APP下载

美国陆基中段防御威胁控制区解析 *

2023-11-18唐毓燕

现代防御技术 2023年5期
关键词:控制区陆基中段

唐毓燕

(北京电子工程总体研究所,北京 100854)

0 引言

弹道导弹防御威胁控制区是指针对某类弹道导弹目标与特定保护区域,弹道导弹防御系统能够对进攻指定保护区域的该类弹道导弹实施拦截的目标发射区域。文献[1]针对美国陆基中段防御(ground-based midcourse defense,GMD)的预警与跟踪识别能力、保护区、导弹单发杀伤概率、多目标能力、对付目标能力水平5 个核心能力指标进行了分析评估,本文将在美国陆基中段防御性能基础上,进一步对美国陆基中段防御威胁控制区进行建模分析,并给出对远程、洲际弹道导弹威胁控制区分析结果。

1 美国陆基中段防御特点及其威胁控制区分析思路

美国陆基中段防御以阿拉斯加州格里利堡空军基地为主拦截阵地,以加利福利亚洲范登堡空军基地为辅拦截阵地,具有以下特点:

(1) 格里利堡拦截阵地对美国本土弹道导弹防御具有非常优异的地理优势,对进攻美国本土的弹道导弹拦截弧段很长,几乎覆盖目标中段飞行大部分弧段,保护区广,重点对东亚、俄罗斯方向来袭远程、洲际弹道导弹目标实施中段拦截。

(2) 范登堡拦截阵地重点对太平洋方向来袭远程、洲际弹道导弹目标实施中段拦截,兼顾对东亚、俄罗斯方向来袭远程、洲际弹道导弹目标实施中段下降区间拦截。

(3) 最大拦截高度能够覆盖可能来袭弹道中段飞行高度范围。

根据弹道导弹防御威胁控制区的概念,结合美国陆基中段防御特点,美国陆基中段防御威胁控制区主要与拦截阵地位置、需保护区域、低远拦截点、拦截近界、拦截弹作战最短飞行时间等因素有关,具体分析思路如下:

(1) 威胁控制区两侧边界:首先分析计算与需要保护区域、以拦截阵地为中心并以拦截低远点地面航程为半径的地表弧线区域两侧边界相切的地表弧段,分析此时对需要保护区域边界切点保护可行性,并视分析结果修正威胁控制区两侧边界。

(2) 威胁控制区前边界:先在两侧边界找到满足拦截时间链与能量链约束条件的点,再以拦截阵地为中心,遍历方位角,在每个方位上利用二分法查找适当距离的点,使得从该点发射进攻被保护区域的目标弹道刚好均满足拦截时间链与能量链约束条件,则该点即为该方位上威胁控制区前边界点。

(3) 威胁控制区后边界:观察确定需保护区域面向威胁方向最前端位置,以来袭弹道导弹最大可能射程为半径的地表弧线作为后边界。

此外,根据文献[1]分析,美国在弹道导弹预警探测与跟踪识别能力方面,现阶段可有效应对头体分离无突防或少量诱饵有限突防远程/洲际弹道导弹,因此,本文下面主要针对头体分离无突防或少量诱饵有限突防远程/洲际弹道导弹,且在有充分信息链支持情况下,对美国陆基中段防御威胁控制区域进行分析探讨。

2 弹道导弹防御威胁控制区分析模型

2.1 威胁控制区两侧边界分析模型

给定需保护区域和拦截阵地位置P,并设拦截低远点地面航程、高度分别为l、h,记为以P为原点、地面航程为l的地表曲线,O为地心,如图1 所示。利用观察法在需保护区域边界上确定点M和点N,使得地表弧段与需保护区域、地表曲线相切,点A和点B分别为地表曲线上的切点。

图1 弹道导弹防御威胁控制区边界分析场景示意图Fig.1 Sketch map of analysis scene of ballistic missile defense threat control zone’s boundary

记OM为点O至点M的矢量,则平面的法向矢量为

由 点A为 地 表 弧 段与 地 表 曲 线的 切 点,因此有

根据式(1)~(3),已知点M和点N的大地坐标,利用地表曲线上点A附近点迹遍历方法,可以得到点A和点B的大地坐标,计算过程中需要用到大地坐标系与CGCS-2000 坐标系转换模型、发射坐标系与CGCS-2000 坐标系转换模型、地表两点间方位角和距离计算模型[2]、地表点A沿方位角α历经地表距离R至点B的大地坐标计算模型。

(1) 大地坐标系与CGCS-2000 坐标系转换模型

点A大地坐标(经度λ、地理纬度φ、高度h)向CGCS-2000 坐标系转换公式为

CGCS-2000 坐标系向大地坐标系转换公式为

(2) 发射坐标系与CGCS-2000 坐标系转换模型设地表发射点A经度、地理纬度分别为λ、φ,射向方位角为α,记M*(θ)为绕*轴逆时针旋转θ角对应的坐标转换矩阵,则发射坐标系至CGCS-2000 坐标系转换矩阵为

CGCS-2000 坐标系至发射坐标系转换矩阵为

发射坐标系中位置矢量rL与CGCS-2000 坐标系中位置矢量r2k转换关系为

式中:r0为CGCS-2000 坐标系中发射点A地心矢径。

(3) 地表点A沿方位角α历经地表距离R至点B的大地坐标计算模型

过点A、方位角为α的当地水平方向矢量为

“喔,是你呀。哎,我就奇怪了,这里面有你什么事啊,你跟小宋是什么关系?既然我姑妈跟你母亲是朋友,为什么你这么向着她啊?好像咱们更近吧?”他说着用眼神请求着罗丽的认同,后者没理他,一直斜着眼看着老福。

设过点A、方位角为α的当地水平直线为Lα,则过地心、直线Lα的平面法向矢量为

于是,过地心、直线Lα的地表大圆方程为

式中:Rb为地球极地半径(6 356.752 km)。

过地心、直线Lα的地表大圆的参数形式方程为

利用二分法求解地表点A沿方位角α历经地表距离R至点B的大地坐标,设二分法首末点参数为

二分法中点Q参数为

记R(A,Q)为点A、点Q的地表距离,按二分法查找直至|R(A,Q) -R|小于允许误差,则此时点Q即为所需求解的点B。

(4) 点M、N保护可行性分析及侧边界计算模型

设计算得到点A的经度、地理纬度分别为λA、φA,则图1 中低远拦截点G的大地坐标为(λA,φA,h),转换至CGCS-2000 坐标系得到rG。于是,地表弧段长度可表示为[3]

式中:Re为地球平均半径(6 371 km);f为万有引力常 数(6.672 59×10-11m3/(kg·s2));Me为 地 球 质 量(5.965×1024kg)。

2.2 威胁控制区前后边界分析模型

威胁控制区后边界计算相对简单,前边界计算则较为复杂,下面先对后边界进行分析。

(1) 威胁控制区后边界分析

观察确定需保护区域面向威胁方向最前端位置点W,设来袭弹道导弹最大可能射程为LBMmax,利用地表点A沿方位角α历经地表距离R至点B的大地坐标计算模型即可得到威胁控制区后边界,如图1 所示。

(2) 威胁控制区前边界分析

威胁控制区前边界主要与拦截近界、拦截弹作战最短飞行时间、时间链与能量链约束等因素有关,图2 给出了威胁控制区前边界飞行场景示意图。

图2 弹道导弹防御威胁控制区前边界分析场景示意图Fig.2 Sketch map of analysis scene of ballistic missile defense threat control zone’s front boundary

式中:tPIP为预测拦截时刻;tBMoff为来袭弹道导弹主动段关机时刻;Tfilter为弹道导弹防御探测跟踪系统滤波收敛时间(一般可取20 s);Tfly_min_GBI为陆基拦截弹(ground-based interceptor,GBI)最短拦截飞行时间。

记α(P,U)为点P处地表弧段方向的方位角,从α(P,U)至α(P,V)遍历方位角,在每个方位上利用二分法查找适当距离的点S,使得从点S分别沿方向发射进攻需保护区域的弹道导弹刚好同时满足拦截时间链与能量链约束条件,则点S即为威胁控制区前边界点。

3 美国陆基中段防御威胁控制区分析

美国GBI 通过飞行中拦截弹通信系统(in flight interceptor communications system,IFICS)进行弹地通信,IFICS 由地面数据终端(IFICS data terminal,IDT)和弹上通信单元组成,IDT 分为固定IDT、可拆装IDT 和移动IDT,配置在格里利堡基地、范登堡基地以及美国本土相关区域[5]。考虑到GBI 低远拦截点对威胁控制区影响较为显著,而地面多点IDT 支持对GBI低远拦截性能影响较大,下面对GBI飞行中保持与基地视距通信、GBI 飞行中有多点IDT 充分支持2 种情况下的威胁控制区分别进行仿真分析。

3.1 GBI 飞行中保持与基地视距通信情况下威胁控制区分析

在GBI 飞行保持与基地视距通信情况下(GBI相对于基地的俯仰角一般不低于3°),根据地球几何特性,地面航程与最低高度的关系如图3 所示。

图3 地面航程与最低高度的关系(最低俯仰角3°)Fig.3 Relationship between ground range and minimum height(lowest elevation angle 3°)

考虑到远程、洲际弹道导弹可能采取相对较低的弹道进行打击,GBI 低远拦截高度不宜大于800 km,此时对应的地面航程约2 721 km。结合美国陆基中段防御部署及美国本土地理特征,可分析得到GBI 飞行中保持与基地视距通信情况下格里利堡拦截阵地、范登堡拦截阵地对应的威胁控制区如图4所示。

图4 美国陆基中段防御威胁控制区(GBI 飞行中保持与基地视距通信)Fig.4 Threat control zone of US ground-based midcourse defense(GBI in flight keeping line-of-sight communication with base)

从图4 中可以看出,在GBI 飞行中保持与基地视距通信情况下,格里利堡GBI 阵地以美国本土全境为保护区域对应的威胁控制区涵盖朝鲜半岛、中国东部、太平洋西部区域,重点防御东亚、俄罗斯方向来袭的远程、洲际弹道导弹;范登堡GBI 阵地以美国本土A 区为保护区域对应的威胁控制区涵盖太平洋中部区域,重点太平洋方向来袭的远程、洲际弹道导弹,兼顾对东亚、俄罗斯方向来袭远程、洲际弹道导弹目标实施中段下降区间拦截。

3.2 GBI 飞行中有多点IDT 充分支持情况下威胁控制区分析

在GBI 飞行中有多点IDT 充分支持情况下,GBI低远拦截地面航程不小于5 000 km,此时最低拦截高度不大于800 km[1],通过分析可得到此时美国陆基中段防御威胁控制区如图5 所示。

图5 美国陆基中段防御威胁控制区(GBI 飞行中有多点IDT 充分支持)Fig.5 Threat control zone of US ground-based midcourse defense(GBI in flight supported by multiple IDTs)

从图5 中可以看出,在GBI 飞行中有多点IDT 充分支持情况下,格里利堡GBI 阵地以美国本土全境为保护区域对应的威胁控制区涵盖整个东亚、大部分太平洋、俄罗斯南部区域,威胁控制区大幅增加;范登堡GBI 阵地防御区域覆盖美国本土全境,可进一步对各个方向进攻美国本土的远程、洲际弹道导弹实施补充拦截。

3.3 小结

通过上述分析,针对头体分离无突防或少量诱饵有限突防远程/洲际弹道导弹,在有充分信息链支持情况下,关于美国陆基中段防御及其威胁控制区,有如下结论:

(1) 以格里利堡GBI 阵地为主、范登堡GBI 阵地为辅的陆基中段防御布局充分发挥了美国本土得天独厚的地理优势,对来袭远程、洲际弹道导弹中段拦截弧段较长,拦截机会多,保护区域广;

(2) GBI 飞行中是否有多点IDT 充分支持对威胁控制区影响非常显著;

(3) 来袭弹道导弹进攻弹道形状对美国陆基中段防御的威胁控制区影响较为显著;

(4) 美国现有陆基中段防御系统不具备对临近空间高超声速武器的防御能力。

4 结束语

根据美国陆基中段防御系统公开情报信息与性能参数,本文提出了一种弹道导弹防御威胁控制区分析方法,并建立了美国陆基中段防御威胁控制区分析模型,对有无移动地面数据终端支持情况下美国陆基中段防御的威胁控制区进行了仿真分析,并给出了分析结论。

猜你喜欢

控制区陆基中段
陆基圆池循环水养殖模式的优势
尿检时如何取中段尿
基于OMI的船舶排放控制区SO2减排效益分析
东天山中段晚古生代剪切带叠加特征及构造控矿作用
管好高速建筑控制区
迈好从低段到中段的“坎”
日本正式决定引入陆基“宙斯盾”
阿什河流域非点源污染优先控制区识别
锁骨中段骨折的处理
北美海域新增排放控制区,推动船用燃料和润滑剂规格变化