美國HEO預(yù)警衛(wèi)星覆蓋性能分析

胡 磊， 閆世強(qiáng)， 劉 輝， 許 松

（1.空軍預(yù)警學(xué)院 研究生管理大隊，湖北 武漢430019； 2.空軍預(yù)警學(xué)院 空天預(yù)警實驗室，湖北 武漢430019）

地球靜止軌道預(yù)警衛(wèi)星定點于地球赤道上空，可以對載荷覆蓋區(qū)域進(jìn)行不間斷監(jiān)視。但由于受地球曲率影響，地球靜止軌道預(yù)警衛(wèi)星對高緯度地區(qū)的探測能力很差，甚至是不能探測。而遠(yuǎn)地點位于北極上空的大橢圓軌道（HEO）預(yù)警衛(wèi)星在北極區(qū)域滯留時間長，可以有效解決北極地區(qū)的探測，并與地球靜止軌道預(yù)警衛(wèi)星互補(bǔ)，形成對全球（除南極區(qū)域）24h監(jiān)視。為了應(yīng)對彈道導(dǎo)彈的威脅，美國與俄羅斯都發(fā)展了HEO預(yù)警衛(wèi)星［1－2］。本文根據(jù)HEO特性和軌道理論知識，利用STK軟件對美國HEO預(yù)警衛(wèi)星的軌道特點和覆蓋性能進(jìn)行了仿真分析，并提出了發(fā)展HEO預(yù)警衛(wèi)星星座的對策與建議，旨在為我國預(yù)警衛(wèi)星的發(fā)展與研究提供借鑒與參考。

1 HEO特性分析

大橢圓軌道（HEO），即大偏心率軌道，指近地點高度與遠(yuǎn)地點高度相差特別顯著的軌道［3］。根據(jù)空間物體運動規(guī)律，航天器在HEO遠(yuǎn)地點附近運動速度特別慢，適合具有空間逗留要求的航天任務(wù)。如果將HEO遠(yuǎn)地點布置于北半球上空，則航天器處于北半球上空的時間占一個軌道周期的大半。

大橢圓凍結(jié)軌道是指傾角為63.4°的大橢圓軌道，該軌道的近地點高度、遠(yuǎn)地點高度和近地點的星下點緯度受空間攝動影響小、改變特別慢，軌道長期維持所需的燃料較少。

閃電（Molniya）軌道是一種特殊的大橢圓凍結(jié)軌道，閃電軌道遠(yuǎn)地點位于北半球高緯度地區(qū)，使得衛(wèi)星在1個周期內(nèi)可長弧段（90%以上）位于北半球上空。凍結(jié)軌道的特點使衛(wèi)星遠(yuǎn)地點高度和星下點位置較為穩(wěn)定，即可以長期保持該長弧段“逗留”特性［3－4］。閃電軌道周期通常為12h，地面軌跡2圈后回歸，有利于星地管理和衛(wèi)星對地觀測，同時衛(wèi)星有50%的弧段位于3萬～4萬km之間，對地覆蓋范圍大（衛(wèi)星視場可以完全覆蓋北極地區(qū)）。

美國和俄羅斯均發(fā)展閃電軌道預(yù)警衛(wèi)星星座，以完成對北半球高緯度地區(qū)的預(yù)警監(jiān)視。與地球靜止軌道預(yù)警衛(wèi)星配合組網(wǎng)，可實現(xiàn)全球（除南極區(qū)域）24h監(jiān)視，從而達(dá)到增加彈道導(dǎo)彈預(yù)警時間和提高探測、跟蹤與預(yù)報精度的目的。

2 美國HEO預(yù)警衛(wèi)星發(fā)展情況

美國導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個階段［1，5－11］：①“米達(dá)斯”計劃，該系列衛(wèi)星屬于試驗論證階段；②國防支援計劃（Defense Support Program，DSP），該系列衛(wèi)星是迄今為止全球最為成熟的、參與實戰(zhàn)的預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)；③天基紅外系統(tǒng)（SBIRS），該系列衛(wèi)星是在DSP基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)與完善的，主要包括高軌部分和低軌部分，目前正處于研制部署過程中。已經(jīng)部署的部分SBIRS高軌衛(wèi)星中，包括2顆HEO衛(wèi)星和1顆地球靜止軌道衛(wèi)星。目前SBIRS靜止軌道衛(wèi)星和DSP衛(wèi)星協(xié)同工作，2顆HEO衛(wèi)星目前均已部署完成［12］，低軌衛(wèi)星尚處于實驗論證階段，還沒有成功部署。

由于受地球曲率與大氣折射影響，DSP星座只能對中低緯地區(qū)的彈道導(dǎo)彈進(jìn)行早期預(yù)警，對高緯度地區(qū)的監(jiān)視能力很差，甚至是不能探測。對于美國，在北極區(qū)域存在俄羅斯彈道導(dǎo)彈的威脅，因此，美國在SBIRS中發(fā)展了HEO預(yù)警衛(wèi)星，將系統(tǒng)的預(yù)警能力擴(kuò)展到北極區(qū)，從而彌補(bǔ)DSP星座的缺陷。這2顆大橢圓軌道預(yù)警衛(wèi)星分別于2006年和2008年發(fā)射，目前與DSP星座組網(wǎng)工作。它最重要的任務(wù)是向美國本土司令部或戰(zhàn)場的指揮官提供戰(zhàn)略和戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈的發(fā)射、飛行及全球的戰(zhàn)區(qū)紅外線數(shù)據(jù)和處理過的情報，對北極圈（北緯60°以上）進(jìn)行全天時不間斷覆蓋。

3 美國HEO預(yù)警衛(wèi)星覆蓋性能仿真與分析

從美國整個SBIRS作戰(zhàn)使命來看，其HEO預(yù)警衛(wèi)星主要負(fù)責(zé)對北極圈內(nèi)進(jìn)行全天時不間斷覆蓋，以實現(xiàn)對北極圈內(nèi)彈道導(dǎo)彈目標(biāo)的早期預(yù)警、戰(zhàn)場空間感知和技術(shù)情報的收集。本文主要利用STK軟件對美國在軌的2顆HEO預(yù)警衛(wèi)星的軌道特性與覆蓋性能進(jìn)行分析。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)遞推至北京時間2010年10月20日的2顆大橢圓軌道紅外預(yù)警衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)如表1所示。這種軌道類似于俄羅斯的閃電軌道。

表1 HEO－1與HEO－2軌道基本參數(shù)

根據(jù)攝動公式［13］

式中：w為近地點幅角；J2為地球引力勢二階帶諧系數(shù)；Re為地球赤道半徑，本文取Re＝6 371km；i為軌道傾角；a為長半軸；μ為地球引力常數(shù)；e為軌道偏心率。對SBIRS－HEO而言，dw／dt＝0，可知4－5sin2i＝0，得出軌道傾角i＝63.434 948 8°。

根據(jù)長半軸公式

式中h1與h2分別為衛(wèi)星近地點和遠(yuǎn)地點高度。

將表1中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2），可得：HEO－1的長半軸a1＝26 551.9km，HEO－2的長半軸a2＝26 566.0km。

根據(jù)偏心率公式

由 表1可 知，HEO－1的 近 地 點 高 度 為2 246.30km，HEO－2的 近 地 點 高 度 為1 377.88km，代入式（3）得出，HEO－1的軌道偏心率e1＝0.675 5，HEO－2的 軌 道 偏 心 率e2＝0.708 3。

根 據(jù)上 述 相 關(guān) 參 數(shù)，利 用STK軟 件［14－15］建立的三維場景視圖與星下點軌跡如圖1所示，仿真得出HEO－1與HEO－2的經(jīng)緯高與時間關(guān)系曲線分別如圖2和圖3所示。2顆衛(wèi)星的平近點角相差接近180°，即到達(dá)北半球遠(yuǎn)地點的時間相差大約半個周期，這樣可以通過2顆HEO衛(wèi)星交替對北極區(qū)域的覆蓋，實現(xiàn)對北極區(qū)域24h不間斷的監(jiān)視。

圖1 美國HEO預(yù)警衛(wèi)星三維運行視圖與星下點軌跡

圖2 HEO－1經(jīng)緯高與時間關(guān)系曲線

圖3 HEO－2經(jīng)緯高與時間關(guān)系曲線

因無法得到美國HEO預(yù)警衛(wèi)星紅外探測器的詳細(xì)資料，為便于分析，本文假設(shè)美國2顆HEO預(yù)警衛(wèi)星掃描相機(jī)的視場均為14°×14°，在對北極區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視時，探測器的視軸指向北極點。利用STK軟 件 的 仿 真 分 析 報 告 可 得 出，HEO－1在27 027km高度以上可實現(xiàn)北極圈的100%覆蓋，HEO－2在27 028km高度以上可實現(xiàn)北極圈的100%覆蓋，HEO－1與HEO－2的覆 蓋性能詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可看出，單個周期內(nèi)，HEO－1與HEO－2的對北極圈完成100%覆蓋的時間均在6h以上，同一周期內(nèi)其分別到達(dá)遠(yuǎn)地點的時間相差將近6h（周期的一半），而且同一周期內(nèi)2顆衛(wèi)星的100%覆蓋弧段也存在交叉覆蓋。綜上所述，HEO－1與HEO－2組成的大橢圓軌道星座足以實現(xiàn)對北極圈的全天時單重覆蓋，完成對北極區(qū)域24h的監(jiān)視和探測。

表2 HEO－1與HEO－2覆蓋性能分析

4 發(fā)展HEO預(yù)警衛(wèi)星星座的對策與建議

在上述研究分析美國導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的發(fā)展歷程、HEO星座覆蓋性能等的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國實際情況，總結(jié)出我國HEO預(yù)警衛(wèi)星星座建設(shè)過程中，應(yīng)當(dāng)重點考慮以下幾個方面的問題。

1）根據(jù)我國面臨的北極區(qū)域彈道導(dǎo)彈威脅態(tài)勢考慮HEO星座的覆蓋性能，實現(xiàn)北極區(qū)域的全天時覆蓋，尤其是要對重點威脅區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多重覆蓋，保證全天時的監(jiān)視和對目標(biāo)的立體探測。從上述仿真分析中可以看出，針對北極區(qū)域的彈道導(dǎo)彈威脅，美國SBIRS中的HEO星座只對北極圈區(qū)域進(jìn)行全天時的單重覆蓋。之所以這樣，主要是由于美國在北極方向的本土部署了遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)，與預(yù)警衛(wèi)星協(xié)同工作，完成對北極區(qū)域彈道導(dǎo)彈的早期發(fā)現(xiàn)與跟蹤定位。對于我國而言，在北極區(qū)域主要面臨美國和俄羅斯的彈道導(dǎo)彈威脅，我國大部分地區(qū)都在美國和俄羅斯部署在北極區(qū)域的遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈射程之內(nèi)。而我國本土最北邊的緯度在53°左右，受地球曲率的影響，地基遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)不足以完全覆蓋北極圈，因此，我國若構(gòu)建HEO星座應(yīng)該考慮對北極圈進(jìn)行雙重或多重覆蓋，保證對北極區(qū)域全天時的監(jiān)視和對目標(biāo)的立體探測，以便精確測定目標(biāo)彈道。

2）要考慮HEO星座預(yù)警衛(wèi)星和地面站的備份問題。對于組網(wǎng)衛(wèi)星以及固定地面站除了建立工作星和工作站之外，還應(yīng)該建立相應(yīng)的備份星以及抗毀站和備份站，用以應(yīng)對突發(fā)事件，保證衛(wèi)星組網(wǎng)系統(tǒng)的連續(xù)正常工作，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾能力和生存能力。

針對上述2個方面的考慮，本文提出下述相關(guān)對策與建議。

HEO預(yù)警衛(wèi)星探測器的成像質(zhì)量和衛(wèi)星的速高比有直接關(guān)系，速高比越小，成像效果越好。衛(wèi)星在北極區(qū)域時，高度越高，其速度越小，這樣對北極圈的成像效果越好。若相機(jī)的技術(shù)水平允許，可用2顆HEO預(yù)警衛(wèi)星組網(wǎng)，實現(xiàn)對北極圈的全天時單重覆蓋。而根據(jù)我國面臨的威脅和有限的探測手段，并綜合考慮衛(wèi)星備份問題，筆者認(rèn)為采用3顆HEO預(yù)警衛(wèi)星組網(wǎng)：2顆 工作，1顆備份，組成HEO星座。在保證對北極圈雙重覆蓋的同時，實現(xiàn)HEO星座衛(wèi)星的備份。有2個前提：一是衛(wèi)星的速高比和衛(wèi)星載荷的視場必須支持每顆HEO衛(wèi)星每圈對北極圈的覆蓋時間至少達(dá)8h；二是每2顆衛(wèi)星配合工作都可實現(xiàn)對北極圈的全天時單重覆蓋。（由于無法得到衛(wèi)星的速高比和成像質(zhì)量的具體關(guān)系，本文不對其進(jìn)行具體的驗證分析，筆者在此只提出這種想法。）

筆者認(rèn)為備份星可以從2個方面來理解：①作為故障星的替補(bǔ)。星座的工作星數(shù)量保持不變，只有出現(xiàn)故障星的時候才啟動備份星作為補(bǔ)充。②作為紅外數(shù)據(jù)備份。在常態(tài)情況下，由工作星執(zhí)行常態(tài)監(jiān)視任務(wù)，地面站只接收和處理工作星的紅外探測數(shù)據(jù)。當(dāng)常態(tài)監(jiān)視過程中發(fā)現(xiàn)感興趣的目標(biāo)，則啟用備份星，即恢復(fù)備份星與地面站的數(shù)據(jù)通信，利用雙星探測，提供立體視角，以獲取精確的預(yù)警信息。

3）要考慮我國當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平和未來的技術(shù)發(fā)展趨勢，兼顧當(dāng)前的作戰(zhàn)應(yīng)用和未來的作戰(zhàn)局勢，綜合制定我國HEO星座的發(fā)展規(guī)劃和組網(wǎng)部署路線。由上述分析的美國導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星發(fā)展歷程可以看出，美國當(dāng)今導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的成熟與先進(jìn)離不開早期的長遠(yuǎn)規(guī)劃、長期的試驗論證與數(shù)據(jù)積累，早期的試驗論證和數(shù)據(jù)積累為后續(xù)導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的發(fā)展提供了技術(shù)支持與數(shù)據(jù)支撐。美國HEO星座也是在前期“米達(dá)斯”計劃和中期DSP技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。對于我國，不能急于求成，也不能過分拘泥于當(dāng)前的技術(shù)水平而裹足不前。早期發(fā)射的預(yù)警衛(wèi)星應(yīng)以試驗為主，積累技術(shù)經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，為后續(xù)的長期發(fā)展打下堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。在系統(tǒng)設(shè)計和部署上，應(yīng)充分考慮兼容性因素，強(qiáng)調(diào)功能的可拓展性。一旦將來預(yù)警需求發(fā)生變化，能夠依據(jù)新的預(yù)警需求，利用最前沿的技術(shù)定期對其進(jìn)行改造，拓展其功能，以減少系統(tǒng)升級或換代的成本和時間周期，保證我國空間應(yīng)用能力的持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 束 語

進(jìn)入21世紀(jì)，軍事航空與航天、防空與防天在作戰(zhàn)需求的牽引下，在空中目標(biāo)高速化、高空化、無人化的發(fā)展趨勢下，空天領(lǐng)域高度融合，加速了空天一體化作戰(zhàn)樣式的形成。為應(yīng)付全球彈道導(dǎo)彈的威脅，發(fā)展預(yù)警衛(wèi)星成為必然趨勢。因此，加強(qiáng)對美俄HEO預(yù)警衛(wèi)星的分析和了解，可以為我國預(yù)警衛(wèi)星的發(fā)展與研制提供相應(yīng)的借鑒與參考。

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