王國恩，李仙茂

(1.海軍工程大學，湖北 武漢 430033；2.海軍蚌埠士官學校，安徽 蚌埠 233012)

?

電子偵察衛(wèi)星的情報偵察能力分析

王國恩1,2，李仙茂1

(1.海軍工程大學，湖北 武漢 430033；2.海軍蚌埠士官學校，安徽 蚌埠 233012)

電子偵察衛(wèi)星作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中情報偵察的重要手段之一，發(fā)揮著越來越重要的作用。首先概述了電子偵察衛(wèi)星的工作過程，構(gòu)建了電子偵察衛(wèi)星的偵察模型，采用數(shù)據(jù)仿真的方法，從瞬時偵察覆蓋范圍、偵察覆蓋區(qū)域、飛行周期、重復偵察周期、偵察有效時間等方面對電子偵察衛(wèi)星的情報偵察能力進行分析，分析結(jié)果可為電子偵察衛(wèi)星的作戰(zhàn)使用研究提供一定的理論依據(jù)。

電子偵察衛(wèi)星；瞬時偵察覆蓋范圍；偵察覆蓋區(qū)域；重復偵察周期

0 引言

現(xiàn)代海上作戰(zhàn)，電子偵察衛(wèi)星作為艦艇編隊獲取情報的重要來源之一，發(fā)揮著越來越重要的作用。電子偵察衛(wèi)星通過截獲和測量敵方艦艇編隊雷達信號，來監(jiān)視敵海上艦艇活動，可有效探測和辨別出海面上的艦艇，并準確地確定其位置、速度、航向等信息，為己方艦艇編隊提供海上態(tài)勢信息。

由于陸地目標位置固定，電子偵察帶有戰(zhàn)略性質(zhì)，衛(wèi)星收集的信息可實時也可延時傳輸和分析。而海洋上的目標常常是運動的，海洋監(jiān)視基本上是戰(zhàn)術性的，電子偵察衛(wèi)星必須實時傳輸與分析數(shù)據(jù)。因此構(gòu)建電子偵察衛(wèi)星偵察模型，分析電子偵察衛(wèi)星情報偵察能力，對于研究電子偵察衛(wèi)星作戰(zhàn)使用方法，充分發(fā)揮其情報支援效能，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)的工作過程

電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)主要包括用于截獲和測量電磁輻射信號的電子偵察衛(wèi)星和用于數(shù)據(jù)處理和情報分析的地面應用系統(tǒng)[1]。其主要工作過程是星載雷達對抗偵察設備偵收到電磁輻射信號后，先對雷達信號的載頻、到達時間等參數(shù)進行測量、處理和存儲，當衛(wèi)星飛臨預定位置上空時，根據(jù)程控或遙控指令將偵察數(shù)據(jù)發(fā)回地面數(shù)據(jù)接收站，當衛(wèi)星在地面接收站覆蓋區(qū)域內(nèi)或具備數(shù)據(jù)中繼條件時，衛(wèi)星偵察數(shù)據(jù)可以實時傳回地面應用系統(tǒng)，由地面應用系統(tǒng)對衛(wèi)星發(fā)回的偵察數(shù)據(jù)進行詳細分析和處理，確定輻射源的各種特征參數(shù)及位置，形成電子偵察情報，發(fā)送給艦艇編隊或指揮所，完成情報偵察支援任務。

電子偵察衛(wèi)星按定位需要的衛(wèi)星數(shù)量，分為單星偵察定位體制和多星偵察定位體制電子偵察衛(wèi)星；按性能和用途，分為用于廣泛偵收電磁信號、粗略測量輻射源特征參數(shù)的普查型電子偵察衛(wèi)星和用于全面?zhèn)刹炖走_信號詳細參數(shù)和精確位置的詳查型電子偵察衛(wèi)星；按飛行的軌道位置高度，可分為同步軌道、大橢圓軌道和低軌道電子偵察衛(wèi)星等[2]。低軌道電子偵察衛(wèi)星的飛行高度一般為300～1000km，有的甚至高達1400km，傾斜角通常大于50°?？梢詥晤w衛(wèi)星獨立偵察，也可以多顆衛(wèi)星組網(wǎng)聯(lián)合偵察。主要用于對海面雷達目標進行大范圍搜索截獲，測量信號詳細參數(shù)，測定目標位置，并建立敵方雷達目標數(shù)據(jù)庫、編制其電子戰(zhàn)斗序列，同時還可產(chǎn)生戰(zhàn)場動態(tài)情報、戰(zhàn)爭征候情報和戰(zhàn)略目標情報等。同步軌道電子偵察衛(wèi)星的軌道高度大約為35786km，其覆蓋范圍廣，可以全天候全時段地對特定目標或地區(qū)的雷達信號進行實時不間斷的持續(xù)偵察與監(jiān)視。大橢圓軌道電子偵察衛(wèi)星飛行軌道呈橢圓型，軌道高度包括遠地點高度和近地點高度，通常分別為38720km和400km，軌道傾角63.40°，目前只有美國擁有，其主要任務是偵察和監(jiān)視高緯度地區(qū)(如俄羅斯和亞洲北部等)的電磁輻射情況。

目前電子偵察衛(wèi)星使用較多的是低軌道電子偵察衛(wèi)星，本文將從偵察范圍特性、偵察時效特性等方面重點對低軌道電子偵察衛(wèi)星的情報偵察能力進行分析。

2 電子偵察衛(wèi)星的情報偵察模型

假設電子偵察衛(wèi)星任意時刻t的瞬時高度為h，A點是電子偵察衛(wèi)星在當前時刻的星下點，即電子偵察衛(wèi)星位置點在地球表面上的垂直投影點。P點是電子偵察衛(wèi)星有效偵察地平邊界點，其包圍的地球表面區(qū)域就是星載雷達對抗偵察設備的偵察覆蓋范圍[3]，如圖1所示。

圖1 電子偵察衛(wèi)星的的情報偵察模型

圖1中，β是電子偵察衛(wèi)星的偵察半視場角；d是電子偵察衛(wèi)星到P點的距離；l是電子偵察衛(wèi)星覆蓋區(qū)的半徑；Re是地球的半徑，約為6378.137km；h是電子偵察衛(wèi)星距離地面高度；α是電子偵察衛(wèi)星覆蓋地面的地心角；γ是有效地平邊界對應的極限仰角，通常為5°。由此可知：

(1)

瞬時偵察范圍半徑為：

l=Reα

(2)

瞬時偵察范圍面積為：

(3)

衛(wèi)星瞬時偵察范圍面積相對于地球表面積的覆蓋率為：

P1=(A1/(4πRe))×100%

(4)

3 瞬時偵察覆蓋范圍分析

當電子偵察衛(wèi)星距地面高度分別為500km、600km、700km、800km、900km、1000km、1100km、1200km時，由上述公式分別求得電子偵察衛(wèi)星的瞬時偵察寬度、瞬時偵察范圍面積A1和瞬時偵察范圍覆蓋率P1，見表1。

表1 h與l、A1、P1之間關系

由表1可知，相對于其他平臺來說，電子偵察衛(wèi)星瞬時偵察覆蓋范圍遠遠大于艦艇、飛機上裝載的偵察設備的覆蓋范圍。其瞬時偵察覆蓋范圍與衛(wèi)星的高度成正比，h越大，l越寬，A1越大，P1越高。

4 偵察覆蓋區(qū)域分析

電子偵察衛(wèi)星偵察覆蓋區(qū)域是指隨衛(wèi)星飛行形成以星下點地面軌跡為中心的覆蓋區(qū)域。如圖2所示。

圖2 電子偵察衛(wèi)星偵察覆蓋區(qū)域

電子偵察衛(wèi)星偵察覆蓋范圍與星下點軌跡相關。

4.1 星下點經(jīng)緯度計算[4]

假設地球是圓球體，衛(wèi)星的星下點位置用坐標(λ，φ)表示，(λ，φ)是大地經(jīng)緯度、也是地心經(jīng)緯度。

(5)

(6)

u=ω+θ=nt

(7)

n=(μ/r3)1/2

(8)

式中，u是當前時刻衛(wèi)星與升交點的角度，即從升交點開始測量，順時方向取正值，逆時方向取負值；λ0是升交點的地心經(jīng)度；ω是衛(wèi)星近地點幅角；θ是衛(wèi)星當前時刻真近點角；r是衛(wèi)星當前時刻的地心距；Ω是衛(wèi)星升交點赤經(jīng)；i為衛(wèi)星的軌道傾角；ω0為衛(wèi)星飛行的角速度；t為衛(wèi)星飛行的時間；ωe是地球自轉(zhuǎn)的角速度。

4.2 偵察覆蓋區(qū)域計算

衛(wèi)星偵察覆蓋區(qū)域的緯度范圍[5]：

-i≤φ

(9)

通常情況下，電子偵察衛(wèi)星的軌道傾角i<90°。

假設電子偵察衛(wèi)星為順時飛行，則偵察覆蓋區(qū)域左側(cè)邊界為：

sinφ1=cosdsinisinu+sindcosi·

(10)

式中，

(11)

tan(λ1-λ0)=cositanu-tandtanicosisecu·

(12)

偵察覆蓋區(qū)域右側(cè)邊界為：

(13)

(14)

d(u)=arccos(Recosγ/r(u))-γ

(15)

(16)

式中，φ1、φ2分別是電子偵察衛(wèi)星偵察覆蓋區(qū)域左側(cè)和右側(cè)邊界的緯度；λ1、λ2分別是電子偵察衛(wèi)星偵察覆蓋區(qū)域左側(cè)和右側(cè)邊界的經(jīng)度；e是電子偵察衛(wèi)星的軌道偏心率；p是半通經(jīng)，是θ=90°時衛(wèi)星到地心的距離。

假設衛(wèi)星高度為1680.9km，傾角為60°，運行周期為2h，其星下點軌跡和偵察覆蓋區(qū)域仿真如圖3所示。

圖3 電子偵察衛(wèi)星星下點軌跡圖

從圖3中可以看出衛(wèi)星星下點軌跡共有12條，衛(wèi)星從軌道1開始飛行，依次對星下點區(qū)域進行偵察，直到軌道12飛行完后，又重復從軌道1開始。

4.3 目標是否在偵察區(qū)域分析

假設當前時刻t，地(海)面目標的經(jīng)緯度為(λm(t),φm(t))，電子偵察衛(wèi)星星下點經(jīng)緯度為(λ(t),φ(t))。此時可得地面目標與電子偵察衛(wèi)星星下點的地心角[6]：

(17)

如果αm(t)<α，那么，在此時刻目標在電子偵察衛(wèi)星的瞬時覆蓋區(qū)域內(nèi)；否則，不在覆蓋區(qū)域內(nèi)。

4.4 重復偵察區(qū)域分析

衛(wèi)星星下點軌跡相鄰軌道示意圖如圖4所示。軌道1和軌道2分別是電子偵察衛(wèi)星同一天相鄰軌道，兩個軌道間在赤道處的距離為L；l是該衛(wèi)星瞬時偵察覆蓋區(qū)域半徑[7]。

L=2πReTo/(24×60×60)

(18)

式中，To是電子偵察衛(wèi)星運行周期。

圖4 星下點軌跡相鄰軌道示意圖

如果l/sini≥L，則相鄰軌道偵察區(qū)域有重疊，在赤道處的重疊區(qū)域?qū)挾葹閘，圖4陰影部分為重復偵察區(qū)域。

如果L/2≤l/sini

如果2l/sini

5 電子偵察衛(wèi)星的偵察時效特性分析

電子偵察衛(wèi)星的偵察時效特性與運行周期、重訪周期等有關。

5.1 電子偵察衛(wèi)星運行周期

衛(wèi)星運行周期是指衛(wèi)星沿其軌道運行一周所需的時間[8]，用To來表示：

To=(4π2(Re+h)3/μ)1/2

(19)

式中，μ是開普勒常數(shù)，值為3.986×105km3/s2，r是衛(wèi)星軌道的半徑，單位為m。

衛(wèi)星每天繞地球圈數(shù)用N1表示：

N1=(24×60×60)/To

(20)

當電子偵察衛(wèi)星距地面高度分別為500km、600km、700km、800km、900km、1000km、1100km、1200km時，電子偵察衛(wèi)星的運行周期To、每天繞地球圈數(shù)N1之間關系見表2。

表2 h與To、N1之間關系

衛(wèi)星運行周期只與電子偵察衛(wèi)星距離地面高度h有關，h越高，To越大，每天繞地球圈數(shù)N1越少。

5.2 電子偵察衛(wèi)星重復偵察周期

衛(wèi)星重復偵察周期是指衛(wèi)星對同一地區(qū)或目標進行重復偵察所需時間，用Tv來表示。有時為了便于具體應用，也可用某個時間范圍內(nèi)對給定地區(qū)或目標的偵察次數(shù)來表示。

電子偵察衛(wèi)星一天的星下點軌跡仿真圖如圖5所示?，F(xiàn)有區(qū)域A、區(qū)域B兩個面積相同的偵察區(qū)域，區(qū)域A在高緯度、區(qū)域B在低緯度?？梢钥闯?，區(qū)域A中有4條軌跡線，衛(wèi)星對A區(qū)域進行了4次偵察；區(qū)域B中有2條軌跡線，衛(wèi)星對B區(qū)域2次。由此可以看出，偵察區(qū)域的不同，其重復偵察周期存在不同。

圖5 電子偵察衛(wèi)星星下點軌跡圖

同時通過對相鄰軌道重復偵察區(qū)域分析，如果相鄰軌道存在重復偵察區(qū)域，則對于該重復偵察區(qū)域存在最小重復偵察周期，等于衛(wèi)星飛行周期。

(Tv)min=To

(21)

通過上述分析，可以知道由于偵察區(qū)域位置的關系，電子偵察衛(wèi)星重復偵察周期存在著不同的值。但是無論偵察區(qū)域如何設置，都存在最大重復偵察周期，其與衛(wèi)星重訪周期有關。

衛(wèi)星重訪周期是指衛(wèi)星從某地上空開始運行，經(jīng)過若干時間的運行后，回到該地上空時所需要的天數(shù)，用Dv來表示。

(Tv)max=Dv

(22)

Dv=d1/(N1-Nint)

(23)

假設電子偵察衛(wèi)星軌道高度h為915km，偏移系數(shù)d1為-1，則

To=(4π2(Re+h)3/μ)12=103.267(min)

N1=(24×60×60)/To=13.944(圈)

Dv=d1/(N1-Nint)=18(天)

通過計算可以得出，該電子偵察衛(wèi)星重訪周期為18天。也就是說該電子偵察衛(wèi)星經(jīng)過18天后，一定會對相同區(qū)域進行重復偵察。

為了提高偵察效果，通常要求衛(wèi)星能在較短的時間段內(nèi)對同一地區(qū)進行重復觀測。重復偵察周期越短，偵察數(shù)據(jù)更新越快、偵察效果越好。對于單顆電子偵察衛(wèi)星來說，重訪周期最短可為1天，也就是電子偵察衛(wèi)星一天繞地球圈數(shù)N1為整數(shù)。假設傾角為60°，高度為1680.9km的電子偵察衛(wèi)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)

也就說該衛(wèi)星每天繞地球12圈后，將重復進行偵察。圖3為該電子偵察衛(wèi)星的星下點軌跡仿真圖。

為了提高偵察的時效性，通常采用多顆衛(wèi)星同軌道組網(wǎng)偵察，以此來縮短重復偵察周期，則：

(24)

例如傾角為60°，高度為1680.9km的單顆電子偵察衛(wèi)星，其重訪周期為1天，現(xiàn)在同時采用6顆衛(wèi)星同軌道運行偵察，則重復偵察周期為4h。在實際作戰(zhàn)過程中，對指定區(qū)域偵察數(shù)據(jù)可每4小時更新一次。

通過上述分析可知，電子偵察衛(wèi)星的重復偵察周期不僅于衛(wèi)星的重訪周期有關，還與衛(wèi)星的數(shù)量有關。重訪周期越短、衛(wèi)星數(shù)量越多，其重復偵察周期越短。

5.3 有效偵察時間

有效偵察時間是指電子偵察衛(wèi)星對某一地區(qū)或目標進行偵察的時間，用tz表示。

1)對單個目標進行偵察的有效偵察時間計算。

假設電子偵察衛(wèi)星偵察波束偏差角最大值為ξmax，當某輻射源位于距離電子偵察衛(wèi)星星下點軌跡偏差角為ξ的某一位置上，則在星下點軌跡上能偵察到該輻射源的軌跡弧段為：

P1=θ/180°

(25)

式中，cosθ=cosα/cosξ。

則該輻射源進行偵察的有效偵察時間[10]為:

tz=ToP1

(26)

當ξ=0°，偵察目標在星下點軌跡上，此時tz為最大有效偵察時間：

(tz)max=To(α/180°)

(27)

當ξ>α，偵察目標不在偵察范圍區(qū)域內(nèi)。

當電子偵察衛(wèi)星距地面高度分別為500km、600km、700km、800km、900km、1000km、1100km、1200km時，對目標偵察最大有效偵察時間為(tz)max，見表3。

表3 (tz)max與h、To之間關系

由表3可知，電子偵察衛(wèi)星對目標偵察最大有效偵察時間與衛(wèi)星的高度有關，h越大，(tz)max越長，有效偵察時間與目標位置距星下點軌跡的偏差角ξ有關，ξ越大，有效偵察時間越少。

2)對某一區(qū)域進行偵察的有效偵察時間計算

假設偵察區(qū)域的經(jīng)度范圍為Δλ，緯度范圍為Δφ面積，則偵察衛(wèi)星每次過境的連續(xù)探測時間可以近似為[11]：

(28)

6 結(jié)束語

通過上述分析，可知電子偵察衛(wèi)星具有偵察范圍廣闊，機動性能強，飛行速度快，可以進行大范圍、全縱深的快速偵察等特點，但是由于受到飛行軌道的影響，對同一地區(qū)或目標進行偵察存在重復偵察周期長、有效偵察時間短等問題。因此在作戰(zhàn)過程中，必須準確掌握電子偵察衛(wèi)星瞬時偵察范圍、偵察覆蓋區(qū)域、重復偵察區(qū)域以及偵察時效特性等偵察要素，確保在有效的偵察時間內(nèi)，在空域、時域、頻域、能域上對準目標，才能完成對目標信號的截獲，獲取及時有效的情報信息，充分發(fā)揮電子偵察衛(wèi)星的情報偵察的優(yōu)勢。此外，由于電子偵察衛(wèi)星的定位精度較高，其他無源偵察設備在進行交叉定位時，可利用電子偵察衛(wèi)星對目標的定位信息對目標位置進行校正，以提高目標定位的精確度。這是電子偵察衛(wèi)星作戰(zhàn)使用下一步的研究重點?！?/p>

[1] 文江平. 衛(wèi)星軍事應用技術[M] . 北京：國防工業(yè)出版社，2011：1-3.

[2] 郭福成. 空間電子偵察定位原理[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2011：1-3.

[3] 張潤.基于重訪周期的對地偵察小衛(wèi)星星座設計[D].西安：西安電子科技大學，2011：24-26.

[4] 趙玉普，馮書興，白紅莉.電子偵察衛(wèi)星偵察仿真預案設計與實現(xiàn)[J]. 指揮控制與仿真，2008，30(3)：94-95.

[5] 關愛杰，余達太，王運吉.偵察衛(wèi)星作戰(zhàn)過程仿真及偵察效果評估[J].系統(tǒng)仿真學報，2004，16(10)：2261-2262.

[6] 曹裕華，馮書興，管清博，等.航天器軍事應用建模與仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010：60-61.

[7] 張占睦，芮杰.遙感技術基礎[M].北京:科學出版社，2007：82-84.

[8] 刁華飛，李智.基于GEO帶觀測的天基光學監(jiān)視系統(tǒng)設計[J].航天控制，2012，30(5)：66-67.

[9] 孫家抦，倪玲，周軍其，等.遙感原理與應用[M].武漢：武漢大學出版社，2013：34-37.

[10] 蘇建偉，宋元，許林周.海洋監(jiān)視衛(wèi)星對水面艦艇電子偵察效能分析[J].艦船電子對抗，2009，32(4)：52-53.

[11] 朱建豐，尤明贅.基于多信息融合的海洋監(jiān)視衛(wèi)星偵察效能分析[J].系統(tǒng)仿真學報，2014，26(11)：2683.

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。

王國恩(1982-)，男，講師，碩士研究生，主要研究方向為雷達對抗偵察信息處理。

TN97

A