STSS预警卫星目标跟踪能力研究

田 野,万 华,秦国政,李博骁,郭继光,张 龙

(1.中国电子科学研究院，北京 100041；2.中国电子科技集团公司，北京 100846)

0 引 言

导弹预警卫星是用于监视和发现敌方战略弹道导弹并发出来袭告警的侦察卫星。美国建立了世界上目前功能最完善的弹道导弹预警卫星系统，在50余年的发展历程中[1-4]，先后经历了“米达斯”、DSP、SBIRS三个发展阶段，其中SBIRS包括SBIRS-high和SBIRS-low两个系统，SBIRS-high是DSP系统的升级替代系统，包括GEO和HEO；SBIRS-low又称空间跟踪与监视系统(Space Tracking and Surveillance System：STSS)。

空间跟踪与监视系统是美国弹道导弹预警卫星系统中的低轨预警卫星系统的核心，其主要任务是实现全球范围内弹道导弹主动段探测和中段跟踪。目前共有3颗在轨卫星，包括1颗先进技术风险降低卫星、2颗试验演示卫星。

目前，对于STSS预警卫星的研究主要集中于卫星轨道及星座构型[1]、载荷能力[5]、覆盖特性[6]、工作方式[7]等方面，对STSS预警卫星对弹道导弹目标跟踪能力的研究相对较少。本文聚焦于STSS预警卫星对弹道导弹目标的时间跟踪能力和多目标跟踪能力两方面。在时间跟踪能力研究方面，针对弹道导弹飞行中段释放诱饵情况下的目标跟踪时间分析难题，提出了一种在弹道导弹中段释放诱饵的情况下，获取预警卫星对弹道导弹目标和诱饵同时跟踪时间的方法；在多目标跟踪能力研究方面，首次分析了典型弹道导弹场景下STSS预警卫星对多批次弹道导弹目标的跟踪能力。此外，基于典型弹道导弹目标作战场景，仿真分析了STSS预警卫星的跟踪能力。

1 STSS预警卫星轨道、载荷方案和目标跟踪方式

根据既有研究[1]，STSS预警卫星系统可能由24颗预警卫星组成，轨道高度1600 km，卫星轨道采用Walker星座，分布于4个轨道面上，轨道倾角60°。跟踪相机探测能力8000 km，设置凝视视场2°×2°，二维指向范围方位向360°，俯仰向设置为53.5°-150°。STSS预警卫星系统参数和卫星星座示意图分别如表1和图1所示。

表1 STSS预警卫星系统参数

STSS卫星轨道方案示意图如图1所示。

图1 美国STSS预警卫星星座示意图

处于中段飞行过程中的导弹发动机已熄火，没有强烈的辐射信息，只有对阳光的反射和弹体自身的红外辐射可以探测。此外，弹头在中段与大气摩擦迅速减少，弹头表面温度很快降至常温，红外辐射能量大幅减少。为保证对弹道导弹目标探测具有足够的信杂比，在进行弹道导弹目标中段跟踪时，跟踪相机需要以地球临边以上的深空为背景进行临边探测，临边探测示意图如图2。

图2 预警卫星临边探测示意图

2 STSS预警卫星的目标时间跟踪能力

预警卫星需要对弹道导弹目标具有一定时间长度的跟踪能力，以实现对目标的跟踪、定位、识别、落点预报、拦截等多种任务，时间跟踪能力可以从两个方面衡量。一是，预警卫星在弹道导弹飞行过程中对单个目标可连续跟踪的时间；二是，考虑在中段弹道导弹将释放多种类型的干扰诱饵，在导弹附近伴随弹头运动，形成目标群，因此预警卫星需要具备一定时间的对目标和诱饵同时连续跟踪的能力。本部分将结合弹道导弹轨迹数据，分析STSS预警卫星的上述两类时间跟踪能力。

2.1 STSS预警卫星对弹道导弹的全程时间跟踪能力

俄罗斯一直保持全球领先的战略核力量，也是美国最主要的战争威胁对手。拥有300余枚现役陆基洲际弹道导弹，并携带约1200枚核弹头，主要由“撒旦”“白杨-M”“亚尔斯”“布拉瓦”等弹道导弹构成。其中，“撒旦”射程超过16000 km，可携带10个分导弹头，“白杨-M”射程超过10000 km，包括固定式和机动式两型，并在积极研制“萨尔马特”“边界”等新型洲际弹道导弹。

假设有一枚从俄罗斯西伯利亚地区射向美国本土的弹道导弹，导弹发射点位于北纬60°东经125°落点位于北纬47°，西经100°位置。利用STSS预警卫星对该枚导弹进行连续跟踪，仿真分析得到STSS预警卫星系统中的各颗卫星的连续跟踪时间如图3所示。

图3 STSS预警卫星对某弹道导弹的全程时间跟踪能力

从图3的仿真结果可看出，STSS系统第三个轨道面的第五颗卫星(记为STSS-35)连续跟踪时间最短，为251 s；STSS系统第四个轨道面的第一颗卫星(记为STSS-41)连续跟踪时间最长，为2472 s。

基于上述分析可以看出，STSS预警卫星系统中的各颗卫星对弹道导弹全程可提供251～2472 s的跟踪时间。跟踪时间越长，越有利于预警卫星对弹道导弹进行落点预报估计、目标定位等工作，如120 s 的跟踪时间可实现1.97 km的落点预报精度，而180 s的跟踪时间可实现0.85 km的落点预报精度[8]。

2.2 STSS预警卫星对目标和诱饵的同时连续跟踪能力

在中段弹道导弹将释放多种类型的干扰诱饵，这些干扰诱饵在导弹附近将伴随弹头运动，形成目标群，给预警卫星目标定位和识别带来困难。

STSS预警卫星对某弹道导弹跟踪视场示意图如图4所示，可以看出弹道导弹诱饵在弹头附近伴随飞行，预警卫星需具备一定时长的对弹头和诱饵的同时跟踪能力，以保证实现目标跟踪、定位、识别等应用需求。

图4 STSS预警卫星对弹道导弹跟踪视场示意图

通过仿真分析可知，弹道导弹飞行全程STSS预警系统中的各颗卫星与导弹目标的距离如图5(a)所示，卫星与目标的最小距离出现在STSS系统第三个轨道面的第二颗卫星(记为STSS-32)于导弹发射后第554 s时，此时卫星与弹道导弹的距离为871 km；卫星与目标的最大距离出现在STSS系统第一个轨道面的第三颗卫星(记为STSS-13)于导弹发射后第1385 s时，此时卫星与弹道导弹的距离为11680 km。

根据几何关系可知，预警卫星对弹道导弹目标探测视场范围的计算公式为L=R·θ，其中，R为预警卫星与目标的距离，θ为凝视相机视场角。考虑在弹道导弹飞行过程中预警卫星与导弹的距离在871 km到11680 km范围之间变化(如图5(a)所示)，预警卫星凝视相机视场角为0.2°，经计算可得预警卫星对弹道导弹目标探测视场宽度范围为 31～408 km(如图5(b)所示)，记探测视场宽度范围最小值为Lmin、最大值为Lmax，则Lmin=31 km，Lmax=408 km。即图4中所示的在弹道导弹飞行过程中跟踪视场四边的最小值和最大值分别为31 km和408 km。

图5 STSS预警卫星与弹道导弹目标距离和视场范围

3 STSS预警卫星多目标跟踪能力

除了需要研究STSS预警卫星系统对单个目标的跟踪能力外，预警卫星系统的另一个重要能力——对多颗弹道导弹目标的跟踪能力也亟待分析研究。

考虑美俄互为对方的主要战争威胁对手，俄罗斯对美国作战典型弹道导弹使用场景为：一批次发射10枚弹道导弹攻击美国首都核心区，相邻批次发射间隔1 h；一批次发射10枚弹道导弹攻击美核导弹基地，相邻批次发射间隔1 h；一批次发射3～5枚弹道导弹攻击美其它重要地区，相邻批次发射间隔1 h。

以俄罗斯一批次发射10枚弹道导弹攻击美国某地为场景，STSS预警卫星系统在弹道导弹飞行过程中对10枚目标的可探测卫星数目如图6所示。

图6 STSS预警卫星对某次发射的一批10枚弹道导弹的可探测卫星数目

针对俄罗斯一批次发射10枚弹道导弹攻击美国某地为场景，从图6的仿真结果可以看出，若基于单星探测以尽可能保证多目标跟踪监视能力为前提，则STSS预警卫星可实现对2～12批目标的全程单星跟踪监视，其中在弹道导弹中段可实现对至少8批弹道导弹目标的单星跟踪监视；若基于双星探测以保证协同探测定位精度为前提，则STSS预警卫星可实现对1～6批弹道导弹目标的全程双星协同跟踪，其中在弹道导弹中段全程可实现对至少3批弹道导弹目标的双星协同探测。相关多目标探测能力总结如表2所示，STSS预警卫星对俄罗斯方向攻击美国的多批次弹道导弹具有良好的目标跟踪能力。

表2 STSS预警卫星的多目标探测能力

4 结 语

本文研究了美国STSS预警卫星对弹道导弹目标的跟踪能力，首次对STSS预警卫星的时间跟踪能力和多目标跟踪能力进行了研究。文章首先分析了STSS预警卫星的轨道和载荷方案，在此基础上考虑美国最大战争对手俄罗斯发射的弹道导弹攻击美国本土场景，利用STK仿真分析了STSS预警系统中各颗卫星对弹道导弹的全程跟踪能力。同时，考虑弹道导弹中段释放诱饵的情况，提出了一种分析预警卫星对弹道导弹诱饵和目标同时跟踪时间的方法。在多目标跟踪能力方面，首次分析了典型弹道导弹攻击场景下STSS预警卫星对多批次弹道导弹目标的跟踪能力。本文的分析结果表明，STSS预警卫星系统对弹道导弹目标具有较为出色的跟踪能力，单颗弹道导弹目标具有较强的连续跟踪时间，并可实现对目标和诱饵的长时间连续跟踪，同时对俄罗斯方向攻击美国的多批次弹道导弹具有良好的多目标跟踪能力。