[科普中國]-海洋監(jiān)視衛(wèi)星

簡介

海洋監(jiān)視衛(wèi)星主要用于探測、監(jiān)視海上艦船和潛艇活動，是一種實時或近實時地偵收竊聽艦載雷達(dá)信號和無線電通信信號的偵察衛(wèi)星。它能在全天候條件下監(jiān)測海面，有效鑒別敵艦隊形、航向和航速，準(zhǔn)確確定其位置，能探測水下潛航中的核潛艇，跟蹤低空飛行的巡航導(dǎo)彈，為作戰(zhàn)指揮提供海上目標(biāo)的動態(tài)情報，為武器系統(tǒng)提供超視距目標(biāo)指示，也能為本國航船的安全航行提供海面狀況和海洋特性等重要數(shù)據(jù)。同時，也能為水面艦船提供通信。另外，它還能探測海洋的各種特性，例如海浪的高度、海流的強(qiáng)度和方向、海面風(fēng)速、海水溫度和含鹽量及海岸的性質(zhì)等，可為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。因此，海洋監(jiān)視衛(wèi)星在民用及軍事應(yīng)用中均有重大意義。2

海洋監(jiān)視衛(wèi)星能利用太空優(yōu)勢和高度，覆蓋廣闊海洋，能實時監(jiān)視艦船、潛艇活動，偵察監(jiān)聽和監(jiān)測艦艇雷達(dá)信號，發(fā)現(xiàn)、跟蹤和定位；監(jiān)測艦艇的無線電通信，從而發(fā)現(xiàn)艦艇的接發(fā)的秘密信息，并根據(jù)信號源定位，同時破譯通信秘密。海洋監(jiān)視衛(wèi)星的高科技監(jiān)視儀器能詳盡地探測和鑒別海上艦船，并準(zhǔn)確地確定坐標(biāo)方位、航向和航速。根據(jù)海洋監(jiān)視衛(wèi)星裝載的偵察、監(jiān)視設(shè)備的不同，分為主動監(jiān)視型和被動監(jiān)視型；根據(jù)海洋監(jiān)視衛(wèi)星的偵察方式，分為雷達(dá)監(jiān)視型和電子監(jiān)視型。各種海洋監(jiān)視衛(wèi)星互相發(fā)揮特長、彌補(bǔ)缺陷，達(dá)到全方位全時空監(jiān)視海洋。1

作用范圍一般來說，需進(jìn)行監(jiān)視的海洋目標(biāo)具有以下特點：（1）幾何尺寸較大，對探測的空間分辨率要求不高；（2）通常是金屬結(jié)構(gòu)，輻射、散射特性及對可見光的反照率有明顯特征，特別對無線電波具有較強(qiáng)反射能力，使無線電探測成為對海洋目標(biāo)進(jìn)行探測的有效途徑；（3）大都是低速運動目標(biāo)，不需要采用對高速運動目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視的凝視手段，但是，要求有較高的時間分辨率和較高的定位精度對航速和航向進(jìn)行測定；（4）時刻在輻射無線電信號，可以采用電子偵察的技術(shù)途徑實現(xiàn)對海洋目標(biāo)的監(jiān)視。3

一般來說，海洋監(jiān)視衛(wèi)星應(yīng)該具有寬闊的覆蓋范圍，以便于發(fā)現(xiàn)稀疏的海洋目標(biāo)；從武器的性能和實戰(zhàn)的需要考慮，海洋目標(biāo)的定位精度必須優(yōu)于5km；由于海洋軍事情報總是動態(tài)的，對海洋目標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)視、測量位置、航速和航向，要求海洋目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)時間分辨率至少在2～4h。綜合這些方面考慮，衛(wèi)星由于其本身所具有的覆蓋范圍大，定位精度高，重訪時間短，探測手段多的特點，使它成為對海洋目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視的有效途徑。通常，我們把由海洋監(jiān)視衛(wèi)星組成的系統(tǒng)，稱為衛(wèi)星海洋目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)。3

分類海洋監(jiān)視衛(wèi)星按所攜帶的偵察、監(jiān)視設(shè)備的不同和采用的偵察手段的不同，大體可分為電子偵察型海洋監(jiān)視衛(wèi)星和雷達(dá)型海洋監(jiān)視衛(wèi)星，前者又稱被動型海洋監(jiān)視衛(wèi)星，后者又稱為主動型海洋監(jiān)視衛(wèi)星，兩者相互配合協(xié)調(diào)工作。主動型海洋監(jiān)視衛(wèi)星一般載有大功率、大孔徑、核動力雷達(dá)，它發(fā)射雷達(dá)波束來對海面掃描并接收由目標(biāo)反射的回波信號，以確定艦船的位置和外形尺寸。這類衛(wèi)星能在惡劣的氣象條件和海況下實施晝夜監(jiān)視。被動型海洋監(jiān)視衛(wèi)星利用電子偵察設(shè)備截獲海面目標(biāo)發(fā)射的無線電通信和雷達(dá)信號以測定海面艦只的位置，或利用毫米波輻射儀和紅外掃描儀等探測潛航中的核潛艇。2

電子偵察型（又稱被動型）電子偵察型海洋監(jiān)視衛(wèi)星系統(tǒng)采用多顆衛(wèi)星組網(wǎng)工作，利用星載電子偵察接收機(jī)同時截獲海上目標(biāo)發(fā)射的無線電信號，來測定目標(biāo)的位置和類型。這種方式與導(dǎo)航衛(wèi)星采用的雙曲線導(dǎo)航法類似，即測出2 顆衛(wèi)星收到海面某信號源的時間差(兩衛(wèi)星到信號源的距離差)，即可獲得以這2 顆衛(wèi)星為焦點的雙曲面，再用另外2 顆衛(wèi)星又可獲得另一雙曲面，兩雙曲面之交線與地面的交點就是海面信號源的位置。它能監(jiān)聽敵方艦船的電子輻射信號，可測定輻射源的坐標(biāo)，并根據(jù)輻射信號特征對目標(biāo)進(jìn)行識別。多顆衛(wèi)星，即由1 顆主衛(wèi)星和若干顆子衛(wèi)星組成，同時測定目標(biāo)方位，子衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街餍l(wèi)星，由主衛(wèi)星計算目標(biāo)的位置和速度，然后發(fā)回地面。衛(wèi)星上安裝有無線電接收裝置，用于接收目標(biāo)的通信信號或雷達(dá)信號，并探測和確定目標(biāo)位置；裝有紅外探測器，用以探測核潛艇尾流的紅外輻射；裝有微波輻射儀，用于調(diào)查海面狀況或海洋特性。2這種衛(wèi)星隱蔽性好，但定位精度較低。4

雷達(dá)型（又稱主動型）雷達(dá)型海洋監(jiān)視衛(wèi)星由于星上帶核電源，所以還被稱作核動力型海洋監(jiān)視衛(wèi)星。星上的雷達(dá)偵察設(shè)備主動發(fā)射脈沖信號并接收由目標(biāo)返回的波束，以確定目標(biāo)的位置及其外形。采用2 顆衛(wèi)星為一組，成對運行在同一軌道上，相互保持準(zhǔn)確的時間間隔，由2 顆衛(wèi)星同時測量可以消除或減少海面雜波的干擾，容易探測到較小的目標(biāo)。這類衛(wèi)星通常載有側(cè)視或前視雷達(dá)，一次掃描覆蓋寬度可達(dá)460km 。近年來由于合成孔徑雷達(dá)的出現(xiàn)，以及更為先進(jìn)的處理技術(shù)引入雷達(dá)系統(tǒng)，因此目前雷達(dá)系統(tǒng)能產(chǎn)生分辨率相當(dāng)高的探測圖像，并且能在惡劣氣象條件和海況下實施晝夜偵察與監(jiān)視。2這種衛(wèi)星獲取的目標(biāo)特征直觀、定位精度高，但由于采用主動方式，易受干擾，要求有大功率的能源。4

定位方式海洋目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的一個重要功能就是對海洋目標(biāo)進(jìn)行定位。衛(wèi)星海洋目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)已采用的定位方式主要有單星多基線定位和三星時差定位。“白云”系統(tǒng)采用的就是三星時差定位方式。需要指出的是，類似“白云”系統(tǒng)這樣“一主三副”型的海洋目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)主要通過SSU子衛(wèi)星來實現(xiàn)定位，而主衛(wèi)星則大多用于其它偵察方式，如成像偵察。因此，三星定位主要是基于電子型衛(wèi)星的定位方案。這種方案技術(shù)簡單，有效載荷技術(shù)成熟，信號的分選、脈沖配對容易解決，星座的數(shù)據(jù)處理可以在地面進(jìn)行，只用較少的衛(wèi)星即可滿足目標(biāo)監(jiān)視時間分辨率的要求，是衛(wèi)星海洋目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)對目標(biāo)實施定位監(jiān)視的一種高效解決方案。3

其基本原理是：測出2顆衛(wèi)星收到海面某信號源的時間差（兩衛(wèi)星到信號源的距離差），即可獲得以這2顆衛(wèi)星為焦點的雙曲面，再用另外2顆衛(wèi)星又可獲得另一雙曲面，兩雙曲面之交線與地面的交點就是海面信號源的位置。采用三星時差定位方案，衛(wèi)星本身的姿態(tài)控制精度要求可以降到0.5～0.7°，定位基線也可根據(jù)需要拉長，定位精度較高。但是，它對衛(wèi)星的軌道控制要求很高，同時還必須有嚴(yán)格的時間同步系統(tǒng)。因此，要實現(xiàn)三星時差定位，不但要有極高的軌道控制技術(shù)，高精度時鐘技術(shù)，而且要有星間鏈路。3

關(guān)鍵技術(shù)多星組網(wǎng)技術(shù)采用多星組網(wǎng)技術(shù)并在世界不同地區(qū)配置地面站，可以連續(xù)而實時地對特定目標(biāo)與指定地區(qū)進(jìn)行偵察監(jiān)視，實現(xiàn)全球偵察區(qū)域的無縫連接。通過最佳選擇衛(wèi)星間的軌道間隔，可獲得滿意的輻射目標(biāo)定位精度并且使其具有偵聽密集信號的能力。通過靈活的空間布置，衛(wèi)星海洋目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)能夠通過監(jiān)視空間的廣域換取較長時間段的連續(xù)對地觀測，提高單次偵察情報的準(zhǔn)確性和時效性。3

元器件集成化技術(shù)元器件集成化技術(shù)是衛(wèi)星小型化的基礎(chǔ)。元器件集成水平越高，在相同的體積內(nèi)就能攜帶越多種類和數(shù)量的探測器和遙感器。使衛(wèi)星的功能密度更高，技術(shù)性能更強(qiáng)。3

衛(wèi)星遙感器技術(shù)采用大動態(tài)快速自適應(yīng)遙感器技術(shù)，增加嵌入保護(hù)措施，軟、硬一體的冗余設(shè)計和備份，以及增加可適應(yīng)不同作戰(zhàn)需求背景的多種工作模式，可以提高有效載荷部分的整體效能。利用衛(wèi)星上的遙感器對海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，可以進(jìn)一步提高偵察目標(biāo)的精度。3

發(fā)展概況海洋監(jiān)視衛(wèi)星是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的先進(jìn)衛(wèi)星技術(shù)。

前蘇聯(lián)是世界上最早發(fā)展海洋監(jiān)視衛(wèi)星的國家。世界上第一顆海洋監(jiān)視衛(wèi)星是前蘇聯(lián)1967年12月27日發(fā)射的“宇宙-198”衛(wèi)星，這是一顆雷達(dá)型海洋監(jiān)視試驗衛(wèi)星（US-A）。從1974年起，蘇聯(lián)開始發(fā)射電子偵察型海洋監(jiān)視衛(wèi)星（US-P）。這兩類偵察衛(wèi)星均混編在“宇宙”號衛(wèi)星系列中。后來，由于帶有熱離子核反應(yīng)堆的US-A衛(wèi)星兩次墜入大氣層，前蘇聯(lián)不得不停止發(fā)射這種衛(wèi)星，而全力發(fā)展采用雙星組網(wǎng)工作方式的US-P衛(wèi)星。截至1997年底，US-P衛(wèi)星已發(fā)射了46顆，其中24顆屬于基本型，后22顆屬于改進(jìn)型（US-PM）。3

美國從1971年12月開始發(fā)射“一箭四星”的試驗電子偵察型海洋監(jiān)視衛(wèi)星。1976年4月發(fā)射正式使用的第一組“白云”號電子偵察型海洋監(jiān)視衛(wèi)星，1977年和1980年又各發(fā)射第二、三組。這三組衛(wèi)星的軌道面互相間隔120°，組網(wǎng)工作。后來發(fā)射的衛(wèi)星都用作替補(bǔ)失效的衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星重約1噸。美國正在執(zhí)行“聯(lián)合天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)”（SBWASS-Consolidated）計劃，該計劃由“海軍天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)”（SBWASS-Navy）和“空軍與陸軍天基廣域監(jiān)視系統(tǒng)”（SB-WASS-Air Army）合并而成，兼顧了空軍的戰(zhàn)略防空和海軍海洋監(jiān)視的需求。美國在發(fā)展“白云”系列的同時，也開展了代號為“飛弓”的雷達(dá)型海洋監(jiān)視衛(wèi)星的研制工作，并曾執(zhí)行了“海軍海洋遙感衛(wèi)星”（NROSS）計劃，試圖使用一種重量更重、傾角更大的衛(wèi)星，以同時滿足國防和民用需要。3

利用海洋監(jiān)視衛(wèi)星，采用無源被動定位方式對海上艦船進(jìn)行監(jiān)視是一種比較有效的手段。目前實際應(yīng)用的無源被動定位體制主要有兩種：一種是美國的“白云”系列海洋監(jiān)視衛(wèi)星，這種衛(wèi)星以四顆星為一組，采用時差定位方法，定位精度為2~3km；一種是俄羅斯的“US-P”系列海洋監(jiān)視衛(wèi)星，這種衛(wèi)星利用單星或雙星配對工作，采用基線干涉定位方法，定位精度為6~13km。采用時差定位法定位精度相對較高，覆蓋范圍大，對衛(wèi)星姿態(tài)要求不高，是一種比較好的無源被動定位體制。4

到目前為止，只有美國和俄羅斯這兩個軍事強(qiáng)國利用海洋監(jiān)視衛(wèi)星組成了實用型的衛(wèi)星海洋目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)。但印度、法國、日本等國家也已經(jīng)有了海洋監(jiān)視衛(wèi)星，其他一些國家也正在積極研制之中。2

典型的海洋監(jiān)視衛(wèi)星系統(tǒng)世界上典型的衛(wèi)星海洋目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)是美國的“白云（White Cloud）”系統(tǒng)。該系統(tǒng)于20世紀(jì)60年代末開始建設(shè)，到1995年發(fā)射了最后一組衛(wèi)星，共發(fā)展了三代“白云”系列電子型海洋監(jiān)視衛(wèi)星?！鞍自啤毕到y(tǒng)每個星座均由1顆主衛(wèi)星和3顆子衛(wèi)星（SSU）組成。其中，主衛(wèi)星主要利用各種偵察手段來獲取情報，子衛(wèi)星則裝有射頻天線，通過射頻天線測定的電子信號到達(dá)時間，來計算出精確的信號發(fā)射源距離和方位。3

相對而言，第三代“白云”系統(tǒng)衛(wèi)星比前兩代在功能密度和技術(shù)性能上有了很大的提高，主要體現(xiàn)在：⑴主衛(wèi)星用高級“KH-11”衛(wèi)星和“長曲棍球”成像偵察衛(wèi)星替換了紅外掃描儀和毫米波輻射儀，使海洋監(jiān)視衛(wèi)星成為可對動態(tài)目標(biāo)快速定位、具有可見光、紅外、微波等多種偵察手段的復(fù)雜系統(tǒng)；⑵采用了新的設(shè)計基線（定位基線長度縮短了約1/2）和經(jīng)過改進(jìn)的偵察與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，在衛(wèi)星上取消了對射電天文臺造成干擾的、工作于1427～1434MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器；⑶除攜帶被動射頻傳感器外，還攜帶了電光/紅外成像傳感器。從而使衛(wèi)星能夠探測到潛艇為冷卻反應(yīng)堆排放的熱水余跡，達(dá)到跟蹤水下潛艇的目的；⑷衛(wèi)星系統(tǒng)對海洋目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視的范圍更大，達(dá)到每組衛(wèi)星7000 km2的偵察區(qū)域，在一定條件下還可在108 min后監(jiān)視同一目標(biāo)。由4組衛(wèi)星組成的系統(tǒng)能夠?qū)Φ厍蛏?0～60°緯度的任何地區(qū)每天監(jiān)視30次以上。由此可見，在布局結(jié)構(gòu)、偵收設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備等方面經(jīng)過改進(jìn)的“白云”系統(tǒng)（即第三代），對海洋目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視的動態(tài)范圍、實時性和準(zhǔn)確性都有了顯著的提高，同時，也很容易滿足前面提到的時間分辨率要求。3

各種設(shè)備的改進(jìn)和增加在帶來系統(tǒng)性能提升的同時，也使得三代“白云”系統(tǒng)衛(wèi)星在重量和體積上有了較大的增加。其中，第三代“白云”系統(tǒng)主衛(wèi)星重達(dá)7000kg，前兩代的主衛(wèi)星重量僅600 kg；第三代系統(tǒng)的子衛(wèi)星重量達(dá)到了300 kg，遠(yuǎn)超過前兩代子衛(wèi)星的重量45kg。但是，雖然重量和體積增加了，但第三代“白云”系統(tǒng)衛(wèi)星的功能密度更高，技術(shù)性能更強(qiáng)，使海洋目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的整體性能也大大增強(qiáng)了。3