一种拖拽式的预警装备快速部署方法

时间：2024-05-04

秦国政陆泽健赵会朋李博骁

（中国电子科学研究院北京市 100041）

1 引言

导弹预警系统作为弹道导弹防御系统的“耳目”，能够提供导弹的早期预警、精密跟踪、弹头识别、跟踪指示等信息，其发展一直受到美、俄等军事强国的高度重视。目前，国外的导弹预警装备主要包括预警卫星和预警雷达[1]，其中预警卫星中的高轨预警卫星主要用于导弹发射的早期预警，低轨预警卫星主要用于导弹中段的精密跟踪和识别[2-6]；预警雷达是在预警卫星的信息支援下，对导弹目标进行截获、跟踪、识别和指示[7-9]。为了充分发挥预警装备的效能，需要根据导弹的攻击场景和预警装备的工作特点对其进行合理配置，利用仿真手段对预警装备的配置方案进行分析、评估和迭代优化[10-12]。

在目前常见的预警系统仿真软件产品中开展仿真场景构建和装备部署时，主要利用手动方式设置每部预警装备的各项性能参数，例如预警卫星需要设置卫星轨道、星座构型、传感器探测性能等参数，预警雷达需要设置雷达的位置、工作频段、探测距离、探测范围等参数。仿真场景构建和预警装备部署过程繁琐且无法根据仿真需求进行灵活调整装备部署方案。因此，研究仿真场景的快速构建及预警装备的快速部署方法，对预警系统仿真软件产品研制，以及预警系统的仿真和评估都具有重要意义。

本文针对仿真场景快速构建和预警装备快速部署，提出了一种拖拽式的装备快速部署方法，可支持利用鼠标拖拽的方式在预警系统仿真软件产品中快速部署预警卫星和预警雷达，并可根据仿真场景灵活调整装备的配置方案，有效提高了导弹预警系统仿真分析和效能评估的效率。

2 预警卫星快速部署

通过分析美、俄预警卫星的发展演进特点，预警卫星常用的轨道包括地球静止轨道（GEO）、大椭圆轨道（HEO）和低轨倾斜圆轨道（LEO）。GEO 卫星和HEO 卫星具有轨道高、传感器覆盖范围广等特点，少量预警卫星即可提供持续的全球区域覆盖能力，能够发现和跟踪导弹的主动段。典型GEO 和HEO 卫星系统有美国的“天基红外系统-高轨道”（SBIRS-High）系统，由5 颗GEO 卫星和4 颗HEO 卫星组成，每颗卫星均安装一台宽视场的高速扫描相机和一台窄视场的凝视跟踪相机，通过两者结合实现对全球导弹发射的早期预警[6]。低轨预警卫星星座主要是由部署在不同轨道面卫星构成，卫星具有轨道低、传感器灵敏度较高等特点，通过卫星与卫星之间的信息“交接”，实现对导弹中段和再入段的精密跟踪和识别，同时为拦截武器提供引导数据。为了保证对弹道导弹目标探测具有足够的信杂比，在进行弹道导弹中段跟踪时，需要采用以深空为背景的临边探测模式。典型低轨预警卫星系统有美国的“太空监视与跟踪系统”（STSS），由18-32 颗LEO 卫星组成，每颗卫星均装备了宽视场的扫描相机和窄视场的跟踪相机[6]。

图1：GEO 卫星的快速部署流程

图2：LEO 卫星快速部署流程

根据现有预警卫星的轨道类型和工作特点可以得到，GEO 卫星定点于地球赤道上空，可通过设置卫星星下点经度进行快速部署；LEO 卫星系统主要由多颗低轨道卫星按照Walker 星座的构型组成卫星星座，因此可以通过设置星座的具体构型（包括轨道面数量、每个轨道面卫星数量等），按照Walker 星座的生成原理，自动计算星座中每颗卫星的轨道参数，实现LEO 卫星星座的快速部署；HEO 预警卫星主要采用倾角为63.4°的大椭圆冻结轨道，远地点位于北半球高纬度地区，用于对高纬度区域的预警探测。由于HEO卫星星座的特殊性和卫星数量的限制（一般不超过4 颗），需要根据不同任务要求对HEO 卫星的轨道和载荷参数进行单独配置。下面重点介绍GEO 卫星和HEO 卫星的拖拽式部署流程。

表1：GEO 卫星轨道参数

表2：LEO 卫星轨道参数

表3：预警雷达的初始参数

表4：预警雷达的初始参数

GEO 卫星的快速部署流程如图 1所示，在数据库中设置GEO卫星扫描相机和跟踪相机的初始参数后，利用鼠标拖拽至软件界面时，通过设置卫星星下点经度LonS 值，利用表1 自动生成GEO 卫星的初始轨道根数。利用卫星轨道预报模型进行轨道预报和目标探测分析，并在二/三维界面中显示卫星的覆盖范围。

LEO 卫星的快速部署流程如图 2所示，在数据库中设置LEO卫星的初始轨道和载荷参数，其中卫星初始轨道参数如表2所示。利用鼠标拖拽至软件界面时，通过设置卫星星座中的轨道面数量P和每个轨道面卫星的数量S，根据Walker 星座原理计算星座中每颗卫星的轨道参数，如表2所示。表中编号m 卫星的升交点赤经Ωm和真近点角um的计算公式如下：

图3：预警雷达快速部署流程

图4：雷达部署原理图

图5：预警卫星部署界面

其中，Ω0和u0分别为LEO 卫星的初始升交点赤经和真近点角，Pm为卫星轨道平面编号，Nm为卫星在轨道平面内的编号。利用卫星轨道预报模型进行轨道预报和目标探测分析，并在二/三维界面中显示卫星的覆盖范围。

3 预警雷达快速部署

预警雷达主要有远程预警雷达和多功能预警相控阵雷达。远程预警雷达主要承担来袭导弹目标的截获与跟踪，并预测导弹弹道。常见远程预警雷达有美国的AN/FPS-108、AN/FPS-123、AN/FPS-132 等，以及俄罗斯的第聂伯河-M、沃罗涅日-DM 等[1,7]。多功能预警相控阵雷达主要承担来袭目标的精密跟踪和识别，并为制导雷达提供精确的目标引导信息，常见有美国的AN/TPY -2 雷达，主要为“萨德”反导系统提供实时引导及毁伤效果评估信息。一般来说，预警雷达受到工作任务和技术基础的制约，其工作频段、最大探测距离、俯仰角等性能参数在设计中已基本确定，能够部署和调整的参数主要是预警雷达的位置和阵面指向。此外，由于预警雷达部署位置会受到地形地貌、供电、安全防护等因素的影响，可以根据导弹的攻击场景和雷达的部署约束，在数据库中预先设置所有满足要求的雷达阵位。在仿真过程中，能够根据应用场景将预警雷达快速部署至指定阵位中，并快速调整雷达阵面指向。

预警雷达的快速部署流程如图 3所示，设置预警雷达性能参数和雷达阵位集合，如表3所示。

下面重点介绍预警雷达位置快速部署和阵面快速调整的方法。

3.1 预警雷达位置快速部署

预警雷达位置快速部署是将利用鼠标拖拽的方式将预警雷达部署到二维地图的指定雷达阵位中，其部署原理如图 4所示。假设软件数据库中共设置有M 个雷达阵位，其中第i 个雷达阵位的位置参数分别表示雷达阵位的经度、纬度和高度。利用鼠标拖动预警雷达到二维地图的指定位置时，软件实时获取鼠标的位置并计算鼠标当前位置与数据库中所有雷达阵位的最小距离dmin。

其中Re为地球半径。由公式（2）计算得到的dmin对应的雷达阵位即为预警雷达的部署位置。

3.2 预警雷达阵面指向快速调整

预警雷达部署完成后在二维地图上显示预警雷达默认的方位覆盖范围和阵面中心线，雷达默认阵面中心线的指向角为。利用鼠标左键拖动雷达阵面中心线旋转至角度θ1，则预警雷达方位角自动设置为：

在雷达部署和调整后，所部署的预警雷达参数按照表4 自动设置

4 预警装备快速部署示例分析

下面介绍本文提出的装备部署方法在预警系统仿真软件中的应用。预警卫星的部署界面如图 5所示，其中图5（a）为GEO 卫星部署界面，拖动GEO 卫星至二维地图界面中，在弹出的对话框中输入卫星的星下点经度和相机视场角后，软件自动生成卫星的星下点轨迹和覆盖范围。图5（b）为LEO 卫星部署界面，拖动LEO 卫星至二维地图界面中，在弹出的对话框中输入卫星轨道面数量和每个轨道面中卫星的数量，软件自动生成星座中每颗卫星轨道根数并进行轨道预报。由于LEO 卫星主要采用临边测探模式，在二维地图中显示卫星星下点轨迹。

预警雷达的快速部署界面如图 6所示，其中图6（a）为预警雷达的位置部署界面，拖动预警雷达至二维地图中，软件自动计算与鼠标位置距离最小的阵位作为雷达的部署位置，待鼠标左键松开后预警雷达自动部署至该阵位。图6（b）为预警雷达阵面的调整界面，点击预警雷达图标上的编辑按钮，在二维地图中显示预警雷达中心指向线（红色虚线）。用鼠标左键拖动雷达中心指向线进行旋转，预警雷达探测范围随中心指向线进行调整。