GEO對潛地彈道導彈探測能力與突防策略研究*

崔振華，劉勇志，姚奕，楊繼峰

(海軍潛艇學院， 山東 青島 266199)

GEO對潛地彈道導彈探測能力與突防策略研究*

崔振華，劉勇志，姚奕，楊繼峰

(海軍潛艇學院， 山東 青島 266199)

天基紅外系統(SBIRS)是美國部署的新型天基紅外預警系統，分析了該系統中GEO的覆蓋范圍及探測能力，研究了衛星觀測角和大氣透過率2個主要因素對衛星探測能力的影響，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，提出了潛地彈道導彈變時域和變海域發射的突防策略。

靜止軌道； 潛地彈道導彈；大氣透過率；衛星觀測角； 探測能力；突防策略

0 引言

天基紅外系統(space-based infrared system, SBIRS)是美國為改進國防支援計劃(defense support program , DSP)衛星的缺陷而設計部署的新型天基紅外預警系統。該系統分為高軌部分(SBIRS-High)計劃2顆大橢圓軌道(high elliptical orbit, HEO)衛星和5顆靜止軌道(geostationary earth orbit, GEO)衛星組成[1-8]，其中，GEO-1于2011年5月發射，GEO-2于2013年3月發射，整個系統計劃于2020年前部署完畢，屆時GEO將完全取代DSP系統。本文對GEO及其星座的覆蓋范圍及探測能力進行分析。

1 GEO性能參數與覆蓋能力分析

SBIRS GEO作為DSP系統的下一代探測衛星，其掃描速度和靈敏度比DSP衛星高得多，最重要的是，它能夠穿透大氣層在導彈點火初期進行探測，在導彈發射后20 s內將預警信息傳送給地面部隊，實現“即發射即發現”。天基紅外系統GEO衛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的完整圖像，該方式可避免對兩級地區的重復覆蓋，可對地球低緯度地區實施更好的覆蓋。

根據文獻[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，此參數最大意義是可以探測到巡航導彈，對于紅外特性很明顯的潛地彈道導彈，靈敏度提升對它的探測影響不大。

關于GEO覆蓋能力，如圖1所示，地球軌道平均半徑為Re，單顆GEO 預警衛星可覆蓋的最大地球區域對應的半地心角為γ， GEO預警衛星對地探測半視場角為θ， GEO高度為H。根據GEO預警衛星對地表的最大覆蓋范圍計算方法，可得單顆GEO 預警衛星對地探測極限視場角[10]：

ω=2θ=2arcsin(Re/(Re+H)).

(1)

圖1 單顆GEO預警衛星對地探測區域Fig.1 Single GEO early warning satellite to ground detection area

則單顆GEO預警衛星可覆蓋的最大地球區域對應的半地心角為

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彈預警衛星最多能夠覆蓋地球南北緯81.31°以內的區域。 另外，考慮云層、地面起伏等因素影響，一般地球靜止軌道導彈預警衛星最多只能覆蓋地球南北緯75°、經度跨度150°以內的區域?？梢钥闯?，3顆GEO即可實現對地球75°N～75°S內的范圍的全部單重覆蓋和部分雙重覆蓋；4顆GEO可實現地球75°N～75°S內的重點監測區域的雙重覆蓋、甚至三重覆蓋。

2 影響紅外預警衛星探測概率的因素

紅外預警衛星主要探測主動段彈道導彈由于燃料燃燒和氣動加熱而產生的紅外輻射能量，衛星對導彈的探測概率為[11-13]

(3)

式中：φ為標準正態分布函數；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。

其中，衛星紅外探測器掃描信噪比

(4)

式中：IΔλ為彈道導彈輻射強度；τα為大氣透過率；D為探測器與導彈的距離。

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

P=f(τ,θ).

(5)

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

要分析攻防對抗條件下潛地彈道導彈變時域和變海域擇機發射規避HEO探測的突防策略，可以從不同發射點經緯度對衛星觀測角產生的影響、不同季節和海區的云層分布以及降雨等氣象條件對大氣透過率產生的影響等2個方面入手。

(6)

3 GEO對潛地彈道導彈探測能力分析

由式(3)，(4)知，在預警衛星和潛地彈道導彈性能及發射點一定情況下，導彈突防概率與主動段飛行時間與大氣透過率有關。設彈道導彈主動段飛行時間為0～150 s，導彈突防概率與主動段飛行時間的變化關系如圖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在20 s內發現導彈(即探測導彈概率大于0.5)；而在大氣透過率為0.4時，在60 s時GEO探測導彈概率才能達到0.5。

根據前文分析，除了大氣透過率，GEO衛星探測能力還與衛星觀測角有關。為便于計算，假設2020年GEO與DSP星座位置相同(即3顆工作，2顆備份)。以105°E衛星為例，取大氣透過率為0.3，由式(3)和式(4)可得出探測概率隨導彈發射點經緯度的變化關系如圖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。根據表1的數據分析得出，星下點探測概率最高，隨著觀測角的增大，對導彈探測概率下降明顯。

表1 不同衛星觀測角下的導彈探測概率

根據上文計算單顆GEO的探測能力的方法，結合式(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；隨著大氣透過率的降低，GEO星座的探測能力在下降，當大氣透過率為0.3時，GEO星座對赤道附近部分區域的探測能力很低，甚至為0，因此，可選擇大氣透過率較低的海域機動發射。此外，GEO星座為固定星座，其探測規律容易被掌握，可選擇兩星覆蓋交匯的高緯度海域進行發射。

4 結束語

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

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

(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。故潛地彈道導彈可利用氣象條件(大氣透過率低時)擇機發射，可提高導彈的突防能力。

(3) GEO星座屬于固定星座，故潛地彈道導彈突防時，可選擇GEO覆蓋邊緣交匯處探測力弱的區域進行發射，可提高導彈是突防能力。

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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金水路1號學員二隊 E-mail：267114727@qq.com