美国HEO预警卫星覆盖性能分析

2013-12-31闫世强

装备学院学报 2013年3期

胡磊，闫世强，刘辉，许松

（1.空军预警学院研究生管理大队，湖北武汉430019； 2.空军预警学院空天预警实验室，湖北武汉430019）

地球静止轨道预警卫星定点于地球赤道上空，可以对载荷覆盖区域进行不间断监视。但由于受地球曲率影响，地球静止轨道预警卫星对高纬度地区的探测能力很差，甚至是不能探测。而远地点位于北极上空的大椭圆轨道（HEO）预警卫星在北极区域滞留时间长，可以有效解决北极地区的探测，并与地球静止轨道预警卫星互补，形成对全球（除南极区域）24h监视。为了应对弹道导弹的威胁，美国与俄罗斯都发展了HEO预警卫星［1－2］。本文根据HEO特性和轨道理论知识，利用STK软件对美国HEO预警卫星的轨道特点和覆盖性能进行了仿真分析，并提出了发展HEO预警卫星星座的对策与建议，旨在为我国预警卫星的发展与研究提供借鉴与参考。

1 HEO特性分析

大椭圆轨道（HEO），即大偏心率轨道，指近地点高度与远地点高度相差特别显著的轨道［3］。根据空间物体运动规律，航天器在HEO远地点附近运动速度特别慢，适合具有空间逗留要求的航天任务。如果将HEO远地点布置于北半球上空，则航天器处于北半球上空的时间占一个轨道周期的大半。

大椭圆冻结轨道是指倾角为63.4°的大椭圆轨道，该轨道的近地点高度、远地点高度和近地点的星下点纬度受空间摄动影响小、改变特别慢，轨道长期维持所需的燃料较少。

闪电（Molniya）轨道是一种特殊的大椭圆冻结轨道，闪电轨道远地点位于北半球高纬度地区，使得卫星在1个周期内可长弧段（90%以上）位于北半球上空。冻结轨道的特点使卫星远地点高度和星下点位置较为稳定，即可以长期保持该长弧段“逗留”特性［3－4］。闪电轨道周期通常为12h，地面轨迹2圈后回归，有利于星地管理和卫星对地观测，同时卫星有50%的弧段位于3万～4万km之间，对地覆盖范围大（卫星视场可以完全覆盖北极地区）。

美国和俄罗斯均发展闪电轨道预警卫星星座，以完成对北半球高纬度地区的预警监视。与地球静止轨道预警卫星配合组网，可实现全球（除南极区域）24h监视，从而达到增加弹道导弹预警时间和提高探测、跟踪与预报精度的目的。

2 美国HEO预警卫星发展情况

美国导弹预警卫星的发展主要经历了3个阶段［1，5－11］：①“米达斯”计划，该系列卫星属于试验论证阶段；②国防支援计划（Defense Support Program，DSP），该系列卫星是迄今为止全球最为成熟的、参与实战的预警卫星系统；③天基红外系统（SBIRS），该系列卫星是在DSP基础上进行改进与完善的，主要包括高轨部分和低轨部分，目前正处于研制部署过程中。已经部署的部分SBIRS高轨卫星中，包括2颗HEO卫星和1颗地球静止轨道卫星。目前SBIRS静止轨道卫星和DSP卫星协同工作，2颗HEO卫星目前均已部署完成［12］，低轨卫星尚处于实验论证阶段，还没有成功部署。

由于受地球曲率与大气折射影响，DSP星座只能对中低纬地区的弹道导弹进行早期预警，对高纬度地区的监视能力很差，甚至是不能探测。对于美国，在北极区域存在俄罗斯弹道导弹的威胁，因此，美国在SBIRS中发展了HEO预警卫星，将系统的预警能力扩展到北极区，从而弥补DSP星座的缺陷。这2颗大椭圆轨道预警卫星分别于2006年和2008年发射，目前与DSP星座组网工作。它最重要的任务是向美国本土司令部或战场的指挥官提供战略和战区弹道导弹的发射、飞行及全球的战区红外线数据和处理过的情报，对北极圈（北纬60°以上）进行全天时不间断覆盖。

3 美国HEO预警卫星覆盖性能仿真与分析

从美国整个SBIRS作战使命来看，其HEO预警卫星主要负责对北极圈内进行全天时不间断覆盖，以实现对北极圈内弹道导弹目标的早期预警、战场空间感知和技术情报的收集。本文主要利用STK软件对美国在轨的2颗HEO预警卫星的轨道特性与覆盖性能进行分析。根据相关数据递推至北京时间2010年10月20日的2颗大椭圆轨道红外预警卫星相关参数如表1所示。这种轨道类似于俄罗斯的闪电轨道。

表1 HEO－1与HEO－2轨道基本参数

根据摄动公式［13］

式中：w为近地点幅角；J2为地球引力势二阶带谐系数；Re为地球赤道半径，本文取Re＝6 371km；i为轨道倾角；a为长半轴；μ为地球引力常数；e为轨道偏心率。对SBIRS－HEO而言，dw／dt＝0，可知4－5sin2i＝0，得出轨道倾角i＝63.434 948 8°。

根据长半轴公式

式中h1与h2分别为卫星近地点和远地点高度。

将表1中的相关数据代入式（2），可得：HEO－1的长半轴a1＝26 551.9km，HEO－2的长半轴a2＝26 566.0km。

根据偏心率公式

由表1可知，HEO－1的近地点高度为2 246.30km，HEO－2的近地点高度为1 377.88km，代入式（3）得出，HEO－1的轨道偏心率e1＝0.675 5，HEO－2的轨道偏心率e2＝0.708 3。

根据上述相关参数，利用STK软件［14－15］建立的三维场景视图与星下点轨迹如图1所示，仿真得出HEO－1与HEO－2的经纬高与时间关系曲线分别如图2和图3所示。2颗卫星的平近点角相差接近180°，即到达北半球远地点的时间相差大约半个周期，这样可以通过2颗HEO卫星交替对北极区域的覆盖，实现对北极区域24h不间断的监视。

图1 美国HEO预警卫星三维运行视图与星下点轨迹

图2 HEO－1经纬高与时间关系曲线

图3 HEO－2经纬高与时间关系曲线

因无法得到美国HEO预警卫星红外探测器的详细资料，为便于分析，本文假设美国2颗HEO预警卫星扫描相机的视场均为14°×14°，在对北极区域进行监视时，探测器的视轴指向北极点。利用STK软件的仿真分析报告可得出，HEO－1在27 027km高度以上可实现北极圈的100%覆盖，HEO－2在27 028km高度以上可实现北极圈的100%覆盖，HEO－1与HEO－2的覆盖性能详细数据如表2所示。由表2可看出，单个周期内，HEO－1与HEO－2的对北极圈完成100%覆盖的时间均在6h以上，同一周期内其分别到达远地点的时间相差将近6h（周期的一半），而且同一周期内2颗卫星的100%覆盖弧段也存在交叉覆盖。综上所述，HEO－1与HEO－2组成的大椭圆轨道星座足以实现对北极圈的全天时单重覆盖，完成对北极区域24h的监视和探测。

表2 HEO－1与HEO－2覆盖性能分析

4 发展HEO预警卫星星座的对策与建议

在上述研究分析美国导弹预警卫星的发展历程、HEO星座覆盖性能等的基础上，根据我国实际情况，总结出我国HEO预警卫星星座建设过程中，应当重点考虑以下几个方面的问题。

1）根据我国面临的北极区域弹道导弹威胁态势考虑HEO星座的覆盖性能，实现北极区域的全天时覆盖，尤其是要对重点威胁区域实现多重覆盖，保证全天时的监视和对目标的立体探测。从上述仿真分析中可以看出，针对北极区域的弹道导弹威胁，美国SBIRS中的HEO星座只对北极圈区域进行全天时的单重覆盖。之所以这样，主要是由于美国在北极方向的本土部署了远程预警雷达，与预警卫星协同工作，完成对北极区域弹道导弹的早期发现与跟踪定位。对于我国而言，在北极区域主要面临美国和俄罗斯的弹道导弹威胁，我国大部分地区都在美国和俄罗斯部署在北极区域的远程弹道导弹射程之内。而我国本土最北边的纬度在53°左右，受地球曲率的影响，地基远程预警雷达不足以完全覆盖北极圈，因此，我国若构建HEO星座应该考虑对北极圈进行双重或多重覆盖，保证对北极区域全天时的监视和对目标的立体探测，以便精确测定目标弹道。

2）要考虑HEO星座预警卫星和地面站的备份问题。对于组网卫星以及固定地面站除了建立工作星和工作站之外，还应该建立相应的备份星以及抗毁站和备份站，用以应对突发事件，保证卫星组网系统的连续正常工作，提高系统的稳定性、抗干扰能力和生存能力。

针对上述2个方面的考虑，本文提出下述相关对策与建议。

HEO预警卫星探测器的成像质量和卫星的速高比有直接关系，速高比越小，成像效果越好。卫星在北极区域时，高度越高，其速度越小，这样对北极圈的成像效果越好。若相机的技术水平允许，可用2颗HEO预警卫星组网，实现对北极圈的全天时单重覆盖。而根据我国面临的威胁和有限的探测手段，并综合考虑卫星备份问题，笔者认为采用3颗HEO预警卫星组网：2颗工作，1颗备份，组成HEO星座。在保证对北极圈双重覆盖的同时，实现HEO星座卫星的备份。有2个前提：一是卫星的速高比和卫星载荷的视场必须支持每颗HEO卫星每圈对北极圈的覆盖时间至少达8h；二是每2颗卫星配合工作都可实现对北极圈的全天时单重覆盖。（由于无法得到卫星的速高比和成像质量的具体关系，本文不对其进行具体的验证分析，笔者在此只提出这种想法。）

笔者认为备份星可以从2个方面来理解：①作为故障星的替补。星座的工作星数量保持不变，只有出现故障星的时候才启动备份星作为补充。②作为红外数据备份。在常态情况下，由工作星执行常态监视任务，地面站只接收和处理工作星的红外探测数据。当常态监视过程中发现感兴趣的目标，则启用备份星，即恢复备份星与地面站的数据通信，利用双星探测，提供立体视角，以获取精确的预警信息。

3）要考虑我国当前技术发展水平和未来的技术发展趋势，兼顾当前的作战应用和未来的作战局势，综合制定我国HEO星座的发展规划和组网部署路线。由上述分析的美国导弹预警卫星发展历程可以看出，美国当今导弹预警卫星的成熟与先进离不开早期的长远规划、长期的试验论证与数据积累，早期的试验论证和数据积累为后续导弹预警卫星的发展提供了技术支持与数据支撑。美国HEO星座也是在前期“米达斯”计划和中期DSP技术基础上发展起来的。对于我国，不能急于求成，也不能过分拘泥于当前的技术水平而裹足不前。早期发射的预警卫星应以试验为主，积累技术经验和数据，为后续的长期发展打下坚实的技术基础。在系统设计和部署上，应充分考虑兼容性因素，强调功能的可拓展性。一旦将来预警需求发生变化，能够依据新的预警需求，利用最前沿的技术定期对其进行改造，拓展其功能，以减少系统升级或换代的成本和时间周期，保证我国空间应用能力的持续发展。

5 结束语

进入21世纪，军事航空与航天、防空与防天在作战需求的牵引下，在空中目标高速化、高空化、无人化的发展趋势下，空天领域高度融合，加速了空天一体化作战样式的形成。为应付全球弹道导弹的威胁，发展预警卫星成为必然趋势。因此，加强对美俄HEO预警卫星的分析和了解，可以为我国预警卫星的发展与研制提供相应的借鉴与参考。

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