白色區(qū)域表示凝視型探測器瞬時覆蓋掃描范圍，藍色區(qū)域表示掃描型探測器覆蓋范圍。

圖1 SBIRSGEO－1覆蓋范圍

4 SBIRSGEO衛(wèi)星在軌探測模型

紅外預(yù)警衛(wèi)星掃描探測器采用焦平面紅外陣列傳感器，根據(jù)平面陣列中各個單元探測器所對應(yīng)目標(biāo)平面各單位面積輻射強度產(chǎn)生的光電信號進行搜索、探測與跟蹤［6］。彈道導(dǎo)彈紅外輻射特征波長為2．7 μm，4．3 μm 和6．3 μm，紅外預(yù)警衛(wèi)星所用紅外探測器必須是對上述波段反應(yīng)敏感的傳感器，美軍天基紅外系統(tǒng)采用多譜線探測器，包含3～8μm中波段紅外、8～12μm中長波段紅外和12～16μm長波紅外，該探測波段可以獲得完整的彈道導(dǎo)彈紅外光譜特性。除采用多波段探測技術(shù)外，天基紅外系統(tǒng)GEO衛(wèi)星使用了新型的“See-To-Ground”傳感器，彈道導(dǎo)彈發(fā)射瞬間即可被探測和鎖定，從而實現(xiàn)預(yù)警衛(wèi)星對導(dǎo)彈的探測擺脫地球大氣的紅外吸收和衰減作用，達到零延時隨即發(fā)現(xiàn)與跟蹤。

分析預(yù)警衛(wèi)星的探測能力，可把預(yù)警衛(wèi)星紅外接收系統(tǒng)的探測距離作為替代，紅外接收系統(tǒng)探測距離可視為線性陣列探測器作用距離。紅外系統(tǒng)探測距離由目標(biāo)紅外輻射特性、目標(biāo)尺寸、大氣透過特性、紅外系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)和噪聲參數(shù)等決定。SBIRS GEO－1衛(wèi)星主要用于探測助推段彈道導(dǎo)彈，助推段飛行的彈道導(dǎo)彈大部分彈道處于大氣層內(nèi)，預(yù)警衛(wèi)星對助推段彈道導(dǎo)彈的偵測要以地球的大氣為背景，會產(chǎn)生背景噪聲，即大氣層背景光子會到達紅外探測器從而產(chǎn)生隨機起伏的噪聲信號。預(yù)警衛(wèi)星探測系統(tǒng)為背景噪聲限系統(tǒng)，作用距離為背景噪聲限點源目標(biāo)作用距離方程。

式中，λ為波長;g為常數(shù)，光導(dǎo)型探測器g=2，光伏型探測器h=6．626176×10－34W·s2為普朗克常數(shù);c=2．99792458 ×108m·s－1為光速;η 為探測器量子效率;Qb為到達探測器的背景光子通量，Qb=λp/hc;p為探測器接收來自背景的紅外輻射功率。

地球同步軌道衛(wèi)星軌道距離地心42164．171 km，彈道導(dǎo)彈與衛(wèi)星探測器距離很遠，探測器張角小于系統(tǒng)瞬時視場，可以作為點目標(biāo)處理，衛(wèi)星紅外探測系統(tǒng)作用距離可表示為:

式中，Iλ1－λ2為探測目標(biāo)紅外輻射強度;τα為探測器工作波段內(nèi)的大氣平均透過率;A0為光學(xué)系統(tǒng)的有效入射孔徑面積，A0=πD2/4;D為光學(xué)系統(tǒng)口徑;τ0為光學(xué)系統(tǒng)透過率;D*λ為紅外探測器探測率，如式(1);K為紅外探測系統(tǒng)門限信噪比;γ為系統(tǒng)噪聲增加的百分數(shù);Δf為等效噪聲帶寬;Ad=α2，α為紅外探測器像元尺寸。

5 SBIRSGEO衛(wèi)星彈道預(yù)警模型

對敵方或威脅方彈道導(dǎo)彈彈道進行探測、估算和預(yù)警是紅外預(yù)警衛(wèi)星的重要任務(wù)。根據(jù)所得彈道導(dǎo)彈助推段彈道和關(guān)機點參數(shù)，確定彈道導(dǎo)彈發(fā)射坐標(biāo)、主動段彈道、關(guān)機點速度、彈道傾角、關(guān)機點高度等參量，以此估算彈道導(dǎo)彈型號、彈道導(dǎo)彈被動段飛行時間、彈道導(dǎo)彈再入點位置和彈道導(dǎo)彈落點等反導(dǎo)彈關(guān)鍵數(shù)據(jù)，完成對敵方彈道導(dǎo)彈的預(yù)警。

5．1 彈道導(dǎo)彈發(fā)射點探測

彈道導(dǎo)彈點火發(fā)射后會有若干秒的垂直上升段，之后才會啟動轉(zhuǎn)彎或突防等飛行程序，因天基紅外系統(tǒng)GEO衛(wèi)星具備See-To-Ground探測能力，可作如下假設(shè)，正常情況下掃描型探測器以固有掃描周期進行全覆域掃描，一旦檢測到可疑紅外目標(biāo)，則立即鎖定該紅外目標(biāo)源，并以此為起點進行后續(xù)掃描工作，根據(jù)上述假設(shè)SBIRSGEO衛(wèi)星完全可以記錄并確認該彈道導(dǎo)彈發(fā)射位置的地球經(jīng)、緯信息(λ發(fā)射，φ發(fā)射)，若設(shè)定從彈道導(dǎo)彈發(fā)射到預(yù)警衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的時間為T發(fā)現(xiàn)，則T發(fā)現(xiàn)≈0 s，從探測延遲和紅外系統(tǒng)工作效率出發(fā)，本文假定T發(fā)現(xiàn)=0～1 s。此外，設(shè)定傳感器發(fā)現(xiàn)紅外威脅目標(biāo)即視為掃描型紅外探測器的第一次目標(biāo)探測。

5．2 彈道導(dǎo)彈關(guān)機點探測

彈道導(dǎo)彈助推段關(guān)機點數(shù)據(jù)決定彈道導(dǎo)彈中段彈道基本特征，對彈道導(dǎo)彈彈道預(yù)警、飛行時間預(yù)報和攔截策略分析有重要作用。

掃描型探測器在掃描n掃描次后確認觀測目標(biāo)為威脅目標(biāo)，并將初步探測數(shù)據(jù)交予凝視型探測器，任務(wù)交換用時T交換，之后凝視型探測器以周期T凝視=2 s的掃描速率進行精確跟蹤掃描，根據(jù)紅外輻射理論，發(fā)動機關(guān)機前溫度較高，彈道導(dǎo)彈以輻射短波紅外為主，發(fā)動機關(guān)機后，彈體則主要向外輻射中、中長波紅外，以凝視型探測器所觀測紅外光突變來判斷彈道導(dǎo)彈助推段關(guān)機點，自掃描型探測器與凝視型探測器進行任務(wù)交換之后，凝視型探測器n關(guān)機前次(兩探測器任務(wù)交換后即認為凝視型探測器開始一次掃描)掃描為短波紅外，第n關(guān)機后=n關(guān)機前+1次掃描突變?yōu)橹?、中長波紅外，則可以確認彈道導(dǎo)彈關(guān)機點處于這兩次掃描之間，則彈道導(dǎo)彈關(guān)機時刻T關(guān)機滿足:

預(yù)警衛(wèi)星根據(jù)所探測紅外線的不同波長輻射強度之比以及輻射強度的變化換算出目標(biāo)的速度和加速度［7］。假設(shè)天基紅外系統(tǒng)GEO衛(wèi)星對所凝視目標(biāo)的速度與加速度探測推算滿足實時性，即沒有誤差。根據(jù)在軌DSP衛(wèi)星和地面探測設(shè)備的協(xié)同可確定目標(biāo)的實際高度，則衛(wèi)星關(guān)機點k處數(shù)據(jù)滿足:

式中，ν表示速度;a表示加速度;r表示地心距。

視關(guān)機點前后彈道導(dǎo)彈做勻加速飛行，則彈道導(dǎo)彈關(guān)機點數(shù)據(jù)可近似表示為:

彈道導(dǎo)彈關(guān)機點的彈道傾角對中段彈道有著決定性作用，因關(guān)機點彈道傾角為關(guān)機點速度矢量方向與該點對應(yīng)星下點(地球近似為圓球型)水平方向的夾角(銳角)，根據(jù)預(yù)警衛(wèi)星所得速度、高度等數(shù)據(jù)，關(guān)機點彈道傾角可近似表示為:

式中，ΔL表示n關(guān)機前次掃描與n關(guān)機后次掃描紅外目標(biāo)移動距離大小，可表示為 ΔL=H同步×Δδ;H同步為同步衛(wèi)星軌道高度;Δδ為兩次掃描紅外探測器對地張角。

5．3 彈道導(dǎo)彈射程與飛行時間估算

根據(jù)所估測的彈道導(dǎo)彈關(guān)機點速度、地心距和彈道傾角等數(shù)據(jù)，可得關(guān)機點能量參數(shù)νk為:

式中，μ=f·M為地球引力常數(shù);f為引力常數(shù);M為地球質(zhì)量。

由此彈道導(dǎo)彈自由段(中段)射程角βk－e計算公式表示為:

式中，νk為能量參數(shù);Θk為關(guān)機點彈道傾角。

彈道導(dǎo)彈再入點與關(guān)機點的星下點對應(yīng)弧線長度(中段射程)Lk－e為:

式中，Re為地球平均半徑。

同時，根據(jù)預(yù)警衛(wèi)星所得關(guān)機點和主動段有關(guān)數(shù)據(jù)可得中段橢圓彈道圓錐曲線參數(shù)半長軸a和偏心率e如下:

由此可得彈道導(dǎo)彈中段自由飛行時間Tk－e為:

6 算例仿真與結(jié)果分析

6．1 探測能力仿真分析

根據(jù)已有天基紅外預(yù)警衛(wèi)星的資料數(shù)據(jù)，設(shè)置天基紅外系統(tǒng)參數(shù)如表1［5］所示。

表1 探測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

此外，探測系統(tǒng)門限信噪比K和彈道導(dǎo)彈助推段紅外輻射強度Iλ1－λ2兩個變量，根據(jù)文中建立的探測模型可以得到紅外預(yù)警衛(wèi)星的探測距離曲線，如圖2所示。

圖2 星載紅外探測系統(tǒng)作用距離

根據(jù)設(shè)定的參數(shù)值，得到美軍SBIRSGEO衛(wèi)星的作用距離可達到1×105km量級，相對其40000 km的地心距，探測系統(tǒng)有足夠的能力探測和跟蹤地球上發(fā)射的彈道導(dǎo)彈。探測系統(tǒng)的門限信噪比K直接決定探測系統(tǒng)的效率和對紅外信號的偵收能力，K越低說明探測器越靈敏，能夠有效接收紅外信號的門檻就越低，同時探測系統(tǒng)的作用距離就越遠;目標(biāo)紅外輻射強度越高，被探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和跟蹤就越容易，探測系統(tǒng)也就能在更遠的距離發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

6．2 彈道預(yù)警能力仿真分析

從關(guān)機點相關(guān)參數(shù)和中段彈道預(yù)估兩方面進行彈道預(yù)警分析，假設(shè)某型彈道導(dǎo)彈的主動段數(shù)據(jù)如下:

主動段飛行時間80 s，關(guān)機點速度6．4 km/s，平均加速度80 m/s2，徑向平均加速度45．88 m/s2，切向平均加速度65．53 m/s2，關(guān)機點彈道傾角35°，SBIRSGEO衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 部分衛(wèi)星掃描數(shù)據(jù)

根據(jù)仿真條件，衛(wèi)星掃描37次后彈道導(dǎo)彈發(fā)動機關(guān)機，彈道導(dǎo)彈進入自由飛行中段，由掃描數(shù)據(jù)可得，如表3所示。

表3 預(yù)測值和實際值比較

如圖3所示，由所得數(shù)據(jù)進行彈道模擬，實際彈道曲線與預(yù)警彈道曲線重合，說明二者吻合很好。

圖3 實際彈道與預(yù)警彈道

經(jīng)過數(shù)值仿真，天基紅外系統(tǒng)SBIRSGEO衛(wèi)星可有效完成對彈道導(dǎo)彈主動段和自由段的探測與預(yù)警，可為美軍實施彈道導(dǎo)彈攔截提供可靠的彈道信息和時間差，對美軍的彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)性能的提升具有重要作用。

7 總結(jié)

美軍天基紅外系統(tǒng)正處于緊張研發(fā)和部署階段，其新型天基紅外預(yù)警系統(tǒng)可快速提升美軍彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，為美軍實現(xiàn)單邊核威懾提供重要保障，也對彈道導(dǎo)彈各個飛行段的突防手段和策略提出更大的挑戰(zhàn)。

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