| 槐花村人 |
2013-09-18 00:03 |
光學(xué)偵察衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全時(shí)段持續(xù)監(jiān)視
說起光學(xué)偵察衛(wèi)星，人們首先想到的就是美國“鎖眼”系列衛(wèi)星。以“鎖眼”為代表的光學(xué)偵察衛(wèi)星，為了保證成像效果尤其是分辨率，基本都運(yùn)行在地球低軌道或是太陽同步軌道上，衛(wèi)星的軌道高度普遍只有數(shù)百千米到一千千米左右，只有極少數(shù)光學(xué)偵察衛(wèi)星為了追求幅寬的，才會(huì)運(yùn)行在高度超過兩千千米的軌道上。光學(xué)偵察衛(wèi)星是人類擁有的前所未有的高效偵察手段，但現(xiàn)階段光學(xué)偵察衛(wèi)星也存在一個(gè)致命的缺點(diǎn)，那就是缺乏對(duì)時(shí)間敏感度目標(biāo)的持續(xù)偵察跟蹤能力。為了獲得持續(xù)的天基偵察能力，以美國為首的航天大國先后開始了靜止軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星的研究，靜止軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)全時(shí)段的持續(xù)監(jiān)視，把人類航天偵察能力提高到一個(gè)新的水平。 7^7Jh&b)/
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靜止軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星的主要特點(diǎn)是持續(xù)監(jiān)視能力。對(duì)比航空偵察等手段，光學(xué)偵察衛(wèi)星雖然具有偵察范圍大等特點(diǎn)，而且沒有侵入他國領(lǐng)空的法律問題，但它卻很難實(shí)現(xiàn)持續(xù)的偵察觀測，要想弄清這個(gè)問題，我們首先要了解一下偵察衛(wèi)星的軌道。 Q2!5
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中低軌道衛(wèi)星星下點(diǎn)在地面不斷移動(dòng)，它們不可能持續(xù)監(jiān)視一個(gè)區(qū)域，這是目前航天偵察的一個(gè)重要不足。 (6Ciq f8
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目前光學(xué)偵察衛(wèi)星一般在太陽同步軌道等低軌道上運(yùn)行，雖然多數(shù)光學(xué)偵察衛(wèi)星運(yùn)行在太陽同步軌道上，能保證衛(wèi)星每天都在特定的時(shí)刻經(jīng)過特定地區(qū)，有利于在最好的光照條件下拍攝高質(zhì)量的地面圖像，但衛(wèi)星相對(duì)于地面的位置變化就就相當(dāng)復(fù)雜了。根據(jù)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)公式，我們很容易發(fā)現(xiàn)低軌道衛(wèi)星不可能相對(duì)地面保持靜止，如果我們用STK或是Orbiton等軟件模擬，可以看到衛(wèi)星星下點(diǎn)在世界地圖上繪成了錯(cuò)綜復(fù)雜的畫面，這就意味著衛(wèi)星無法停留在某個(gè)目標(biāo)上空提供持續(xù)的偵察，只能用于對(duì)固定戰(zhàn)略或是戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的間斷性偵察。持續(xù)偵察能力在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中卻是不可缺少的，能否讓航天偵察在具備大幅寬的同時(shí)，再實(shí)現(xiàn)持續(xù)偵察能力呢？ +s;>@j()V
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為了實(shí)現(xiàn)持續(xù)的航天偵察能力，人們已經(jīng)做了很多研究，提出了小型偵察衛(wèi)星網(wǎng)或是靜止軌道偵察衛(wèi)星等方案。衛(wèi)星組網(wǎng)是一種一力降十會(huì)的笨辦法，既然單顆偵察衛(wèi)星的視野是有限，那么就發(fā)射多顆衛(wèi)星，組網(wǎng)接力探測實(shí)現(xiàn)對(duì)特定范圍內(nèi)目標(biāo)的持續(xù)跟蹤。美國類似構(gòu)想的“智能卵石”方案曾計(jì)劃部署約1000個(gè)天基攔 截 器，可以接力不間斷的實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間對(duì)任何地面發(fā)射的彈道導(dǎo)彈的攔截，太空光學(xué)偵察衛(wèi)星高精度成像的幅寬小于“智能卵石”的攔截半徑，即使降低對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，所需要部署的衛(wèi)星數(shù)量更是極為龐大。如果使用目前質(zhì)量數(shù)百甚至數(shù)噸的大型偵察衛(wèi)星，不僅對(duì)航天發(fā)射能力要求很高，大量偵察衛(wèi)星的研制生產(chǎn)費(fèi)用更是任何國家都無力承擔(dān)的天文數(shù)字。為了實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)性的偵察，美國等國家曾設(shè)想研制微型偵察衛(wèi)星，降低衛(wèi)星的研制生產(chǎn)和發(fā)射運(yùn)營成本，但目前進(jìn)展十分緩慢�？紤]到具有戰(zhàn)術(shù)價(jià)值的高分辨率光學(xué)偵察衛(wèi)星的成本并不會(huì)隨著質(zhì)量成線性降低，微衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)觀測無論是成本還是技術(shù)上，都存在很大的技術(shù)障礙，當(dāng)然要降低實(shí)時(shí)性的要求，將偵察周期延長為數(shù)十分鐘，衛(wèi)星組網(wǎng)還是具有一定可行性的。 %Gl1Qi+Po_
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持續(xù)偵察能力的另一個(gè)主要途徑，就是靜止軌道偵察衛(wèi)星了。英國科學(xué)家克拉克提出靜止軌道的概念以來，人們就對(duì)靜止軌道上衛(wèi)星與地面保持相對(duì)靜止的特點(diǎn)熟記于心，靜止軌道通信衛(wèi)星更是在商業(yè)上大獲成功，美國軍方還研制了靜止軌道上的電子信號(hào)搜集衛(wèi)星，攜帶大型天線搜集來自地面的電波信號(hào)。時(shí)至今日，靜止軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星也已經(jīng)提上了日程，但是靜止軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星同樣具巨大的難度，與低軌道衛(wèi)星組網(wǎng)更多遭遇成本的困難不同，它遇到的主要是技術(shù)上的挑戰(zhàn)。 Pt hgxB^
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KH-11鎖眼能在200千米高度拍攝優(yōu)于0.1米分辨率的照片，但它在同步軌道上的理論分辨率也有十幾米。
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靜止軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星高懸在距離地球表面35800千米的赤道上空，與地面保持相對(duì)靜止，可以持續(xù)的對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行跟蹤觀測，這是它近些年來備受關(guān)注的最主要原因。無論是美國或是中國，研制靜止軌道偵察衛(wèi)星的目的都是對(duì)戰(zhàn)場熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行24/7的全時(shí)段實(shí)時(shí)觀測。靜止軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星與地面的距離很遠(yuǎn)，軌道高度幾乎是普通光學(xué)遙感衛(wèi)星的將近一百倍。靜止軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星更大的難題在于光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)偵察衛(wèi)星可以用瑞利判據(jù)來確定其光學(xué)系統(tǒng)性能的上限，根據(jù)瑞利判據(jù)：σ=1.22λ/D，其中σ是極限分辨角，λ為光波 波長，D為物鏡口徑，而對(duì)地面物體的分辨率R=σ×H，其中H為軌道高度。為了獲得有價(jià)值的圖像，靜止軌道偵察衛(wèi)星的分辨率不能太低，由瑞利判據(jù)的公式出發(fā)，可知靜止軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星的分辨率和物鏡口徑成正比，和軌道高度成反比，這意味著要獲得同樣分辨率的圖像，靜止軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星的物鏡口徑要達(dá)到低軌道運(yùn)行的常規(guī)光學(xué)偵察衛(wèi)星的將近一百倍，僅僅這一點(diǎn)就對(duì)人類的技術(shù)水平提出了太高的要求。 | BUgsE
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靜止軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星的另一個(gè)難點(diǎn)是發(fā)射，雖然將衛(wèi)星送入地球低軌道和地球靜止軌道的花費(fèi)和軌道高度并不成正比，但將同樣質(zhì)量的載荷送入靜止軌道，其成本至少是送入近地軌道的兩倍。僅僅是發(fā)射費(fèi)用更高一些的話，對(duì)各個(gè)航天大國倒不是什么問題，和靜止軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星的效能相比，發(fā)射成本提高一倍的代價(jià)完全不值得一提，但如上文所述，靜止軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星需要超大口徑的物鏡，即使降低對(duì)分辨率的要求，整星質(zhì)量仍然是一個(gè)龐大的數(shù)字。美國的KH-11B/KH-12偵察衛(wèi)星可以在200千米高度拍攝到優(yōu)于0.1米的圖像，相應(yīng)的說這樣的光學(xué)偵察衛(wèi)星直接放到靜止軌道，僅僅從光學(xué)系統(tǒng)推斷，不考慮其他因素的話，可以實(shí)現(xiàn)約18米的分辨率，但KH-11B衛(wèi)星的質(zhì)量將近20噸，目前世界上任何一種運(yùn)載火箭都無法將其送入靜止軌道。KH-11B衛(wèi)星為了增強(qiáng)靈活性等因素，巨大的質(zhì)量中很大一部分是燃料，性能相近的新型光學(xué)偵察衛(wèi)星如法國的太陽神2(Helios2)可以在將近680千米高度上實(shí)現(xiàn)0.3米的分辨率，而衛(wèi)星的質(zhì)量僅有4.2噸左右，但是將太陽神2這樣的衛(wèi)星送入靜止軌道，對(duì)多數(shù)國家來說仍然是不現(xiàn)實(shí)的。目前具備將載荷直接送入靜止軌道的運(yùn)載火箭雖然不少，但能將超過4噸的載荷送入靜止軌道的，僅有美國的Delta IV Heavy火箭，早期的Delta IV Heavy火箭就可以將6.57噸載荷送入靜止軌道，使用新的RS-68A發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)后，靜止軌道發(fā)射能力進(jìn)一步提高到6.75噸。
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