印度反卫事件分析

王伟林，何海峰，杨永嘉，周士豪

（航天工程大学，北京101400）

0 引言

世界协调时(UTC)2019年3月27日，印度反卫星试验成为世人关注的焦点。根据国外报道以及卫星轨道数据的计算结果可以确认，撞击时间为2019年3月 27日 5时 42分（UTC），撞击地点为（17.68°N，87.65°E），高度约为 283 km，相 对 撞 击速度约为9.8 km/s，目标卫星是印度国防研究与发展组织（DRDO）生产研制的“Microsat-R”卫星。

1 试验中目标卫星与拦截弹分析

1.1 目标卫星分析

Microsat-R卫星于2019年1月24日晚11点37分在斯里赫戈达岛蒂什·达万航天中心搭载PSLV C-44进入高度为277.2 km的轨道，该卫星是由印度国防研究与发展组织（DRDO）实验室开发，在发射时印度声称此卫星是一颗对地观测卫星，但是欧洲咨询公司在2015年发布的《全球政府航天计划预算分析》表明，印度对地观测卫星绝大多数由印度空间研究组织（ISRO）研制（见表1），而Microsat-R并不在此计划之列。结合人造卫星造价昂贵且Microsat-R卫星仅在太空中存在61天的事实，可以推测出Microsat-R卫星可能本来就是作为反卫试验的靶星发射，印度对于此次反卫星试验计划已久。

1.2 拦截弹分析

印度公开的纪录片显示，此次试验中的拦截弹的正式名称为：PDV-MK-II。它很可能是2014年4月27日DRDO首次进行大气层外反导试验的PDV（“大地防御飞行器”）拦截弹的改进型，其主要性能指标如表2所示。PDV的拦截高度小于150 km，如果不加改进，它的拦截高度达不到300 km，因此认为PDV-MKII导弹可能使用了新的助推段。根据网站公布的信息，印度的反卫星导弹配备了两级固体火箭发动机和一个拦截弹头，这种导弹能够捕获高达1000 km的目标。通过芯级侧面向下延伸的线槽，可以得知在PDV衍生的第三级之下有两级发动机，线槽中导线将控制命令从最顶级传送到第一级的推力控制系统。线槽的中断标志着第一级和第二级之间的级间段。通过此次反卫星导弹的照片和之前PDV的照片比对(见图1)可以推测，在弹径1.1 m的情况下，印度反卫星导弹的长度大约在11 m左右。如果印度反卫导弹的质量真的如印度媒体所言达到18 t，那么相比于美国弹径1 m、弹长 10.6 m、质量不到 7.5 t的“潘兴”-Ⅱ，印度的反卫导弹显得过重，说明印度在弹体结构和材质上还有很大差距，因此，可推测：印度此次反卫星导弹的拦截高度不会高出300 km太多，达到印度声称1000 km可能性更小。

表2 印度PDV拦截弹主要性能指标

印度DRDO公开的纪录片显示，该弹头采用了末端红外制导的方式，Microsat-R卫星作为近地轨道的对地观测卫星，太阳能电池板通常指向太阳，在拦截弹末制导过程中，太阳能电池板不应该是完全可见的。利用STK对此次碰撞进行了模拟，若如印度所言的采用顶点拦截，则碰撞前目标卫星与拦截弹太阳电池板的相对位置关系应如图2所示。

而在DRDO公开的视频资料中，卫星的太阳帆板面向弹头，且面积张开几乎最大，如图3所示。

这与理论情况不符。所以推测这可能是由以下两种情况造成，一是在碰撞发生前，该卫星太阳帆板进行了有目的性的姿态调整以增强红外特性，如图4所示，侧面证明目标卫星在此次打击过程中可能是合作靶星。

表1 印度后续对地观测卫星发展计划

图1 印度反卫拦截弹与PDV弹等比比对图

图2 理论碰撞时卫星姿态示意

图3 DRDO视频显示导弹上摄像头拍摄目标卫星太阳能电池板的最后图像

图4 预测情况一碰撞时卫星姿态示意

二是此次反卫实验采用的是上升段拦截方式，而与印度所宣称的顶点拦截方式不符，如图5所示。

图5 预测情况二碰撞时卫星姿态示意

2 模型校对与验证

2.1 模型来源及实验目的

利用本课题组的航天器解体模型碎片生成软件、碎片演化分析软件对此次碰撞事件进行情况再现和碎片演化分析，仿真模拟出印度反卫星试验可能的打击方式，对本课题组模型的准确性进行校对、验证，进而预测印度此次试验产生的碎片在轨数量及其变化趋势，分析印度反卫星试验对空间环境造成的威胁。

2.2 航天器解体模型碎片生成软件、碎片演化分析软件简介

2.2.1 碎片生成软件的功能

1）解体程度分析：根据碰撞时刻两物体的运动参数，评估由于碰撞造成航天器解体的程度，是完全解体还是部分解体。2）解体碎片生成：根据航天器解体模型，抽样计算碰撞后所产生的每个碎片的特性参数，包括质量、尺寸、面质比和飞散速度。3）碎片分布统计：对所有生成的碎片分别统计质量、尺寸、面质比和飞散速度等特性的分布。4）结果输出与显示：将产生的碎片数据按照一定的格式进行存储，对于碎片统计分布则可以曲线形式进行显示。

2.2.2 碎片演化软件的功能

1）碎片在轨分析：根据输入的碎片数据文件，利用空间物体受力模型，对在轨碎片进行演化，计算出其留轨数量、质量的变化。2）结果显示：根据动态演化时长，以图形界面对空间碎片的位置、运动状态进行动态显示，并实时显示留轨数量、留轨质量。

2.3 参数定义

在仿真模拟中，主要关心碰撞发生时卫星和拦截弹的相对位置、相对速度对碰撞碎片生成、演化的影响。对此首先对坐标参数进行定义说明，以目标卫星为原点，建立目标卫星轨道坐标系，如图6所示，原点O1为目标卫星与拦截弹碰撞发生位置，其中X轴表示为目标运动速度矢量方向，Z轴表示为地球矢径方向，Y轴根据右手定则确定。碰撞时刻拦截弹速度方向可在该坐标系下进行分解，在平面XO1Y投影，与X轴夹角定义为方位角α，在平面XO1Z投影，与X轴夹角定义为航迹角β。当β=0时，即可表示顶点拦截；当0＜β＜90°时，定义该拦截为上升段拦截；当-90°＜β＜0°时，定义为下降段拦截。当 α=180°，β=0°时，即表示顶点逆轨拦截，如图 7所示；当 α=0°，β=0°时，即表示顶点顺轨拦截，如图8所示。

2.4 试验初始参数设计

由于缺乏印度反卫星试验中Microsat-R卫星与拦截弹的具体详细信息，仅能根据有关推测及碰撞后的初步探测结果对撞击场景做如下想定：

对于目标卫星轨道信息，为尽可能接近碰撞时刻卫星运动状态实际，采用美国www.spacetrack.com网站在公布的世界协调时2019年3月26日（碰撞发生前一天）更新的Microsat-R两行TLE数据，由于人造地球卫星与空间探测器的结构材料大多采用铝合金，假设卫星材质为铝合金，根据卫星的材质和质量、有关图像资料（见图9），假设卫星为标准立方体，估计出其尺寸。

图6 目标卫星轨道坐标系

图 7 顶点逆轨拦截（α=180°,β=0°）

图 8 顶点顺轨拦截（α=0°,β=0°）

图9 Microsat-R卫星

1）目标卫星TLE轨道根数

0 MICROSAT-R

1 43947U 19006A 19084.98720666.00152043 11367-4 27860-3 0 9992

2 43947 96.6362 358.3958 0015832 220.6056 155.1371 16.01110841 9636

2）材质：铝合金；

3）质量：740 kg；

4）尺寸：72 cm×72 cm×65 cm；

5）撞击时刻：2019年3月27日05∶42(UTC)；

6）笛卡尔J2000坐标系下撞击时刻的轨道参数，如表3所示。

表3 撞击时刻的轨道参数

如果印度此次使用的反卫战斗部为动能拦截方式，那么在行动中使用的反卫星武器类型可能与美国洲际弹道导弹防御实验地面拦截导弹（GBI）拦截器相似。由于缺乏对印度反卫星试验所使用拦截弹的确切情报，在此假设此次试验使用的拦截弹尺寸、质量与其均大致相似。

相关资料表明，美国洲际弹道导弹防御实验地面拦截导弹（GBI）拦截器为EKV。在此暂用维基百科对该地面拦截导弹（GBI）拦截弹的描述进行仿真实验。

EKV参数：质量约为64 kg；长度为1.4 m；直径为0.6 m。

2.5 实验过程仿真模拟

对印度反卫星试验的具体细节进行研究，碎片产生数量、在轨时间可能与拦截弹与目标卫星的相对速度、角度等相关因素有关，由于缺乏对碰撞时刻拦截弹的位置、运动状态的相关具体情报，在已知目标卫星速度、角度的前提下，在仿真模拟过程中利用笔者课题组航天器解体模型、演化模型，假定目标卫星、拦截弹的相对方向（α、β）、速度大小，并设置多组拦截弹速度、角度等参数，对拦截弹分别在不同的的撞击速度、角度进行了仿真模拟，分析其碎片生成数量、质量、留轨时间，得出有关结论。

2.5.1 实验过程

根据以上假定设置碰撞的初始参数数据，结合速度、角度的改变，计算出模型应用的瞬时速度、位置参数，输入到碎片生成软件中得出，统计生成碎片数量、质量、面质比等参数，统计结果如表，而后利用碎片演化软件，对拦截弹速度为2.5 km/s、生成尺寸大于5 cm的碎片的演化进行分析，仿真其在轨数量、质量随演化时长变化情况，统计结果如表4所示。

2019年5月19日美国SpaceTrack网站公布印度反卫星试验碎片数量为92个(其中在轨63个，坠落29个)，利用本课题组航天器解体模型进行模拟仿真，在10 cm、5 cm碎片尺寸以上的数量与美国公布数据相比相对较多，主要原因可能是由于碰撞轨道较低，碰撞发生初始阶段碎片数量下降较快，一些速度较低的碎片在被NASA探测到之前就已经坠毁，可以认为此模型较为准确，本次仿真结果与印度反卫星试验实际相差不大。

假定美国低轨空间碎片观测能力在5 cm左右，为了进一步验证模型的准确性，在仿真实验中对5 cm以上碎片的演化进行了模拟，表5为拦截弹V=2.5 km/s时，尺寸大于5 cm的碎片的演化结果。

表4 碎片的生成

表5 拦截弹V=2.5 km/s时，尺寸大于5 cm的碎片的演化

如表5所示，在碰撞发生24 h内，碎片大量坠落，数量、质量迅速下降，大于5 cm的碎片数量基本稳定在30～110之间，与美国公布数据数量级基本一致，进一步验证解体模型对碎片数量预报的准确性。截至2019年05月15日编目的在轨碎片数量为63，远大于表5中1～4组的数量，因此倾向认为印度反卫星试验更可能采取了上升段拦截的方式，其拦截角度可能在40°～60°之间。

2.5.2 结论分析

1）表第 1～3组数据中，第一组 α=180°，β=0°时，即顶点逆轨拦截时，此时目标卫星和拦截弹的相对速度最大，产生的碎片数量最多，第4组当α=60°，β=0°时，此时相对速度较小，产生的碎片数量最少，可知顶点拦截时（即β=0°），其他变量不变的情况下，当α越大时，相对速度越大，产生的碎片越多，即顺轨拦截相对于逆轨拦截生成的碎片数量更少。在表5演化实验结果中，第1、2、3组表明，逆轨拦截虽然产生碎片数量较多，但其碎片留轨时间较短，对空间环境的影响更小。

2）对比表 4第 1、11、12组数据，当 α、β一定时，改变碰撞发生时刻拦截弹的速度，对于统计大于0.1 cm以上碎片，拦截弹速度越小，即拦截弹与目标卫星的相对速度越小，产生的碎片数量越少.

3）对比表4第5～10组数据，碎片在较大尺寸（10 cm以上）时，β对碎片的产生数量影响不明显，而在小尺寸（0.1 cm以上）时，无论是上升段拦截还是下降段拦截相对于顶点拦截都有利于减少碎片产生数量，且角度越大，对减少碎片数量的影响越强烈；而β＞0（上升段拦截）相对于β＜0（下降段拦截）时，碎片数量减小更加明显。在表5演化实验结果中第1、4、5、6、7组表明，顶点拦截产生的碎片留轨时间明显相对更短；下降段次之，且角度越大，留轨时间越短；上升段产生的碎片留轨时间最久，且角度越大，留轨时间更久。总体而言，逆轨顶点拦截方式对空间环境的影响更小。

3 碰撞碎片对空间安全的影响

印度反卫试验产生的碎片分布在200～2500 km（远地点）的范围内，其中大部分碎片集中在300～800 km的轨道高度上。在这个范围的轨道上，运行着大量的低轨道卫星，碎片对卫星的运行产生了巨大的威胁。例如，在远地点高度为409 km左右的近地轨道上，有着人类宝贵的太空资产——国际空间站，而在403 km（远地点）和415 km（远地点）的轨道上存在着2个碰撞碎片，给国际空间站的运行带来了巨大的风险。

根据SpaceTrack网站(2019-04-18)更新的数据，如图10、11所示，印度反卫试验所产生的碎片被SpaceT-rack编目的有59个，其轨道倾角主要集中在94°～97°范围内，轨道高度在300～800 km范围内的有37个，在300 km以下的有3个，最高的轨道高度为2226.8 km，对该范围内在轨的航天器构成了巨大的威胁。

图10 碎片远地点分布（2019-04-18）

图11 碎片轨道倾角分布（2019-04-18）

根据SpaceTrack网站(2019-12-23)更新的数据，如图12、13所示，时隔9个月后，印度反卫试验所产生的碎片被SpaceTrack编目的仍然有23个，轨道高度在300 km以上的有16个，最高的轨道高度为1766.7 km，碎片在轨时间远远超过其宣称的“45天内消失”，虽然目前没有任何消息披露在轨卫星受到了印反卫试验的影响，但碎片对该范围内在轨的航天器依然具有潜在威胁。

图12 碎片远地点分布（2019-12-23）

图13 碎片轨道倾角分布（2019-12-23）

4 结束语

印度反卫试验产生了大量空间碎片，对低地球轨道运行的航天器造成了长期的安全威胁，对人类航天活动将产生深远的影响，引起了国际宇航界和国际社会的高度关注和普遍担忧，印度借发展反导发展反卫星能力，严重威胁太空安全态势。近一年以来，对于印度此次反卫试验，美国等国仅仅是稍加指责，其他国家也没有更大的反应，印度几乎没有遭到处罚，这很可能加剧各国在反卫星武器研发领域的竞赛，未来很可能有更多的国家拥有同样的武器，更是在国际上埋下了一个重大隐患。

本文通过模拟实验对该次碰撞事件进行情况再现、碎片演化分析，进一步验证了本课题组模型的准确性。不同撞击方式对空间环境的威胁程度不同。逆轨拦截相对于顺轨拦截产生的碎片留轨时间短，能够在较短时间内大量坠落。顶点拦截、下降段拦截和上升段拦截在碎片产生数量上差别不大，但顶点拦截碎片最易坠落。总体而言，顶点逆轨拦截对环境的影响最小。在模拟仿真中，对于较大尺寸的碎片生成、演化数量统计结果，本课题组模型模拟结果与NASA观测实际基本一致，具有较高的准确性；但对于更小尺寸的碎片，由于缺乏有效实际数据支撑，暂时无法进行对比验证。通过碎片数量的分析以及红外制导图像的分析，倾向认为印度反卫试验采用了上升段拦截，碎片在轨时间长，严重影响空间环境安全。但仿真实验基于开源资料以及假定分析，缺乏印度反卫星试验的确切详细情报，还需进一步跟踪研究。■