电子侦察卫星的情报侦察能力分析

王国恩，李仙茂

(1.海军工程大学，湖北 武汉 430033；2.海军蚌埠士官学校，安徽 蚌埠 233012)



电子侦察卫星的情报侦察能力分析

王国恩1,2，李仙茂1

(1.海军工程大学，湖北 武汉 430033；2.海军蚌埠士官学校，安徽 蚌埠 233012)

电子侦察卫星作为现代战争中情报侦察的重要手段之一，发挥着越来越重要的作用。首先概述了电子侦察卫星的工作过程，构建了电子侦察卫星的侦察模型，采用数据仿真的方法，从瞬时侦察覆盖范围、侦察覆盖区域、飞行周期、重复侦察周期、侦察有效时间等方面对电子侦察卫星的情报侦察能力进行分析，分析结果可为电子侦察卫星的作战使用研究提供一定的理论依据。

电子侦察卫星；瞬时侦察覆盖范围；侦察覆盖区域；重复侦察周期

0 引言

现代海上作战，电子侦察卫星作为舰艇编队获取情报的重要来源之一，发挥着越来越重要的作用。电子侦察卫星通过截获和测量敌方舰艇编队雷达信号，来监视敌海上舰艇活动，可有效探测和辨别出海面上的舰艇，并准确地确定其位置、速度、航向等信息，为己方舰艇编队提供海上态势信息。

由于陆地目标位置固定，电子侦察带有战略性质，卫星收集的信息可实时也可延时传输和分析。而海洋上的目标常常是运动的，海洋监视基本上是战术性的，电子侦察卫星必须实时传输与分析数据。因此构建电子侦察卫星侦察模型，分析电子侦察卫星情报侦察能力，对于研究电子侦察卫星作战使用方法，充分发挥其情报支援效能，具有十分重要的现实意义。

1 电子侦察卫星系统的工作过程

电子侦察卫星系统主要包括用于截获和测量电磁辐射信号的电子侦察卫星和用于数据处理和情报分析的地面应用系统[1]。其主要工作过程是星载雷达对抗侦察设备侦收到电磁辐射信号后，先对雷达信号的载频、到达时间等参数进行测量、处理和存储，当卫星飞临预定位置上空时，根据程控或遥控指令将侦察数据发回地面数据接收站，当卫星在地面接收站覆盖区域内或具备数据中继条件时，卫星侦察数据可以实时传回地面应用系统，由地面应用系统对卫星发回的侦察数据进行详细分析和处理，确定辐射源的各种特征参数及位置，形成电子侦察情报，发送给舰艇编队或指挥所，完成情报侦察支援任务。

电子侦察卫星按定位需要的卫星数量，分为单星侦察定位体制和多星侦察定位体制电子侦察卫星；按性能和用途，分为用于广泛侦收电磁信号、粗略测量辐射源特征参数的普查型电子侦察卫星和用于全面侦察雷达信号详细参数和精确位置的详查型电子侦察卫星；按飞行的轨道位置高度，可分为同步轨道、大椭圆轨道和低轨道电子侦察卫星等[2]。低轨道电子侦察卫星的飞行高度一般为300～1000km，有的甚至高达1400km，倾斜角通常大于50°。可以单颗卫星独立侦察，也可以多颗卫星组网联合侦察。主要用于对海面雷达目标进行大范围搜索截获，测量信号详细参数，测定目标位置，并建立敌方雷达目标数据库、编制其电子战斗序列，同时还可产生战场动态情报、战争征候情报和战略目标情报等。同步轨道电子侦察卫星的轨道高度大约为35786km，其覆盖范围广，可以全天候全时段地对特定目标或地区的雷达信号进行实时不间断的持续侦察与监视。大椭圆轨道电子侦察卫星飞行轨道呈椭圆型，轨道高度包括远地点高度和近地点高度，通常分别为38720km和400km，轨道倾角63.40°，目前只有美国拥有，其主要任务是侦察和监视高纬度地区(如俄罗斯和亚洲北部等)的电磁辐射情况。

目前电子侦察卫星使用较多的是低轨道电子侦察卫星，本文将从侦察范围特性、侦察时效特性等方面重点对低轨道电子侦察卫星的情报侦察能力进行分析。

2 电子侦察卫星的情报侦察模型

假设电子侦察卫星任意时刻t的瞬时高度为h，A点是电子侦察卫星在当前时刻的星下点，即电子侦察卫星位置点在地球表面上的垂直投影点。P点是电子侦察卫星有效侦察地平边界点，其包围的地球表面区域就是星载雷达对抗侦察设备的侦察覆盖范围[3]，如图1所示。

图1 电子侦察卫星的的情报侦察模型

图1中，β是电子侦察卫星的侦察半视场角；d是电子侦察卫星到P点的距离；l是电子侦察卫星覆盖区的半径；Re是地球的半径，约为6378.137km；h是电子侦察卫星距离地面高度；α是电子侦察卫星覆盖地面的地心角；γ是有效地平边界对应的极限仰角，通常为5°。由此可知：

(1)

瞬时侦察范围半径为：

l=Reα

(2)

瞬时侦察范围面积为：

(3)

卫星瞬时侦察范围面积相对于地球表面积的覆盖率为：

P1=(A1/(4πRe))×100%

(4)

3 瞬时侦察覆盖范围分析

当电子侦察卫星距地面高度分别为500km、600km、700km、800km、900km、1000km、1100km、1200km时，由上述公式分别求得电子侦察卫星的瞬时侦察宽度、瞬时侦察范围面积A1和瞬时侦察范围覆盖率P1，见表1。

表1 h与l、A1、P1之间关系

由表1可知，相对于其他平台来说，电子侦察卫星瞬时侦察覆盖范围远远大于舰艇、飞机上装载的侦察设备的覆盖范围。其瞬时侦察覆盖范围与卫星的高度成正比，h越大，l越宽，A1越大，P1越高。

4 侦察覆盖区域分析

电子侦察卫星侦察覆盖区域是指随卫星飞行形成以星下点地面轨迹为中心的覆盖区域。如图2所示。

图2 电子侦察卫星侦察覆盖区域

电子侦察卫星侦察覆盖范围与星下点轨迹相关。

4.1 星下点经纬度计算[4]

假设地球是圆球体，卫星的星下点位置用坐标(λ，φ)表示，(λ，φ)是大地经纬度、也是地心经纬度。

(5)

(6)

u=ω+θ=nt

(7)

n=(μ/r3)1/2

(8)

式中，u是当前时刻卫星与升交点的角度，即从升交点开始测量，顺时方向取正值，逆时方向取负值；λ0是升交点的地心经度；ω是卫星近地点幅角；θ是卫星当前时刻真近点角；r是卫星当前时刻的地心距；Ω是卫星升交点赤经；i为卫星的轨道倾角；ω0为卫星飞行的角速度；t为卫星飞行的时间；ωe是地球自转的角速度。

4.2 侦察覆盖区域计算

卫星侦察覆盖区域的纬度范围[5]：

-i≤φ

(9)

通常情况下，电子侦察卫星的轨道倾角i<90°。

假设电子侦察卫星为顺时飞行，则侦察覆盖区域左侧边界为：

sinφ1=cosdsinisinu+sindcosi·

(10)

式中，

(11)

tan(λ1-λ0)=cositanu-tandtanicosisecu·

(12)

侦察覆盖区域右侧边界为：

(13)

(14)

d(u)=arccos(Recosγ/r(u))-γ

(15)

(16)

式中，φ1、φ2分别是电子侦察卫星侦察覆盖区域左侧和右侧边界的纬度；λ1、λ2分别是电子侦察卫星侦察覆盖区域左侧和右侧边界的经度；e是电子侦察卫星的轨道偏心率；p是半通经，是θ=90°时卫星到地心的距离。

假设卫星高度为1680.9km，倾角为60°，运行周期为2h，其星下点轨迹和侦察覆盖区域仿真如图3所示。

图3 电子侦察卫星星下点轨迹图

从图3中可以看出卫星星下点轨迹共有12条，卫星从轨道1开始飞行，依次对星下点区域进行侦察，直到轨道12飞行完后，又重复从轨道1开始。

4.3 目标是否在侦察区域分析

假设当前时刻t，地(海)面目标的经纬度为(λm(t),φm(t))，电子侦察卫星星下点经纬度为(λ(t),φ(t))。此时可得地面目标与电子侦察卫星星下点的地心角[6]：

(17)

如果αm(t)<α，那么，在此时刻目标在电子侦察卫星的瞬时覆盖区域内；否则，不在覆盖区域内。

4.4 重复侦察区域分析

卫星星下点轨迹相邻轨道示意图如图4所示。轨道1和轨道2分别是电子侦察卫星同一天相邻轨道，两个轨道间在赤道处的距离为L；l是该卫星瞬时侦察覆盖区域半径[7]。

L=2πReTo/(24×60×60)

(18)

式中，To是电子侦察卫星运行周期。

图4 星下点轨迹相邻轨道示意图

如果l/sini≥L，则相邻轨道侦察区域有重叠，在赤道处的重叠区域宽度为l，图4阴影部分为重复侦察区域。

如果L/2≤l/sini

如果2l/sini

5 电子侦察卫星的侦察时效特性分析

电子侦察卫星的侦察时效特性与运行周期、重访周期等有关。

5.1 电子侦察卫星运行周期

卫星运行周期是指卫星沿其轨道运行一周所需的时间[8]，用To来表示：

To=(4π2(Re+h)3/μ)1/2

(19)

式中，μ是开普勒常数，值为3.986×105km3/s2，r是卫星轨道的半径，单位为m。

卫星每天绕地球圈数用N1表示：

N1=(24×60×60)/To

(20)

当电子侦察卫星距地面高度分别为500km、600km、700km、800km、900km、1000km、1100km、1200km时，电子侦察卫星的运行周期To、每天绕地球圈数N1之间关系见表2。

表2 h与To、N1之间关系

卫星运行周期只与电子侦察卫星距离地面高度h有关，h越高，To越大，每天绕地球圈数N1越少。

5.2 电子侦察卫星重复侦察周期

卫星重复侦察周期是指卫星对同一地区或目标进行重复侦察所需时间，用Tv来表示。有时为了便于具体应用，也可用某个时间范围内对给定地区或目标的侦察次数来表示。

电子侦察卫星一天的星下点轨迹仿真图如图5所示。现有区域A、区域B两个面积相同的侦察区域，区域A在高纬度、区域B在低纬度。可以看出，区域A中有4条轨迹线，卫星对A区域进行了4次侦察；区域B中有2条轨迹线，卫星对B区域2次。由此可以看出，侦察区域的不同，其重复侦察周期存在不同。

图5 电子侦察卫星星下点轨迹图

同时通过对相邻轨道重复侦察区域分析，如果相邻轨道存在重复侦察区域，则对于该重复侦察区域存在最小重复侦察周期，等于卫星飞行周期。

(Tv)min=To

(21)

通过上述分析，可以知道由于侦察区域位置的关系，电子侦察卫星重复侦察周期存在着不同的值。但是无论侦察区域如何设置，都存在最大重复侦察周期，其与卫星重访周期有关。

卫星重访周期是指卫星从某地上空开始运行，经过若干时间的运行后，回到该地上空时所需要的天数，用Dv来表示。

(Tv)max=Dv

(22)

Dv=d1/(N1-Nint)

(23)

假设电子侦察卫星轨道高度h为915km，偏移系数d1为-1，则

To=(4π2(Re+h)3/μ)12=103.267(min)

N1=(24×60×60)/To=13.944(圈)

Dv=d1/(N1-Nint)=18(天)

通过计算可以得出，该电子侦察卫星重访周期为18天。也就是说该电子侦察卫星经过18天后，一定会对相同区域进行重复侦察。

为了提高侦察效果，通常要求卫星能在较短的时间段内对同一地区进行重复观测。重复侦察周期越短，侦察数据更新越快、侦察效果越好。对于单颗电子侦察卫星来说，重访周期最短可为1天，也就是电子侦察卫星一天绕地球圈数N1为整数。假设倾角为60°，高度为1680.9km的电子侦察卫星，由(17)、(18)式可知:

To=(4π2(Re+h)3/μ)=120(min)

N1=(24×60×60)/To=12(圈)

Dv=1(天)

也就说该卫星每天绕地球12圈后，将重复进行侦察。图3为该电子侦察卫星的星下点轨迹仿真图。

为了提高侦察的时效性，通常采用多颗卫星同轨道组网侦察，以此来缩短重复侦察周期，则：

(24)

例如倾角为60°，高度为1680.9km的单颗电子侦察卫星，其重访周期为1天，现在同时采用6颗卫星同轨道运行侦察，则重复侦察周期为4h。在实际作战过程中，对指定区域侦察数据可每4小时更新一次。

通过上述分析可知，电子侦察卫星的重复侦察周期不仅于卫星的重访周期有关，还与卫星的数量有关。重访周期越短、卫星数量越多，其重复侦察周期越短。

5.3 有效侦察时间

有效侦察时间是指电子侦察卫星对某一地区或目标进行侦察的时间，用tz表示。

1)对单个目标进行侦察的有效侦察时间计算。

假设电子侦察卫星侦察波束偏差角最大值为ξmax，当某辐射源位于距离电子侦察卫星星下点轨迹偏差角为ξ的某一位置上，则在星下点轨迹上能侦察到该辐射源的轨迹弧段为：

P1=θ/180°

(25)

式中，cosθ=cosα/cosξ。

则该辐射源进行侦察的有效侦察时间[10]为:

tz=ToP1

(26)

当ξ=0°，侦察目标在星下点轨迹上，此时tz为最大有效侦察时间：

(tz)max=To(α/180°)

(27)

当ξ>α，侦察目标不在侦察范围区域内。

当电子侦察卫星距地面高度分别为500km、600km、700km、800km、900km、1000km、1100km、1200km时，对目标侦察最大有效侦察时间为(tz)max，见表3。

表3 (tz)max与h、To之间关系

由表3可知，电子侦察卫星对目标侦察最大有效侦察时间与卫星的高度有关，h越大，(tz)max越长，有效侦察时间与目标位置距星下点轨迹的偏差角ξ有关，ξ越大，有效侦察时间越少。

2)对某一区域进行侦察的有效侦察时间计算

假设侦察区域的经度范围为Δλ，纬度范围为Δφ面积，则侦察卫星每次过境的连续探测时间可以近似为[11]：

(28)

6 结束语

通过上述分析，可知电子侦察卫星具有侦察范围广阔，机动性能强，飞行速度快，可以进行大范围、全纵深的快速侦察等特点，但是由于受到飞行轨道的影响，对同一地区或目标进行侦察存在重复侦察周期长、有效侦察时间短等问题。因此在作战过程中，必须准确掌握电子侦察卫星瞬时侦察范围、侦察覆盖区域、重复侦察区域以及侦察时效特性等侦察要素，确保在有效的侦察时间内，在空域、时域、频域、能域上对准目标，才能完成对目标信号的截获，获取及时有效的情报信息，充分发挥电子侦察卫星的情报侦察的优势。此外，由于电子侦察卫星的定位精度较高，其他无源侦察设备在进行交叉定位时，可利用电子侦察卫星对目标的定位信息对目标位置进行校正，以提高目标定位的精确度。这是电子侦察卫星作战使用下一步的研究重点。■

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Research on intelligence reconnaissance capablility of electronic reconnaissance satellite

Wang Guoen1,2, Li Xianmao1
(1.Naval University of Engineering of PLA,Wuhan 430033,Hubei,China;2.Sergeant’s School of Navy,Bengbu 233012,Anhui,China)

Electronic reconnaissance satellite plays an increasingly important role as one of the important means of intelligence reconnaissance in modern wars. In order to analyze the intelligence reconnaissance capablility of the satellite, the satellite’s working process and reconnaissance model are introduced first. And then, instantaneous detection coverage, surveillance coverage, flight cycle, repeated reconnaissance period and valid time of reconnaissance are analyzed with the method of data simulation. The analysis result will provide a theoretical for further research on methods of how the satellite supports the fleet.

electronic reconnaissance satellite; instantaneous detection coverage; surveillance coverage area; repeated reconnaissance period

2016-10-18；2016-11-06修回。

王国恩(1982-)，男，讲师，硕士研究生，主要研究方向为雷达对抗侦察信息处理。

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