[科普中国]-海洋监视卫星

简介

海洋监视卫星主要用于探测、监视海上舰船和潜艇活动，是一种实时或近实时地侦收窃听舰载雷达信号和无线电通信信号的侦察卫星。它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，也能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。同时，也能为水面舰船提供通信。另外，它还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、海水温度和含盐量及海岸的性质等，可为国民经济建设服务。因此，海洋监视卫星在民用及军事应用中均有重大意义。2

海洋监视卫星能利用太空优势和高度，覆盖广阔海洋，能实时监视舰船、潜艇活动，侦察监听和监测舰艇雷达信号，发现、跟踪和定位；监测舰艇的无线电通信，从而发现舰艇的接发的秘密信息，并根据信号源定位，同时破译通信秘密。海洋监视卫星的高科技监视仪器能详尽地探测和鉴别海上舰船，并准确地确定坐标方位、航向和航速。根据海洋监视卫星装载的侦察、监视设备的不同，分为主动监视型和被动监视型；根据海洋监视卫星的侦察方式，分为雷达监视型和电子监视型。各种海洋监视卫星互相发挥特长、弥补缺陷，达到全方位全时空监视海洋。1

作用范围一般来说，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。3

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。3

分类海洋监视卫星按所携带的侦察、监视设备的不同和采用的侦察手段的不同，大体可分为电子侦察型海洋监视卫星和雷达型海洋监视卫星，前者又称被动型海洋监视卫星，后者又称为主动型海洋监视卫星，两者相互配合协调工作。主动型海洋监视卫星一般载有大功率、大孔径、核动力雷达，它发射雷达波束来对海面扫描并接收由目标反射的回波信号，以确定舰船的位置和外形尺寸。这类卫星能在恶劣的气象条件和海况下实施昼夜监视。被动型海洋监视卫星利用电子侦察设备截获海面目标发射的无线电通信和雷达信号以测定海面舰只的位置，或利用毫米波辐射仪和红外扫描仪等探测潜航中的核潜艇。2

电子侦察型（又称被动型）电子侦察型海洋监视卫星系统采用多颗卫星组网工作，利用星载电子侦察接收机同时截获海上目标发射的无线电信号，来测定目标的位置和类型。这种方式与导航卫星采用的双曲线导航法类似，即测出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。它能监听敌方舰船的电子辐射信号，可测定辐射源的坐标，并根据辐射信号特征对目标进行识别。多颗卫星，即由1 颗主卫星和若干颗子卫星组成，同时测定目标方位，子卫星将数据传输到主卫星，由主卫星计算目标的位置和速度，然后发回地面。卫星上安装有无线电接收装置，用于接收目标的通信信号或雷达信号，并探测和确定目标位置；装有红外探测器，用以探测核潜艇尾流的红外辐射；装有微波辐射仪，用于调查海面状况或海洋特性。2这种卫星隐蔽性好，但定位精度较低。4

雷达型（又称主动型）雷达型海洋监视卫星由于星上带核电源，所以还被称作核动力型海洋监视卫星。星上的雷达侦察设备主动发射脉冲信号并接收由目标返回的波束，以确定目标的位置及其外形。采用2 颗卫星为一组，成对运行在同一轨道上，相互保持准确的时间间隔，由2 颗卫星同时测量可以消除或减少海面杂波的干扰，容易探测到较小的目标。这类卫星通常载有侧视或前视雷达，一次扫描覆盖宽度可达460km 。近年来由于合成孔径雷达的出现，以及更为先进的处理技术引入雷达系统，因此目前雷达系统能产生分辨率相当高的探测图像，并且能在恶劣气象条件和海况下实施昼夜侦察与监视。2这种卫星获取的目标特征直观、定位精度高，但由于采用主动方式，易受干扰，要求有大功率的能源。4

定位方式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。“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。3

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。3

关键技术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。3

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。3

发展概况海洋监视卫星是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）。3

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。这三组卫星的轨道面互相间隔120°，组网工作。后来发射的卫星都用作替补失效的卫星。每颗卫星重约1吨。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。3

利用海洋监视卫星，采用无源被动定位方式对海上舰船进行监视是一种比较有效的手段。目前实际应用的无源被动定位体制主要有两种：一种是美国的“白云”系列海洋监视卫星，这种卫星以四颗星为一组，采用时差定位方法，定位精度为2~3km；一种是俄罗斯的“US-P”系列海洋监视卫星，这种卫星利用单星或双星配对工作，采用基线干涉定位方法，定位精度为6~13km。采用时差定位法定位精度相对较高，覆盖范围大，对卫星姿态要求不高，是一种比较好的无源被动定位体制。4

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。2

典型的海洋监视卫星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。3

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：⑴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；⑵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；⑶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；⑷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。3

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。3