一種拖拽式的預警裝備快速部署方法

秦國政 陸澤健 趙會朋 李博驍

（中國電子科學研究院 北京市 100041）

1 引言

導彈預警系統作為彈道導彈防御系統的“耳目”，能夠提供導彈的早期預警、精密跟蹤、彈頭識別、跟蹤指示等信息，其發展一直受到美、俄等軍事強國的高度重視。目前，國外的導彈預警裝備主要包括預警衛星和預警雷達[1]，其中預警衛星中的高軌預警衛星主要用于導彈發射的早期預警，低軌預警衛星主要用于導彈中段的精密跟蹤和識別[2-6]；預警雷達是在預警衛星的信息支援下，對導彈目標進行截獲、跟蹤、識別和指示[7-9]。為了充分發揮預警裝備的效能，需要根據導彈的攻擊場景和預警裝備的工作特點對其進行合理配置，利用仿真手段對預警裝備的配置方案進行分析、評估和迭代優化[10-12]。

在目前常見的預警系統仿真軟件產品中開展仿真場景構建和裝備部署時，主要利用手動方式設置每部預警裝備的各項性能參數，例如預警衛星需要設置衛星軌道、星座構型、傳感器探測性能等參數，預警雷達需要設置雷達的位置、工作頻段、探測距離、探測范圍等參數。仿真場景構建和預警裝備部署過程繁瑣且無法根據仿真需求進行靈活調整裝備部署方案。因此，研究仿真場景的快速構建及預警裝備的快速部署方法，對預警系統仿真軟件產品研制，以及預警系統的仿真和評估都具有重要意義。

本文針對仿真場景快速構建和預警裝備快速部署，提出了一種拖拽式的裝備快速部署方法，可支持利用鼠標拖拽的方式在預警系統仿真軟件產品中快速部署預警衛星和預警雷達，并可根據仿真場景靈活調整裝備的配置方案，有效提高了導彈預警系統仿真分析和效能評估的效率。

2 預警衛星快速部署

通過分析美、俄預警衛星的發展演進特點，預警衛星常用的軌道包括地球靜止軌道（GEO）、大橢圓軌道（HEO）和低軌傾斜圓軌道（LEO）。GEO 衛星和HEO 衛星具有軌道高、傳感器覆蓋范圍廣等特點，少量預警衛星即可提供持續的全球區域覆蓋能力，能夠發現和跟蹤導彈的主動段。典型GEO 和HEO 衛星系統有美國的“天基紅外系統-高軌道”（SBIRS-High）系統，由5 顆GEO 衛星和4 顆HEO 衛星組成，每顆衛星均安裝一臺寬視場的高速掃描相機和一臺窄視場的凝視跟蹤相機，通過兩者結合實現對全球導彈發射的早期預警[6]。低軌預警衛星星座主要是由部署在不同軌道面衛星構成，衛星具有軌道低、傳感器靈敏度較高等特點，通過衛星與衛星之間的信息“交接”，實現對導彈中段和再入段的精密跟蹤和識別，同時為攔截武器提供引導數據。為了保證對彈道導彈目標探測具有足夠的信雜比，在進行彈道導彈中段跟蹤時，需要采用以深空為背景的臨邊探測模式。典型低軌預警衛星系統有美國的“太空監視與跟蹤系統”（STSS），由18-32 顆LEO 衛星組成，每顆衛星均裝備了寬視場的掃描相機和窄視場的跟蹤相機[6]。

圖1：GEO 衛星的快速部署流程

圖2：LEO 衛星快速部署流程

根據現有預警衛星的軌道類型和工作特點可以得到，GEO 衛星定點于地球赤道上空，可通過設置衛星星下點經度進行快速部署；LEO 衛星系統主要由多顆低軌道衛星按照Walker 星座的構型組成衛星星座，因此可以通過設置星座的具體構型（包括軌道面數量、每個軌道面衛星數量等），按照Walker 星座的生成原理，自動計算星座中每顆衛星的軌道參數，實現LEO 衛星星座的快速部署；HEO 預警衛星主要采用傾角為63.4°的大橢圓凍結軌道，遠地點位于北半球高緯度地區，用于對高緯度區域的預警探測。由于HEO衛星星座的特殊性和衛星數量的限制（一般不超過4 顆），需要根據不同任務要求對HEO 衛星的軌道和載荷參數進行單獨配置。下面重點介紹GEO 衛星和HEO 衛星的拖拽式部署流程。

表1：GEO 衛星軌道參數

表2：LEO 衛星軌道參數

表3：預警雷達的初始參數

表4：預警雷達的初始參數

GEO 衛星的快速部署流程如圖 1所示，在數據庫中設置GEO衛星掃描相機和跟蹤相機的初始參數后，利用鼠標拖拽至軟件界面時，通過設置衛星星下點經度LonS 值，利用表1 自動生成GEO 衛星的初始軌道根數。利用衛星軌道預報模型進行軌道預報和目標探測分析，并在二/三維界面中顯示衛星的覆蓋范圍。

LEO 衛星的快速部署流程如圖 2所示，在數據庫中設置LEO衛星的初始軌道和載荷參數，其中衛星初始軌道參數如表2所示。利用鼠標拖拽至軟件界面時，通過設置衛星星座中的軌道面數量P和每個軌道面衛星的數量S，根據Walker 星座原理計算星座中每顆衛星的軌道參數，如表2所示。表中編號m 衛星的升交點赤經Ωm和真近點角um的計算公式如下：

圖3：預警雷達快速部署流程

圖4：雷達部署原理圖

圖5：預警衛星部署界面

其中，Ω0和u0分別為LEO 衛星的初始升交點赤經和真近點角，Pm為衛星軌道平面編號，Nm為衛星在軌道平面內的編號。利用衛星軌道預報模型進行軌道預報和目標探測分析，并在二/三維界面中顯示衛星的覆蓋范圍。

3 預警雷達快速部署

預警雷達主要有遠程預警雷達和多功能預警相控陣雷達。遠程預警雷達主要承擔來襲導彈目標的截獲與跟蹤，并預測導彈彈道。常見遠程預警雷達有美國的AN/FPS-108、AN/FPS-123、AN/FPS-132 等，以及俄羅斯的第聶伯河-M、沃羅涅日-DM 等[1,7]。多功能預警相控陣雷達主要承擔來襲目標的精密跟蹤和識別，并為制導雷達提供精確的目標引導信息，常見有美國的AN/TPY -2 雷達，主要為“薩德”反導系統提供實時引導及毀傷效果評估信息。一般來說，預警雷達受到工作任務和技術基礎的制約，其工作頻段、最大探測距離、俯仰角等性能參數在設計中已基本確定，能夠部署和調整的參數主要是預警雷達的位置和陣面指向。此外，由于預警雷達部署位置會受到地形地貌、供電、安全防護等因素的影響，可以根據導彈的攻擊場景和雷達的部署約束，在數據庫中預先設置所有滿足要求的雷達陣位。在仿真過程中，能夠根據應用場景將預警雷達快速部署至指定陣位中，并快速調整雷達陣面指向。

預警雷達的快速部署流程如圖 3所示，設置預警雷達性能參數和雷達陣位集合，如表3所示。

下面重點介紹預警雷達位置快速部署和陣面快速調整的方法。

3.1 預警雷達位置快速部署

預警雷達位置快速部署是將利用鼠標拖拽的方式將預警雷達部署到二維地圖的指定雷達陣位中，其部署原理如圖 4所示。假設軟件數據庫中共設置有M 個雷達陣位，其中第i 個雷達陣位的位置參數分別表示雷達陣位的經度、緯度和高度。利用鼠標拖動預警雷達到二維地圖的指定位置時，軟件實時獲取鼠標的位置并計算鼠標當前位置與數據庫中所有雷達陣位的最小距離dmin。

其中Re為地球半徑。由公式（2）計算得到的dmin對應的雷達陣位即為預警雷達的部署位置。

3.2 預警雷達陣面指向快速調整

預警雷達部署完成后在二維地圖上顯示預警雷達默認的方位覆蓋范圍和陣面中心線，雷達默認陣面中心線的指向角為。利用鼠標左鍵拖動雷達陣面中心線旋轉至角度θ1，則預警雷達方位角自動設置為：

在雷達部署和調整后，所部署的預警雷達參數按照表4 自動設置

4 預警裝備快速部署示例分析

下面介紹本文提出的裝備部署方法在預警系統仿真軟件中的應用。預警衛星的部署界面如圖 5所示，其中圖5（a）為GEO 衛星部署界面，拖動GEO 衛星至二維地圖界面中，在彈出的對話框中輸入衛星的星下點經度和相機視場角后，軟件自動生成衛星的星下點軌跡和覆蓋范圍。圖5（b）為LEO 衛星部署界面，拖動LEO 衛星至二維地圖界面中，在彈出的對話框中輸入衛星軌道面數量和每個軌道面中衛星的數量，軟件自動生成星座中每顆衛星軌道根數并進行軌道預報。由于LEO 衛星主要采用臨邊測探模式，在二維地圖中顯示衛星星下點軌跡。

預警雷達的快速部署界面如圖 6所示，其中圖6（a）為預警雷達的位置部署界面，拖動預警雷達至二維地圖中，軟件自動計算與鼠標位置距離最小的陣位作為雷達的部署位置，待鼠標左鍵松開后預警雷達自動部署至該陣位。圖6（b）為預警雷達陣面的調整界面，點擊預警雷達圖標上的編輯按鈕，在二維地圖中顯示預警雷達中心指向線（紅色虛線）。用鼠標左鍵拖動雷達中心指向線進行旋轉，預警雷達探測范圍隨中心指向線進行調整。

5 結束語

本文圍繞預警系統仿真場景的快速構建、仿真評估等應用要求，重點研究了在仿真場景中利用鼠標拖拽的方式快速部署預警衛星和預警雷達的方法，通過預置預警裝備參數、優化人機交互的方式，提高預警裝備部署的靈活性和便捷性，為預警系統仿真分析軟件的設計和研制提供技術支撐。

圖6：預警雷達部署界面