卫星与网络：海洋监视卫星

　　目录：随着海洋在国民经济发展和国防安全方面地位的不断提高，及时、准确地对海洋目标进行监视日益重要。同时，海洋目标本身的特点和海洋环境的特殊性使得卫星成为对海洋目标进行监视的高效解决方案。文中在介绍海洋监视卫星概念和发展的基础上，阐述了海洋监视卫星在目标监视中的作用，并对由海洋监视卫星组成的典型海洋目标监视系统和其定位技术进行了介绍，最后阐述了海洋监视卫星的关键技术。

　　海洋监视卫星

　　解放军理工大学通信工程学院 文/李伟 张更新

　　鑫诺卫星公司 汪鸿滨

　　1　海洋监视卫星的概念及其在目标监视中的作用

　　海洋监视卫星的作用在于探测、监视海上舰船和潜艇的活动。它要求能在全天候条件下监测海面，有效鉴别敌舰队形、航向和航速，准确确定其位置，能探测水下潜航中的核潜艇，跟踪低空飞行的巡航导弹，为作战指挥提供海上目标的动态情报，为武器系统提供超视距目标指示，为本国航船的安全航行提供海面状况和海洋特性等重要数据。另外，它还要求能探测海洋的各种特性，例如海浪的高度、海流的强度和方向、海面风速及海岸的性质等，从而可为国民经济建设服务。

　　一般来说，需进行监视的海洋目标具有以下特点：(1)几何尺寸较大，对探测的空间分辨率要求不高；(2)通常是金属结构，辐射、散射特性及对可见光的反照率有明显特征，特别对无线电波具有较强反射能力，使无线电探测成为对海洋目标进行探测的有效途径；(3)大都是低速运动目标，不需要采用对高速运动目标进行监视的凝视手段，但是，要求有较高的时间分辨率和较高的定位精度对航速和航向进行测定；(4)时刻在辐射无线电信号，可以采用电子侦察的技术途径实现对海洋目标的监视。

　　一般来说，海洋监视卫星应该具有宽阔的覆盖范围，以便于发现稀疏的海洋目标；从武器的性能和实战的需要考虑，海洋目标的定位精度必须优于5km；由于海洋军事情报总是动态的，对海洋目标进行跟踪监视、测量位置、航速和航向，要求海洋目标监视系统时间分辨率至少在2~4h。综合这些方面考虑，卫星由于其本身所具有的覆盖范围大，定位精度高，重访时间短，探测手段多的特点，使它成为对海洋目标进行监视的有效途径。通常，我们把由海洋监视卫星组成的系统，称为卫星海洋目标监视系统。

　　2　海洋监视卫星的分类、现状与发展

　　按所携带的侦察、监视设备的不同和采用侦察手段的不同，海洋监视卫星大体可分为成像型和电子型，成像型可分为可见光成像、红外成像和微波成像等；电子型可分为被动无源的电子型侦察和主动有源的雷达型侦察。其中，电子型主要用于测定海洋目标的位置、航向和航速，成像型则可更加详细地获得目标的外观，用途等信息。二者结合，则使由海洋监视卫星组成的目标监视系统成为可对动态目标快速定位、具有可见光、红外、微波等多种侦察手段的复杂系统，大大增强其对情报的侦收、处理和传输能力。　

　　海洋监视卫星是20世纪70年代发展起来的先进卫星技术。前苏联是世界上最早发展海洋监视卫星的国家。世界上第一颗海洋监视卫星是前苏联1967年12月27日发射的“宇宙-198”卫星，这是一颗雷达型海洋监视试验卫星(US-A)。从1974年起，苏联开始发射电子侦察型海洋监视卫星(US-P)。这两类侦察卫星均混编在“宇宙”号卫星系列中。后来，由于带有热离子核反应堆的US-A卫星两次坠入大气层，前苏联不得不停止发射这种卫星，而全力发展采用双星组网工作方式的US-P卫星。截至1997年底，US-P卫星已发射了46颗，其中24颗属于基本型，后22颗属于改进型(US-PM)。美国从1971年12月开始发射“一箭四星”的试验电子侦察型海洋监视卫星。1976年4月发射正式使用的第一组“白云”号电子侦察型海洋监视卫星，1977年和1980年又各发射第二、三组。目前，美国正在执行“联合天基广域监视系统”(SBWASS-Consolidated)计划，该计划由“海军天基广域监视系统”(SBWASS-Navy)和“空军与陆军天基广域监视系统”(SB-WASS-Air Army)合并而成，兼顾了空军的战略防空和海军海洋监视的需求。美国在发展“白云”系列的同时，也开展了代号为“飞弓”的雷达型海洋监视卫星的研制工作，并曾执行了“海军海洋遥感卫星”(NROSS)计划，试图使用一种重量更重、倾角更大的卫星，以同时满足国防和民用需要。到目前为止，只有美国和俄罗斯这两个军事强国利用海洋监视卫星组成了实用型的卫星海洋目标监视系统。但印度、法国、日本等国家也已经有了海洋监视卫星，其他一些国家也正在积极研制之中。

　　3　典型的卫星海洋监视系统

　　世界上典型的卫星海洋目标监视系统是美国的“白云(White Cloud)”系统。该系统于20世纪60年代末开始建设，到1995年发射了最后一组卫星，共发展了三代“白云”系列电子型海洋监视卫星。“白云”系统每个星座均由1颗主卫星和3颗子卫星(SSU)组成。其中，主卫星主要利用各种侦察手段来获取情报，子卫星则装有射频天线，通过射频天线测定的电子信号到达时间，来计算出精确的信号发射源距离和方位。“白云”系统星座如图1所示。　

图1“白云”/NOSS海洋监视卫星星座示意图

　　相对而言，第三代“白云”系统卫星比前两代在功能密度和技术性能上有了很大的提高，主要体现在：(1)主卫星用高级“KH-11”卫星和“长曲棍球”成像侦察卫星替换了红外扫描仪和毫米波辐射仪，使海洋监视卫星成为可对动态目标快速定位、具有可见光、红外、微波等多种侦察手段的复杂系统；(2)采用了新的设计基线(定位基线长度缩短了约1/2)和经过改进的侦察与数据转发设备，在卫星上取消了对射电天文台造成干扰的、工作于1427～1434MHz的转发器；(3)除携带被动射频传感器外，还携带了电光/红外成像传感器。从而使卫星能够探测到潜艇为冷却反应堆排放的热水余迹，达到跟踪水下潜艇的目的；(4)卫星系统对海洋目标进行监视的范围更大，达到每组卫星7000 km2的侦察区域，在一定条件下还可在108 min后监视同一目标。由4组卫星组成的系统能够对地球上40～60°纬度的任何地区每天监视30次以上。由此可见，在布局结构、侦收设备和数据处理设备等方面经过改进的“白云”系统(即第三代)，对海洋目标进行监视的动态范围、实时性和准确性都有了显著的提高，同时，也很容易满足前面提到的时间分辨率要求。“白云”系列海洋监视卫星的主要技术参数如表1所示。

　　表1 美国“白云”系列海洋监视卫星的主要技术参数

　　技术指标第1代SSU-1(基本型) 第1代SSU-1A(改进型) 第2代SSU-2

　　发射的组数(颗数)3(9) 5(15) 2(6)

　　入轨方法直接 直接 多次脉冲点火机动

　　轨道高度(km)1090×1130 1060×1180 1050×1165

　　轨道倾角(°）63.5 63.4 63.4

　　轨道周期(min)107.5 107.5 107.5

　　入轨后开始工作所需天数20～25 15～25 30～40

　　卫星间距保持手段星载低推力发动机 星载低推力发动机 星载低推力发动机

　　每组中星间平均距离(km)50～240 50～240 30～110

　　卫星在轨平均工作寿命(年)6～7 7～9 大于7

　　可侦听频率范围(GHz)0.5～4 0.5～4 0.5～10

　　稳定系统重力梯度 重力梯度 重力梯度

　　定位精度(km)6.1 3.0 3.0

　　子卫星壳体尺寸(m)0.3×0.9×0.4 0.3×0.9×0.4 1～3(长)

　　结合表1我们知道，各种设备的改进和增加在带来系统性能提升的同时，也使得三代“白云”系统卫星在重量和体积上有了较大的增加。其中，第三代“白云”系统主卫星重达7000kg，前两代的主卫星重量仅600 kg；第三代系统的子卫星重量达到了300 kg，远超过前两代子卫星的重量45kg。但是，虽然重量和体积增加了，但第三代“白云”系统卫星的功能密度更高，技术性能更强，使海洋目标监视系统的整体性能也大大增强了。

　　4　卫星海洋目标监视系统中的三星时差定位方案

　　海洋目标监视系统的一个重要功能就是对海洋目标进行定位。卫星海洋目标监视系统已采用的定位方式主要有单星多基线定位和三星时差定位。文中所述的“白云”系统采用的就是三星时差定位方式。需要指出的是，类似“白云”系统这样“一主三副”型的海洋目标监视系统主要通过SSU子卫星来实现定位，而主卫星则大多用于其它侦察方式，如成像侦察。因此，三星定位主要是基于电子型卫星的定位方案。这种方案技术简单，有效载荷技术成熟，信号的分选、脉冲配对容易解决，星座的数据处理可以在地面进行，只用较少的卫星即可满足目标监视时间分辨率的要求，是卫星海洋目标监视系统对目标实施定位监视的一种高效解决方案。其基本原理是：测出2颗卫星收到海面某信号源的时间差(两卫星到信号源的距离差)，即可获得以这2颗卫星为焦点的双曲面，再用另外2颗卫星又可获得另一双曲面，两双曲面之交线与地面的交点就是海面信号源的位置。采用三星时差定位方案，卫星本身的姿态控制精度要求可以降到0.5～0.7°，定位基线也可根据需要拉长，定位精度较高。但是，它对卫星的轨道控制要求很高，同时还必须有严格的时间同步系统。因此，要实现三星时差定位，不但要有极高的轨道控制技术，高精度时钟技术，而且要有星间链路。

　　5　海洋监视卫星的关键技术

　　(1)多星组网技术：采用多星组网技术并在世界不同地区配置地面站，可以连续而实时地对特定目标与指定地区进行侦察监视，实现全球侦察区域的无缝连接。通过最佳选择卫星间的轨道间隔，可获得满意的辐射目标定位精度并且使其具有侦听密集信号的能力。通过灵活的空间布置，卫星海洋目标监视系统能够通过监视空间的广域换取较长时间段的连续对地观测，提高单次侦察情报的准确性和时效性；

　　(2)元器件集成化技术：元器件集成化技术是卫星小型化的基础。元器件集成水平越高，在相同的体积内就能携带越多种类和数量的探测器和遥感器。使卫星的功能密度更高，技术性能更强；

　　(3)卫星遥感器技术：采用大动态快速自适应遥感器技术，增加嵌入保护措施，软、硬一体的冗余设计和备份，以及增加可适应不同作战需求背景的多种工作模式,可以提高有效载荷部分的整体效能。利用卫星上的遥感器对海洋环境进行监测，可以进一步提高侦察目标的精度。

　　6　结束语

　　鉴于海洋监视卫星的重要地位和我国实情，我们应该认真借鉴国外先进技术，密切跟踪其发展动态，大力发展自己的海洋监视卫星，力争早日拥有实用型的海洋卫星监视系统，为国民经济建设和国防保障做出贡献。

　　参考文献:

　　[1] 赵勇，徐永胜.国外海洋监视卫星系统的现状与发展趋势.[EB/OL].(2005-02-14)[2005-5-8].　

　　www.bjx.com.cn/files//wx/dxjs/2002-5/34.htm

　　[2] 黄汉文.卫星海洋目标监视系统与发展设想[J]. 装备指挥技术学院学报， 2004，15：44-48

　　[3] 余金培，杨根庆，梁旭文.现代小卫星技术与应用[M].上海：上海科学普及出版社，2004

　　[4] 总装备部、卫星有效载荷及应用技术专业组等，卫星应用现状与发展[M]. 北京：中国科学技术出版社.2001

　　[5] 阙渭焰，林世山.电子侦察卫星能力探析.[EB/OL]. [2005-5-12].