异构预警卫星星座设计与分析
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天基红外系统由 2 部分组成 : ①天基红外系 统高轨部分 ( SB IRS2High) ,由 5 颗地球静止轨道 卫星和 2 颗大椭圆轨道卫星组成 ,构成助推段监 视和跟踪系统 ,主要用来探测和跟踪助推段飞行 的弹道导弹 ,采用快速扫描与高分辨率凝视型探 测器相结合的方法 ,使扫描速度和灵敏度比 DSP 卫星提高 10 倍以上 ; ② 天基红外系统低轨部分 ( SB IRS2Low) ,由 20～30 颗低轨道卫星组成 ,构 成空间监视和跟踪系统 ,其上装有宽视场扫描和 窄视场凝视型短波 、中波 、中长波和长波 4 波段红 外及可见光跟踪探测器 ,用以捕获和跟踪目标导 弹中段飞行时的发热弹体和冷再入弹头 ,可为预 警雷达 、搜索雷达 、制导雷达引导目标 。该计划正 在试验 ,预计 2012 年正式部署 。 1. 2 俄罗斯的预警卫星
即众所周知的“国防支援计划”( defense support p rogram ,DSP) 。
DSP 卫星 ,是目前世界上现役功能最强大的 导弹预警卫星 。DSP 预警卫星星座由 5 颗卫星 组成 ,其中 3 颗工作星 ,2 颗备用星 ,运行于地球 静止轨道上 。3 颗工作星的定点位置是 : 一颗位 于印度洋上空 (东经 60°) ,用以监视俄罗斯和我 国的洲际弹道导弹发射场 ;另一颗位于巴西上空 (西经 70°) ,用以探测核潜艇从美国东海岸以东 海域的导弹发射 ; 第 3 颗位于太平洋上空 (西经 135°) ,用以探测核潜艇从美国西海岸以西海域的 导弹发射 。通常该系统对洲际导弹的预警时间为 25 min ,对潜射导弹的预警时间为 15 min ,对战术 导弹的预警时间为 5 min 。目前共有 7 颗 DSP 卫 星在役 ,均为第 3 代卫星 ,如表 1 所示 。
为了对付前苏联的导弹威胁 ,美国空军早在 20 世纪 50 年代末就制定了“米达斯”( Midas) 导 弹防御警报系统计划 ;1967 年针对中国氢弹爆炸 成功 ,麦克纳马拉又下令部署了“哨兵”反导武器 系统 ;1969 年空军制定了实用型导弹预警计划 ,
收稿日期 : 2008211226 基金项目 : 部委级资助项目 作者简介 : 张雅声 ,女 ,副教授 ,博士. 主要研究方向 :航天器设计与应用. Lizhizys @263. net .
摘 要 : 针对北半球预警卫星的应用背景和设计要求 ,结合椭圆轨道的覆 盖特点 ,提出了一种由中椭圆轨道卫星和赤道圆轨道卫星组成的异构预警卫星星座 设计方案 ,并对该预警星座的预警性能进行了仿真分析 。仿真结果表明 ,这种异构星 座构形具有很好的区域覆盖性能 。
关 键 词 : 预警卫星 ;异构星座 ;椭圆轨道
中图分类号 : V 412. 41 文 章 编 号 : 167320127 (2009) 0320047205
文献标识码 : A
DO I : 10. 3783/ j. issn. 167320127. 2009. 03. 012
De sign and Analysis of Non2iso morp hic Early Warning Satellite s Constellation
“预报”卫星采用地球静止轨道 ,自 1974 年首 次进行试飞 ,至今已研制并发射了两代 ,每代发射 4 颗卫星 ,现使用的 3 颗卫星中有 2 颗定点于 335°～336°之间 ,1 颗定点于东经 80°,主要用于监 视美国和中国 。
“预报”卫星和“眼睛”卫星相互补充 ,构成了 一个卫星导弹预警系统 ,用于实时监视导弹和航 天发射 。随着第 2 代“预报”卫星崭露头角 ,预计
冷战时期 DSP 卫星系统表现出色 ,使核导弹 突然袭击的可能性大大降低 ,使一些紧张局势得 到了缓解 。20 世纪 80 年代的两伊战争中 ,DSP 曾 166 次探测到“飞毛腿”导弹的发射情况 ;1991 年的海湾战争中 ,美国调用了 2 颗 DSP 卫星在伊 拉克上空 ,监视“飞毛腿”导弹的发射 ,从而为“爱 国者”防空导弹赢得了约 5 min 的预警时间 ;近几 年来 ,朝鲜“大浦洞”导弹试验也曾多次被美国的 DSP 卫星探测到 。 1. 1. 2 天基红外系统
Abstract : According to t he requirement of applicatio n and design of early warning satellite cover2 ing wit h t he nort hern hemisp here of eart h , t he p roject of no n2iso morp hic early warning satellites co n2 stellatio n is p ut forward using coverage characteristics of ellip se orbit , which is co mpo sed of ellip se or2 bit satellites and equator circle orbit satellites. The early warning performance of t he co nstellatio n is analyzed by simulatio n. And t he result s of simulatio n show t he no n2iso morp hic co nstellatio n has fine regio n coverage performance.
根据上面关于预警卫星系统的介绍可知 ,预 警卫星通常部署在地球静止轨道或大椭圆轨道 。 虽然部署在地球静止轨道上的预警卫星能覆盖地 球南北纬 65°以内区域 ,但是如果仅由地球静止 轨道卫星组成预警星座 ,则其星座构型将导致无 法对发射的导弹进行多方位探测 ,虚警率较高。 而部署在大椭圆轨道上的卫星对于中高纬度地区 具有较好的探测特性 ,却不能覆盖赤道附近的低 纬度地区 ,存在探测盲区 。美国的 SB IRS 的高轨 部分主要负责对发射导弹的探测 ,其构型设计中 引入了大椭圆轨道 ,以增强预警星座的立体观测 性能 。但是 ,其高轨部分的大部分卫星还是部署 在地球静止轨道上 ,大椭圆轨道并没有得到有效 利用 。而俄罗斯将其“预报”卫星和“眼睛”卫星组 合在一起构成的预警星座 ,其星座构型更是没有 进行优化设计 ,只是覆盖区域的简单互补而已。 另外 ,地球静止轨道资源非常有限 ,美国已经占用 了很多 ,其他国家再想在地球静止轨道上部署星 座已非常困难 。因此 ,本文提出了一种既能避开 奇缺的地球静止轨道资源 ,又能有效利用椭圆轨 道远地点覆盖特性的预警星座构型 。
“天基 红 外 系 统”( space base inf rared sys2 tem ,SB IRS) 是美国正在研制的新一代天基红外 预警系统 ,也是美国国家导弹防御系统的一个主
要组成部分 ,将为美国部队提供更准确 、更及时的 弹道导弹预警情报 。其主要任务包括 : ①国家导 弹防御 ,预警洲际弹道导弹 ; ②战区导弹防御 ,预 警战术弹道导弹 ; ③ 技术情报支持 ,提供敌方导 弹的详细技术信息 ; ④ 战场描述 ,提供对战场的 敌情描述 ; ⑤空间监视 ,能够监视空间的卫星 。
表中 ,DSP F18 和 DSP F21 能够探测到我国 的导弹发射 。第 3 代 DSP 卫星主要技术性能指 标为 : ① 望远镜焦平面采用红外双波段 6 000 个 硫化铅和碲镉汞探测器 ,它们分别以 2. 7 μm 和 4. 3μm 红外波长探测目标 ,以防激光干扰和提高 鉴别能 力 ; ② 地 面 距 离 分 辨 率 约 为 1. 2 km ; ③平时运行于地球静止轨道上 ,必要时可机动到 “闪电”型大椭圆轨道上工作 ,以提高系统的生存 能力 ; ④2 颗卫星之间建有激光通信链路 。
第200290
年 卷
6月 第3期
装备指挥技术学院学报 Jo urnal of t he Academy of Equip ment Command & Technology
J une 2009 Vol. 20 No1 3
异构预警卫星星座设计与分析
张雅声1 , 姚 勇2
(1. 装备指挥技术学院 航天装备系 ,北京 100416 ; 2. 装备指挥技术学院 研究生管理大队 ,北京 100416)
表 1 美国现役 DSP 导弹预警卫星一览表
Fra Baidu bibliotek
卫星名称 国际编号
DSP F16 DSP F17 DSP F18 DSP F20 DSP F21 DSP F22 DSP F23
19912080B 19942084A 19972008A 20002024A 20012033A 20042004A 20072054A
前苏联自 20 世纪 70 年代开始研制导弹预警 卫星 ,已经拥有了“预报”和“眼睛”2 种系列的预 警卫星 。
“眼 睛 ”卫 星 运 行 于 轨 道 高 度 约 600 ～ 40 000 km的大椭圆轨道上 ,当运行到北半球时 , 在太平洋和欧洲上空的远地点附近能类似于在地 球同步轨道上那样飞得极其缓慢 ,在 12 h 的轨道 周期中约有 6 h 可观测到美国和欧洲的洲际导弹 发射场 ,并可监视美国和其他国家的常规发射 ,同 时将数据传向独联体基地 。“眼睛”大椭圆轨道预 警卫星自 1981 年进入实用 ,满员时由 9 颗卫星组 成 ,分布在间隔 40°的 9 个轨道平面上 ,时间间隔 160 s 。“眼睛”预警卫星系统对于美国的弹道导 弹攻击能够提供大约 30 min 的预警时间 ,并能够 确定导弹的大致发射区 ,另外还兼有执行核试验 监视任务 。
ZHAN G Yasheng1 , YAO Yo ng2
(1. Depart ment of Space Equip ment , t he Academy of Equip ment Command & Technology , Beijing 100416 , China ; 2. Co mpany of Po st graduate Management , t he Academy of Equip ment Co mmand & Technology , Beijing 100416 , China)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 3 期 张雅声 ,等 :异构预警卫星星座设计与分析
49
今后俄罗斯将用 3～4 颗“预报”卫星组成的地球 静止轨道预警星座逐步取代“眼睛”卫星系统 。 1. 3 星座构型分析
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
48
装 备 指 挥 技 术 学 院 学 报 2009 年
定点位置
探测经度范围
40. 28°W 146. 15°W
103°E 7. 67°E 69. 337°E 96. 66°W 8. 74°E
41. 42°E～121. 98°W 64. 45°E～132. 15°W
21. 3°E～175. 3°W 74. 03°W～89. 37°E 12. 363°W～151. 037°E 14. 96°W～178. 36°E 72. 96°W～99. 44°E
Key words : early warning satellite ; no n2iso morp hic co nstellatio n ; ellip se o rbit
近 30 年来 ,弹道导弹技术的不断扩散 ,使得 世界上 30 多个国家和地区拥有了弹道导弹 ,并且 越来越多的国家具备了研制 、生产各类弹道导弹 的能力 。因此 ,加快建设反弹道导弹的战略防御 体系已成为涉及国家安全的当务之急 ,而导弹预 警则正是该防御体系的前沿 。
1 国外预警卫星典型星座构型分析
导弹预警卫星系统的任务是通过星载红外探 测器尽早探测到弹道导弹的发射 ,并将信息迅速 传递给地面中心 ,从而使地面防御系统能够赢得
尽可能长的预警时间 ,以组织有效的反击 。迄今 为止 ,世界上只有美国和俄罗斯拥有实用型导弹 预警卫星系统 ,法国和英国等少数国家也在试图 发展本国的天基预警系统 。 1. 1 美国的预警卫星 1. 1. 1 国防支援计划[1 ]
即众所周知的“国防支援计划”( defense support p rogram ,DSP) 。
DSP 卫星 ,是目前世界上现役功能最强大的 导弹预警卫星 。DSP 预警卫星星座由 5 颗卫星 组成 ,其中 3 颗工作星 ,2 颗备用星 ,运行于地球 静止轨道上 。3 颗工作星的定点位置是 : 一颗位 于印度洋上空 (东经 60°) ,用以监视俄罗斯和我 国的洲际弹道导弹发射场 ;另一颗位于巴西上空 (西经 70°) ,用以探测核潜艇从美国东海岸以东 海域的导弹发射 ; 第 3 颗位于太平洋上空 (西经 135°) ,用以探测核潜艇从美国西海岸以西海域的 导弹发射 。通常该系统对洲际导弹的预警时间为 25 min ,对潜射导弹的预警时间为 15 min ,对战术 导弹的预警时间为 5 min 。目前共有 7 颗 DSP 卫 星在役 ,均为第 3 代卫星 ,如表 1 所示 。
为了对付前苏联的导弹威胁 ,美国空军早在 20 世纪 50 年代末就制定了“米达斯”( Midas) 导 弹防御警报系统计划 ;1967 年针对中国氢弹爆炸 成功 ,麦克纳马拉又下令部署了“哨兵”反导武器 系统 ;1969 年空军制定了实用型导弹预警计划 ,
收稿日期 : 2008211226 基金项目 : 部委级资助项目 作者简介 : 张雅声 ,女 ,副教授 ,博士. 主要研究方向 :航天器设计与应用. Lizhizys @263. net .
摘 要 : 针对北半球预警卫星的应用背景和设计要求 ,结合椭圆轨道的覆 盖特点 ,提出了一种由中椭圆轨道卫星和赤道圆轨道卫星组成的异构预警卫星星座 设计方案 ,并对该预警星座的预警性能进行了仿真分析 。仿真结果表明 ,这种异构星 座构形具有很好的区域覆盖性能 。
关 键 词 : 预警卫星 ;异构星座 ;椭圆轨道
中图分类号 : V 412. 41 文 章 编 号 : 167320127 (2009) 0320047205
文献标识码 : A
DO I : 10. 3783/ j. issn. 167320127. 2009. 03. 012
De sign and Analysis of Non2iso morp hic Early Warning Satellite s Constellation
“预报”卫星采用地球静止轨道 ,自 1974 年首 次进行试飞 ,至今已研制并发射了两代 ,每代发射 4 颗卫星 ,现使用的 3 颗卫星中有 2 颗定点于 335°～336°之间 ,1 颗定点于东经 80°,主要用于监 视美国和中国 。
“预报”卫星和“眼睛”卫星相互补充 ,构成了 一个卫星导弹预警系统 ,用于实时监视导弹和航 天发射 。随着第 2 代“预报”卫星崭露头角 ,预计
冷战时期 DSP 卫星系统表现出色 ,使核导弹 突然袭击的可能性大大降低 ,使一些紧张局势得 到了缓解 。20 世纪 80 年代的两伊战争中 ,DSP 曾 166 次探测到“飞毛腿”导弹的发射情况 ;1991 年的海湾战争中 ,美国调用了 2 颗 DSP 卫星在伊 拉克上空 ,监视“飞毛腿”导弹的发射 ,从而为“爱 国者”防空导弹赢得了约 5 min 的预警时间 ;近几 年来 ,朝鲜“大浦洞”导弹试验也曾多次被美国的 DSP 卫星探测到 。 1. 1. 2 天基红外系统
Abstract : According to t he requirement of applicatio n and design of early warning satellite cover2 ing wit h t he nort hern hemisp here of eart h , t he p roject of no n2iso morp hic early warning satellites co n2 stellatio n is p ut forward using coverage characteristics of ellip se orbit , which is co mpo sed of ellip se or2 bit satellites and equator circle orbit satellites. The early warning performance of t he co nstellatio n is analyzed by simulatio n. And t he result s of simulatio n show t he no n2iso morp hic co nstellatio n has fine regio n coverage performance.
根据上面关于预警卫星系统的介绍可知 ,预 警卫星通常部署在地球静止轨道或大椭圆轨道 。 虽然部署在地球静止轨道上的预警卫星能覆盖地 球南北纬 65°以内区域 ,但是如果仅由地球静止 轨道卫星组成预警星座 ,则其星座构型将导致无 法对发射的导弹进行多方位探测 ,虚警率较高。 而部署在大椭圆轨道上的卫星对于中高纬度地区 具有较好的探测特性 ,却不能覆盖赤道附近的低 纬度地区 ,存在探测盲区 。美国的 SB IRS 的高轨 部分主要负责对发射导弹的探测 ,其构型设计中 引入了大椭圆轨道 ,以增强预警星座的立体观测 性能 。但是 ,其高轨部分的大部分卫星还是部署 在地球静止轨道上 ,大椭圆轨道并没有得到有效 利用 。而俄罗斯将其“预报”卫星和“眼睛”卫星组 合在一起构成的预警星座 ,其星座构型更是没有 进行优化设计 ,只是覆盖区域的简单互补而已。 另外 ,地球静止轨道资源非常有限 ,美国已经占用 了很多 ,其他国家再想在地球静止轨道上部署星 座已非常困难 。因此 ,本文提出了一种既能避开 奇缺的地球静止轨道资源 ,又能有效利用椭圆轨 道远地点覆盖特性的预警星座构型 。
“天基 红 外 系 统”( space base inf rared sys2 tem ,SB IRS) 是美国正在研制的新一代天基红外 预警系统 ,也是美国国家导弹防御系统的一个主
要组成部分 ,将为美国部队提供更准确 、更及时的 弹道导弹预警情报 。其主要任务包括 : ①国家导 弹防御 ,预警洲际弹道导弹 ; ②战区导弹防御 ,预 警战术弹道导弹 ; ③ 技术情报支持 ,提供敌方导 弹的详细技术信息 ; ④ 战场描述 ,提供对战场的 敌情描述 ; ⑤空间监视 ,能够监视空间的卫星 。
表中 ,DSP F18 和 DSP F21 能够探测到我国 的导弹发射 。第 3 代 DSP 卫星主要技术性能指 标为 : ① 望远镜焦平面采用红外双波段 6 000 个 硫化铅和碲镉汞探测器 ,它们分别以 2. 7 μm 和 4. 3μm 红外波长探测目标 ,以防激光干扰和提高 鉴别能 力 ; ② 地 面 距 离 分 辨 率 约 为 1. 2 km ; ③平时运行于地球静止轨道上 ,必要时可机动到 “闪电”型大椭圆轨道上工作 ,以提高系统的生存 能力 ; ④2 颗卫星之间建有激光通信链路 。
第200290
年 卷
6月 第3期
装备指挥技术学院学报 Jo urnal of t he Academy of Equip ment Command & Technology
J une 2009 Vol. 20 No1 3
异构预警卫星星座设计与分析
张雅声1 , 姚 勇2
(1. 装备指挥技术学院 航天装备系 ,北京 100416 ; 2. 装备指挥技术学院 研究生管理大队 ,北京 100416)
表 1 美国现役 DSP 导弹预警卫星一览表
Fra Baidu bibliotek
卫星名称 国际编号
DSP F16 DSP F17 DSP F18 DSP F20 DSP F21 DSP F22 DSP F23
19912080B 19942084A 19972008A 20002024A 20012033A 20042004A 20072054A
前苏联自 20 世纪 70 年代开始研制导弹预警 卫星 ,已经拥有了“预报”和“眼睛”2 种系列的预 警卫星 。
“眼 睛 ”卫 星 运 行 于 轨 道 高 度 约 600 ～ 40 000 km的大椭圆轨道上 ,当运行到北半球时 , 在太平洋和欧洲上空的远地点附近能类似于在地 球同步轨道上那样飞得极其缓慢 ,在 12 h 的轨道 周期中约有 6 h 可观测到美国和欧洲的洲际导弹 发射场 ,并可监视美国和其他国家的常规发射 ,同 时将数据传向独联体基地 。“眼睛”大椭圆轨道预 警卫星自 1981 年进入实用 ,满员时由 9 颗卫星组 成 ,分布在间隔 40°的 9 个轨道平面上 ,时间间隔 160 s 。“眼睛”预警卫星系统对于美国的弹道导 弹攻击能够提供大约 30 min 的预警时间 ,并能够 确定导弹的大致发射区 ,另外还兼有执行核试验 监视任务 。
ZHAN G Yasheng1 , YAO Yo ng2
(1. Depart ment of Space Equip ment , t he Academy of Equip ment Command & Technology , Beijing 100416 , China ; 2. Co mpany of Po st graduate Management , t he Academy of Equip ment Co mmand & Technology , Beijing 100416 , China)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 3 期 张雅声 ,等 :异构预警卫星星座设计与分析
49
今后俄罗斯将用 3～4 颗“预报”卫星组成的地球 静止轨道预警星座逐步取代“眼睛”卫星系统 。 1. 3 星座构型分析
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
48
装 备 指 挥 技 术 学 院 学 报 2009 年
定点位置
探测经度范围
40. 28°W 146. 15°W
103°E 7. 67°E 69. 337°E 96. 66°W 8. 74°E
41. 42°E～121. 98°W 64. 45°E～132. 15°W
21. 3°E～175. 3°W 74. 03°W～89. 37°E 12. 363°W～151. 037°E 14. 96°W～178. 36°E 72. 96°W～99. 44°E
Key words : early warning satellite ; no n2iso morp hic co nstellatio n ; ellip se o rbit
近 30 年来 ,弹道导弹技术的不断扩散 ,使得 世界上 30 多个国家和地区拥有了弹道导弹 ,并且 越来越多的国家具备了研制 、生产各类弹道导弹 的能力 。因此 ,加快建设反弹道导弹的战略防御 体系已成为涉及国家安全的当务之急 ,而导弹预 警则正是该防御体系的前沿 。
1 国外预警卫星典型星座构型分析
导弹预警卫星系统的任务是通过星载红外探 测器尽早探测到弹道导弹的发射 ,并将信息迅速 传递给地面中心 ,从而使地面防御系统能够赢得
尽可能长的预警时间 ,以组织有效的反击 。迄今 为止 ,世界上只有美国和俄罗斯拥有实用型导弹 预警卫星系统 ,法国和英国等少数国家也在试图 发展本国的天基预警系统 。 1. 1 美国的预警卫星 1. 1. 1 国防支援计划[1 ]