崔振華，劉勇志，姚奕，楊繼峰

(海軍潛艇學(xué)院， 山東 青島 266199)

GEO對(duì)潛地彈道導(dǎo)彈探測(cè)能力與突防策略研究*

崔振華，劉勇志，姚奕，楊繼峰

(海軍潛艇學(xué)院， 山東 青島 266199)

天基紅外系統(tǒng)(SBIRS)是美國(guó)部署的新型天基紅外預(yù)警系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)中GEO的覆蓋范圍及探測(cè)能力，研究了衛(wèi)星觀測(cè)角和大氣透過(guò)率2個(gè)主要因素對(duì)衛(wèi)星探測(cè)能力的影響，計(jì)算了GEO覆蓋下不同大氣透過(guò)率對(duì)潛地彈道導(dǎo)彈探測(cè)能力的影響，并對(duì)GEO及其星座的探測(cè)能力進(jìn)行了分析，提出了潛地彈道導(dǎo)彈變時(shí)域和變海域發(fā)射的突防策略。

靜止軌道； 潛地彈道導(dǎo)彈；大氣透過(guò)率；衛(wèi)星觀測(cè)角； 探測(cè)能力；突防策略

0 引言

天基紅外系統(tǒng)(space-based infrared system, SBIRS)是美國(guó)為改進(jìn)國(guó)防支援計(jì)劃(defense support program , DSP)衛(wèi)星的缺陷而設(shè)計(jì)部署的新型天基紅外預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為高軌部分(SBIRS-High)計(jì)劃2顆大橢圓軌道(high elliptical orbit, HEO)衛(wèi)星和5顆靜止軌道(geostationary earth orbit, GEO)衛(wèi)星組成[1-8]，其中，GEO-1于2011年5月發(fā)射，GEO-2于2013年3月發(fā)射，整個(gè)系統(tǒng)計(jì)劃于2020年前部署完畢，屆時(shí)GEO將完全取代DSP系統(tǒng)。本文對(duì)GEO及其星座的覆蓋范圍及探測(cè)能力進(jìn)行分析。

1 GEO性能參數(shù)與覆蓋能力分析

SBIRS GEO作為DSP系統(tǒng)的下一代探測(cè)衛(wèi)星，其掃描速度和靈敏度比DSP衛(wèi)星高得多，最重要的是，它能夠穿透大氣層在導(dǎo)彈點(diǎn)火初期進(jìn)行探測(cè)，在導(dǎo)彈發(fā)射后20 s內(nèi)將預(yù)警信息傳送給地面部隊(duì)，實(shí)現(xiàn)“即發(fā)射即發(fā)現(xiàn)”。天基紅外系統(tǒng)GEO衛(wèi)星的掃描型探測(cè)器采用小型陣列，掃描周期為9 s，采用平行于地軸視場(chǎng)角度為10°，垂直于地軸視場(chǎng)角度為20°的觀測(cè)方式建立整個(gè)地區(qū)的完整圖像，該方式可避免對(duì)兩級(jí)地區(qū)的重復(fù)覆蓋，可對(duì)地球低緯度地區(qū)實(shí)施更好的覆蓋。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]中提到的“掃描速度和靈敏度提高10倍”的信息，GEO的周期為9 s，而DSP掃描周期為8～10 s，為便于計(jì)算，假定其周期相同，由GEO的掃描速度是DSP的10倍和DSP有6 000個(gè)探測(cè)元可知， GEO的探測(cè)元為60 000個(gè)(下文GEO的探測(cè)能力分析依此數(shù)值計(jì)算)。GEO的靈敏度為DSP的10倍，即探測(cè)精度提高10倍，此參數(shù)最大意義是可以探測(cè)到巡航導(dǎo)彈，對(duì)于紅外特性很明顯的潛地彈道導(dǎo)彈，靈敏度提升對(duì)它的探測(cè)影響不大。

關(guān)于GEO覆蓋能力，如圖1所示，地球軌道平均半徑為Re，單顆GEO 預(yù)警衛(wèi)星可覆蓋的最大地球區(qū)域?qū)?yīng)的半地心角為γ， GEO預(yù)警衛(wèi)星對(duì)地探測(cè)半視場(chǎng)角為θ， GEO高度為H。根據(jù)GEO預(yù)警衛(wèi)星對(duì)地表的最大覆蓋范圍計(jì)算方法，可得單顆GEO 預(yù)警衛(wèi)星對(duì)地探測(cè)極限視場(chǎng)角[10]：

ω=2θ=2arcsin(Re/(Re+H)).

(1)

圖1 單顆GEO預(yù)警衛(wèi)星對(duì)地探測(cè)區(qū)域Fig.1 Single GEO early warning satellite to ground detection area

則單顆GEO預(yù)警衛(wèi)星可覆蓋的最大地球區(qū)域?qū)?yīng)的半地心角為

γ=90°-θ.

(2)

取Re=6 371 km，H=35 786 km，可計(jì)算得到：ω≈2×8.69°=17.38°；γ=81.31° 。所以，單顆地球靜止軌道導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星最多能夠覆蓋地球南北緯81.31°以內(nèi)的區(qū)域。 另外，考慮云層、地面起伏等因素影響，一般地球靜止軌道導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星最多只能覆蓋地球南北緯75°、經(jīng)度跨度150°以內(nèi)的區(qū)域?？梢钥闯觯?顆GEO即可實(shí)現(xiàn)對(duì)地球75°N～75°S內(nèi)的范圍的全部單重覆蓋和部分雙重覆蓋；4顆GEO可實(shí)現(xiàn)地球75°N～75°S內(nèi)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的雙重覆蓋、甚至三重覆蓋。

2 影響紅外預(yù)警衛(wèi)星探測(cè)概率的因素

紅外預(yù)警衛(wèi)星主要探測(cè)主動(dòng)段彈道導(dǎo)彈由于燃料燃燒和氣動(dòng)加熱而產(chǎn)生的紅外輻射能量，衛(wèi)星對(duì)導(dǎo)彈的探測(cè)概率為[11-13]

(3)

式中：φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)；Pxu為虛警概率；σ為紅外探測(cè)器的信噪比；m為多次累積探測(cè)次數(shù)。

其中，衛(wèi)星紅外探測(cè)器掃描信噪比

(4)

式中：IΔλ為彈道導(dǎo)彈輻射強(qiáng)度；τα為大氣透過(guò)率；D為探測(cè)器與導(dǎo)彈的距離。

由彈道導(dǎo)彈主動(dòng)段紅外輻射模型[14-15]知，影響衛(wèi)星探測(cè)概率的因素主要包括大氣透過(guò)率和衛(wèi)星觀測(cè)角，即

P=f(τ,θ).

(5)

潛地彈道導(dǎo)彈選擇不同的發(fā)射點(diǎn)將使衛(wèi)星產(chǎn)生不同的觀測(cè)角，進(jìn)而影響進(jìn)入衛(wèi)星紅外探測(cè)器的導(dǎo)彈紅外輻射強(qiáng)度；而大氣透過(guò)率則對(duì)導(dǎo)彈紅外輻射產(chǎn)生吸收和衰減作用，同樣影響進(jìn)入衛(wèi)星紅外探測(cè)器的導(dǎo)彈紅外輻射強(qiáng)度。

要分析攻防對(duì)抗條件下潛地彈道導(dǎo)彈變時(shí)域和變海域擇機(jī)發(fā)射規(guī)避HEO探測(cè)的突防策略，可以從不同發(fā)射點(diǎn)經(jīng)緯度對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)角產(chǎn)生的影響、不同季節(jié)和海區(qū)的云層分布以及降雨等氣象條件對(duì)大氣透過(guò)率產(chǎn)生的影響等2個(gè)方面入手。

(6)

3 GEO對(duì)潛地彈道導(dǎo)彈探測(cè)能力分析

由式(3)，(4)知，在預(yù)警衛(wèi)星和潛地彈道導(dǎo)彈性能及發(fā)射點(diǎn)一定情況下，導(dǎo)彈突防概率與主動(dòng)段飛行時(shí)間與大氣透過(guò)率有關(guān)。設(shè)彈道導(dǎo)彈主動(dòng)段飛行時(shí)間為0～150 s，導(dǎo)彈突防概率與主動(dòng)段飛行時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同大氣透過(guò)率下GEO探測(cè)能力對(duì)比Fig.2 Comparison of GEO detection capability under different atmospheric transmittance

可以看出，在大氣透過(guò)率同為0.95與0.70的條件下，單顆GEO的探測(cè)能力基本可實(shí)現(xiàn)在20 s內(nèi)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈(即探測(cè)導(dǎo)彈概率大于0.5)；而在大氣透過(guò)率為0.4時(shí)，在60 s時(shí)GEO探測(cè)導(dǎo)彈概率才能達(dá)到0.5。

根據(jù)前文分析，除了大氣透過(guò)率，GEO衛(wèi)星探測(cè)能力還與衛(wèi)星觀測(cè)角有關(guān)。為便于計(jì)算，假設(shè)2020年GEO與DSP星座位置相同(即3顆工作，2顆備份)。以105°E衛(wèi)星為例，取大氣透過(guò)率為0.3，由式(3)和式(4)可得出探測(cè)概率隨導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)經(jīng)緯度的變化關(guān)系如圖3，4所示。

圖3 大氣透過(guò)率為0.3時(shí)GEO探測(cè)能力Fig.3 GEO detection capability when atmospheric transmittance is 0.3

圖4 大氣透過(guò)率為0.3時(shí)GEO探測(cè)能力Fig.4 GEO detection capability when atmospheric transmittance is 0.3

可以看出，位于105°E的GEO的探測(cè)概率基本上保持在較高水平。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)分析得出，星下點(diǎn)探測(cè)概率最高，隨著觀測(cè)角的增大，對(duì)導(dǎo)彈探測(cè)概率下降明顯。

表1 不同衛(wèi)星觀測(cè)角下的導(dǎo)彈探測(cè)概率

根據(jù)上文計(jì)算單顆GEO的探測(cè)能力的方法，結(jié)合式(6)，不難得出在大氣透過(guò)率為0.9，0.6和0.3時(shí)GEO星座 (即3顆GEO工作星，分別為Sat-165°W，Sat-35°W，Sat-69°E)對(duì)潛地彈道導(dǎo)彈的探測(cè)能力，如圖5～7所示。

圖5 大氣透過(guò)率為0.9時(shí)GEO探測(cè)能力Fig.5 GEO detection capability when atmospheric transmittance is 0.9

圖6 大氣透過(guò)率為0.6時(shí)GEO星座探測(cè)能力Fig.6 Detection capability of GEO constellation when atmospheric transmittance is 0.6

圖7 大氣透過(guò)率為0.3時(shí)GEO星座探測(cè)能力Fig.7 Detection capability of GEO constellation when atmospheric transmittance is 0.3

通過(guò)圖5～7的比較可以看出，在大氣透過(guò)率為0.9時(shí)，3顆GEO組成的星座探測(cè)能力很強(qiáng)，能完全覆蓋25°N ～25°S的地區(qū)；隨著大氣透過(guò)率的降低，GEO星座的探測(cè)能力在下降，當(dāng)大氣透過(guò)率為0.3時(shí)，GEO星座對(duì)赤道附近部分區(qū)域的探測(cè)能力很低，甚至為0，因此，可選擇大氣透過(guò)率較低的海域機(jī)動(dòng)發(fā)射。此外，GEO星座為固定星座，其探測(cè)規(guī)律容易被掌握，可選擇兩星覆蓋交匯的高緯度海域進(jìn)行發(fā)射。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建模仿真，研究了衛(wèi)星觀測(cè)角和大氣透過(guò)率對(duì)GEO探測(cè)潛地彈道導(dǎo)彈能力的影響，并對(duì)2020年GEO星座對(duì)潛地彈道導(dǎo)彈發(fā)射的影響進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論和建議：

(1) GEO對(duì)導(dǎo)彈的觀測(cè)角越大，探測(cè)概率越低，選擇距離其星下點(diǎn)較遠(yuǎn)的發(fā)射點(diǎn)進(jìn)行變海域發(fā)射，可提高潛地彈道導(dǎo)彈突防能力。

(2) GEO的探測(cè)性能雖然很強(qiáng)，但在大氣透過(guò)率較低的情況下，其探測(cè)能力下降明顯。故潛地彈道導(dǎo)彈可利用氣象條件(大氣透過(guò)率低時(shí))擇機(jī)發(fā)射，可提高導(dǎo)彈的突防能力。

(3) GEO星座屬于固定星座，故潛地彈道導(dǎo)彈突防時(shí)，可選擇GEO覆蓋邊緣交匯處探測(cè)力弱的區(qū)域進(jìn)行發(fā)射，可提高導(dǎo)彈是突防能力。

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Early-Warning Ability for GEO Detecting SLBM and Research of Penetration Strategy

CUI Zhen-hua, LIU Yong-zhi, YAO Yi, YANG Ji-feng

(Naval Submarine Academy, Shandong Qingdao 266199, China)

Space-based infrared system (SBIRS) is a new type of space-based infrared early warning system deployed by the United States. The coverage and detectability of GEO, the influence of satellite observation angle and atmospheric transmittance on satellite detection capability is studied. The influence of different atmospheric transmittance on the detection capability of submarine-launched ballistic missile under GEO coverage is calculated, and the detection capabilities of GEO and its constellations are analyzed. At last, the article proposed the sea-area-alter and time-area-alter penetration strategy, which can promote the penetration ability efficiently.

geostationary earth orbit(GEO); submarine-launched ballistic missile(SLBM); atmospheric transmittance; satellite observation angle; detectability; penetration strategy

2016-04-26；

2016-09-21 作者簡(jiǎn)介：崔振華(1986-)，男，河南泌陽(yáng)人。碩士生，主要研究方向?yàn)闈撋湮淦髯鲬?zhàn)使用。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.02.024

TN219；TJ762.4+1

A

1009-086X(2017)-02-0156-04

通信地址：266199 山東省青島市李滄區(qū)金水路1號(hào)學(xué)員二隊(duì) E-mail：267114727@qq.com