STSS預警衛(wèi)星目標跟蹤能力研究

田 野,萬 華,秦國政,李博驍,郭繼光,張 龍

(1.中國電子科學研究院，北京 100041；2.中國電子科技集團公司，北京 100846)

0 引 言

導彈預警衛(wèi)星是用于監(jiān)視和發(fā)現(xiàn)敵方戰(zhàn)略彈道導彈并發(fā)出來襲告警的偵察衛(wèi)星。美國建立了世界上目前功能最完善的彈道導彈預警衛(wèi)星系統(tǒng)，在50余年的發(fā)展歷程中[1-4]，先后經(jīng)歷了“米達斯”、DSP、SBIRS三個發(fā)展階段，其中SBIRS包括SBIRS-high和SBIRS-low兩個系統(tǒng)，SBIRS-high是DSP系統(tǒng)的升級替代系統(tǒng)，包括GEO和HEO；SBIRS-low又稱空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)(Space Tracking and Surveillance System：STSS)。

空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)是美國彈道導彈預警衛(wèi)星系統(tǒng)中的低軌預警衛(wèi)星系統(tǒng)的核心，其主要任務(wù)是實現(xiàn)全球范圍內(nèi)彈道導彈主動段探測和中段跟蹤。目前共有3顆在軌衛(wèi)星，包括1顆先進技術(shù)風險降低衛(wèi)星、2顆試驗演示衛(wèi)星。

目前，對于STSS預警衛(wèi)星的研究主要集中于衛(wèi)星軌道及星座構(gòu)型[1]、載荷能力[5]、覆蓋特性[6]、工作方式[7]等方面，對STSS預警衛(wèi)星對彈道導彈目標跟蹤能力的研究相對較少。本文聚焦于STSS預警衛(wèi)星對彈道導彈目標的時間跟蹤能力和多目標跟蹤能力兩方面。在時間跟蹤能力研究方面，針對彈道導彈飛行中段釋放誘餌情況下的目標跟蹤時間分析難題，提出了一種在彈道導彈中段釋放誘餌的情況下，獲取預警衛(wèi)星對彈道導彈目標和誘餌同時跟蹤時間的方法；在多目標跟蹤能力研究方面，首次分析了典型彈道導彈場景下STSS預警衛(wèi)星對多批次彈道導彈目標的跟蹤能力。此外，基于典型彈道導彈目標作戰(zhàn)場景，仿真分析了STSS預警衛(wèi)星的跟蹤能力。

1 STSS預警衛(wèi)星軌道、載荷方案和目標跟蹤方式

根據(jù)既有研究[1]，STSS預警衛(wèi)星系統(tǒng)可能由24顆預警衛(wèi)星組成，軌道高度1600 km，衛(wèi)星軌道采用Walker星座，分布于4個軌道面上，軌道傾角60°。跟蹤相機探測能力8000 km，設(shè)置凝視視場2°×2°，二維指向范圍方位向360°，俯仰向設(shè)置為53.5°-150°。STSS預警衛(wèi)星系統(tǒng)參數(shù)和衛(wèi)星星座示意圖分別如表1和圖1所示。

表1 STSS預警衛(wèi)星系統(tǒng)參數(shù)

STSS衛(wèi)星軌道方案示意圖如圖1所示。

圖1 美國STSS預警衛(wèi)星星座示意圖

處于中段飛行過程中的導彈發(fā)動機已熄火，沒有強烈的輻射信息，只有對陽光的反射和彈體自身的紅外輻射可以探測。此外，彈頭在中段與大氣摩擦迅速減少，彈頭表面溫度很快降至常溫，紅外輻射能量大幅減少。為保證對彈道導彈目標探測具有足夠的信雜比，在進行彈道導彈目標中段跟蹤時，跟蹤相機需要以地球臨邊以上的深空為背景進行臨邊探測，臨邊探測示意圖如圖2。

圖2 預警衛(wèi)星臨邊探測示意圖

2 STSS預警衛(wèi)星的目標時間跟蹤能力

預警衛(wèi)星需要對彈道導彈目標具有一定時間長度的跟蹤能力，以實現(xiàn)對目標的跟蹤、定位、識別、落點預報、攔截等多種任務(wù)，時間跟蹤能力可以從兩個方面衡量。一是，預警衛(wèi)星在彈道導彈飛行過程中對單個目標可連續(xù)跟蹤的時間；二是，考慮在中段彈道導彈將釋放多種類型的干擾誘餌，在導彈附近伴隨彈頭運動，形成目標群，因此預警衛(wèi)星需要具備一定時間的對目標和誘餌同時連續(xù)跟蹤的能力。本部分將結(jié)合彈道導彈軌跡數(shù)據(jù)，分析STSS預警衛(wèi)星的上述兩類時間跟蹤能力。

2.1 STSS預警衛(wèi)星對彈道導彈的全程時間跟蹤能力

俄羅斯一直保持全球領(lǐng)先的戰(zhàn)略核力量，也是美國最主要的戰(zhàn)爭威脅對手。擁有300余枚現(xiàn)役陸基洲際彈道導彈，并攜帶約1200枚核彈頭，主要由“撒旦”“白楊-M”“亞爾斯”“布拉瓦”等彈道導彈構(gòu)成。其中，“撒旦”射程超過16000 km，可攜帶10個分導彈頭，“白楊-M”射程超過10000 km，包括固定式和機動式兩型，并在積極研制“薩爾馬特”“邊界”等新型洲際彈道導彈。

假設(shè)有一枚從俄羅斯西伯利亞地區(qū)射向美國本土的彈道導彈，導彈發(fā)射點位于北緯60°東經(jīng)125°落點位于北緯47°，西經(jīng)100°位置。利用STSS預警衛(wèi)星對該枚導彈進行連續(xù)跟蹤，仿真分析得到STSS預警衛(wèi)星系統(tǒng)中的各顆衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤時間如圖3所示。

圖3 STSS預警衛(wèi)星對某彈道導彈的全程時間跟蹤能力

從圖3的仿真結(jié)果可看出，STSS系統(tǒng)第三個軌道面的第五顆衛(wèi)星(記為STSS-35)連續(xù)跟蹤時間最短，為251 s；STSS系統(tǒng)第四個軌道面的第一顆衛(wèi)星(記為STSS-41)連續(xù)跟蹤時間最長，為2472 s。

基于上述分析可以看出，STSS預警衛(wèi)星系統(tǒng)中的各顆衛(wèi)星對彈道導彈全程可提供251～2472 s的跟蹤時間。跟蹤時間越長，越有利于預警衛(wèi)星對彈道導彈進行落點預報估計、目標定位等工作，如120 s 的跟蹤時間可實現(xiàn)1.97 km的落點預報精度，而180 s的跟蹤時間可實現(xiàn)0.85 km的落點預報精度[8]。

2.2 STSS預警衛(wèi)星對目標和誘餌的同時連續(xù)跟蹤能力

在中段彈道導彈將釋放多種類型的干擾誘餌，這些干擾誘餌在導彈附近將伴隨彈頭運動，形成目標群，給預警衛(wèi)星目標定位和識別帶來困難。

STSS預警衛(wèi)星對某彈道導彈跟蹤視場示意圖如圖4所示，可以看出彈道導彈誘餌在彈頭附近伴隨飛行，預警衛(wèi)星需具備一定時長的對彈頭和誘餌的同時跟蹤能力，以保證實現(xiàn)目標跟蹤、定位、識別等應(yīng)用需求。

圖4 STSS預警衛(wèi)星對彈道導彈跟蹤視場示意圖

通過仿真分析可知，彈道導彈飛行全程STSS預警系統(tǒng)中的各顆衛(wèi)星與導彈目標的距離如圖5(a)所示，衛(wèi)星與目標的最小距離出現(xiàn)在STSS系統(tǒng)第三個軌道面的第二顆衛(wèi)星(記為STSS-32)于導彈發(fā)射后第554 s時，此時衛(wèi)星與彈道導彈的距離為871 km；衛(wèi)星與目標的最大距離出現(xiàn)在STSS系統(tǒng)第一個軌道面的第三顆衛(wèi)星(記為STSS-13)于導彈發(fā)射后第1385 s時，此時衛(wèi)星與彈道導彈的距離為11680 km。

根據(jù)幾何關(guān)系可知，預警衛(wèi)星對彈道導彈目標探測視場范圍的計算公式為L=R·θ，其中，R為預警衛(wèi)星與目標的距離，θ為凝視相機視場角?？紤]在彈道導彈飛行過程中預警衛(wèi)星與導彈的距離在871 km到11680 km范圍之間變化(如圖5(a)所示)，預警衛(wèi)星凝視相機視場角為0.2°，經(jīng)計算可得預警衛(wèi)星對彈道導彈目標探測視場寬度范圍為 31～408 km(如圖5(b)所示)，記探測視場寬度范圍最小值為Lmin、最大值為Lmax，則Lmin=31 km，Lmax=408 km。即圖4中所示的在彈道導彈飛行過程中跟蹤視場四邊的最小值和最大值分別為31 km和408 km。

圖5 STSS預警衛(wèi)星與彈道導彈目標距離和視場范圍

3 STSS預警衛(wèi)星多目標跟蹤能力

除了需要研究STSS預警衛(wèi)星系統(tǒng)對單個目標的跟蹤能力外，預警衛(wèi)星系統(tǒng)的另一個重要能力——對多顆彈道導彈目標的跟蹤能力也亟待分析研究。

考慮美俄互為對方的主要戰(zhàn)爭威脅對手，俄羅斯對美國作戰(zhàn)典型彈道導彈使用場景為：一批次發(fā)射10枚彈道導彈攻擊美國首都核心區(qū)，相鄰批次發(fā)射間隔1 h；一批次發(fā)射10枚彈道導彈攻擊美核導彈基地，相鄰批次發(fā)射間隔1 h；一批次發(fā)射3～5枚彈道導彈攻擊美其它重要地區(qū)，相鄰批次發(fā)射間隔1 h。

以俄羅斯一批次發(fā)射10枚彈道導彈攻擊美國某地為場景，STSS預警衛(wèi)星系統(tǒng)在彈道導彈飛行過程中對10枚目標的可探測衛(wèi)星數(shù)目如圖6所示。

圖6 STSS預警衛(wèi)星對某次發(fā)射的一批10枚彈道導彈的可探測衛(wèi)星數(shù)目

針對俄羅斯一批次發(fā)射10枚彈道導彈攻擊美國某地為場景，從圖6的仿真結(jié)果可以看出，若基于單星探測以盡可能保證多目標跟蹤監(jiān)視能力為前提，則STSS預警衛(wèi)星可實現(xiàn)對2～12批目標的全程單星跟蹤監(jiān)視，其中在彈道導彈中段可實現(xiàn)對至少8批彈道導彈目標的單星跟蹤監(jiān)視；若基于雙星探測以保證協(xié)同探測定位精度為前提，則STSS預警衛(wèi)星可實現(xiàn)對1～6批彈道導彈目標的全程雙星協(xié)同跟蹤，其中在彈道導彈中段全程可實現(xiàn)對至少3批彈道導彈目標的雙星協(xié)同探測。相關(guān)多目標探測能力總結(jié)如表2所示，STSS預警衛(wèi)星對俄羅斯方向攻擊美國的多批次彈道導彈具有良好的目標跟蹤能力。

表2 STSS預警衛(wèi)星的多目標探測能力

4 結(jié) 語

本文研究了美國STSS預警衛(wèi)星對彈道導彈目標的跟蹤能力，首次對STSS預警衛(wèi)星的時間跟蹤能力和多目標跟蹤能力進行了研究。文章首先分析了STSS預警衛(wèi)星的軌道和載荷方案，在此基礎(chǔ)上考慮美國最大戰(zhàn)爭對手俄羅斯發(fā)射的彈道導彈攻擊美國本土場景，利用STK仿真分析了STSS預警系統(tǒng)中各顆衛(wèi)星對彈道導彈的全程跟蹤能力。同時，考慮彈道導彈中段釋放誘餌的情況，提出了一種分析預警衛(wèi)星對彈道導彈誘餌和目標同時跟蹤時間的方法。在多目標跟蹤能力方面，首次分析了典型彈道導彈攻擊場景下STSS預警衛(wèi)星對多批次彈道導彈目標的跟蹤能力。本文的分析結(jié)果表明，STSS預警衛(wèi)星系統(tǒng)對彈道導彈目標具有較為出色的跟蹤能力，單顆彈道導彈目標具有較強的連續(xù)跟蹤時間，并可實現(xiàn)對目標和誘餌的長時間連續(xù)跟蹤，同時對俄羅斯方向攻擊美國的多批次彈道導彈具有良好的多目標跟蹤能力。