| 槐花村人 |
2013-09-18 00:03 |
光学侦察卫星实现全时段持续监视
说起光学侦察卫星，人们首先想到的就是美国“锁眼”系列卫星。以“锁眼”为代表的光学侦察卫星，为了保证成像效果尤其是分辨率，基本都运行在地球低轨道或是太阳同步轨道上，卫星的轨道高度普遍只有数百千米到一千千米左右，只有极少数光学侦察卫星为了追求幅宽的，才会运行在高度超过两千千米的轨道上。光学侦察卫星是人类拥有的前所未有的高效侦察手段，但现阶段光学侦察卫星也存在一个致命的缺点，那就是缺乏对时间敏感度目标的持续侦察跟踪能力。为了获得持续的天基侦察能力，以美国为首的航天大国先后开始了静止轨道光学侦察卫星的研究，静止轨道光学侦察卫星可以实现全时段的持续监视，把人类航天侦察能力提高到一个新的水平。 g o5]<4`r
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静止轨道光学侦察卫星的主要特点是持续监视能力。对比航空侦察等手段，光学侦察卫星虽然具有侦察范围大等特点，而且没有侵入他国领空的法律问题，但它却很难实现持续的侦察观测，要想弄清这个问题，我们首先要了解一下侦察卫星的轨道。 R`Aj|C
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中低轨道卫星星下点在地面不断移动，它们不可能持续监视一个区域，这是目前航天侦察的一个重要不足。 4W4kwU6D
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目前光学侦察卫星一般在太阳同步轨道等低轨道上运行，虽然多数光学侦察卫星运行在太阳同步轨道上，能保证卫星每天都在特定的时刻经过特定地区，有利于在最好的光照条件下拍摄高质量的地面图像，但卫星相对于地面的位置变化就就相当复杂了。根据卫星的运动公式，我们很容易发现低轨道卫星不可能相对地面保持静止，如果我们用STK或是Orbiton等软件模拟，可以看到卫星星下点在世界地图上绘成了错综复杂的画面，这就意味着卫星无法停留在某个目标上空提供持续的侦察，只能用于对固定战略或是战术目标的间断性侦察。持续侦察能力在现代战争中却是不可缺少的，能否让航天侦察在具备大幅宽的同时，再实现持续侦察能力呢？ 1R LY $M
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为了实现持续的航天侦察能力，人们已经做了很多研究，提出了小型侦察卫星网或是静止轨道侦察卫星等方案。卫星组网是一种一力降十会的笨办法，既然单颗侦察卫星的视野是有限，那么就发射多颗卫星，组网接力探测实现对特定范围内目标的持续跟踪。美国类似构想的“智能卵石”方案曾计划部署约1000个天基拦 截 器，可以接力不间断的实现任何时间对任何地面发射的弹道导弹的拦截，太空光学侦察卫星高精度成像的幅宽小于“智能卵石”的拦截半径，即使降低对实时性的要求，所需要部署的卫星数量更是极为庞大。如果使用目前质量数百甚至数吨的大型侦察卫星，不仅对航天发射能力要求很高，大量侦察卫星的研制生产费用更是任何国家都无力承担的天文数字。为了实现近实时性的侦察，美国等国家曾设想研制微型侦察卫星，降低卫星的研制生产和发射运营成本，但目前进展十分缓慢。考虑到具有战术价值的高分辨率光学侦察卫星的成本并不会随着质量成线性降低，微卫星组网实现近实时观测无论是成本还是技术上，都存在很大的技术障碍，当然要降低实时性的要求，将侦察周期延长为数十分钟，卫星组网还是具有一定可行性的。 1
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持续侦察能力的另一个主要途径，就是静止轨道侦察卫星了。英国科学家克拉克提出静止轨道的概念以来，人们就对静止轨道上卫星与地面保持相对静止的特点熟记于心，静止轨道通信卫星更是在商业上大获成功，美国军方还研制了静止轨道上的电子信号搜集卫星，携带大型天线搜集来自地面的电波信号。时至今日，静止轨道光学侦察卫星也已经提上了日程，但是静止轨道光学侦察卫星同样具巨大的难度，与低轨道卫星组网更多遭遇成本的困难不同，它遇到的主要是技术上的挑战。 j83? m
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KH-11锁眼能在200千米高度拍摄优于0.1米分辨率的照片，但它在同步轨道上的理论分辨率也有十几米。 O40+M)e]
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静止轨道光学侦察卫星高悬在距离地球表面35800千米的赤道上空，与地面保持相对静止，可以持续的对热点区域进行跟踪观测，这是它近些年来备受关注的最主要原因。无论是美国或是中国，研制静止轨道侦察卫星的目的都是对战场热点区域进行24/7的全时段实时观测。静止轨道光学侦察卫星与地面的距离很远，轨道高度几乎是普通光学遥感卫星的将近一百倍。静止轨道光学侦察卫星更大的难题在于光学系统，光学侦察卫星可以用瑞利判据来确定其光学系统性能的上限，根据瑞利判据：σ=1.22λ/D，其中σ是极限分辨角，λ为光波 波长，D为物镜口径，而对地面物体的分辨率R=σ×H，其中H为轨道高度。为了获得有价值的图像，静止轨道侦察卫星的分辨率不能太低，由瑞利判据的公式出发，可知静止轨道光学侦察卫星的分辨率和物镜口径成正比，和轨道高度成反比，这意味着要获得同样分辨率的图像，静止轨道光学侦察卫星的物镜口径要达到低轨道运行的常规光学侦察卫星的将近一百倍，仅仅这一点就对人类的技术水平提出了太高的要求。 8GPIZh'0 h
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静止轨道光学侦察卫星的另一个难点是发射，虽然将卫星送入地球低轨道和地球静止轨道的花费和轨道高度并不成正比，但将同样质量的载荷送入静止轨道，其成本至少是送入近地轨道的两倍。仅仅是发射费用更高一些的话，对各个航天大国倒不是什么问题，和静止轨道光学侦察卫星的效能相比，发射成本提高一倍的代价完全不值得一提，但如上文所述，静止轨道光学侦察卫星需要超大口径的物镜，即使降低对分辨率的要求，整星质量仍然是一个庞大的数字。美国的KH-11B/KH-12侦察卫星可以在200千米高度拍摄到优于0.1米的图像，相应的说这样的光学侦察卫星直接放到静止轨道，仅仅从光学系统推断，不考虑其他因素的话，可以实现约18米的分辨率，但KH-11B卫星的质量将近20吨，目前世界上任何一种运载火箭都无法将其送入静止轨道。KH-11B卫星为了增强灵活性等因素，巨大的质量中很大一部分是燃料，性能相近的新型光学侦察卫星如法国的太阳神2(Helios2)可以在将近680千米高度上实现0.3米的分辨率，而卫星的质量仅有4.2吨左右，但是将太阳神2这样的卫星送入静止轨道，对多数国家来说仍然是不现实的。目前具备将载荷直接送入静止轨道的运载火箭虽然不少，但能将超过4吨的载荷送入静止轨道的，仅有美国的Delta IV Heavy火箭，早期的Delta IV Heavy火箭就可以将6.57吨载荷送入静止轨道，使用新的RS-68A发动机升级后，静止轨道发射能力进一步提高到6.75吨。
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