地球同步軌道紅外預警衛(wèi)星仿真模型研究

谷 雨

(中國電子科學研究院綜合電子信息系統(tǒng)部，北京 100041)

地球同步軌道紅外預警衛(wèi)星仿真模型研究

谷 雨

(中國電子科學研究院綜合電子信息系統(tǒng)部，北京 100041)

天基紅外預警衛(wèi)星通過紅外傳感器探測彈道導彈主動段飛行時散發(fā)的紅外尾焰，能在早期發(fā)現(xiàn)和跟蹤彈道導彈目標。其中地球同步軌道衛(wèi)星由于軌道高度高，因而具有更廣的探測范圍，是目前廣泛使用的一種紅外預警衛(wèi)星，也是反導系統(tǒng)仿真中的重要研究對象。文中主要描述了一種地球同步軌道衛(wèi)星探測功能的仿真建模方法，重點論述了地球同步軌道衛(wèi)星目標發(fā)現(xiàn)條件并推導了探測范圍計算公式，對于紅外預警衛(wèi)星的仿真及規(guī)劃等問題的研究具有一定意義。

地球同步軌道;紅外預警衛(wèi)星;掃描相機

天基紅外預警衛(wèi)星是目前反導系統(tǒng)中廣泛使用的一種探測設(shè)備。其通過在衛(wèi)星上搭載紅外探測設(shè)備，可監(jiān)測彈道導彈主動段散發(fā)的紅外尾焰，對彈道導彈進行早期的預警及跟蹤。天基紅外預警衛(wèi)星根據(jù)運行軌道的不同可分為大橢圓軌道衛(wèi)星、地球同步軌道衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星等。其中地球同步軌道預警衛(wèi)星最早投入使用，是目前技術(shù)較為成熟的一種，其固定在軌道高度極高的地球同步軌道上，攜帶的紅外掃描相機以周期性的對覆蓋區(qū)域進行掃描，發(fā)現(xiàn)目標后則由攜帶的凝視相機進行連續(xù)跟蹤。文中先介紹了天基紅外預警衛(wèi)星的發(fā)展歷程，隨后提出了一種地球同步軌道紅外預警衛(wèi)星的仿真建模方法，詳細描述了預警衛(wèi)星探測功能中考慮到的判斷條件，推導了探測范圍計算公式。

1 天基紅外預警衛(wèi)星發(fā)展歷程

天基紅外預警衛(wèi)星的探索最早起源于美國，在20世紀60年代，美國就開始研制并計劃發(fā)射帶有紅外探測器的預警衛(wèi)星。至20世紀70年代，美國正式推出了“國防支援計劃(DSP)。DSP計劃是美國推行的北美空中防御計劃的一部分，其目的是監(jiān)視前蘇聯(lián)等國家的彈道導彈發(fā)射及航天器的發(fā)射。DSP系統(tǒng)主要由地球同步軌道衛(wèi)星組成，目前已有5顆衛(wèi)星在軌，根據(jù)觀測目標不同分布在各大洲的上空，第三代DSP預警衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定方式，其紅外望遠鏡以10 s為周期繞其指向地面的主軸旋轉(zhuǎn)。望遠鏡軸線與衛(wèi)星主軸成一定的夾角，因而隨著旋轉(zhuǎn)可形成一圓錐掃描區(qū)域，通過施密特望遠鏡搜索紅外輻射來監(jiān)視導彈發(fā)射，地面控制人員可在數(shù)分鐘內(nèi)鑒別出目標。

隨著美國導彈防御計劃的不斷演變，DSP系統(tǒng)的能力已無法滿足要求，因而逐漸被天基紅外系統(tǒng)SBIRS計劃所取代，SBIRS系統(tǒng)是美國新一代導彈防御計劃的核心組成部分，其主要由低軌衛(wèi)星星座、大橢圓軌道衛(wèi)星和地球同步軌道衛(wèi)星3部分組成，三者相互補充支撐，能更全面的完成對目標區(qū)域彈道導彈目標的發(fā)現(xiàn)跟蹤任務(wù)。地球同步軌道衛(wèi)星上帶有凝視型和掃描型兩種紅外探測器，掃描型探測器采用一維線陣掃描整個地區(qū)以建立地區(qū)的完整圖像，可用于提供快速的全球覆蓋。在凝視型探測器中，一個正方形或長方形焦平面陣列連續(xù)地觀測一個特定的區(qū)域及紅外輻射的變化。其用于精確的戰(zhàn)區(qū)探測和跟蹤。掃描型探測器對導彈在發(fā)射時所噴出的尾焰進行初始探測，隨后將探測信息提供給凝視型探測器，后者進行精確跟蹤。

2 地球同步軌道紅外預警衛(wèi)星仿真模型

地球同步軌道紅外預警衛(wèi)星仿真模型主要模擬了紅外預警衛(wèi)星通過紅外探測器接收到的目標紅外羽焰強度，可計算出觀測到的彈道導彈目標的方位俯仰角度、信噪比及探測概率，然后通過多目標分辨、視場判斷、最大探測距離及探測概率等條件來判斷彈道導彈目標是否被發(fā)現(xiàn)的過程，具體流程如圖1所示。

圖1 仿真模型工作流程

2.1 多目標分辨

紅外預警衛(wèi)星攜帶的紅外掃描相機由紅外探測單元組成，紅外探測單元受到像元分辨率的限制，對于距離較近的目標無法區(qū)分。因此在仿真過程中，首先應(yīng)對距離較近的彈道導彈目標運動狀態(tài)信息進行處理，刪除無法區(qū)分的多余源目標信息。

2.2 視場判斷

在實際系統(tǒng)中，彈道導彈發(fā)動機點火后，衛(wèi)星上的掃描型紅外探測器通過快速掃描，陣列立即接收到導彈尾焰的紅外輻射信號，所接到的信號經(jīng)放大、調(diào)制送入信號處理器。信號處理器將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，并作濾波處理，測出目標的方位角、俯仰角和紅外輻射強度。

在仿真系統(tǒng)中，通常由目標特性仿真軟件作為信源，周期性的公布自身的位置坐標及紅外尾焰輻射強度信息，紅外預警衛(wèi)星模型接收目標特性信息，計算出方位角和俯仰角，判斷是否滿足角度探測條件。

在仿真想定中假定衛(wèi)星所在位置點A的地心第4坐標系坐標為(X0，Y0，Z0)其對應(yīng)轉(zhuǎn)的大地坐標(jd0，wd0，h0)，衛(wèi)星攜帶的掃描相機矩形視場為［±η，±θ］，目標仿真軟件周期性的公布自身所在位置點信息，在某一時刻T其所在位置點B的地心第四坐標系坐標為(X1，Y1，Z1)其對應(yīng)的大地坐標(jd1，wd1，h1)。其幾何關(guān)系示意圖如圖2所示，彈道導彈目標位置點B相對于衛(wèi)星位置點A的方位角α和俯仰角β如圖2所示。

圖2 幾何關(guān)系示意圖

俯仰角β判斷條件:

以目標所在位置點B向赤道平面做垂線，交點為點 P，則

2.3 最大探測距離

地球同步軌道紅外預警衛(wèi)星對目標進行探測主要由星上紅外傳感器探測目標尾焰的紅外輻射強度來實現(xiàn)。地球同步軌道紅外預警衛(wèi)星與目標之間的距離遠大于紅外探測單元及彈道導彈的尺寸，因此可將彈道導彈看作為點輻射源?？傻玫教綔y最大距離的簡化公式，如式(3)所示

其中，I為目標紅外輻射強度;τa為大氣平均透過率;A0為光學系統(tǒng)截面積;τ0光學系統(tǒng)透過率;D*為紅外探測器比探測率;SNR為信噪比;Δf為等效噪聲帶寬;Ad=α2，α為紅外探測器像元尺寸。

2.4 探測概率

紅外成像系統(tǒng)對點目標的探測可作為窄帶系統(tǒng)處理，從信號檢測理論角度考慮，可利用二元信號檢測理論建立二者的概率模型

3 結(jié)束語

紅外預警衛(wèi)星是導彈防御系統(tǒng)的重要組成部分，文中介紹了天基紅外預警衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展歷程，并描述了一種地球同步軌道紅外預警衛(wèi)星的仿真模型建立方法。重點論述了地球同步軌道紅外預警衛(wèi)星探測流程仿真中所需考慮的步驟，推導了攜帶矩形掃描相機時的視場判斷條件等公式。該仿真模型的建立可滿足預警系統(tǒng)仿真及論證的需求。

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Simulation Model of Infrared Early Warning Satellite In Geosynchronous Orbit

GU Yu
(Integrated Electronic Information Systems Division of China Electronic Institute of Science and Technology，Beijing 100041，China)

Space-based infrared early warning satellite detects the ballistic missile infrared plume through infrared sensor on powered phase，it could detect and track the ballistic missile target in the early time.With the higher orbit altitude，geosynchronous orbit satellite gets bigger detecting range，which makes it had been used widely and thought as the important research object in the system simulation.The paper describes the way to establish simulation model of geosynchronous orbit satellitedetecting and reduces target discover conditon and detect range calculate function of geosynchronous orbit satellite.It would help for some problems of the research of infrared early warning satellite，such as simulation and planning.

geosynchronousorbit;infrared?early warning satellite;scan camera

V443.4

A

1007－7820(2012)08－080－03

2012-06-28

谷雨(1984—)，男，碩士，助理工程師。研究方向:綜合電子信息系統(tǒng)。