崔振華，劉勇志，姚奕，楊繼峰

(海軍潛艇學(xué)院， 山東 青島 266199)

GEO對潛地彈道導(dǎo)彈探測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的覆蓋范圍及探測能力，研究了衛(wèi)星觀測角和大氣透過率2個主要因素對衛(wèi)星探測能力的影響，計算了GEO覆蓋下不同大氣透過率對潛地彈道導(dǎo)彈探測能力的影響，并對GEO及其星座的探測能力進行了分析，提出了潛地彈道導(dǎo)彈變時域和變海域發(fā)射的突防策略。

靜止軌道； 潛地彈道導(dǎo)彈；大氣透過率；衛(wèi)星觀測角； 探測能力；突防策略

0 引言

天基紅外系統(tǒng)(space-based infrared system, SBIRS)是美國為改進國防支援計劃(defense support program , DSP)衛(wèi)星的缺陷而設(shè)計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，整個系統(tǒng)計劃于2020年前部署完畢，屆時GEO將完全取代DSP系統(tǒng)。本文對GEO及其星座的覆蓋范圍及探測能力進行分析。

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)彈點火初期進行探測，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，實現(xiàn)“即發(fā)射即發(fā)現(xiàn)”。天基紅外系統(tǒng)GEO衛(wèi)星的掃描型探測器采用小型陣列，掃描周期為9 s，采用平行于地軸視場角度為10°，垂直于地軸視場角度為20°的觀測方式建立整個地區(qū)的完整圖像，該方式可避免對兩級地區(qū)的重復(fù)覆蓋，可對地球低緯度地區(qū)實施更好的覆蓋。

根據(jù)文獻[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個探測元可知， GEO的探測元為60 000個(下文GEO的探測能力分析依此數(shù)值計算)。GEO的靈敏度為DSP的10倍，即探測精度提高10倍，此參數(shù)最大意義是可以探測到巡航導(dǎo)彈，對于紅外特性很明顯的潛地彈道導(dǎo)彈，靈敏度提升對它的探測影響不大。

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)星對地探測半視場角為θ， GEO高度為H。根據(jù)GEO預(yù)警衛(wèi)星對地表的最大覆蓋范圍計算方法，可得單顆GEO 預(yù)警衛(wèi)星對地探測極限視場角[10]：

ω=2θ=2arcsin(Re/(Re+H)).

(1)

圖1 單顆GEO預(yù)警衛(wèi)星對地探測區(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即可實現(xiàn)對地球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可實現(xiàn)地球75°N～75°S內(nèi)的重點監(jiān)測區(qū)域的雙重覆蓋、甚至三重覆蓋。

2 影響紅外預(yù)警衛(wèi)星探測概率的因素

紅外預(yù)警衛(wèi)星主要探測主動段彈道導(dǎo)彈由于燃料燃燒和氣動加熱而產(chǎn)生的紅外輻射能量，衛(wèi)星對導(dǎo)彈的探測概率為[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為紅外探測器的信噪比；m為多次累積探測次數(shù)。

其中，衛(wèi)星紅外探測器掃描信噪比

(4)

式中：IΔλ為彈道導(dǎo)彈輻射強度；τα為大氣透過率；D為探測器與導(dǎo)彈的距離。

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

P=f(τ,θ).

(5)

潛地彈道導(dǎo)彈選擇不同的發(fā)射點將使衛(wèi)星產(chǎn)生不同的觀測角，進而影響進入衛(wèi)星紅外探測器的導(dǎo)彈紅外輻射強度；而大氣透過率則對導(dǎo)彈紅外輻射產(chǎn)生吸收和衰減作用，同樣影響進入衛(wèi)星紅外探測器的導(dǎo)彈紅外輻射強度。

要分析攻防對抗條件下潛地彈道導(dǎo)彈變時域和變海域擇機發(fā)射規(guī)避HEO探測的突防策略，可以從不同發(fā)射點經(jīng)緯度對衛(wèi)星觀測角產(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大氣透過率產(chǎn)生的影響等2個方面入手。

(6)

3 GEO對潛地彈道導(dǎo)彈探測能力分析

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)射點一定情況下，導(dǎo)彈突防概率與主動段飛行時間與大氣透過率有關(guān)。設(shè)彈道導(dǎo)彈主動段飛行時間為0～150 s，導(dǎo)彈突防概率與主動段飛行時間的變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同大氣透過率下GEO探測能力對比Fig.2 Comparison of GEO detection capability under different atmospheric transmittance

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

根據(jù)前文分析，除了大氣透過率，GEO衛(wèi)星探測能力還與衛(wèi)星觀測角有關(guān)。為便于計算，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，取大氣透過率為0.3，由式(3)和式(4)可得出探測概率隨導(dǎo)彈發(fā)射點經(jīng)緯度的變化關(guān)系如圖3，4所示。

圖3 大氣透過率為0.3時GEO探測能力Fig.3 GEO detection capability when atmospheric transmittance is 0.3

圖4 大氣透過率為0.3時GEO探測能力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，星下點探測概率最高，隨著觀測角的增大，對導(dǎo)彈探測概率下降明顯。

表1 不同衛(wèi)星觀測角下的導(dǎo)彈探測概率

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

圖5 大氣透過率為0.9時GEO探測能力Fig.5 GEO detection capability when atmospheric transmittance is 0.9

圖6 大氣透過率為0.6時GEO星座探測能力Fig.6 Detection capability of GEO constellation when atmospheric transmittance is 0.6

圖7 大氣透過率為0.3時GEO星座探測能力Fig.7 Detection capability of GEO constellation when atmospheric transmittance is 0.3

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

4 結(jié)束語

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

(1) GEO對導(dǎo)彈的觀測角越大，探測概率越低，選擇距離其星下點較遠的發(fā)射點進行變海域發(fā)射，可提高潛地彈道導(dǎo)彈突防能力。

(2) GEO的探測性能雖然很強，但在大氣透過率較低的情況下，其探測能力下降明顯。故潛地彈道導(dǎo)彈可利用氣象條件(大氣透過率低時)擇機發(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，可選擇GEO覆蓋邊緣交匯處探測力弱的區(qū)域進行發(fā)射，可提高導(dǎo)彈是突防能力。

[1] Nancy S Andreas．Space-Based Infrared System(SBIRS) System of System[J]．IEEE，1997,5(3): 429-437．

[2] Ernest J Ohlmeyer. Guidance Methods for Accurate In-Flight Alignment of Navy Theatre Wide Missiles[M]. NDIA Missiles & Rockets Symposium and Exhibition, 15 May 2001.

[3] WILKENING D A. A Simple Model for Calculating Ballistic Missile Defense Effectiveness[J]. Science and Glabal Security, 1999, 8(2):183-255.

[4] TRANTN, WEHRENS R, HOEKMAND H, et a1. Initialization of Markov Random Field Clustering of Large Remote Sensing Images [J].IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing,2005,43(8):1912-1919.

[5] RELLIER G, DESCOMBES X, FALZON F, et al. Texture Feature Analysis Using a Gauss-Markov Model in Hyper Spectral Image Classification[J].IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing,2004, 42(7): 1543-1551.

[6] CORNER B R. Noise Estimation in Remote Sensing Imagery Using Data Masking [J]. International Journal of Remote Sensing, 2003, 24(4):689-702.

[7] Jane’s Information Group. Space Based Infrared System (SBIRS) [J]. Jane’s Space System and Industry, 2011(7)：271-295.

[8] 劉磊，司磊，華衛(wèi)紅．美國空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展情況綜述[J]．863先進防御技術(shù)，2010(6)：17-27. LIU Lei, SI Lei, HUA Wei-hong．Reviews on American Space Tracking and Surveillance System [J]. 863 Advanced Defense Technology, 2010(6):17-27.

[9] 吳昊. 國外天基紅外系統(tǒng)的發(fā)展動向與分析 [J]. 艦船電子工程，2013，33(12):145-148. WU Hao. The Development Trend of the Foreign Space-based Infrared System and Analysis [J]. Journal of Ship Electronic Engineering, 2013，33(12):145-148.

[10] 胡磊，閆世強，劉輝，等.美國GEO預(yù)警衛(wèi)星覆蓋性能分析[J].空軍雷達學(xué)院學(xué)報，2012，26(6):404-408. HU Lei,YAN Shi-qiang,LIU Hui,et al. American GEO Early-warning Satellite Coverage Performance Analysis [J]. Journal of Air Force Institute of Radar, 2012，26(6):404-408.

[11] 張帆．導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)分析與仿真[D]．北京：裝備指揮技術(shù)學(xué)院，2006：11-13． ZHANG Fan. Analysis and Simulation of Missile Warning Satellite [D].Beijing: Academy of Equipment Command and Technology, 2006:11-13.

[12] 李小將，金山，廖海玲，等.美軍SBIRS-GEO-1預(yù)警衛(wèi)星探測預(yù)警能力分析[J].激光與紅外,2013,43(1):3-8. LI Xiao-jiang, JIN Shan, LIAO Hai-ling, et al. SBIRS-GEO-1 Warning Early-Warning Satellite Capacity Analysis [J]. Journal of Laser and Infrared, 2013, 43(1):3-8.

[13] 謝道成.彈道導(dǎo)彈突防措施建模與仿真研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008. XIE Dao-cheng. Ballistic Missile Penetration Measures Modeling and Simulation Study [D]. Changsha: National University of Defense Science Technology,2008.

[14] 裴瑩，楊萍，曾靜，等.彈道導(dǎo)彈突防ABL建模仿真[J].艦船電子工程，2013(1):88-90. PEI Ying, YANG Ping, ZENG Jing, et a1. Ballistic Missile Penetration ABL Modeling Simulation [J]. Journal of Electronic Engineering Ships, 2013(1):88-90.

[15] 高桂清，劉剛，劉風(fēng)林．預(yù)警衛(wèi)星對戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈預(yù)警能力研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2007，35(4)：79-82. GAO Gui-qing, LIU Gang, LIU Feng-lin. Research on Early Warning Ability of DSP Satellite to TBM [J]. Modem Defense Technology, 2007, 35(4):79-82.

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 作者簡介：崔振華(1986-)，男，河南泌陽人。碩士生，主要研究方向為潛射武器作戰(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號學(xué)員二隊 E-mail：267114727@qq.com