天基地基一體化測控系統研究及應用

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展,目前海上測控只具備用單一地基鏈路測控網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,以實現海上測控的天基地基一體化測控網,力求以天基單一載波對數字信號的傳輸,實現對多個目標的測控、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(20～30 km),通過動力、飛控及遙測遙控系統實現飛行和定點懸停的浮空器。作為一種新型空中平臺,在測控、高分辨率實時監視、預警和武器防御、通信、大氣環境監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 國內外天基測控網發展現狀

天基測控網開始于20世紀80年代末,由地基測控網逐步過渡而成,以美國與俄羅斯為代表的天基測控網在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據中繼衛星系統(ATDRSS)的部署與完善,美國的航天測控網將在21世紀初走向更高的階段。

在國內,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,相關單位已經有了規劃,在今后的航天測控建設中,將力求適應現代航天測控綜合化、數字化、空間化和多目標的總趨勢;適當處理現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行標準,亦應盡早貫徹協議標準。人們期望,在即將到來的21世紀前期的一段不長時間內,我國的測控網將由地基為主,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。

2 天基地基一體化測控網方案設想

2.1 基于平流層飛艇的天地一體化測控網

利用平流層飛艇建設的天地一體化測控網,不僅能有效地提高測控網的覆蓋區域、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據傳輸的任務。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,遙測測量采用擴頻碼分及多體制小型化實時數據記錄和轉發器設備方式,完成多目標內彈道測量和數據傳輸任務;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據傳輸任務;遙控采用小型化的轉發器方式,完成目標的控制和數據傳輸任務;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;飛艇與地面數據通信采用CCSDS空間數據傳輸標準。天地一體化測控網如圖1所示。

圖1 天地一體化測控網

天地一體化測控網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、天地測控網電磁兼容設計技術和CCSDS空間數據傳輸技術等,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的技術協議和重點項目等。

2.2 飛艇覆蓋區域計算

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,覆蓋區域就越大。

表1 飛艇覆蓋半徑

2.3 平流層飛艇平臺優勢

平流層飛艇相對衛星和航空平臺,具有綜合優勢。相對衛星平臺,平流層飛艇具有如下優點:

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,根據任務需求更換或增加載荷,機動部署到特定空域,而衛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:平流層飛艇據目標的距離一般只是低軌衛星的1/10～1/20,可收到衛星不能監聽到的低功率傳輸信號,容易實現高分辨率對地觀測,對任務載荷的技術難度要求相對較低;

③衛星遙感是一種瞬時的行為,只能通過多顆衛星組網來提高時間分辨率,而平流層飛艇可定點懸停,“凝視”觀測,全天時連續監視某一地區,時間分辨率明顯優于中低軌衛星。

相對航空平臺,平流層飛艇具有如下優點:

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,可確保飛艇平臺長時間工作,滯空時間可達0.5年～3年,可長時間留空執行任務,不間斷地獲取對地觀測數據;

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,難以被發現和跟蹤,一般導彈和作戰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

通過對測控系統總體設計的主要性能指標進行仿真分析,其內容包括測量覆蓋范圍、飛行器飛行彈道測量精度和系統可靠性仿真等。測控系統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境條件已知的前提下,對跟蹤范圍進行統計處理分析。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系統,完成大區域、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系統,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,在發展飛艇平臺的同時,要做好統籌規劃,同步發展艇載任務設備研究工作。

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