一種拖拽式的預(yù)警裝備快速部署方法

秦國政 陸澤健 趙會(huì)朋 李博驍

（中國電子科學(xué)研究院 北京市 100041）

1 引言

導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)作為彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的“耳目”，能夠提供導(dǎo)彈的早期預(yù)警、精密跟蹤、彈頭識(shí)別、跟蹤指示等信息，其發(fā)展一直受到美、俄等軍事強(qiáng)國的高度重視。目前，國外的導(dǎo)彈預(yù)警裝備主要包括預(yù)警衛(wèi)星和預(yù)警雷達(dá)[1]，其中預(yù)警衛(wèi)星中的高軌預(yù)警衛(wèi)星主要用于導(dǎo)彈發(fā)射的早期預(yù)警，低軌預(yù)警衛(wèi)星主要用于導(dǎo)彈中段的精密跟蹤和識(shí)別[2-6]；預(yù)警雷達(dá)是在預(yù)警衛(wèi)星的信息支援下，對導(dǎo)彈目標(biāo)進(jìn)行截獲、跟蹤、識(shí)別和指示[7-9]。為了充分發(fā)揮預(yù)警裝備的效能，需要根據(jù)導(dǎo)彈的攻擊場景和預(yù)警裝備的工作特點(diǎn)對其進(jìn)行合理配置，利用仿真手段對預(yù)警裝備的配置方案進(jìn)行分析、評估和迭代優(yōu)化[10-12]。

在目前常見的預(yù)警系統(tǒng)仿真軟件產(chǎn)品中開展仿真場景構(gòu)建和裝備部署時(shí)，主要利用手動(dòng)方式設(shè)置每部預(yù)警裝備的各項(xiàng)性能參數(shù)，例如預(yù)警衛(wèi)星需要設(shè)置衛(wèi)星軌道、星座構(gòu)型、傳感器探測性能等參數(shù)，預(yù)警雷達(dá)需要設(shè)置雷達(dá)的位置、工作頻段、探測距離、探測范圍等參數(shù)。仿真場景構(gòu)建和預(yù)警裝備部署過程繁瑣且無法根據(jù)仿真需求進(jìn)行靈活調(diào)整裝備部署方案。因此，研究仿真場景的快速構(gòu)建及預(yù)警裝備的快速部署方法，對預(yù)警系統(tǒng)仿真軟件產(chǎn)品研制，以及預(yù)警系統(tǒng)的仿真和評估都具有重要意義。

本文針對仿真場景快速構(gòu)建和預(yù)警裝備快速部署，提出了一種拖拽式的裝備快速部署方法，可支持利用鼠標(biāo)拖拽的方式在預(yù)警系統(tǒng)仿真軟件產(chǎn)品中快速部署預(yù)警衛(wèi)星和預(yù)警雷達(dá)，并可根據(jù)仿真場景靈活調(diào)整裝備的配置方案，有效提高了導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)仿真分析和效能評估的效率。

2 預(yù)警衛(wèi)星快速部署

通過分析美、俄預(yù)警衛(wèi)星的發(fā)展演進(jìn)特點(diǎn)，預(yù)警衛(wèi)星常用的軌道包括地球靜止軌道（GEO）、大橢圓軌道（HEO）和低軌傾斜圓軌道（LEO）。GEO 衛(wèi)星和HEO 衛(wèi)星具有軌道高、傳感器覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，少量預(yù)警衛(wèi)星即可提供持續(xù)的全球區(qū)域覆蓋能力，能夠發(fā)現(xiàn)和跟蹤導(dǎo)彈的主動(dòng)段。典型GEO 和HEO 衛(wèi)星系統(tǒng)有美國的“天基紅外系統(tǒng)-高軌道”（SBIRS-High）系統(tǒng)，由5 顆GEO 衛(wèi)星和4 顆HEO 衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星均安裝一臺(tái)寬視場的高速掃描相機(jī)和一臺(tái)窄視場的凝視跟蹤相機(jī)，通過兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)對全球?qū)棸l(fā)射的早期預(yù)警[6]。低軌預(yù)警衛(wèi)星星座主要是由部署在不同軌道面衛(wèi)星構(gòu)成，衛(wèi)星具有軌道低、傳感器靈敏度較高等特點(diǎn)，通過衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的信息“交接”，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)彈中段和再入段的精密跟蹤和識(shí)別，同時(shí)為攔截武器提供引導(dǎo)數(shù)據(jù)。為了保證對彈道導(dǎo)彈目標(biāo)探測具有足夠的信雜比，在進(jìn)行彈道導(dǎo)彈中段跟蹤時(shí)，需要采用以深空為背景的臨邊探測模式。典型低軌預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)有美國的“太空監(jiān)視與跟蹤系統(tǒng)”（STSS），由18-32 顆LEO 衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星均裝備了寬視場的掃描相機(jī)和窄視場的跟蹤相機(jī)[6]。

圖1：GEO 衛(wèi)星的快速部署流程

圖2：LEO 衛(wèi)星快速部署流程

根據(jù)現(xiàn)有預(yù)警衛(wèi)星的軌道類型和工作特點(diǎn)可以得到，GEO 衛(wèi)星定點(diǎn)于地球赤道上空，可通過設(shè)置衛(wèi)星星下點(diǎn)經(jīng)度進(jìn)行快速部署；LEO 衛(wèi)星系統(tǒng)主要由多顆低軌道衛(wèi)星按照Walker 星座的構(gòu)型組成衛(wèi)星星座，因此可以通過設(shè)置星座的具體構(gòu)型（包括軌道面數(shù)量、每個(gè)軌道面衛(wèi)星數(shù)量等），按照Walker 星座的生成原理，自動(dòng)計(jì)算星座中每顆衛(wèi)星的軌道參數(shù)，實(shí)現(xiàn)LEO 衛(wèi)星星座的快速部署；HEO 預(yù)警衛(wèi)星主要采用傾角為63.4°的大橢圓凍結(jié)軌道，遠(yuǎn)地點(diǎn)位于北半球高緯度地區(qū)，用于對高緯度區(qū)域的預(yù)警探測。由于HEO衛(wèi)星星座的特殊性和衛(wèi)星數(shù)量的限制（一般不超過4 顆），需要根據(jù)不同任務(wù)要求對HEO 衛(wèi)星的軌道和載荷參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)配置。下面重點(diǎn)介紹GEO 衛(wèi)星和HEO 衛(wèi)星的拖拽式部署流程。

表1：GEO 衛(wèi)星軌道參數(shù)

表2：LEO 衛(wèi)星軌道參數(shù)

表3：預(yù)警雷達(dá)的初始參數(shù)

表4：預(yù)警雷達(dá)的初始參數(shù)

GEO 衛(wèi)星的快速部署流程如圖 1所示，在數(shù)據(jù)庫中設(shè)置GEO衛(wèi)星掃描相機(jī)和跟蹤相機(jī)的初始參數(shù)后，利用鼠標(biāo)拖拽至軟件界面時(shí)，通過設(shè)置衛(wèi)星星下點(diǎn)經(jīng)度LonS 值，利用表1 自動(dòng)生成GEO 衛(wèi)星的初始軌道根數(shù)。利用衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)模型進(jìn)行軌道預(yù)報(bào)和目標(biāo)探測分析，并在二/三維界面中顯示衛(wèi)星的覆蓋范圍。

LEO 衛(wèi)星的快速部署流程如圖 2所示，在數(shù)據(jù)庫中設(shè)置LEO衛(wèi)星的初始軌道和載荷參數(shù)，其中衛(wèi)星初始軌道參數(shù)如表2所示。利用鼠標(biāo)拖拽至軟件界面時(shí)，通過設(shè)置衛(wèi)星星座中的軌道面數(shù)量P和每個(gè)軌道面衛(wèi)星的數(shù)量S，根據(jù)Walker 星座原理計(jì)算星座中每顆衛(wèi)星的軌道參數(shù)，如表2所示。表中編號(hào)m 衛(wèi)星的升交點(diǎn)赤經(jīng)Ωm和真近點(diǎn)角um的計(jì)算公式如下：

圖3：預(yù)警雷達(dá)快速部署流程

圖4：雷達(dá)部署原理圖

圖5：預(yù)警衛(wèi)星部署界面

其中，Ω0和u0分別為LEO 衛(wèi)星的初始升交點(diǎn)赤經(jīng)和真近點(diǎn)角，Pm為衛(wèi)星軌道平面編號(hào)，Nm為衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)的編號(hào)。利用衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)模型進(jìn)行軌道預(yù)報(bào)和目標(biāo)探測分析，并在二/三維界面中顯示衛(wèi)星的覆蓋范圍。

3 預(yù)警雷達(dá)快速部署

預(yù)警雷達(dá)主要有遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)和多功能預(yù)警相控陣?yán)走_(dá)。遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)主要承擔(dān)來襲導(dǎo)彈目標(biāo)的截獲與跟蹤，并預(yù)測導(dǎo)彈彈道。常見遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)有美國的AN/FPS-108、AN/FPS-123、AN/FPS-132 等，以及俄羅斯的第聶伯河-M、沃羅涅日-DM 等[1,7]。多功能預(yù)警相控陣?yán)走_(dá)主要承擔(dān)來襲目標(biāo)的精密跟蹤和識(shí)別，并為制導(dǎo)雷達(dá)提供精確的目標(biāo)引導(dǎo)信息，常見有美國的AN/TPY -2 雷達(dá)，主要為“薩德”反導(dǎo)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)引導(dǎo)及毀傷效果評估信息。一般來說，預(yù)警雷達(dá)受到工作任務(wù)和技術(shù)基礎(chǔ)的制約，其工作頻段、最大探測距離、俯仰角等性能參數(shù)在設(shè)計(jì)中已基本確定，能夠部署和調(diào)整的參數(shù)主要是預(yù)警雷達(dá)的位置和陣面指向。此外，由于預(yù)警雷達(dá)部署位置會(huì)受到地形地貌、供電、安全防護(hù)等因素的影響，可以根據(jù)導(dǎo)彈的攻擊場景和雷達(dá)的部署約束，在數(shù)據(jù)庫中預(yù)先設(shè)置所有滿足要求的雷達(dá)陣位。在仿真過程中，能夠根據(jù)應(yīng)用場景將預(yù)警雷達(dá)快速部署至指定陣位中，并快速調(diào)整雷達(dá)陣面指向。

預(yù)警雷達(dá)的快速部署流程如圖 3所示，設(shè)置預(yù)警雷達(dá)性能參數(shù)和雷達(dá)陣位集合，如表3所示。

下面重點(diǎn)介紹預(yù)警雷達(dá)位置快速部署和陣面快速調(diào)整的方法。

3.1 預(yù)警雷達(dá)位置快速部署

預(yù)警雷達(dá)位置快速部署是將利用鼠標(biāo)拖拽的方式將預(yù)警雷達(dá)部署到二維地圖的指定雷達(dá)陣位中，其部署原理如圖 4所示。假設(shè)軟件數(shù)據(jù)庫中共設(shè)置有M 個(gè)雷達(dá)陣位，其中第i 個(gè)雷達(dá)陣位的位置參數(shù)分別表示雷達(dá)陣位的經(jīng)度、緯度和高度。利用鼠標(biāo)拖動(dòng)預(yù)警雷達(dá)到二維地圖的指定位置時(shí)，軟件實(shí)時(shí)獲取鼠標(biāo)的位置并計(jì)算鼠標(biāo)當(dāng)前位置與數(shù)據(jù)庫中所有雷達(dá)陣位的最小距離dmin。

其中Re為地球半徑。由公式（2）計(jì)算得到的dmin對應(yīng)的雷達(dá)陣位即為預(yù)警雷達(dá)的部署位置。

3.2 預(yù)警雷達(dá)陣面指向快速調(diào)整

預(yù)警雷達(dá)部署完成后在二維地圖上顯示預(yù)警雷達(dá)默認(rèn)的方位覆蓋范圍和陣面中心線，雷達(dá)默認(rèn)陣面中心線的指向角為。利用鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)雷達(dá)陣面中心線旋轉(zhuǎn)至角度θ1，則預(yù)警雷達(dá)方位角自動(dòng)設(shè)置為：

在雷達(dá)部署和調(diào)整后，所部署的預(yù)警雷達(dá)參數(shù)按照表4 自動(dòng)設(shè)置

4 預(yù)警裝備快速部署示例分析

下面介紹本文提出的裝備部署方法在預(yù)警系統(tǒng)仿真軟件中的應(yīng)用。預(yù)警衛(wèi)星的部署界面如圖 5所示，其中圖5（a）為GEO 衛(wèi)星部署界面，拖動(dòng)GEO 衛(wèi)星至二維地圖界面中，在彈出的對話框中輸入衛(wèi)星的星下點(diǎn)經(jīng)度和相機(jī)視場角后，軟件自動(dòng)生成衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡和覆蓋范圍。圖5（b）為LEO 衛(wèi)星部署界面，拖動(dòng)LEO 衛(wèi)星至二維地圖界面中，在彈出的對話框中輸入衛(wèi)星軌道面數(shù)量和每個(gè)軌道面中衛(wèi)星的數(shù)量，軟件自動(dòng)生成星座中每顆衛(wèi)星軌道根數(shù)并進(jìn)行軌道預(yù)報(bào)。由于LEO 衛(wèi)星主要采用臨邊測探模式，在二維地圖中顯示衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡。

預(yù)警雷達(dá)的快速部署界面如圖 6所示，其中圖6（a）為預(yù)警雷達(dá)的位置部署界面，拖動(dòng)預(yù)警雷達(dá)至二維地圖中，軟件自動(dòng)計(jì)算與鼠標(biāo)位置距離最小的陣位作為雷達(dá)的部署位置，待鼠標(biāo)左鍵松開后預(yù)警雷達(dá)自動(dòng)部署至該陣位。圖6（b）為預(yù)警雷達(dá)陣面的調(diào)整界面，點(diǎn)擊預(yù)警雷達(dá)圖標(biāo)上的編輯按鈕，在二維地圖中顯示預(yù)警雷達(dá)中心指向線（紅色虛線）。用鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)雷達(dá)中心指向線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，預(yù)警雷達(dá)探測范圍隨中心指向線進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)束語

本文圍繞預(yù)警系統(tǒng)仿真場景的快速構(gòu)建、仿真評估等應(yīng)用要求，重點(diǎn)研究了在仿真場景中利用鼠標(biāo)拖拽的方式快速部署預(yù)警衛(wèi)星和預(yù)警雷達(dá)的方法，通過預(yù)置預(yù)警裝備參數(shù)、優(yōu)化人機(jī)交互的方式，提高預(yù)警裝備部署的靈活性和便捷性，為預(yù)警系統(tǒng)仿真分析軟件的設(shè)計(jì)和研制提供技術(shù)支撐。

圖6：預(yù)警雷達(dá)部署界面