分析俄罗斯导弹预警卫星工作状态

肉孜麦麦提,刘辉，王树文,张松芝

(空军预警学院，湖北 武汉 430019)

0 引言

卫星在绕地运行过程中受到地球非球形引力摄动、三体引力摄动、大气阻力摄动、太阳辐射压力摄动等多种因素的影响[1-2]。因此卫星为了保持其特定的运行轨道，以完成特定的使命任务，需要定期对轨道位置进行调整，消除各种轨道摄动因素造成的轨道位置变化对卫星的影响。随着航天技术的日益发展，航天器的各类功能元部件的稳定性和寿命大大提高，使得制约卫星寿命的因素主要是卫星轨道寿命的长短，而卫星轨道寿命主要由卫星运行轨道的摄动因素和卫星所携带的推进剂多少而决定。因此，卫星是否还有足够的推进剂进行轨位保持，是决定其在轨寿命的关键。从另一个角度来看，一颗卫星如果仍然处于工作状态或是在需要的时候可以转入工作状态，则其必然要定期进行轨位保持。本文将从这一论断出发，通过分析研究俄罗斯“眼睛”系列和“预报”系列导弹预警卫星轨道参数随时间的变化特征，判断其是否还在进行轨位保持，进而推断这些卫星的工作状态，主要是确定其仍然可用还是已经报废。

1 卫星轨道参数描述

卫星绕地球运转的理想轨道(二体力学轨道)根据开普勒行星运动定律，可以用有轨道倾角i、半长轴a、偏心率e、升交点赤经Ω、近地点幅角w和真近点角f等6个轨道根数描述[3-6]。

本文中分析俄罗斯的导弹预警卫星的轨道数据来自与美国NASA公布的星历数据(2行或3行)。图1为NASA公布的国际空间站的3行星历数据，3行星历数据格式中各个字段代表的物理含义如表1所示。

从表1可以看出，在NASA空间目标数据库的3行(或2行)星历数据格式中，描述卫星基本轨道参数的数据集中第2行的9～63列。与传统的轨道6根数相比，这里用平均近点角代替了真近点角，用每日平动圈数代替了半长轴。其中，每日平动圈数(或者半长轴)和偏心率共同决定了卫星轨道的大小和形状；轨道倾角和升交点赤经共同决定了轨道平面的空间位置；近地点幅角决定了轨道在轨道平面中的取向；平均近点角或(真近点角)决定了卫星在轨道上的位置[3-5]。

图1 NASA公布的星历数据格式(国际空间站ISS)Fig.1 NASA′s published ephemeris data format (ISS)

第0行第1行第2行列号例子描述列号例子描述列号例子描述1～24ISS(ZARYA)目标在名称11行号12行号3～725 544目标编号3～725 544目标编号8U类别(U=未分类)9～1651.642 6轨道倾角(°)10～1798067A国际代号18～25316.707 0升交点赤经(°)19～3218 108.410 762 52数据历元时刻(UTC)35～424.246 6近地点幅角(°)34～430.000 019 70轨道平动一阶导数(小数)44～5158.404 8平均近点角(°)45～5200000-0轨道平动二阶导数53～6315.542 764 02平动(每天的圈数)54～6136793-4BSTAR阻力系数64～6810 922 历元时刻的圈数(总共圈数)630轨道模型694校验和65～68999星历号694校验和

2 卫星轨道摄动分析

根据开普勒行星运动定律，绕地运行的卫星，在仅受到指向地心的地球引力作用下，将始终保持在一个固定的轨道上运行，因此其轨道参数除与时间相关决定卫星在轨道上位置的平均近点角或(真近点角)会随时间变化外，其余5个轨道根数将保持不变。然而实际绕地运行的卫星，其所受的地球引力并不指向地心，且还收到月球引力、太阳引力、大气阻力、太阳辐射压力等诸多摄动力的影响，导致其轨道将发生不同程度的变化，相应的6个轨道根数也会呈现一定的变化趋势[7-10]。

2.1 轨道摄动对地球静止轨道卫星轨道参数的影响

俄罗斯地球静止轨道导弹预警卫星“预报”系列卫星的第7颗卫星——“预报-7”公开的卫星名称为“COSMOS 2440”，国际代号为08033A，NASA空间目标数据库的目标编号为33 108，该卫星于2008-06-26发射升空。下面选取2008-08-12(卫星已进入预定轨道位置)NASA公布的该卫星的轨道数据为基础，分析其在不进行轨位保持的情况下，由于受轨道摄动影响，其轨道参数的变化情况(通过本文的分析研究得出如下结论：在进行轨位保持和不进行轨位保持2种情况下，卫星的6个轨道根数中变化特征有明显差异的是反映轨道周期的每日平动圈数这一参数。因此，本文中重点分析卫星轨道六根数中的每日平动圈数随时间的变化特性)，如图2所示。

从图2可以看出，在不进行轨位保持的情况下，地球静止轨道卫星的每日平动圈数在各种摄动作用的影响下将发生周期性的有规律的变化，整个变化曲线呈现出平滑特性。

2.2 轨道摄动对大椭圆轨道卫星轨道参数的影响

俄罗斯大椭圆轨道导弹预警卫星“眼睛”系列卫星的第84颗卫星——“眼睛-84”公开的卫星名称为“Cosmos 2430”，国际代号为07049A，NASA空间目标数据库的目标编号为32 268，该卫星于2007-10-23发射升空。下面选取2007-11-09(卫星已进入预定轨道位置)NASA公布的该卫星的轨道数据为基础，分析其在不进行轨位保持的情况下，由于受到轨道摄动影响，其每日平动圈数这一轨道根数的变化情况，如图3，4所示。

从图3，4可以看出，在不进行轨位保持的情况下，大椭圆轨道卫星的每日平动圈数在各种摄动作用的影响下将发生周期性的有规律的变化，并且由于大椭圆轨道在其一个轨道周期内轨道高度从40 000 km左右变化到1 000 km以内，相应的轨道参数存在小周期(12 h左右)的变化。如果采用周期轨道预报(LOP)分析，忽略轨道参数短周期(1天以内的变化)，可以得出大椭圆轨道的每日平动圈数长周期变化趋势同样呈现平滑特性。

3 轨位保持的卫星轨道参数变化特征分析

从上文分析可知，绕地球运行的各类卫星，由于各种摄动力的作用，其轨道将会发生长周期或者短周期的变化，如果不进行轨位保持，卫星的运行位置将逐渐偏离理论设计值。为了确保卫星完成相应的任务，同时避免卫星间发生碰撞，需要通过轨位保持使卫星的位置始终在理论设计值附近。因此，卫星进行轨位保持，实际上就是在卫星在摄动力作用下位置误差大于一定阈值时，通过施加外力校正其位置误差的过程[11-14]。在此过程中，由于通过外力在短时间内将卫星的轨道调整回理论设计值，从卫星轨道参数的时间变化特性看，理论上而言必然会出现一个不可导的拐点。通过本文的分析研究，这种不可导的拐点在卫星轨道6根数的每日平动圈数(或轨道周期、或半长轴)随时间的变化特性曲线中最为明显。

图2 COSMOS 2440(“预报-7”)卫星不进行轨位保持时每日平动圈数的变化特性Fig.2 COSMOS 2440 (“Precession-7”) shows the changing characteristics of the number of daily translation coils when the satellite is not in orbit maintenance

下面分析俄罗斯2种系列导弹预警卫星在轨正常运行阶段的每日平动圈数的时间变化特性。相应卫星的轨道参数来源于美国NASA公布的空间目标数据库的3行星历数据文件。

3.1 地球静止轨道卫星轨道参数在进行轨位保持时的变化特征

图5是俄罗斯地球静止轨道导弹预警卫星“预报”系列卫星的第7颗卫星——“预报-7”在轨正常运行阶段的每日平动圈数的时间变化特性曲线。

图5中横坐标为以卫星发射入轨时刻为零点的时间轴(以天为单位)，该卫星于2008-06-26发射升空，可以看出在2008年8月至2010年6月之间该卫星进行了4次轨位保持，平均每3～5个月做1次轨位保持。且每次进行轨位保持时，卫星轨道的每日平动圈数都会发生1次阶跃性突变，由较小值变为较大值；而在相邻2次轨位保持之间，除了个别短周期(1天以内的变化)呈现出小的峰值(毛刺形状)外，在长周期上卫星轨道的每日平动圈数整体上呈现由较大值到较小值的单调递减趋势[7-10]。

图3 COSMOS 2430(“眼睛-84”)卫星不进行轨位保持时每日平动圈数的变化特性(长周期)Fig.3 COSMOS 2430 (“Eye-84”) the changing characteristics of the number of daily translational coils (long period) when the satellite is not in orbit maintenance

图4 COSMOS 2430(“眼睛-84”)卫星不进行轨位保持时每日平动圈数的变化特性(短周期)Fig.4 COSMOS 2430 (“Eye-84”) the changing characteristics of the number of daily translation coils when the satellite is not in orbit maintenance (short period)

图5 COSMOS 2440(“预报-7”)卫星进行轨位保持时每日平动圈数的变化特性Fig.5 COSMOS 2440 (“Precession-7”) satellite′s variation in the number of daily translation coils during orbital maintenance

该分析结论与地球静止轨道卫星受地球非球形摄动的理论是相符的。地球非球形摄动使卫星在地球静止轨道上经度方向来回漂移，且存在2个稳定平衡点(即所谓地球引力槽的位置)分别位于75°E和105°W，地球静止轨道上的卫星在地球非球形摄动作用下均会朝着临近的稳定平衡点运动。COSMOS 2440的定点经度在80°E，因此其在地球非球形摄动作用下将会朝75°E运动，即向西运动。也就是说卫星轨道周期将大于地球自转周期(运动变慢)，即在地球非球形摄动作用下COSMOS 2440卫星的每日平动圈数将逐渐减小。这与图5的实测数据是相符的。

从这里的分析可以看出，从地球静止轨道卫星轨道参数(尤其是每日平动圈数)的时间变化特征可以明确判断卫星是否在定期进行轨位保持。

3.2 大椭圆轨道卫星轨道参数在进行轨位保持时的变化特征分析

图6是俄罗斯大椭圆轨道导弹预警卫星“研究”系列卫星的第84颗卫星——“预报-84”在轨正常运行阶段的每日平动圈数的时间变化特性曲线。

该卫星于2007-10-23发射升空，可以看出在2007年11月至2012年5月之间该卫星进行了25次轨位保持，平均每2个月做1次轨位保持。且每次进行轨位保持时，卫星轨道的每日平动圈数都会发生1次阶跃性突变，由较大值变为较小值；而在相邻2次轨位保持之间，卫星轨道的每日平动圈数整体上呈现由较大值到较小值的单调递增趋势。

因此，从大椭圆轨道卫星轨道参数(尤其是每日平动圈数)的时间变化特征可以明确判断卫星是否在定期进行轨位保持。

4 俄罗斯导弹预警卫星工作状态分析

航天装备，尤其是以星座形式运行的战略航天装备，其在轨的各卫星成员往往不是都处于战备值班状态，为了确保星座体系的稳定性、可靠性、长寿命和生存能力，星座设计时往往将在轨卫星设定为不同的状态，不同状态之间可以在战场条件发生变化时进行切换。以美国也是全球至今最为成熟的导弹预警卫星星座——DSP卫星星座为例，作为一个完善的星座系统，DSP卫星星座由处于各种不同状态的卫星成员组成。除了处于工作状态，执行战备值班和作战任务的卫星外，还包括处于备份状态、退役状态和报废状态的卫星。

工作状态。卫星严格保持定点位置，及时进行轨道修正和姿态调整，红外探测系统开机工作，与地面站既保持测控通信，又保持连续的数据通信，及时将红外探测数据传回地面站。

备份状态。卫星严格保持定点位置，及时进行轨道修正和姿态调整，红外探测系统开机工作，与地面站只保持测控通信，不占用地面站数据通信资源。一旦由备份状态转为工作状态，只需恢复对地面站的数据通信即可。

退役状态。卫星定时进行轨道修正，红外探测系统关机，但进行定时测试维护，与地面站随时保持联络，一旦由退役状态转为备份状态，需要重新开启红外探测系统。

报废状态。卫星完成其使命任务后，利用最后的一点燃料作轨道机动，进入比地球静止轨道更高的坟场轨道，作为太空垃圾丢弃。

图6 COSMOS 2430(“眼睛-84”)卫星进行轨位保持时每日平动圈数的变化特性(长周期)Fig.6 COSMOS 2430 (“Eye-84”) changes in the number of daily translation coils when the satellite is in orbit maintenance (long period)

从美国最为成熟的导弹预警卫星系统(DSP系统)卫星成员的状态定义可以得出，卫星是否继续进行轨位保持，是卫星能否投入作战使用的必要条件，即如果卫星不再进行轨位保持，则可以直接判定卫星处于报废状态，已无法再投入作战使用。所以，可以通过分析航天装备尤其是战略航天装备是否在进行轨位保持来推断卫星的实际使用状态。

下面就通过分析俄罗斯导弹预警卫星的轨道参数变化特征，推断其实际使用状态。

从美国NASA公布的空间目标数据库中获取俄罗斯仍然在轨的“眼睛”系列和“预报”系列导弹预警卫星(3颗“眼睛”系列大椭圆轨道-HEO导弹预警卫星，2颗“预报”系列地球静止轨道-GEO导弹预警卫星)全寿命周期(截止到2018年4月18日)的轨道参数数据。通过分析轨道参数(每日平动圈数)的时间变化特征，判断其实际状态。

图7和图8分别是俄罗斯导弹预警卫星COSMOS 2440(“预报-7”)和COSMOS 2430(“眼睛-84”)的每日平动圈数的时间变化特性曲线。

通过对比分析，可知COSMOS 2440卫星在2010年6月以后就没有进行轨道保持了；COSMOS 2430卫星在2012年5月以后也没有进行轨道保持了。采用同样的方法对俄罗斯另外的2颗大椭圆轨道导弹预警卫星(COSMOS 2446(“眼睛-85”)；COSMOS 2469(“眼睛-86”))和一颗地球静止轨道导弹预警卫星(COSMOS 2479(“预报-8”))也进行了对比分析，分析结果如表2所示。该分析结果与相关资料报道俄罗斯“眼睛”和“预报”系列导弹预警卫星截止2014年10月已全部失效是吻合的[15]。

图7 COSMOS 2440(“预报-7”)卫星进行轨位保持时每日平动圈数的变化特性Fig.7 COSMOS 2440 (“Precession-7”) satellite′s variation in the number of daily translation coils during orbital maintenance

图8 COSMOS 2430(“眼睛-84”)卫星进行轨位保持时每日平动圈数的变化特性(长周期)Fig.8 COSMOS 2430 (“Eye-84”) satellite′s variation in the number of daily translation coils during orbital maintenance (long period)

卫星轨道类型发射时间停止轨位保持的时间(判定为失效时间)轨道寿命轨位保持次数及频率COSMOS 2469(“眼睛-86”)大椭圆轨道2010-09-302013年2月2年半12次,约2月/次COSMOS 2446(“眼睛-85”)大椭圆轨道2008-12-022014年6月5年半29次,约2月/次COSMOS 2430(“眼睛-84”)大椭圆轨道2007-10-232012年5月4年半25次,约2月/次COSMOS 2479(“预报-8”)地球静止轨道2012-03-302014年4月2年3次,约3～5月/次COSMOS 2440(“预报-7”)地球静止轨道2008-06-262010年6月2年4次,约3～5月/次

5 结束语

通过对比分析卫星全寿命周期内轨道参数(尤其是每日平动圈数)的时间变化特性，可以判定卫星是否还在继续进行轨位保持，进而明确其是否还在轨道寿命周期内，对于战略航天装备而言，可以据此判定该装备是否还能投入作战使用，即明确其实际工作状态。通过这一研究一方面可以全面掌握国外航天装备尤其是战略航天装备的实时动态；另一方面可以为我国开展战略攻防对抗和战略布局时提供数据支撑和重要理论依据。