俄Olymp衛(wèi)星活動規(guī)律及能力分析

王嘯臻，陳治科，盧欣

（中國人民解放軍63768部隊(duì)，陜西 西安 710200）

0 引言

地球同步軌道（GEO）作為太空域重要戰(zhàn)略資源，分布著導(dǎo)彈預(yù)警、電子偵察、通信中繼、導(dǎo)航定位、氣象觀測等眾多高價值戰(zhàn)略衛(wèi)星，截止2021年底，GEO軌道在用衛(wèi)星已達(dá)到500余顆。近年來，美先后發(fā)展了“地球同步軌道空間態(tài)勢感知項(xiàng)目”（GSSAP）、“老鷹”（EAGLE）等多型高軌巡視衛(wèi)星，頻繁在GEO軌道開展抵近偵察、空間操控行動，體現(xiàn)了美對關(guān)鍵軌道帶的高度重視［1］。截止目前，俄共發(fā)射部署1顆高軌巡視衛(wèi)星，即“奧林普”（Olymp）。該衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間明顯高度活躍，長期處于定點(diǎn)—漂移—定點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài)，與一般GEO軌道衛(wèi)星存在很大區(qū)別，并經(jīng)常在其它衛(wèi)星附近做較長時間停留，疑似對GEO軌道帶運(yùn)行的通信衛(wèi)星開展信號偵收，呈現(xiàn)出與美高軌巡視衛(wèi)星完全不同的運(yùn)行特點(diǎn)［2］。

根據(jù)美spacetrack.org的TLE歷史軌道數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資訊信息，本文深入分析了Olymp衛(wèi)星歷史在軌運(yùn)行情況，歸納總結(jié)了其運(yùn)行區(qū)域、偵察對象等典型活動規(guī)律。

1 衛(wèi)星基本情況

Olymp衛(wèi)星于北京時間2014年9月28日在拜科努爾航天發(fā)射場搭載“質(zhì)子-M/微風(fēng)-M上面級”運(yùn)載火箭發(fā)射升空（如圖1所示），對外宣稱屬于“射線”（Luch）系列數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（現(xiàn)有衛(wèi)星3顆，分別是射線-5A、5B和5V，為俄地面飛行控制中心與國際空間站之間提供通信）。衛(wèi)星由俄衛(wèi)星研制商列舍特涅夫信息衛(wèi)星系統(tǒng)公司（ISS-Reshetnev）研制，采用Express-1000A衛(wèi)星平臺和氙氣電推進(jìn)，質(zhì)量約3 000 kg，具體載荷不詳，其主要用途為地球同步帶目標(biāo)監(jiān)視跟蹤及信號偵收，同時具備提供安全保密通信的數(shù)據(jù)中繼功能［3］。

圖1 俄羅斯官方發(fā)布的發(fā)射圖

該衛(wèi)星無軍用衛(wèi)星對應(yīng)代號（俄通常以“Cosmos+數(shù)字”方式命名軍用衛(wèi)星），發(fā)射任務(wù)火箭噴涂俄聯(lián)邦航天局徽標(biāo)（軍事任務(wù)通常會噴涂俄空天軍徽標(biāo)）。2014年俄《生意人報(bào)》曾報(bào)道稱，該衛(wèi)星是俄聯(lián)邦安全局首顆偵察與通信衛(wèi)星［4］。

該衛(wèi)星此前曾引起多次輿論熱議。2015年10月，國際通信衛(wèi)星組織總裁西爾斯表示，Olymp衛(wèi)星抵近至一對國際通信衛(wèi)星附近，進(jìn)行了一系列不規(guī)則的變軌行動，雖沒有干擾衛(wèi)星通信服務(wù)，但距離如此接近，衛(wèi)星的“飛行安全”是存在風(fēng)險(xiǎn)的［5］。此次事件是首例公開報(bào)道商業(yè)運(yùn)營商受到國外軍事衛(wèi)星偵察的行動，美國防部還組織召開了專題會議。2018年9月，法國時任國防部長帕利公開宣稱俄Olymp衛(wèi)星過于靠近法意共用的“雅典娜-菲德斯”軍用通信衛(wèi)星，企圖攔截衛(wèi)星通訊信號，“它過于靠近，我們可能會聯(lián)想到它試圖攔截我方通訊，這不僅不友好，而且是一種間諜行為”［6-7］。

2 在軌運(yùn)行情況分析

2.1 軌道變化情況

自發(fā)射以來，Olymp衛(wèi)星共發(fā)生了29次定點(diǎn)位置變化，其半長軸、傾角、定點(diǎn)經(jīng)度變化分別如圖2-4所示。

圖2 Olymp衛(wèi)星入軌以來軌道傾角變化

根據(jù)軌道變化情況，可分析得到：

1）Olymp衛(wèi)星任務(wù)軌道：同步靜止軌道，任務(wù)目標(biāo)變化時通過調(diào)整軌道高度來改變定點(diǎn)位置。

2）Olymp衛(wèi)星軌控方式：長時連續(xù)調(diào)軌，而非脈沖軌道機(jī)動，完成東漂或西漂并控制漂移速率。

3）Olymp衛(wèi)星運(yùn)行期間軌道高度：基本維持在同步帶上下300 km內(nèi)，運(yùn)行軌道最高為同步軌道上方212.3 km，運(yùn)行軌道最低為下方264.0 km。

圖3 Olymp衛(wèi)星入軌以來半長軸變化

圖4 Olymp衛(wèi)星入軌以來星下點(diǎn)經(jīng)度變化

4）Olymp衛(wèi)星日軌道高度變化量：單日最大變化可 達(dá)175 km（2015年02月01日 至2015年02月02日期間軌道高度降低175.9 km），但絕大多數(shù)連續(xù)軌道調(diào)整過程中，2次TLE數(shù)據(jù)之間的軌道高度變化量小于60 km。

2.2 運(yùn)行情況分析

根據(jù)其在軌運(yùn)行特征，可將其在軌運(yùn)行情況大致分為在軌測試及任務(wù)應(yīng)用2個階段：

1）在軌測試

Olymp衛(wèi)星發(fā)射入軌后，9月29日即進(jìn)入地球同步帶，經(jīng)過短暫的漂移，于2014年10月開始在軌測試。

①入軌后平臺及載荷測試。Olymp衛(wèi)星于2014年10月17日至2014年12月27日在東經(jīng)54°停留了71天。結(jié)合衛(wèi)星的一般運(yùn)行規(guī)律，分析認(rèn)為其在此期間主要開展入軌后的平臺及載荷測試。

②電子偵察及中繼通信試驗(yàn)。

2014年12月30日 至2015年1月30日 在 東 經(jīng)52.9°停留了32天，緊靠俄“快車”AM-22通信衛(wèi)星，該衛(wèi)星搭載24個Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器；2015年2月23日至2015年4月2日在東 經(jīng)96.4°停留了38天，緊靠俄“快車”AM-33通信衛(wèi)星，該衛(wèi)星搭載10個C波段、6個Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器，其附近還有俄數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星射線-5V，分析認(rèn)為在此期間Olymp衛(wèi)星主要針對本國合作目標(biāo)開展合作式電子偵察試驗(yàn)兼顧數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)。

③大范圍漂星。2015年4月5日至2015年6月25日，Olymp先逐步抬升軌道高度，然后在同步軌道上方約160 km運(yùn)行，最后逐漸降低軌道高度回到同步軌道。整個過程Olymp實(shí)現(xiàn)了從東經(jīng)96.4°到西經(jīng)18.14°的大范圍漂移，分析認(rèn)為其在此期間開展大范圍漂星試驗(yàn)。

2）應(yīng)用任務(wù)

經(jīng)過大范圍漂移，Olymp衛(wèi)星于2015年6月開始正式執(zhí)行應(yīng)用任務(wù)，迄今為止，先后在26個軌位進(jìn)行定點(diǎn)，其周圍0.1°范圍內(nèi)始終存在商業(yè)通信衛(wèi)星，分析其主要是以鄰近衛(wèi)星為偵察目標(biāo)實(shí)施定點(diǎn)駐守偵收任務(wù)，累計(jì)對 28顆衛(wèi)星實(shí)施了定點(diǎn)駐守偵收，詳細(xì)情況如表1所示。

表1 入軌以來Olymp衛(wèi)星主要活動情況

由表1可以得出：

①偵察對象均為商業(yè)同步靜止通信衛(wèi)星，包括國際衛(wèi)星通信組織（12次，占比41.4%）、歐洲衛(wèi)星通信組織（7次，占比24.1%）的商業(yè)衛(wèi)星；部分衛(wèi)星還曾定點(diǎn)駐守偵察達(dá)到2次，如國際通信衛(wèi)星-1002、國際通信衛(wèi)星-33E及荷蘭NSS-12衛(wèi)星。

②偵察方式為長時定點(diǎn)駐留偵察。由于絕大部分時間由西向東漂移，定點(diǎn)駐守位置大多位于被偵察對象的西側(cè)（西側(cè)20次，東側(cè)7次，西側(cè)占比74%），且兩星定點(diǎn)經(jīng)度差均不大于0.12°。

③單星偵察時間最長達(dá)到314天（2016年9月15日至2017年7月26日），偵察目標(biāo)為定點(diǎn)于東經(jīng)10.0°的歐洲通信衛(wèi)星-10A；最短為20天（2018年1月16日至2020年2月5日），偵察目標(biāo)為共位定點(diǎn)東經(jīng)42.0°的土耳其通信衛(wèi)星-3A及4A；單星平均偵察時長約為82天。

④偵察目標(biāo)運(yùn)行區(qū)域分布在西經(jīng)24.4°向東至東經(jīng)70.6°。自發(fā)射入軌后共開展了2輪大范圍的巡視，目前已逼近其巡視東邊界，如圖5所示。

圖5 Olymp衛(wèi)星巡視區(qū)域示意圖

⑤偵察載荷工作波段主要為C和Ku波段，但不排除Ka、L及S波段。已偵察的對象中，具備Ku、C、Ka、L波段轉(zhuǎn)發(fā)器的比例分別為100%、83%、20%、0.03%及0.03%。

⑥偵察期間，兩星相對距離最大值小于195 km，最近距離達(dá)5 km以內(nèi)，且絕大部分時間兩星相對距離保持在90 km以內(nèi)。

⑦定點(diǎn)駐守期間，有其他3顆通信衛(wèi)星在其附近0.1°范圍內(nèi)。其中2顆衛(wèi)星的傾角遠(yuǎn)大于0.1°，且均處于壽命末期的備份待退役狀態(tài)，應(yīng)非主要駐守偵察目標(biāo)；另1顆該星的轉(zhuǎn)發(fā)器波段與Olymp主要偵察波段不符，且采用專用軍用頻率及加密轉(zhuǎn)發(fā)模式。

3 活動規(guī)律分析

3.1 Olymp衛(wèi)星可能主要偵收上行鏈路通信信號

Olymp衛(wèi)星研制商列舍特涅夫信息衛(wèi)星系統(tǒng)公司曾公布過兼具通信與電子偵察功能的衛(wèi)星設(shè)計(jì)圖，如圖6所示。推測Olymp衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)及載荷應(yīng)與其類似，用于信號偵收的天線可能為大尺寸圓形天線，且偵收天線的指向與通信載荷天線指向一致。結(jié)合衛(wèi)星定點(diǎn)駐守的行為模式，分析Olymp衛(wèi)星可能主要偵收上行鏈路通信信號。

圖6 兼具通信/電子偵察功能的衛(wèi)星設(shè)計(jì)圖

當(dāng)前衛(wèi)星通信多為雙跳通信，偵收上行鏈路信號可完全接收衛(wèi)星語音通話雙方的通信信號，也可完全接收地面站發(fā)送至衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器用于單向數(shù)據(jù)傳輸或者數(shù)據(jù)廣播的通信信號。因此上行鏈路偵收能夠完整獲取通信內(nèi)容。同時，上行鏈路偵收天線偵收下行數(shù)傳信號存在一定難度，因?yàn)橄滦袛?shù)傳天線波束寬度窄，所以要偵收其主瓣信號，一般需要偵收設(shè)備處于被偵收衛(wèi)星軌道下方且天線指向被偵收衛(wèi)星，即在其波束寬度內(nèi)?？紤]到Olymp衛(wèi)星定點(diǎn)偵察時駐留在偵收目標(biāo)西側(cè)或東側(cè)，佐證Olymp衛(wèi)星可能主要偵收上行鏈路通信信號。

3.2 Olymp衛(wèi)星電子偵察方式是定點(diǎn)駐留偵察

由歷次偵察活動分析結(jié)果可知，Olymp衛(wèi)星執(zhí)行偵察任務(wù)時一般定點(diǎn)駐留于偵察對象西側(cè)或東側(cè)，且保持經(jīng)度差小于0.12°；另外，幾乎在整個偵收過程中，Olymp衛(wèi)星與偵察對象的相對距離保持在195 km以內(nèi)，且大部分時間相對距離小于90 km。

按照國際組織對通信衛(wèi)星地球站的相關(guān)規(guī)定，兼具語音通信和數(shù)據(jù)通信的衛(wèi)星地球站的天線尺寸一般在10 m左右。分別計(jì)算10 m C波段（4～8 GHz）、Ku波段（12～18 GHz）地球站天線對應(yīng)的半波束寬度為0.315°～0.63°、0.14°～0.21°，對應(yīng)同步靜止軌道的距離約為196～393 km、87～131 km。

所以，當(dāng)與偵察對象軌道傾角差很小時，Olymp為了確保能夠同時偵收C波段和Ku波段范圍內(nèi)的上行信號，需保持兩星相對距離在約90 km以內(nèi)，即保持定點(diǎn)經(jīng)度差在0.122°以內(nèi)。

在實(shí)際偵收過程中，當(dāng)兩星相對距離超過88 km且小于195 km時，若Olymp偵收天線無法偵收Ku波段旁瓣信號，則只能偵收C波段信號。

3.3 重點(diǎn)關(guān)注歐洲、中東及中亞地區(qū)

俄國土幅員遼闊，西至東經(jīng)26°，東達(dá)西經(jīng)170°，依托其地面測控網(wǎng)可覆蓋大西洋至太平洋的廣闊天區(qū)，而Olymp衛(wèi)星偵察巡視區(qū)域集中在西經(jīng)24.4°至東經(jīng)70.6°之間，跨度僅為95°，偵察區(qū)域具有明顯傾向性，特別是其在軌測試期間的東邊界達(dá)到了東經(jīng)96.4°，但后續(xù)任務(wù)的偵察東邊界基本維持在東經(jīng)70.6°左右。由此分析，其重點(diǎn)關(guān)注歐洲、中東及中亞地區(qū)，大西洋西部及東亞地區(qū)并非其關(guān)注重點(diǎn)。

同時其西邊界不排除與俄同步軌道衛(wèi)星測控資源有關(guān)，以莫斯科地區(qū)測控站為例，其對西經(jīng)24.4°的跟蹤仰角約6.6°，對更西位置的通信衛(wèi)星實(shí)施偵察，其跟蹤仰角更低。

3.4 美軍事通信衛(wèi)星應(yīng)不屬于其偵察對象

根據(jù)Olymp衛(wèi)星的在軌活動情況看，其偵察對象主要為商業(yè)通信衛(wèi)星，并無對美典型軍事衛(wèi)星開展過定點(diǎn)駐留偵察，原因主要包括：

1）Olymp衛(wèi)星電子偵察工作波段與美軍事通信衛(wèi)星波段不吻合。

美國主要高軌軍事衛(wèi)星工作波段情況如表2所示，衛(wèi)星測控、通信以及數(shù)傳等業(yè)務(wù)的工作波段多采用S、X、Ka等，與Olymp的主要偵察波段C、Ku并不相符。因此Olymp衛(wèi)星可能在載荷設(shè)計(jì)層面不具備偵察美軍事衛(wèi)星通信信號偵察能力。

表2 美軍事衛(wèi)星無線電工作頻段［10-11］

2）美軍事通信衛(wèi)星普遍軌道傾角較大，不適于Olymp衛(wèi)星長期駐留偵察。

根據(jù)公布的TLE根數(shù)分析，西經(jīng)30°至東經(jīng)75°之間分布著大量的美國軍事衛(wèi)星。除WGS衛(wèi)星外，其它衛(wèi)星傾角均大于2°，且最大達(dá)11.85°。而Olymp衛(wèi)星軌道傾角長期保持小于0.08°，其偵察對象的傾角普遍在0.08°以內(nèi)，若要大幅度改變傾角與美國大傾角衛(wèi)星共軌、對大傾角衛(wèi)星進(jìn)行長期駐留偵察，需要消耗大量推進(jìn)劑或電離材料，以保持與目標(biāo)相同軌道面并近距離伴飛。因此美軍事通信衛(wèi)星不是Olymp衛(wèi)星電子偵察的有利對象。

3）軍事衛(wèi)星通信體制使得對其通信信號解調(diào)、解碼、解密難度較大。

軍事衛(wèi)星通信對可靠性和保密性均有較高要求。其測控通信多采用擴(kuò)跳頻通信，偵收難度較大；語音通信和數(shù)據(jù)通信中信源編碼、信道編碼常采用專用碼元、碼型設(shè)計(jì)以及專用差錯控制方法，并對信源數(shù)據(jù)或信道數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，信號偵收后解碼和解密難度極大。從整個衛(wèi)星系統(tǒng)角度考慮，Olymp衛(wèi)星地面系統(tǒng)可能不具備對美軍事衛(wèi)星通信信號解碼和解密能力，尤其是解密能力。

4 結(jié)束語

作為俄首顆在同步帶開展巡視偵察的高軌軍用衛(wèi)星，Olymp衛(wèi)星的任務(wù)運(yùn)用展示出俄方較強(qiáng)的態(tài)勢感知、軌道控制、空間操控及任務(wù)規(guī)劃能力，其在軌運(yùn)行情況相比一般高軌衛(wèi)星具備明顯特殊性，與美方高軌巡視衛(wèi)星的活動規(guī)律也存在明顯差異，研究分析其活動規(guī)律對于高軌衛(wèi)星功能設(shè)計(jì)及在軌安全具有一定的指導(dǎo)意義。■