天基地基一体化测控系统研究及应用

李树国,李 进,朱晓峰,李海鹏

(中国人民解放军92941部队,辽宁葫芦岛125001)

0 引言

随着未来新武器装备飞行试验向着低空、高速、远程和多目标的方向发展,目前海上测控只具备用单一地基链路测控网完成近距离测控任务的能力,无法完成对大射程、多目标全航程的测控任务。因此有必要研究并采用新的测控方法,即利用平流层飞艇,将小型化的测控装备(光、雷、遥、通信等)布设在飞艇上,以实现海上测控的天基地基一体化测控网,力求以天基单一载波对数字信号的传输,实现对多个目标的测控、通信、图像传输甚至跟踪导航等综合功能,以求获得更好的性价比,实现近于千公里的试验测控覆盖率和全面的自主性,以适应未来新型武器试验的需求。

平流层飞艇是指工作在平流层下部弱风区(20～30 km),通过动力、飞控及遥测遥控系统实现飞行和定点悬停的浮空器。作为一种新型空中平台,在测控、高分辨率实时监视、预警和武器防御、通信、大气环境监测等方面都有极大的应用价值,近年来已受到世界上许多国家的广泛关注及研制应用。

1 国内外天基测控网发展现状

天基测控网开始于20世纪80年代末,由地基测控网逐步过渡而成,以美国与俄罗斯为代表的天基测控网在90年代已基本完成了这种过渡,欧洲与日本的航天测控网计划在21世纪初亦将开始这种过渡。随着美国高级跟踪与数据中继卫星系统(ATDRSS)的部署与完善,美国的航天测控网将在21世纪初走向更高的阶段。

在国内,随着神州七号试验飞船的升空与回收,揭开了中国航天测控的新篇章,相关单位已经有了规划,在今后的航天测控建设中,将力求适应现代航天测控综合化、数字化、空间化和多目标的总趋势;适当处理现行测控标准与超前标准的关系。新时期中的航天测控既要基本符合现行标准,亦应尽早贯彻协议标准。人们期望,在即将到来的21世纪前期的一段不长时间内,我国的测控网将由地基为主,天基应用为辅的格局过渡到以天基为主,天地结合的格局,建立起有自己特色的天基测控网。

2 天基地基一体化测控网方案设想

2.1 基于平流层飞艇的天地一体化测控网

利用平流层飞艇建设的天地一体化测控网,不仅能有效地提高测控网的覆盖区域、定轨精度、飞行目标全程测量和同时多目标测控能力,而且能够完成各类对地观测飞艇的高速实时数据传输的任务。在平流层飞艇平台上主要加载小型化的光、雷、遥和通信等装备,与海上、地面测控站一起组成天地一体化测控网,遥测测量采用扩频码分及多体制小型化实时数据记录和转发器设备方式,完成多目标内弹道测量和数据传输任务;光测测量采用小型化高分辨率的激光红外测量设备方式,完成确定目标的测量和图像传输任务;雷达测量采用小型化高质量成像的新体制雷达方式,完成多目标测轨和数据传输任务;遥控采用小型化的转发器方式,完成目标的控制和数据传输任务;天线采用小型化相控阵碳纤维天线等技术,用以完成遥测、遥控、雷达信号的收发;飞艇与地面数据通信采用CCSDS空间数据传输标准。天地一体化测控网如图1所示。

图1 天地一体化测控网

天地一体化测控网在靶场应用前主要攻克关键技术,是天基综合测控装备一体化设计技术、小型化相控阵天线技术、高灵敏度传感器技术、小型化标准化可靠性设计技术、天地测控网电磁兼容设计技术和CCSDS空间数据传输技术等,其主要解决的途径就是确定飞行目标、平流层飞艇、地面测控装备所建立的天地测控网的技术协议和重点项目等。

2.2 飞艇覆盖区域计算

飞艇对地球表面的覆盖示意图如图2所示。

图2 飞艇对地覆盖示意图

图2中,Q为地心,S为飞艇的星下点;h为飞艇距离地面高度;α为仰角;R为地球半径,R=6 384.1 km;β为飞艇覆盖角,β=∠PQS。

飞艇对地的覆盖角公式为:

对应覆盖的半径r为:

用于平流层飞艇,宜布设在风切变最小的空域,有关资料表明,20～30 km是作为平流层飞艇布设的“黄金空段”,取值范围为20～30 km,计算飞艇覆盖半径如表1所示。从表1中可以看出,飞艇的飞行高度越高,其视野就越宽,覆盖区域就越大。

表1 飞艇覆盖半径

2.3 平流层飞艇平台优势

平流层飞艇相对卫星和航空平台,具有综合优势。相对卫星平台,平流层飞艇具有如下优点:

①效费比高、机动性好、易于更新和维护:平流层飞艇易于升空、回收,可重复使用,根据任务需求更换或增加载荷,机动部署到特定空域,而卫星只能按照一定轨道飞行,且成本要高得多;

②有效载荷技术难度小:平流层飞艇据目标的距离一般只是低轨卫星的1/10～1/20,可收到卫星不能监听到的低功率传输信号,容易实现高分辨率对地观测,对任务载荷的技术难度要求相对较低;

③卫星遥感是一种瞬时的行为,只能通过多颗卫星组网来提高时间分辨率,而平流层飞艇可定点悬停,“凝视”观测,全天时连续监视某一地区,时间分辨率明显优于中低轨卫星。

相对航空平台,平流层飞艇具有如下优点:

①升空高度高、覆盖范围广,平流层飞艇工作在20～30 km高空,可克服地球曲率对任务载荷的影响,覆盖范围比对流层飞艇、飞机等空中平台广;

②留空时间长,平流层飞艇工作所需能源主要取自太阳能再造循环,可确保飞艇平台长时间工作,滞空时间可达0.5年～3年,可长时间留空执行任务,不间断地获取对地观测数据;

③生存能力强,平流层飞艇囊体材料能透过电磁波,雷达和热横截面一般都很小,难以被发现和跟踪,一般导弹和作战飞机难以对其造成威胁,即使飞艇受到攻击,由于氦气的泄漏速度较慢,也能够安全返回预定地点,因此具有很高的生存能力。

3 仿真计算

通过对测控系统总体设计的主要性能指标进行仿真分析,其内容包括测量覆盖范围、飞行器飞行弹道测量精度和系统可靠性仿真等。测控系统的测量覆盖范围受多种因素的影响和制约,通过仿真可进行较准确而快捷的分析。仿真的基本流程如下:根据飞行器的理论弹道和靶场观测站坐标导出观测元素,即把直角坐标的理论弹道参数换算为测量站的观测元素,如距离R、方位角A和俯仰角E等。最后,在弹载设备性能和环境条件已知的前提下,对跟踪范围进行统计处理分析。外弹道测量精度通过仿真分析可以得到更可信的结果,由标准弹道按测量体制和站址反算出各设备的标准测量元素,从而导出观测元素。外测精度仿真图如图3所示。

图3 外测精度仿真流程

4 结束语

以平流层飞艇为平台,建立天地一体化机动灵活的测控网系统,完成大区域、全天候、信息化、多目标、高精度对地飞行目标的测控及观测,适合我国国情,具有十分重要的战略意义。将会给靶场试验带来一次新的技术革命,使靶场测控装备从量到质的飞跃,可大大提升靶场综合试验能力。建立天地一体化的测控网系统,需要做大量的预研和研究工作。为推动平流层飞艇平台在靶场测控领域的应用,在发展飞艇平台的同时,要做好统筹规划,同步发展艇载任务设备研究工作。

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