STK在导弹预警卫星仿真中的应用

2011-06-28闫世强

舰船电子对抗 2011年5期

许松，闫世强，刘辉，胡磊

（空军雷达学院，武汉430019）

0 引言

预警卫星作为现代火力打击中最有威力的武器——导弹的近实时发现者，在战争中起着其它装备无法替代的重要作用［1］。它是对导弹、核爆炸探测等进行全时域、全频域、全天候侦察监视的重要手段，是现代战争中战略防御系统特别是导弹防御系统的重要组成部分，同时也是信息战略威慑体系的重要组成部分。

1 美国导弹预警卫星发展历程

1.1 美国国家导弹防御系统的组成

美国国家导弹防御系统（NMD）由五大部分［2］组成：

（1）预警卫星

预警卫星用于探测敌方导弹的发射，提供预警和敌方弹道导弹发射点和落点的信息。这些卫星都属于天基红外系统，也就是说靠敌方发射导弹时喷射烟火的红外辐射信号来探测导弹。

（2）改进的预警雷达系统

改进的预警雷达，它们是NMD系统的“眼睛”，能预警到4 000～4 800km远的目标。美国除要改进现有部署在阿拉斯加的地地导弹预警雷达以及部署在加州与马萨诸塞州的“铺路爪”雷达外，还要在亚洲地区新建一个早期预警雷达。

（3）地基雷达——X波段雷达

地基雷达是一种X波段、宽频带、大孔径相控阵雷达，可将地基拦截导弹引导到作战空域。

（4）地基拦截导弹

地基拦截导弹是NMD的核心，由助推火箭和拦截器（弹头）组成。前者将拦截器送到目标邻近，后者能自动调整方向和高度，在寻找和锁定目标后与之相撞，将它击落在太空上。

（5）作战管理指挥控制通信系统

作战管理指挥控制通信系统利用计算机和通信网络把上述系统联系起来。

这些系统部署后，24颗全天围绕地球不断旋转的低轨道预警卫星和6颗高轨道卫星，一旦探测到敌方发射导弹，立刻跟踪其红外辐射信号。通过作战管理指挥控制通信系统，卫星除将导弹的飞行弹道“告诉”指挥中心外，还要为预警雷达和地基雷达指示目标。预警雷达发现目标后，将导弹的跟踪和评估数据转告地基雷达。一旦收到美国航天司令部的发射命令后，拦截导弹就腾空而起。拦截器靠携带的红外探测器盯上来袭导弹后，竭尽全力（靠动能）与它相撞，与对方同归于尽。

1.2 美国导弹预警卫星的发展历程

美国和俄罗斯是最早开展天基预警探测技术研究的国家，目前世界上拥有实用的天基预警卫星的也只有美国和俄罗斯［3］。表1给出了美俄两国天基预警卫星的发展概况。

从表1中可以看出，美国导弹预警卫星的发展主要经历了3个阶段［3］：

（1）第一阶段：“米达斯”（MiDAS）计划

20世纪60年代，前苏联开始部署携带核弹头的弹道导弹系统，作为应对手段之一，美国决定研制天基导弹早期预警系统。最早的预警系统被称为“导弹红外防御预警系统”（MiDAS，也称作“米达斯”计划），由于当时到达地球静止轨道（GEO）的火箭还未研制出来，所以MiDAS卫星选择布局在3 200km的极地轨道上。从1960年到1966年美国共发射了12颗MiDAS系列卫星，由于当时缺少持续的电源（如核反应堆和太阳帆板），导致卫星一般工作几周后就因电池耗尽而失效。同时这些早期的预警卫星不能将导弹尾焰的红外辐射与高空云层反射的太阳光区分开，只能发现热点，不能跟踪。

表1 美俄天基预警卫星概况

MiDAS作为美国第1代侦察卫星系列之一，从实现红外导弹预警的主要目标来说是失败的，但是它为后续第2代导弹预警卫星“国防支援计划”（DSP）的发展奠定了技术基础。

（2）第二阶段：国防支援计划

在20世纪70年代，美国开始研制并部署国防支援计划（DSP）预警卫星，该系列卫星位于地球静止轨道上，完成部署后同时有5颗卫星在轨运行。到2007年的37年间，DSP卫星经历了5个发展阶段，先后共发射了23颗卫星，成为美国也是世界上最为完备并经过多次高技术局部战争检验的天基预警系统。DSP预警卫星在历次高技术局部战争（包括海湾战争、伊拉克战争等）中表现出了天基预警系统的巨大优势，同时也暴露出了DSP系统的诸多弱点，如地球曲率影响导致的不能覆盖全球、帧频过低与回访周期长达10s导致的容易产生漏警、只配备了扫描相机导致的无法实现目标的精确跟踪以及虚警率偏高等。

（3）第三阶段：天基红外系统

由于20世纪70年代发展起来的DSP本身存在固有的缺点，如不能跟踪中段飞行的导弹，对国外设站的依赖性大，星上红外探测器扫描速率低、频段少、虚警问题始终未得到根本解决等等，特别是卫星扫描速度不快，对射程近的战区导弹难以给出充足的预警时间，因此美国急于寻求一种更强的新型预警系统来取代日益老化的DSP卫星系统。

于是美国从1995年开始研制新一代的天基红外预警系统（SBIRS），该系统在地球静止轨道（GEO）、大椭圆轨道（HEO）和极地轨道（LEO）上分别部署一定数量的卫星，通过组网和各轨道卫星的协同工作，真正实现全天候全球范围的实时快速预警。目前美国已经完成了HEO轨道卫星的部署，GEO轨道已经部署了部分卫星，而LEO轨道卫星还处于实验研究阶段。

2 美国导弹预警卫星的仿真

2.1 卫星仿真工具包

卫星仿真工具包（STK）［4］是由美国 AGI公司开发的一款在航天工业领域处于绝对领先地位的商品化分析软件。STK软件起初多用于卫星轨道分析，主要集中在航天、情报、雷达、电子对抗、导弹防御等方面。但随着软件的不断升级，STK现已逐渐扩展成为分析和执行陆、海、空、天、电磁任务的专业可视化仿真平台。

2.2 DSP的仿真

1970年至2007年间，美国总共发射了23颗DSP卫星，全部分布在地球同步轨道上。目前，DSP的整个星座由5颗卫星（分别是 DSP－17，DSP－18，DSP－20，DSP－21，DSP－22）组成，分别位于165°W、35°W、8°E、69°E、105°E，其中4颗（分别位于35°W、165°W、8°E、105°E）是工作星，1颗（位于69°E）是备份星［3］。地面站有3个，分别是本土地面站（104.752°W，39.702°N）、欧洲地面站（1.69°E，54.008°N）和海外地面站（133.737°E，23.799°S）。

图1、图2分别是DSP星座在轨卫星的三维图和二维图。由图2可以看出，DSP星座卫星均采用圆锥扫描方式进行扫描探测，图2中的阴影部分为每颗卫星的瞬时覆盖，轮廓为每颗卫星的总覆盖区域。本土地面站主要负责DSP－17和DSP－18预警卫星的通信链接，欧洲地面站主要负责DSP－20和DSP－21的通信链接，海外地面站负责DSP－22的通信链接。

图1 DSP星座三维图

图2 DSP星座二维图

2.3 SBIRS的仿真

天基红外系统主要由2颗大椭圆轨道预警卫星、4颗地球静止轨道卫星和20～30颗低轨卫星三部分组成。大椭圆轨道卫星和地球静止轨道卫星又统称高轨预警卫星，主要解决弹道导弹的早期预警，运用红外技术探测导弹主动段飞行时喷出的尾焰，监视弹道导弹的发射，对导弹发射点进行估计和落点预报，并引导低轨预警卫星和地基、海基、空基雷达对导弹飞行中段和末段进行跟踪监视。低轨预警卫星主要解决弹道导弹中段和再入段的跟踪监视。

2.3.1 大椭圆轨道预警卫星的仿真

由于地球曲率影响，静止轨道卫星只能覆盖纬度75°范围内的区域，对高纬度地区（纬度大于75°）的监视能力很差，甚至不能探测，所以用大椭圆轨道预警卫星进行补盲。大椭圆轨道预警卫星轨道的近地点高度为600km，远地点为40 000km，主要负责北极区域的全天候覆盖。

大椭圆轨道星座由2颗卫星组成，每颗卫星绕地球旋转的周期是12h，单个周期内在北极区域上空滞留时间为6h，2颗卫星交错工作，正好实现对北极区域的全天候覆盖。图3和图4分别是大椭圆轨道预警卫星的三维图和二维图。另外，本文对其主要扫描模式——普查模式和重点区域监视模式进行了仿真，如图5和图6所示。

图3 大椭圆轨道预警卫星三维图

图4 大椭圆轨道预警卫星二维图

2.3.2 地球静止轨道预警卫星的仿真

地球同步轨道预警卫星定点于地球赤道（35 800km左右）上空，可以对载荷覆盖区域（纬度75°范围内）进行不间断的监视探测。

该星座是在DSP星座的基础上升级改进的，其装备和工作模式较DSP有很大区别，该星座卫星主要装备了扫描相机和凝视相机。其中扫描相机主要用于探测覆盖区域内目标的有无，扫描方式为矩形扫描；凝视相机主要对扫描相机探测到的目标进行凝视跟踪。本文用STK对SBIRS静止轨道卫星的工作模式进行了仿真，图7和图8分别是地球同步轨道预警卫星的三维图和二维图。