注册 登录  
 加关注
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

长缨在手 敢缚苍龙

 
 
 
 
 

日志

 
 

漫谈天基海洋目标监视系统  

2015-11-04 12:49:24|  分类: 装备介绍 |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |
漫谈天基海洋目标监视系统 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 

在纪念中国人民抗日战争暨世界反法西斯战争胜利70周年的盛大阅兵式中,我国首次公开展示了DF-21D和DF-26两款反舰弹道导弹。以航母为代表的海上作战平台活动范围广、作战半径大。为有效打击这类目标,必须具备对其实时远程侦察监视能力、精确定位能力、及时准确的信息处理分发能力和打击效果评估能力。此次阅兵前的新闻发布会上,总参作战部副部长介绍说参阅装备方队展示的都是我军的现役装备,这说明我军的反舰弹道导弹已经形成了作战能力。因此,我们有理由相信我国已经拥有了保障反舰弹道导弹作战的海洋目标监视系统。尽管官方没有公布这方面的情况,我们不妨通过回顾美苏等国海洋目标监视系统的发展历史和国外媒体的报道,结合此类系统的一般原理,对我国海洋目标监视系统的发展情况做出分析。

海洋目标监视系统的作战需求

海洋目标监视系统的作用是探测、识别、定位和跟踪全球海面舰艇,为远程精确打击武器提供目标指示与引导。需进行监视的海洋目标一般具有以下特点:(1)几何尺寸较大,对探测的空间分辨率要求不高。比如要发现长约300米的航空母舰并判明具体型号,只需5米分辨率的图像。(2)通常是金属结构,可见光反照率特征明显、雷达反射截面大,便于使用光学和无线电探测手段。(3)舰船上的电子设备发射多种无线电信号,包括警戒雷达、火控雷达、引导雷达、通信信号等,特别是为了自身安全,警戒雷达通常是不关机的。只要目标不是严格无线电静默,就可以采用电子侦察手段。

根据实战的需要,海洋目标的定位精度通常要求优于5 km,并希望能给出航速和航向信息。考虑海洋目标的机动性,比如美国核动力航母的航速可达每分钟1 km,而打击航母的导弹末制导系统的搜索范围是有限的,因此要求海洋目标监视系统的时间分辨率最好在2小时以内。为保障远程打击武器从数据装订到精确打击目标和判明打击效果的全过程,对于系统的持续跟踪能力也有一定要求。海洋目标监视系统的发展方向是全球覆盖、全天候工作、探测效率和识别准确率高、较低的虚警率和漏警率等。

海洋目标监视系统可分为岸基、空基和天基系统等。岸基系统包括大型无线电测向阵无源探测和天波超视距雷达有源探测,空基系统指的是远程海上巡逻机。早期的海洋目标监视系统是岸基和空基结合,即先用岸基系统发现海上目标的概位,然后派出巡逻机飞临任务海区搜寻识别目标。苏联在冷战早期曾成功的演示过用岸基和空基结合的方法对美国航母战斗群实现远程监视。但这两套系统也都存在很多难以克服的问题,比如岸基系统的探测距离不能覆盖全球、定位精度差、容易受电离层和海洋环境干扰、虚警率和漏警率高等;空基系统反应时间长、搜索效率低、受天气条件限制等。

随着空间技术的快速发展,人们意识到使用卫星侦察的巨大优越性:覆盖范围广、可全球侦察、定位精度高、重访时间短、探测手段多等,天基系统很快就取代岸基和空基系统成为海洋目标监视的最重要手段。可用于海洋目标探测的空间手段主要有电子侦察定位、光学遥感成像(可见光和红外相机)和微波遥感成像(SAR雷达),三者各有特点和使用前提条件,可相互补充组成完备的天基海洋监视系统。

典型的天基海洋目标监视系统的工作流程主要包括目标搜索发现、目标特性分析与分布区域预测、目标识别、目标跟踪监视。第一步通过电子侦察卫星在敏感海域进行搜索,发现疑似目标并定位,回传地面中心。第二步通过地面信息系统进行目标分析,预测其未来运动轨迹分布范围,指挥引导成像卫星前往侦察。第三步通过成像侦察卫星在目标可能的分布区域内搜索拍照,将图像回传地面中心并确认识别目标。若未能捕捉目标,可重复前三步,直到完成目标的首次发现及拍照。第四步是天基系统对目标的重访跟踪,得到目标的持续情报。

天基海洋目标监视系统的发展历史

冷战时期美苏两个超级大国分别发展了自己的天基海洋监视系统,各有特色。这对于我国发展自己的天基海洋监视系统很有借鉴价值。

20世纪60年代后期,由于苏联海军实力的不断增长,美国开始发展天基海洋监视系统。美军最早使用“雪貂”电子侦察卫星进行海洋目标监视试验,但“雪貂”是为测定地面固定防空系统而研制的,不能有效进行海上运动目标定位和识别。随后美军开始研制专用的电子侦察型海洋目标监视卫星(NOSS)。第一代NOSS卫星代号“白云”(White Cloud),又称“命运三女神”(PARCAE),顾名思义采用三星星座体制,通过测量海上目标的无线电辐射信号的到达时间差来定位跟踪。1971年12月14日发射了试验型三星星座,验证了多星测时差定位原理。1976年4月30日首次发射第1组工作型卫星,到1980年底共发射4组,其中失败1组。改进型“白云”于1983年2月9日首次发射,到1987年5月5日共发射了5组。第二代NOSS卫星代号“游骑兵”(Ranger),1990年6月8日首次发射,到1996年5月12日共发射了4组,其中失败1组。第三代NOSS卫星代号“侵入者”(Intruder),2001年9月8日首次发射,到2012年9月13日共发射6组。值得一提的是,外界一直将“侵入者”误认为是美国高轨信号情报卫星的代号,直到斯诺登泄漏的一份美国国家侦察办公室的预算文件揭露了真相。前两代NOSS都是三星星座,星间距约100 km,对海面目标的定位精度约2km,卫星寿命约7年。第三代NOSS改为双星体制,目前在轨有2组4星作为主份星工作。所有的NOSS卫星都工作在高度约1100 km、倾角63.4度的近圆轨道上。每个星座可监测地面半径3500 km内的目标信号,三个星座组网工作的时间分辨率约1~2小时(与目标纬度有关)。

第一代NOSS卫星
漫谈天基海洋目标监视系统 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙

从地面看到的NOSS三星星座
漫谈天基海洋目标监视系统 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙

电子侦察是一种无源定位手段,具有设备小、重量轻、功耗低、覆盖范围广、重访时间短的优点,可使用小卫星平台。卫星上的电子侦收设备通过接收目标辐射的雷达或通信等无线电信号进行定位并判明其属性。定位的方法有多种,包括单星测向定位、双星测时差/频差定位、多星测时差定位等。测时差定位的方法始于“罗兰”导航系统,它是利用舰船上的设备测量多个已知的方位的辐射源(导航台)发射的电波到达角,来确定舰船所在位置。对于无线电辐射源的无源定位来说,它是利用辐射源信号到达已知位置的多个接收站,所形成的等时差曲线相交的交点来实现辐射源定位的。因此,有时称其为“反罗兰”技术。以三星测时差定位为例,其基本原理是采用三颗卫星形成两条基线,测量侦察目标辐射源信号到达每条基线上两颗卫星的时间差,从而得到以两颗卫星为焦点的一个回转双曲面上。两条基线分别得到的回转双曲面相交于一条曲线。该曲线在等高程面上(如海面目标为零海拔等高面)最多有两个交点,通过粗测向信息去掉一个模糊点,或排除一个不可观测点(比如卫星到该点的连线与地球表面相交),就可确定目标源的位置。

三星测时差定位原理示意图
漫谈天基海洋目标监视系统 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙

电子侦察定位卫星工作的前提是能够接收目标发射的无线电信号,因此要求电子侦收设备具有高灵敏度和宽接收频域。系统要从接收到的信号中筛选出可用信号,并对不同卫星接受到的信号进行脉冲序列配对,以确定时间差。为了识别信号源的属性,可将信号与预先存储的特征信号库进行比对,为此应注意平时的情报积累,以增加对目标特性的认识。如果配合其他种类的侦察卫星,如光学或雷达成像卫星,可以有效地提高确认目标的概率。对抗电子侦察卫星的一个有效方法是卫星过顶期间或全程保持无线电静默,因此电子侦察型海洋监视卫星在战时的其效能可能会有很大的下降。另一种对抗措施是故意欺骗。当电子侦察卫星经过某一区域时,敌方可以施放模仿被侦察目标辐射的假信号,使电子侦察卫星误以为有目标,从而掩护真目标。总之,电子侦察卫星必须与其他种类的侦察卫星配合使用,才能完成海洋目标监视任务。

苏联最早发展的是主动雷达型海洋监视卫星(US-A),1965年至1969年发射5颗试验卫星,1970年10月3日正式发射工作型卫星,到1988年共发射32颗。由于雷达工作的需要,US-A使用以浓缩铀235为燃料的BES-5型核电源,功率为2千瓦。US-A卫星工作在高约270km、倾角65度的近地轨道,寿命仅为60~70天,完成任务后核反应堆舱段与卫星主体分离,并被小火箭推送到高约900km的轨道上。US-A卫星的有效载荷是一部大功率X波段雷达,发射两个波束,覆盖带宽分别为256 km和248 km,中间有85 km的重叠,分辨率为20~30 m,可全天候工作,在良好海况下能够探测到中型和某些小型舰只,在恶劣海况下能够探测到大型舰只(如航母)。US-A通常双星配合工作,过顶时间相差20~30min。通过比较两颗卫星从目标返回的雷达信息,可以减小海杂波影响,并判断出其航向和航速。1973年和1982年曾两次发生US-A卫星失效后核反应堆坠入大气层的严重事故。苏联于1988年3月14日发射“宇宙”1932号后停止发射该型卫星,此后各国也没有再发展雷达型海洋监视卫星。

US-A卫星
漫谈天基海洋目标监视系统 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙

苏联也发展了电子情报型海洋监视卫星(US-P),1974年12月24日首次发射“宇宙”-699号卫星,到1991年1月18日共发射37颗。US-P部署在高450 km、倾角65°的近地轨道上,对地侦收半径为1800 km,地面重访周期3天,寿命为8~12个月。US-A卫星采用单星多基线干涉定位法,由于基线长度受限,定位精度较低,为6~13 km。US-P卫星通常采用双星组网工作,也可与US-A卫星配合使用。苏联解体后俄罗斯继续发展了改进型US-PM卫星,寿命提高到2年,1993年3月30日发射首颗卫星,到2006年6月25日共发射13颗,其中最后一颗发射失败。目前俄罗斯正在发展新一代电子侦察型海洋目标监视卫星。

US-P卫星
漫谈天基海洋目标监视系统 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙

我国天基海洋监视系统分析

我国面临较为严重的海洋方向威胁,为了维护国家主权和领土完整、保障海洋权益和海上通道安全、支持国民经济建设,必须掌握有效的海洋监视手段。尤其是近年来,为了满足探测跟踪大型海上移动舰船和远程打击武器高精度目标指示的需求,我国发展了天基海洋目标监视系统。

《简氏防务周刊》等国外媒体曾猜测我国使用遥感九号系列电子侦察卫星和遥感八号系列光学成像侦察卫星结合的方式构建天基海洋目标监视系统。根据何梁何利基金会网站刊登的获奖人介绍,北京市遥感信息研究所周志鑫研究员“发明了基于时差体制的移动载体定位快速处理方法,可快速完成海上移动载体的快速定位计算,已应用于海洋探测系统工程建设;提出并实现了多通道拼接与高精度数据处理方法,已应用于星载高分辨率宽覆盖CCD可见光相机。”这似乎印证了外媒的猜测。

我国于2010年3月25日、2012年11月25日、2013年9月2日、2014年8月9日和2014年12月11日,用长征四号丙运载火箭从酒泉卫星发射中心先后将遥感卫星九号、十六号、十七号、二十号和二十五号送入太空。美国具有对空间目标完善的监控能力,并通过北美空天防御司令部(NORAD)公布其监测到的世界各国发射的航天器轨道参数。有国外航天网站根据NORAD的数据分析,这些发射每次都由三颗卫星组成星座,工作在高度约1100 km、倾角63.4°的近圆轨道上,与美国的NOSS非常相似。

倾角63.4°的三个轨道面
漫谈天基海洋目标监视系统 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙

倾角63.4°的轨道有两个特点。一是该倾角是所谓临界倾角。由于地球的形状不是精确的球形,处于地球引力场中运动的卫星轨道不能保持严格的开普勒椭圆轨道,轨道参数会发生缓慢的变化,称作轨道摄动。而处于临界倾角上的轨道具有一个特点,其拱线(连接轨道近地点和远地点的直线)不再进动,有利于维持星座构型。另一个特点是,处于63.4°倾角、升交点赤经间隔72°的三条轨道,在30°到60°纬度间形成一个等边三角形。这种空间对称构型有利于卫星对地面目标的均匀重访。目前遥感卫星九号系列的五组卫星就工作在这三条轨道上,其中遥感卫星九号与二十号轨道面相同,遥感卫星十六号与二十五号轨道面相同,可能是到寿替代关系,这说明该星座的设计寿命约为3年。如果遥感卫星九号系列的性能与第一代和第二代NOSS相似,我们可以推测其海上目标定位精度为公里量级,时间分辨率小于2小时,基本满足了对航母等大型海上目标的监视跟踪要求。

我国选用三星测时差定位原理发展电子侦察型海洋监视卫星,是考虑到长基线定位的精度较高,而且测时差法对卫星本身的姿态控制精度要求不高,可采用小卫星平台。技术难点是:多星星座的轨道控制与保持要求较高,必须严格控制星间距;时差定位要求星座必须有严格的时间同步系统,需要高精度时钟技术和星间链路。为了完善提高电子侦察型海洋监视卫星的性能,未来应进一步提高信号侦测能力和目标定位精度和卫星寿命,并能够测量目标的航向和航速。还可以增加在轨运行的星座轨道面,进一步提高时间分辨率。

我国于2009年12月15日10时31分、2012年5月29日15时31分、2013年11月20日11时31分、2014年10月20日14时31分和2015年8月27日10时31分,用长征四号丙运载火箭从太原卫星发射中心分别发射了遥感卫星八号、十五号、十九号、二十二号和二十七号。根据国外网站公布的航天器轨道参数,这五颗卫星都位于高度约1200千米的太阳同步轨道,倾角100.5°,轨道周期109分钟。因此外媒猜测这些卫星属于同一个系列。而根据《中国航天报》在遥感卫星二十七号成功发射后的宣传报道,该系列卫星于2005年立项,首星于2009年发射,遥感卫星二十七号是该系列的第五颗卫星。这证实了外媒的猜测。

遥感卫星二十七号研制团队
漫谈天基海洋目标监视系统 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 
根据中国空间科学学会网站今年年初刊登的院士候选人公示材料,中国科学院长春光机所任建岳研究员“2005年任我国首次卫星海洋监视工程XX-X卫星副总师,基于此相机负责进行XX-X卫星型号研制,首星2009年入轨,轨道高度XXXX km、地面分辨率X m、幅宽XXX km,成为我国全球海洋监视的关键手段,开创我国离轴三反技术空间应用的先河,为我国空间光学遥感器位列国际领先行列做出应有贡献。已研制5台,4台投入业务运行,至今稳定可靠工作,像质优良。”这就间接证实了遥感卫星八号系列是光学成像型海洋监视卫星。

同轴反射式空间相机视场一般仅为1~2度,而离轴三反相机可实现10~20度的超大视场,有利于提高成像幅宽。以15度视场估算,遥感八号系列卫星的幅宽可达300 km。当电子侦察卫星发现目标后召唤在轨光学侦察卫星对地成像,考虑到航母最大航速约为每分钟1 km,为了保证目标仍在光学侦察卫星的视场内,300 km幅宽相当于要求响应时间小于2.5小时。由于原理的限制,光学侦察卫星的成像幅宽仍远远小于电子侦察卫星的侦听覆盖范围,为了满足上述响应时间要求,光学侦察卫星必须具有很强的姿态机动侧摆成像能力。根据长春光机所宣明所长发表在《中国光学》杂志上的公开论文,该所为多种遥感卫星研制的空间相机具有敏捷成像能力,可以在卫星大姿态角下实现沿轨纯侧摆推扫成像,大大提高了卫星对地观测的时间分辨能力。文中提到遥感八号系列卫星的相机可在最大侧摆角40度时清晰成像,这相当于在1200 km轨道高度可实现超过2000 km宽度的可观测范围。

从卫星发射时间可以判断,目前遥感八号系列的五颗卫星分为两组工作,分别是三颗上午星(其中首星估计已经超期服役)和两颗下午星。经过计算表明,这样的星座配置可以保证白天光学成像条件允许的若干小时内对任意地点的重访时间小于2小时,满足电子侦察卫星对后续光学成像目标识别的响应时间要求。根据《中国航天报》的报道,遥感卫星二十七号总指挥周伟敏表示,该系列“后续几颗卫星在两方面有了显著提高:一是卫星平台、控制系统和快速姿态机动方面得到了提高,研制团队本着精益求精的要求,不断提高卫星的应用响应速度;二是卫星的信息处理系统的处理信息能力得到显著提高,提高了用户使用的方便性。”光学成像海洋监视卫星未来应进一步增加成像的幅宽和分辨率,提高目标识别的准确度;增加卫星数量,缩短应召成像响应时间;还可以考虑装配红外相机,增加提高夜间识别目标的能力。

综上所述,遥感九号系列卫星和遥感八号系列卫星配合工作,已经构建起一套满足最低限度需求的海洋目标监视系统,使我国成为世界上第三个拥有天基海洋监视能力的国家。考虑到俄罗斯严重缺乏在轨工作的海洋监视卫星,可以说我国的海洋目标监视能力目前仅次于美国。

天基海洋监视系统的未来发展

目前我国的天基海洋监视系统存在的缺陷主要是:电子侦察卫星难以发现无线电静默目标、战时易受干扰和欺骗,光学遥感卫星的目标重访时间需要缩短、不能在夜间和恶劣天气下工作等。为了解决这些问题,进一步提高天基海洋监视系统的效能,有三种可能的技术途径,分别是新一代海洋监视雷达卫星、敏捷小卫星全球布网和地球同步轨道凝视成像卫星。

主动雷达型海洋监视卫星最大的优点是可以发现无线电静默目标,同时可以全天候工作,与电子侦察卫星和光学遥感卫星互补。苏联早期发展的雷达型海洋监视卫星有两点备受诟病:一是使用核动力电源,发射和再入大气时存在严重的安全隐患;二是受当时电子技术水平的限制,为了保证分辨率工作在不到300km高度的轨道上,寿命短而且探测效率低。随着技术的进步,这两点都可以得到克服。现在的高效太阳能电池可为卫星提供万瓦级电源,超过了当年的核动力电源,足以支撑天基雷达的工作。大型可展开天线技术使雷达的探测距离和精度增加,卫星可工作在较高的轨道上(如600~800 km),采用L或C波段多极化SAR,在搜索模式下使用时域检测,其瞬时视场覆盖幅宽可达1000~2000 km,在识别模式下使用高分辨率成像,对已探测到的目标进行特征确认。估算表明,只需要4~5颗这样的雷达卫星,就可以对全球任意海域实现2~4小时的重访率。如果以主动雷达卫星作为主星、以几颗电子侦察卫星为子星组成星座,用主被动探测相结合的方式,可更好地满足各种复杂环境下的海洋目标监视需求。

小卫星具有制造和发射成本低、可使用小型火箭快速机动发射的优点。敏捷小卫星平台具有很强的侧摆机动能力,可进一步提高重访率。根据公开报道,国内已有多家单位提出了小卫星全球布网星座计划。航天科工集团公司提出的商业遥感卫星星座计划由30余颗小卫星组成,可提供重访周期小于2小时的高分辨率光学和SAR图像,按需提供视频、高程、多光谱图像,可对陆地、海洋、大气、环境等多种要素进行长期稳定的综合观测。中国科学院长春光机所提出的小卫星发展规划是:第一阶段,2015年发射4颗卫星,其中包括“吉林一号”高分辨率光学小卫星(重420 kg、分辨率0.72米、幅宽12 km)和一颗灵巧成像星(重65 kg、分辨率5米、幅宽10 km);第二阶段,2016年在轨卫星16颗,完成首次组网,实现对全球任意地点3~4小时内数据更新。第三阶段,到2020年在轨卫星60颗,可实现全球任意地点半小时内数据更新。第四阶段,2030年,实现在轨运行138颗卫星,形成全天时、全天候、全谱段数据获取和全球任意点10分钟以内重访能力,可提供全球最高的时间分辨率和空间分辨率的航天信息产品。我国长征六号小型液体运载火箭具有多星发射能力,一次发射可将十多颗50 kg级小卫星送入轨道;而快舟系列和长征十一号小型固体运载火箭能在一天内完成应急响应发射,可用于小卫星紧急补网。

地球同步轨道(GEO)光学遥感卫星“站的高、看的远”,可以弥补传统低轨遥感卫星的时间分辨率低和覆盖范围小等问题,并基于视频拍摄手段实现对地球表面移动目标的实时连续跟踪监视。我国计划于今年年底发射的首颗GEO光学遥感卫星高分四号采用面阵凝视方式成像,具备可见光、多光谱和红外成像能力,可见光和多光谱分辨率优于50m,单次成像幅宽达到400km,可视范围包括东经180度以西的太平洋海域和绝大部分印度洋海域。高分四号的分辨率目前尚无法满足海洋目标监视的需求,但相关技术的突破将为未来的高分辨率GEO光学遥感卫星打下基础。欧洲Astrium公司最近提出了一种GEO光学遥感卫星方案GO3S,指标为口径4米、分辨率3米、视场100 km,可对港口进行常态化监视,能探测、识别和跟踪海上舰船目标,并提供航向和航速信息。我国也应研制类似指标的GEO光学遥感卫星。根据公开报道,国内有多家单位在研制4米级的轻量化反射镜,未来可用于大型光学遥感卫星,包括GEO遥感卫星。

GF-4示意图
漫谈天基海洋目标监视系统 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙


原载《舰船知识》2015.11,此为原稿。请勿转载。
  评论这张
 
阅读(5817)| 评论(0)
推荐

历史上的今天

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2016