肉孜麥麥提,劉輝，王樹文,張松芝

(空軍預警學院，湖北 武漢 430019)

0 引言

衛(wèi)星在繞地運行過程中受到地球非球形引力攝動、三體引力攝動、大氣阻力攝動、太陽輻射壓力攝動等多種因素的影響[1-2]。因此衛(wèi)星為了保持其特定的運行軌道，以完成特定的使命任務，需要定期對軌道位置進行調(diào)整，消除各種軌道攝動因素造成的軌道位置變化對衛(wèi)星的影響。隨著航天技術(shù)的日益發(fā)展，航天器的各類功能元部件的穩(wěn)定性和壽命大大提高，使得制約衛(wèi)星壽命的因素主要是衛(wèi)星軌道壽命的長短，而衛(wèi)星軌道壽命主要由衛(wèi)星運行軌道的攝動因素和衛(wèi)星所攜帶的推進劑多少而決定。因此，衛(wèi)星是否還有足夠的推進劑進行軌位保持，是決定其在軌壽命的關(guān)鍵。從另一個角度來看，一顆衛(wèi)星如果仍然處于工作狀態(tài)或是在需要的時候可以轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，則其必然要定期進行軌位保持。本文將從這一論斷出發(fā)，通過分析研究俄羅斯“眼睛”系列和“預報”系列導彈預警衛(wèi)星軌道參數(shù)隨時間的變化特征，判斷其是否還在進行軌位保持，進而推斷這些衛(wèi)星的工作狀態(tài)，主要是確定其仍然可用還是已經(jīng)報廢。

1 衛(wèi)星軌道參數(shù)描述

衛(wèi)星繞地球運轉(zhuǎn)的理想軌道(二體力學軌道)根據(jù)開普勒行星運動定律，可以用有軌道傾角i、半長軸a、偏心率e、升交點赤經(jīng)Ω、近地點幅角w和真近點角f等6個軌道根數(shù)描述[3-6]。

本文中分析俄羅斯的導彈預警衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)來自與美國NASA公布的星歷數(shù)據(jù)(2行或3行)。圖1為NASA公布的國際空間站的3行星歷數(shù)據(jù)，3行星歷數(shù)據(jù)格式中各個字段代表的物理含義如表1所示。

從表1可以看出，在NASA空間目標數(shù)據(jù)庫的3行(或2行)星歷數(shù)據(jù)格式中，描述衛(wèi)星基本軌道參數(shù)的數(shù)據(jù)集中第2行的9～63列。與傳統(tǒng)的軌道6根數(shù)相比，這里用平均近點角代替了真近點角，用每日平動圈數(shù)代替了半長軸。其中，每日平動圈數(shù)(或者半長軸)和偏心率共同決定了衛(wèi)星軌道的大小和形狀；軌道傾角和升交點赤經(jīng)共同決定了軌道平面的空間位置；近地點幅角決定了軌道在軌道平面中的取向；平均近點角或(真近點角)決定了衛(wèi)星在軌道上的位置[3-5]。

圖1 NASA公布的星歷數(shù)據(jù)格式(國際空間站ISS)Fig.1 NASA′s published ephemeris data format (ISS)

第0行第1行第2行列號例子描述列號例子描述列號例子描述1～24ISS(ZARYA)目標在名稱11行號12行號3～725 544目標編號3～725 544目標編號8U類別(U=未分類)9～1651.642 6軌道傾角(°)10～1798067A國際代號18～25316.707 0升交點赤經(jīng)(°)19～3218 108.410 762 52數(shù)據(jù)歷元時刻(UTC)35～424.246 6近地點幅角(°)34～430.000 019 70軌道平動一階導數(shù)(小數(shù))44～5158.404 8平均近點角(°)45～5200000-0軌道平動二階導數(shù)53～6315.542 764 02平動(每天的圈數(shù))54～6136793-4BSTAR阻力系數(shù)64～6810 922 歷元時刻的圈數(shù)(總共圈數(shù))630軌道模型694校驗和65～68999星歷號694校驗和

2 衛(wèi)星軌道攝動分析

根據(jù)開普勒行星運動定律，繞地運行的衛(wèi)星，在僅受到指向地心的地球引力作用下，將始終保持在一個固定的軌道上運行，因此其軌道參數(shù)除與時間相關(guān)決定衛(wèi)星在軌道上位置的平均近點角或(真近點角)會隨時間變化外，其余5個軌道根數(shù)將保持不變。然而實際繞地運行的衛(wèi)星，其所受的地球引力并不指向地心，且還收到月球引力、太陽引力、大氣阻力、太陽輻射壓力等諸多攝動力的影響，導致其軌道將發(fā)生不同程度的變化，相應的6個軌道根數(shù)也會呈現(xiàn)一定的變化趨勢[7-10]。

2.1 軌道攝動對地球靜止軌道衛(wèi)星軌道參數(shù)的影響

俄羅斯地球靜止軌道導彈預警衛(wèi)星“預報”系列衛(wèi)星的第7顆衛(wèi)星——“預報-7”公開的衛(wèi)星名稱為“COSMOS 2440”，國際代號為08033A，NASA空間目標數(shù)據(jù)庫的目標編號為33 108，該衛(wèi)星于2008-06-26發(fā)射升空。下面選取2008-08-12(衛(wèi)星已進入預定軌道位置)NASA公布的該衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析其在不進行軌位保持的情況下，由于受軌道攝動影響，其軌道參數(shù)的變化情況(通過本文的分析研究得出如下結(jié)論：在進行軌位保持和不進行軌位保持2種情況下，衛(wèi)星的6個軌道根數(shù)中變化特征有明顯差異的是反映軌道周期的每日平動圈數(shù)這一參數(shù)。因此，本文中重點分析衛(wèi)星軌道六根數(shù)中的每日平動圈數(shù)隨時間的變化特性)，如圖2所示。

從圖2可以看出，在不進行軌位保持的情況下，地球靜止軌道衛(wèi)星的每日平動圈數(shù)在各種攝動作用的影響下將發(fā)生周期性的有規(guī)律的變化，整個變化曲線呈現(xiàn)出平滑特性。

2.2 軌道攝動對大橢圓軌道衛(wèi)星軌道參數(shù)的影響

俄羅斯大橢圓軌道導彈預警衛(wèi)星“眼睛”系列衛(wèi)星的第84顆衛(wèi)星——“眼睛-84”公開的衛(wèi)星名稱為“Cosmos 2430”，國際代號為07049A，NASA空間目標數(shù)據(jù)庫的目標編號為32 268，該衛(wèi)星于2007-10-23發(fā)射升空。下面選取2007-11-09(衛(wèi)星已進入預定軌道位置)NASA公布的該衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析其在不進行軌位保持的情況下，由于受到軌道攝動影響，其每日平動圈數(shù)這一軌道根數(shù)的變化情況，如圖3，4所示。

從圖3，4可以看出，在不進行軌位保持的情況下，大橢圓軌道衛(wèi)星的每日平動圈數(shù)在各種攝動作用的影響下將發(fā)生周期性的有規(guī)律的變化，并且由于大橢圓軌道在其一個軌道周期內(nèi)軌道高度從40 000 km左右變化到1 000 km以內(nèi)，相應的軌道參數(shù)存在小周期(12 h左右)的變化。如果采用周期軌道預報(LOP)分析，忽略軌道參數(shù)短周期(1天以內(nèi)的變化)，可以得出大橢圓軌道的每日平動圈數(shù)長周期變化趨勢同樣呈現(xiàn)平滑特性。

3 軌位保持的衛(wèi)星軌道參數(shù)變化特征分析

從上文分析可知，繞地球運行的各類衛(wèi)星，由于各種攝動力的作用，其軌道將會發(fā)生長周期或者短周期的變化，如果不進行軌位保持，衛(wèi)星的運行位置將逐漸偏離理論設計值。為了確保衛(wèi)星完成相應的任務，同時避免衛(wèi)星間發(fā)生碰撞，需要通過軌位保持使衛(wèi)星的位置始終在理論設計值附近。因此，衛(wèi)星進行軌位保持，實際上就是在衛(wèi)星在攝動力作用下位置誤差大于一定閾值時，通過施加外力校正其位置誤差的過程[11-14]。在此過程中，由于通過外力在短時間內(nèi)將衛(wèi)星的軌道調(diào)整回理論設計值，從衛(wèi)星軌道參數(shù)的時間變化特性看，理論上而言必然會出現(xiàn)一個不可導的拐點。通過本文的分析研究，這種不可導的拐點在衛(wèi)星軌道6根數(shù)的每日平動圈數(shù)(或軌道周期、或半長軸)隨時間的變化特性曲線中最為明顯。

圖2 COSMOS 2440(“預報-7”)衛(wèi)星不進行軌位保持時每日平動圈數(shù)的變化特性Fig.2 COSMOS 2440 (“Precession-7”) shows the changing characteristics of the number of daily translation coils when the satellite is not in orbit maintenance

下面分析俄羅斯2種系列導彈預警衛(wèi)星在軌正常運行階段的每日平動圈數(shù)的時間變化特性。相應衛(wèi)星的軌道參數(shù)來源于美國NASA公布的空間目標數(shù)據(jù)庫的3行星歷數(shù)據(jù)文件。

3.1 地球靜止軌道衛(wèi)星軌道參數(shù)在進行軌位保持時的變化特征

圖5是俄羅斯地球靜止軌道導彈預警衛(wèi)星“預報”系列衛(wèi)星的第7顆衛(wèi)星——“預報-7”在軌正常運行階段的每日平動圈數(shù)的時間變化特性曲線。

圖5中橫坐標為以衛(wèi)星發(fā)射入軌時刻為零點的時間軸(以天為單位)，該衛(wèi)星于2008-06-26發(fā)射升空，可以看出在2008年8月至2010年6月之間該衛(wèi)星進行了4次軌位保持，平均每3～5個月做1次軌位保持。且每次進行軌位保持時，衛(wèi)星軌道的每日平動圈數(shù)都會發(fā)生1次階躍性突變，由較小值變?yōu)檩^大值；而在相鄰2次軌位保持之間，除了個別短周期(1天以內(nèi)的變化)呈現(xiàn)出小的峰值(毛刺形狀)外，在長周期上衛(wèi)星軌道的每日平動圈數(shù)整體上呈現(xiàn)由較大值到較小值的單調(diào)遞減趨勢[7-10]。

圖3 COSMOS 2430(“眼睛-84”)衛(wèi)星不進行軌位保持時每日平動圈數(shù)的變化特性(長周期)Fig.3 COSMOS 2430 (“Eye-84”) the changing characteristics of the number of daily translational coils (long period) when the satellite is not in orbit maintenance

圖4 COSMOS 2430(“眼睛-84”)衛(wèi)星不進行軌位保持時每日平動圈數(shù)的變化特性(短周期)Fig.4 COSMOS 2430 (“Eye-84”) the changing characteristics of the number of daily translation coils when the satellite is not in orbit maintenance (short period)

圖5 COSMOS 2440(“預報-7”)衛(wèi)星進行軌位保持時每日平動圈數(shù)的變化特性Fig.5 COSMOS 2440 (“Precession-7”) satellite′s variation in the number of daily translation coils during orbital maintenance

該分析結(jié)論與地球靜止軌道衛(wèi)星受地球非球形攝動的理論是相符的。地球非球形攝動使衛(wèi)星在地球靜止軌道上經(jīng)度方向來回漂移，且存在2個穩(wěn)定平衡點(即所謂地球引力槽的位置)分別位于75°E和105°W，地球靜止軌道上的衛(wèi)星在地球非球形攝動作用下均會朝著臨近的穩(wěn)定平衡點運動。COSMOS 2440的定點經(jīng)度在80°E，因此其在地球非球形攝動作用下將會朝75°E運動，即向西運動。也就是說衛(wèi)星軌道周期將大于地球自轉(zhuǎn)周期(運動變慢)，即在地球非球形攝動作用下COSMOS 2440衛(wèi)星的每日平動圈數(shù)將逐漸減小。這與圖5的實測數(shù)據(jù)是相符的。

從這里的分析可以看出，從地球靜止軌道衛(wèi)星軌道參數(shù)(尤其是每日平動圈數(shù))的時間變化特征可以明確判斷衛(wèi)星是否在定期進行軌位保持。

3.2 大橢圓軌道衛(wèi)星軌道參數(shù)在進行軌位保持時的變化特征分析

圖6是俄羅斯大橢圓軌道導彈預警衛(wèi)星“研究”系列衛(wèi)星的第84顆衛(wèi)星——“預報-84”在軌正常運行階段的每日平動圈數(shù)的時間變化特性曲線。

該衛(wèi)星于2007-10-23發(fā)射升空，可以看出在2007年11月至2012年5月之間該衛(wèi)星進行了25次軌位保持，平均每2個月做1次軌位保持。且每次進行軌位保持時，衛(wèi)星軌道的每日平動圈數(shù)都會發(fā)生1次階躍性突變，由較大值變?yōu)檩^小值；而在相鄰2次軌位保持之間，衛(wèi)星軌道的每日平動圈數(shù)整體上呈現(xiàn)由較大值到較小值的單調(diào)遞增趨勢。

因此，從大橢圓軌道衛(wèi)星軌道參數(shù)(尤其是每日平動圈數(shù))的時間變化特征可以明確判斷衛(wèi)星是否在定期進行軌位保持。

4 俄羅斯導彈預警衛(wèi)星工作狀態(tài)分析

航天裝備，尤其是以星座形式運行的戰(zhàn)略航天裝備，其在軌的各衛(wèi)星成員往往不是都處于戰(zhàn)備值班狀態(tài)，為了確保星座體系的穩(wěn)定性、可靠性、長壽命和生存能力，星座設計時往往將在軌衛(wèi)星設定為不同的狀態(tài)，不同狀態(tài)之間可以在戰(zhàn)場條件發(fā)生變化時進行切換。以美國也是全球至今最為成熟的導彈預警衛(wèi)星星座——DSP衛(wèi)星星座為例，作為一個完善的星座系統(tǒng)，DSP衛(wèi)星星座由處于各種不同狀態(tài)的衛(wèi)星成員組成。除了處于工作狀態(tài)，執(zhí)行戰(zhàn)備值班和作戰(zhàn)任務的衛(wèi)星外，還包括處于備份狀態(tài)、退役狀態(tài)和報廢狀態(tài)的衛(wèi)星。

工作狀態(tài)。衛(wèi)星嚴格保持定點位置，及時進行軌道修正和姿態(tài)調(diào)整，紅外探測系統(tǒng)開機工作，與地面站既保持測控通信，又保持連續(xù)的數(shù)據(jù)通信，及時將紅外探測數(shù)據(jù)傳回地面站。

備份狀態(tài)。衛(wèi)星嚴格保持定點位置，及時進行軌道修正和姿態(tài)調(diào)整，紅外探測系統(tǒng)開機工作，與地面站只保持測控通信，不占用地面站數(shù)據(jù)通信資源。一旦由備份狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)，只需恢復對地面站的數(shù)據(jù)通信即可。

退役狀態(tài)。衛(wèi)星定時進行軌道修正，紅外探測系統(tǒng)關(guān)機，但進行定時測試維護，與地面站隨時保持聯(lián)絡，一旦由退役狀態(tài)轉(zhuǎn)為備份狀態(tài)，需要重新開啟紅外探測系統(tǒng)。

報廢狀態(tài)。衛(wèi)星完成其使命任務后，利用最后的一點燃料作軌道機動，進入比地球靜止軌道更高的墳場軌道，作為太空垃圾丟棄。

圖6 COSMOS 2430(“眼睛-84”)衛(wèi)星進行軌位保持時每日平動圈數(shù)的變化特性(長周期)Fig.6 COSMOS 2430 (“Eye-84”) changes in the number of daily translation coils when the satellite is in orbit maintenance (long period)

從美國最為成熟的導彈預警衛(wèi)星系統(tǒng)(DSP系統(tǒng))衛(wèi)星成員的狀態(tài)定義可以得出，衛(wèi)星是否繼續(xù)進行軌位保持，是衛(wèi)星能否投入作戰(zhàn)使用的必要條件，即如果衛(wèi)星不再進行軌位保持，則可以直接判定衛(wèi)星處于報廢狀態(tài)，已無法再投入作戰(zhàn)使用。所以，可以通過分析航天裝備尤其是戰(zhàn)略航天裝備是否在進行軌位保持來推斷衛(wèi)星的實際使用狀態(tài)。

下面就通過分析俄羅斯導彈預警衛(wèi)星的軌道參數(shù)變化特征，推斷其實際使用狀態(tài)。

從美國NASA公布的空間目標數(shù)據(jù)庫中獲取俄羅斯仍然在軌的“眼睛”系列和“預報”系列導彈預警衛(wèi)星(3顆“眼睛”系列大橢圓軌道-HEO導彈預警衛(wèi)星，2顆“預報”系列地球靜止軌道-GEO導彈預警衛(wèi)星)全壽命周期(截止到2018年4月18日)的軌道參數(shù)數(shù)據(jù)。通過分析軌道參數(shù)(每日平動圈數(shù))的時間變化特征，判斷其實際狀態(tài)。

圖7和圖8分別是俄羅斯導彈預警衛(wèi)星COSMOS 2440(“預報-7”)和COSMOS 2430(“眼睛-84”)的每日平動圈數(shù)的時間變化特性曲線。

通過對比分析，可知COSMOS 2440衛(wèi)星在2010年6月以后就沒有進行軌道保持了；COSMOS 2430衛(wèi)星在2012年5月以后也沒有進行軌道保持了。采用同樣的方法對俄羅斯另外的2顆大橢圓軌道導彈預警衛(wèi)星(COSMOS 2446(“眼睛-85”)；COSMOS 2469(“眼睛-86”))和一顆地球靜止軌道導彈預警衛(wèi)星(COSMOS 2479(“預報-8”))也進行了對比分析，分析結(jié)果如表2所示。該分析結(jié)果與相關(guān)資料報道俄羅斯“眼睛”和“預報”系列導彈預警衛(wèi)星截止2014年10月已全部失效是吻合的[15]。

圖7 COSMOS 2440(“預報-7”)衛(wèi)星進行軌位保持時每日平動圈數(shù)的變化特性Fig.7 COSMOS 2440 (“Precession-7”) satellite′s variation in the number of daily translation coils during orbital maintenance

圖8 COSMOS 2430(“眼睛-84”)衛(wèi)星進行軌位保持時每日平動圈數(shù)的變化特性(長周期)Fig.8 COSMOS 2430 (“Eye-84”) satellite′s variation in the number of daily translation coils during orbital maintenance (long period)

衛(wèi)星軌道類型發(fā)射時間停止軌位保持的時間(判定為失效時間)軌道壽命軌位保持次數(shù)及頻率COSMOS 2469(“眼睛-86”)大橢圓軌道2010-09-302013年2月2年半12次,約2月/次COSMOS 2446(“眼睛-85”)大橢圓軌道2008-12-022014年6月5年半29次,約2月/次COSMOS 2430(“眼睛-84”)大橢圓軌道2007-10-232012年5月4年半25次,約2月/次COSMOS 2479(“預報-8”)地球靜止軌道2012-03-302014年4月2年3次,約3～5月/次COSMOS 2440(“預報-7”)地球靜止軌道2008-06-262010年6月2年4次,約3～5月/次

5 結(jié)束語

通過對比分析衛(wèi)星全壽命周期內(nèi)軌道參數(shù)(尤其是每日平動圈數(shù))的時間變化特性，可以判定衛(wèi)星是否還在繼續(xù)進行軌位保持，進而明確其是否還在軌道壽命周期內(nèi)，對于戰(zhàn)略航天裝備而言，可以據(jù)此判定該裝備是否還能投入作戰(zhàn)使用，即明確其實際工作狀態(tài)。通過這一研究一方面可以全面掌握國外航天裝備尤其是戰(zhàn)略航天裝備的實時動態(tài)；另一方面可以為我國開展戰(zhàn)略攻防對抗和戰(zhàn)略布局時提供數(shù)據(jù)支撐和重要理論依據(jù)。