李樹國,李 進,朱曉峰,李海鵬

(中國人民解放軍92941部隊,遼寧葫蘆島125001)

0 引言

隨著未來新武器裝備飛行試驗向著低空、高速、遠程和多目標的方向發(fā)展,目前海上測控只具備用單一地基鏈路測控網(wǎng)完成近距離測控任務的能力,無法完成對大射程、多目標全航程的測控任務。因此有必要研究并采用新的測控方法,即利用平流層飛艇,將小型化的測控裝備(光、雷、遙、通信等)布設在飛艇上,以實現(xiàn)海上測控的天基地基一體化測控網(wǎng),力求以天基單一載波對數(shù)字信號的傳輸,實現(xiàn)對多個目標的測控、通信、圖像傳輸甚至跟蹤導航等綜合功能,以求獲得更好的性價比,實現(xiàn)近于千公里的試驗測控覆蓋率和全面的自主性,以適應未來新型武器試驗的需求。

平流層飛艇是指工作在平流層下部弱風區(qū)(20～30 km),通過動力、飛控及遙測遙控系統(tǒng)實現(xiàn)飛行和定點懸停的浮空器。作為一種新型空中平臺,在測控、高分辨率實時監(jiān)視、預警和武器防御、通信、大氣環(huán)境監(jiān)測等方面都有極大的應用價值,近年來已受到世界上許多國家的廣泛關注及研制應用。

1 國內(nèi)外天基測控網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

天基測控網(wǎng)開始于20世紀80年代末,由地基測控網(wǎng)逐步過渡而成,以美國與俄羅斯為代表的天基測控網(wǎng)在90年代已基本完成了這種過渡,歐洲與日本的航天測控網(wǎng)計劃在21世紀初亦將開始這種過渡。隨著美國高級跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(ATDRSS)的部署與完善,美國的航天測控網(wǎng)將在21世紀初走向更高的階段。

在國內(nèi),隨著神州七號試驗飛船的升空與回收,揭開了中國航天測控的新篇章,相關單位已經(jīng)有了規(guī)劃,在今后的航天測控建設中,將力求適應現(xiàn)代航天測控綜合化、數(shù)字化、空間化和多目標的總趨勢;適當處理現(xiàn)行測控標準與超前標準的關系。新時期中的航天測控既要基本符合現(xiàn)行標準,亦應盡早貫徹協(xié)議標準。人們期望,在即將到來的21世紀前期的一段不長時間內(nèi),我國的測控網(wǎng)將由地基為主,天基應用為輔的格局過渡到以天基為主,天地結合的格局,建立起有自己特色的天基測控網(wǎng)。

2 天基地基一體化測控網(wǎng)方案設想

2.1 基于平流層飛艇的天地一體化測控網(wǎng)

利用平流層飛艇建設的天地一體化測控網(wǎng),不僅能有效地提高測控網(wǎng)的覆蓋區(qū)域、定軌精度、飛行目標全程測量和同時多目標測控能力,而且能夠完成各類對地觀測飛艇的高速實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?。在平流層飛艇平臺上主要加載小型化的光、雷、遙和通信等裝備,與海上、地面測控站一起組成天地一體化測控網(wǎng),遙測測量采用擴頻碼分及多體制小型化實時數(shù)據(jù)記錄和轉發(fā)器設備方式,完成多目標內(nèi)彈道測量和數(shù)據(jù)傳輸任務;光測測量采用小型化高分辨率的激光紅外測量設備方式,完成確定目標的測量和圖像傳輸任務;雷達測量采用小型化高質量成像的新體制雷達方式,完成多目標測軌和數(shù)據(jù)傳輸任務;遙控采用小型化的轉發(fā)器方式,完成目標的控制和數(shù)據(jù)傳輸任務;天線采用小型化相控陣碳纖維天線等技術,用以完成遙測、遙控、雷達信號的收發(fā);飛艇與地面數(shù)據(jù)通信采用CCSDS空間數(shù)據(jù)傳輸標準。天地一體化測控網(wǎng)如圖1所示。

圖1 天地一體化測控網(wǎng)

天地一體化測控網(wǎng)在靶場應用前主要攻克關鍵技術,是天基綜合測控裝備一體化設計技術、小型化相控陣天線技術、高靈敏度傳感器技術、小型化標準化可靠性設計技術、天地測控網(wǎng)電磁兼容設計技術和CCSDS空間數(shù)據(jù)傳輸技術等,其主要解決的途徑就是確定飛行目標、平流層飛艇、地面測控裝備所建立的天地測控網(wǎng)的技術協(xié)議和重點項目等。

2.2 飛艇覆蓋區(qū)域計算

飛艇對地球表面的覆蓋示意圖如圖2所示。

圖2 飛艇對地覆蓋示意圖

圖2中,Q為地心,S為飛艇的星下點;h為飛艇距離地面高度;α為仰角;R為地球半徑,R=6 384.1 km;β為飛艇覆蓋角,β=∠PQS。

飛艇對地的覆蓋角公式為:

對應覆蓋的半徑r為:

用于平流層飛艇,宜布設在風切變最小的空域,有關資料表明,20～30 km是作為平流層飛艇布設的“黃金空段”,取值范圍為20～30 km,計算飛艇覆蓋半徑如表1所示。從表1中可以看出,飛艇的飛行高度越高,其視野就越寬,覆蓋區(qū)域就越大。

表1 飛艇覆蓋半徑

2.3 平流層飛艇平臺優(yōu)勢

平流層飛艇相對衛(wèi)星和航空平臺,具有綜合優(yōu)勢。相對衛(wèi)星平臺,平流層飛艇具有如下優(yōu)點:

①效費比高、機動性好、易于更新和維護:平流層飛艇易于升空、回收,可重復使用,根據(jù)任務需求更換或增加載荷,機動部署到特定空域,而衛(wèi)星只能按照一定軌道飛行,且成本要高得多;

②有效載荷技術難度小:平流層飛艇據(jù)目標的距離一般只是低軌衛(wèi)星的1/10～1/20,可收到衛(wèi)星不能監(jiān)聽到的低功率傳輸信號,容易實現(xiàn)高分辨率對地觀測,對任務載荷的技術難度要求相對較低;

③衛(wèi)星遙感是一種瞬時的行為,只能通過多顆衛(wèi)星組網(wǎng)來提高時間分辨率,而平流層飛艇可定點懸停,“凝視”觀測,全天時連續(xù)監(jiān)視某一地區(qū),時間分辨率明顯優(yōu)于中低軌衛(wèi)星。

相對航空平臺,平流層飛艇具有如下優(yōu)點:

①升空高度高、覆蓋范圍廣,平流層飛艇工作在20～30 km高空,可克服地球曲率對任務載荷的影響,覆蓋范圍比對流層飛艇、飛機等空中平臺廣;

②留空時間長,平流層飛艇工作所需能源主要取自太陽能再造循環(huán),可確保飛艇平臺長時間工作,滯空時間可達0.5年～3年,可長時間留空執(zhí)行任務,不間斷地獲取對地觀測數(shù)據(jù);

③生存能力強,平流層飛艇囊體材料能透過電磁波,雷達和熱橫截面一般都很小,難以被發(fā)現(xiàn)和跟蹤,一般導彈和作戰(zhàn)飛機難以對其造成威脅,即使飛艇受到攻擊,由于氦氣的泄漏速度較慢,也能夠安全返回預定地點,因此具有很高的生存能力。

3 仿真計算

通過對測控系統(tǒng)總體設計的主要性能指標進行仿真分析,其內(nèi)容包括測量覆蓋范圍、飛行器飛行彈道測量精度和系統(tǒng)可靠性仿真等。測控系統(tǒng)的測量覆蓋范圍受多種因素的影響和制約,通過仿真可進行較準確而快捷的分析。仿真的基本流程如下:根據(jù)飛行器的理論彈道和靶場觀測站坐標導出觀測元素,即把直角坐標的理論彈道參數(shù)換算為測量站的觀測元素,如距離R、方位角A和俯仰角E等。最后,在彈載設備性能和環(huán)境條件已知的前提下,對跟蹤范圍進行統(tǒng)計處理分析。外彈道測量精度通過仿真分析可以得到更可信的結果,由標準彈道按測量體制和站址反算出各設備的標準測量元素,從而導出觀測元素。外測精度仿真圖如圖3所示。

圖3 外測精度仿真流程

4 結束語

以平流層飛艇為平臺,建立天地一體化機動靈活的測控網(wǎng)系統(tǒng),完成大區(qū)域、全天候、信息化、多目標、高精度對地飛行目標的測控及觀測,適合我國國情,具有十分重要的戰(zhàn)略意義。將會給靶場試驗帶來一次新的技術革命,使靶場測控裝備從量到質的飛躍,可大大提升靶場綜合試驗能力。建立天地一體化的測控網(wǎng)系統(tǒng),需要做大量的預研和研究工作。為推動平流層飛艇平臺在靶場測控領域的應用,在發(fā)展飛艇平臺的同時,要做好統(tǒng)籌規(guī)劃,同步發(fā)展艇載任務設備研究工作。

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