围观弹道导弹发射

李梅 王继新

2009年12月，挪威北部城镇特罗姆瑟上空出现的神秘光迹实为俄罗斯“圆锤”导弹试验失败留下的尾迹，壮观的螺旋光线实际是当时这枚导弹在试验中失控旋转，形成神秘的螺旋视觉效果

近年来，随着互联网和自媒体的发展，世界任何角落几乎都不再有秘密，包括以前充满神秘色彩的弹道导弹发射，似乎也在各地热心“观众”的“直播”中，变成了带有奇幻色彩的空中异象。实际上，利用导弹发射时特殊而明显的光学特征对其观测是弹道导弹试验中重要的测量手段。

为什么需要光学观测

大家知道，弹道导弹飞行通常分为主动段、中段和再入段三个阶段。其中，主动段是导弹推进系统工作的飞行阶段，也称动力飞行段，中段和再入段则合称为自由飞行段。通常主动段飞行时间不长，在几百秒之内。导弹控制系统按照发射程序对导弹运动参数进行控制后，在关机点，弹体与弹头分离，随后进入自由飞行段。主动段时间虽然不长，但最后关机点的位置和速度对导弹的射程和落点却有着决定性的作用。而目前已经拥有雷达、遥测等很多测量手段，为什么还需要最“原始”的光学观测？这主要是由于光学观测对导弹发射过程目标特性有着独特的优势。

飞行速度较慢

由于主动段导弹起飞速度从零开始逐步增加，即使到关机点其速度最大时，与弹头再入段相比，其速度也并不算高。统计表明，通常导弹主动段飞行的平均速度约为1.5～2千米/秒。其中，近中程导弹关机点速度只有2～3千米/秒，中远程导弹为4～5千米/秒，远程导弹可达到6～6.5千米/秒，即使是洲际导弹其速度也只为7～7.6千米/秒。由于射程越远，导弹关机点高度就越高，从地面观测的移动角度也越小，因此即使远程及洲际导弹飞行速度较高，但由于其高度较高，仍能较好地跟踪和测量。与之相比，同类型导弹弹头的再入速度要大1～2倍，有些高弹道导弹甚至更高，因此地面光学设备跟踪更难。

目标特征明显

由于发射时跟踪的是整个导弹，而中程以上导弹在再入时已经完成头体分离，再入时是体积更小的弹头，而导弹弹体的表面积比弹头大50～70倍，横截面积大10～20倍，而且导弹主动段飞行时，发动机喷焰温度很高，具有很強的红外辐射和可见光特征，易于观测。特别是在清晨或黄昏时分发射，导弹在高空喷射出的尾焰扩散后形成的燃烧粒子产物，在已经消失在地平线下的阳光照射下，产生暮光效应，会形成炫目的光反射现象，就像云层在早晚阳光照射下反射形成朝霞和晚霞一样。特别是这时的发动机喷射粒子云在大气折射下可能发生多种大气反射、折射和衍射等现象，有时在远处观看并不是导弹发射后尾部形成的锥状高亮轮廓，而可能是更加玄幻的图案。而这时处于助推段飞行轨道下方的地面人员或观测仪器都处于地球的阳光遮蔽阴暗区域内，不会受到阳光干扰，因而观测更容易。

飞行高度较低

一般导弹主动段飞行时间约5～8分钟，固体导弹时间要短些，液体导弹时间要长些。虽然飞行时间较短，但是导弹的主动段基本都处于大气层内，因此飞行高度较低，易于采用直接的光学观测手段。通常，射程越远弹道导弹的关机点高度也越高。一般来说，近中程弹道导弹关机点高度为80～100千米，中远程导弹120～150千米，远程导弹170～200千米，洲际导弹200～240千米。这些高度都处于大部分光学观测仪器甚至人类肉眼的观测范围内。特别是在夜暗条件和阳光强反射情况下，导弹的程序动作和尾焰情况应该说丝毫难逃光学仪器的观测和测量。

美国迈阿密上空的“飞碟”实际是美国“阿特拉斯五号”火箭（Atlas 5）试验的尾迹

此外，由于导弹主动段飞行主要是尽快使导弹载荷达到尽可能大的速度并赋予正确方向，因此不会有较复杂的机动动作和程序，弹头和诱饵也不会释放，因此目标识别和测量信号内容都较为单一，易于稳定观测测量。

光学观测的内容及作用

观测尾焰变化，构建动力模型

弹道导弹发射后要经过稠密的低空大气层、稀疏的高空大气层和空气稀薄的邻近空间等阶段。这些阶段的大气压力、温度等都有很大差异，而且导弹随着发动机的燃烧，液体燃料储箱内的压力也不断降低，固体燃料也设计成不同燃烧阶段有不同的燃烧面积和燃料组份，这些因素都会造成导弹发动机尾焰在大小、形状和颜色等方面的不同。通过观测和测量我们可以还原发动机尾焰辐射强度和亮度等参数随时间、高度的变化过程，从而建立导弹飞行高度、发动机推力等特征与尾焰辐射和亮度变化特性的关系。这种关系对导弹发动机设计尤为重要。以这种动力参数模型为依据，可以通过调整不同高度和温度情况下发动机燃烧室的压力或燃料组份，来保持发动机推力稳定和获得最高推力效率。

搜集光谱参数，对推进剂分析

通常，导弹主动段飞行的动力来自于燃料的燃烧，燃烧的尾焰中含有可见光、短/中波红外和紫外等波段的能量，辐射功率可达105～106瓦（与发动机推力有关）。其中，水和二氧化碳是导弹推进剂燃烧后的主要产物，而二氧化碳在大气环境下有较强的红外辐射。因此利用发动机和尾焰的光学辐射，可以对导弹进行远距离探测。发动机的光辐射与喷焰的结构（形状、尺寸、压力和温度）和化学组分有关，因此对发动机光谱的观测和测量可以分析推进剂类型、燃料成分等参数，以检验发动机制造的标准程度，或分析发动机燃料燃烧进程，进而推断发动机工作稳定性。

采集位置数据，复建飞行弹道由于光学观测原理较为简单，因此也是各国最早、最可靠的导弹发射测量手段。通常测量导弹目标方位角、高低角随时间的变化，以通过这些数据复建和分析导弹弹道及弹道特性。这些数据不但可以检验导弹弹道设计，也可以为修正弹道参数提供最原始的数据，还可以构建导弹复杂飞行条件下的弹道解算模型和方法。利用这些根据具体导弹型号构建和修订的弹道模型，可以减少导弹发射次数，并准确设计弹道和预测弹着点。

国际空间站宇航员观察到俄罗斯发射的导弹形成的怪异云形

记录事件过程，分析程序设计弹道导弹在飞行中实际上要设计许多程序动作。例如，在助推飞行过程中的弹射出筒（冷发射）、点火、加速、辅助发动机点火、尾罩分离（冷发射）、级间分离、头体分离，等等。这些动作的发生时刻和过程都需要精确符合最初设计。而光学观测手段可以通过光学图像数据测量与分析这些特征的过程和姿态，采集这些动作的动力参数，进而为构建仿真模型提供数据。通过模型模拟可以优化程序动作和抛离路线，避免分离对象与导弹主弹体发生碰撞和干扰，也是飞行弹道设计数据的有效补充。

光学观测的主要条件

通常，导弹和运载火箭都有发射窗口，又称适宜的发射时机，是指满足预定飞行条件和任务要求而允许导弹和火箭发射的一个时间范围。其受测试发射保障能力、气象条件、测控条件等限制，运载火箭还会受到在轨目标特性、载荷姿态限制、交会对接条件等因素的影响。一般情况下，导弹发射通常要同时计算多种发射窗口，最终发射窗口的确定有时需要重点考虑光学测控跟踪限制因素。那么，弹道导弹发射时光学观测的要求通常有哪些呢？

天光地影天光地影，就是目標与地面观测设备与太阳光线之间的关系，也就是在导弹的关键飞行段落，观测目标受太阳照射，而光学测量设备不受太阳照射。光学测量设备不受太阳照射，是指太阳在观测区的地平线之下。这种情况通常只有黄昏和清晨时分才能发生，这也就是我们发现导弹或火箭发射通常都选择在早晚发射的根本原因。

正在发射的美国“三叉戟”Ⅱ潜射洲际弹道导弹

大气环境由于在适合观测时刻的早晚期间阳光受到云层反射而变得较为复杂，因此在发射阶段必须考虑发射观测区即背景的大气环境条件，即在相应飞行时刻观测站周围背景亮度小。实际上影响发射观测的大气条件还包括极光、气辉、卷云、夜光云等特殊自然现象，以及地球邻边的大气背景特性。这些大气现象都可能遮挡或扭曲观测目标影像。

视场干扰这是指在视场范围内需要排除天体对飞行器成像的干扰，主要考虑太阳、月亮不能在设备的视场中。这里主要考虑太阳高低角限制、太阳夹角限制以及月亮夹角限制。

距离环境距离环境是指与观测设备作用距离相关的环境因素，选定适当时刻使处于一定姿态的航天器受到较好的光照，增大发光强度。作用距离限制主要考虑观测设备能否看见目标。

发射升空的俄罗斯“圆锤”潜射洲际弹道导弹

地球地理在地球不同的地点，相同的发射活动其观测窗口也是不同的。也就是说，光学观测点的经度、纬度和关注段落目标高度对窗口会产生不同影响。例如，在北半球的冬季，太阳直射南半球，北半球高纬度地区白天短，黑夜长，造成可观测窗口缩短;在同样条件下，在低纬度地区窗口长一些，对发射比较有利，这也是全球运载火箭发射场大多建设在纬度较低地区的原因之一。而经度变化在长年情况下没有什么影响，只在某一天内不用时刻有较大变化。在同一经纬度的地点如果仅目标高度发生变化，则随着高度增加，凌晨窗口的起始时间点提前，傍晚窗口的中止时间点推后，窗口增大，这是因为目标高度越高，受照时间变长。

天文地理

光学测量要尽量保证光学设备的有效观测，即目标能受太阳照射而天空背景较暗，能保证探测对比度，目标发光强度能满足探测灵敏度要求。而月亮对天光的贡献与月相有关，在一个月周期中，只是在上弦到下弦的半个月中影响较大，而在下弦到上弦之间的半个月中其影响可以忽略。在月亮影响较大期间则要求观测方向与月亮保持一定角距，角度的具体大小根据设备指标和实际观测任务的要求确定。

美国“阿特拉斯”5型火箭发射时天空中出现了奇怪的羽流

国际空间站宇航员观察到的地球大气层形成的怪异的云，原来是俄罗斯发射的导弹尾迹

总之，导弹或火箭发射时，如果要对飞行的关键节点或关键段落进行光学测量，一般选择黎明或傍晚，此时太阳处于地平线以下或附近，发射场区在地影中，而飞行路径受太阳照射，能够使目标和背景形成较大的反差。当然，最终发射窗口的确定，是权衡包括测控限制条件在内的多方面要求的结果，有时甚至要对相互矛盾的条件做出取舍。

光学观测的主要设备

导弹发射时的光学观测设备是利用可见光、红外光和激光对导弹的物理特性实时跟踪或测量的高精度仪器。

光学观测设备的发展世界上第一台光电经纬仪诞生于1941年，迄今已经历四代产品。20世纪60年代后期，光电跟踪测量技术在靶场光测仪器上得到实际应用。瑞士、美国、法国和苏联等国分别在EOTS系列、Kth系列及其它类型电影经纬仪上，先后加装红外、电视跟踪测量系统和激光测距系统，使测量精度大幅提高。例如，瑞士与法国等国合作研制的K400经纬仪是上世纪70年代较有代表性的产品，有红外、电视、激光跟踪测量和激光测距系统供选择配用，其中激光测距精度小于1米。此外，光电经纬仪与电影经纬仪相比，具有实时测量及精密自动跟踪的特点，特别是采用激光测距技术可实现单站定位，实时测量数据能用于测轨及高精度安全控制，通过终端显示与磁记录系统可进行实况监视与记录，采用光电探测器件代替感光胶片，还能减免大量繁琐的胶片事后判读与处理工作。

钱学森查看电影经纬仪

从70年代末开始在光学观测系统上应用实时视频处理技术，如美国研制的超级自动记录式数字光学跟踪系统和实时视频经纬仪，均采用视频处理技术和软件系统，实现了全自动跟踪，有效地提高了测量精度、探测距离以及自动识别目标的能力。以此为基础，光学观测仪器逐步采用数字化技术，能直接与计算机联接，不但能实时的提供方位、高低角度信息，而且还因加装了大功率的激光测距机，能实时的提供距离信息。经计算机处理后，单台光电经纬仪即可确定目标位置。早期的光电经纬仪采用固定地基的方式观测，观测点不能移动，现代的光电经纬仪实现了车载及舰载功能，观测点可随时移动，机动性强。

我国20世纪50年代主要从苏联引进光电经纬仪，没有自主研发的能力。自20世纪60年代，我国才开始自主研制生产光电经纬仪，70年代中期光电技术在靶场光测仪器中的应用有了迅速发展，先后研制出多种采用红外、电视跟踪测量和激光测距技术的光电经纬仪;80年代中期，又研制成功采用红外、电视、激光跟踪测量，激光测距和微型计算机系统的光电经纬仪。目前我国产品已与国际同步，处于国际先进水平。。

光学观测设备的分类及组成光学观测设备广泛应用于靶场测控、移动物体锁定与跟踪、资源遥感、地质勘测、航空航天遥感侦察等方面。在国防应用领域，光电测控仪器设备已成为不可或缺的、重要的高精尖国防装备。这类设备类型庞杂，包括测角仪、光电经纬仪、光电瞄准仪、航空/航天相机、弹道相机、测量望远镜、激光雷达、瞬态光谱仪、电视/红外跟踪仪、激光测距机、实况记录仪、扫描辐射计、成像光谱仪、水色扫描仪等多种产品。其中应用最广和最具代表性的是光电经纬仪。

光电经纬仪是一种可用于测量导弹、卫星、飞机及炮弹等飞行物体的飞行轨迹及坐标信息的高精度光学测量设备，在靶场试验测量中得到广泛的应用。通常将多台不同功能的光电经纬仪以一定的形式布放在试验航区特设的站点上，组成靶场外弹道测量系统，可对被测目标进行实时跟踪测量，获取目标的精确弹道数据，为武器系统性能参数的试验鉴定提供可靠的试验数据，为航区的安全控制提供重要的实时信息。其通常由光电跟踪器、跟踪架及轴角检测系统、激光测距仪、数据实时处理系统和辅助跟踪系统等组成。

參观电影经纬仪

光电经纬仪的工作原理光电经纬仪的各光学接收与探测系统均安装在地平式跟踪架上，由它们探测的目标信号，经信号处理器处理即获取目标在水平和垂直方向上的脱靶（偏离）量信息。该信息一方面作为跟踪控制信号馈入对应方向的伺服回路，驱动跟踪架对目标实行闭环跟踪;另一方面又作为目标视线对仪器视轴指向的偏差角送入数据实时处理系统，与仪器方位角、俯仰角、激光测距信息及靶场统一时间等组合输出，实现实时测量。

光电经纬仪的核心是光电跟踪器，其有红外、电视和激光等几类，按传感器的形式可分为成像式与非成像式，按对目标有无人工照射源可分为主动式与被动式。观测点源目标的红外跟踪器大多采用非成像被动方式工作，光学系统接收目标与背景的红外辐射，通过调制由红外探测器进行光电变换，再用基准信号解调处理即得目标脱靶量。电视系统是采用成像的被动方式进行工作的，待测景物经光学系统成像，经电子束扫描分解输出带有目标特征信息的视频信号。激光系统按主动方式工作，与接收系统共轴的激光器向目标发射激光束，经目标反射的激光回波，一方面通过光电探测器接收，并经过运算获取脱靶量;另一方面用于换算出目标的斜距值。

总的来看，光学观测手段的优点是：不受导弹发动机喷焰影响和地面杂波干扰;设备简单，弹上不需要安装有源设备。而缺点是：作用距离近（通常为100～200千米），受气候影响大，对于云层厚、阴天及雨天效果较差。目前，国内外地基光学观测主要使用大口径光学系统，通常采用先进的辐射特性测量技术和自适应光学技术，克服了大气吸收、湍流和强背景辐射的影响，能实现对导弹发射的探测、辐射特性测量和特征获取，这对弹道导弹和运载火箭测控和特性数据采集具有重要意义。