外軍電子偵察衛星技術特點與趨勢淺析

2016-11-29  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

美國當地時間2016年中旬,一顆隸屬于美國國家偵察辦公室(NRO)的偵察衛星(代號NROL-37)發射升空,有專家分析稱,該衛星可能是“門特”(Mentor)系列電子偵察衛星系列中的第7顆,并引起了世界各國的高度關注。

電子偵察衛星之所以會引起如此高度的關注,主要是因為即便在航天領域發展如此快速的今天,電子偵察衛星仍屬“奢侈品”——其技術含量之高、設計難度之大讓很多國家(甚至是有些大國)望而卻步。例如,從國家分布角度來看,電子偵察衛星及其技術主要掌握在美、俄、中、法等極少數幾個國家手中,且其中美、俄占了絕大多數。從歷史上看,美國、前蘇聯/俄羅斯、法國分別發射了156顆、164顆、10顆電子偵察衛星(不完全統計);從目前來看,美國、前蘇聯/俄羅斯、法國仍在軌運行的電子偵察衛星數量分別為20顆、15顆、10顆(不準確統計)。

一、外軍電子偵察衛星近期發展動態綜述

在上個世紀經歷過一次蓬勃發展階段后,天基電子偵察領域一直處于沉寂狀態,風頭完全無法與天基成像偵察相抗衡。尤其是在合成孔徑雷達(SAR)等雷達成像技術高速發展的今天,天基電子偵察的空間被進一步壓縮。然而,自從2014年俄羅斯高調宣布發射“蓮花-S”電子偵察衛星以后,美國、法國也在電子偵察衛星領域取得了一系列進展,這可能意味著天基電子偵察領域再次走到情報偵察舞臺的中央。2014年以來發射的主要電子偵察衛星如下表所示。

2014年以來發射的電子偵察衛星

衛星	概述
“蓮花-S”	2014年12月25日,俄羅斯從普列謝茨克航天發射場成功發射了一枚“聯盟”2-1B火箭,將一顆“蓮花-S”(Lotos-S)電子偵察衛星送入太空。該新型電子偵察衛星將用于監聽全球無線電通信,電子偵察專家也可以利用截獲的信號對各種設施和軍用平臺實施定位、特征分析和目標瞄準。 “蓮花-S”是俄羅斯研制的新一代電子偵察衛星,首顆衛星于2009年11月發射并一直工作到2011年。此次發射的是“蓮花-S”系列的第二顆衛星,搭載了更先進的載荷。原計劃于2012年年初發射,但由于技術原因拖延了兩年多時間?！吧徎?S”系列衛星是俄羅斯“藤蔓植物”(Liana)衛星星座的一部分。該星座還包括用于海上情報監視的“介子”(Pion)衛星,該衛星可幫助俄羅斯海軍對敵方艦只進行定位和目標瞄準。
“谷神”	2015年3月17日,據報道,法國空客公司已與法國國防采購局(DGA)簽訂了一份價值4.87億美元的合同,為其建造3顆“谷神”(CERES)衛星,用于太空信號情報(SIGINT)任務。這是法國“天基電磁情報”(CERES,“谷神”)項目的一部分。泰勒斯公司將負責衛星信號情報有效載荷的研發。按計劃,首顆“谷神”衛星將于2020年開始運作。 該衛星將具備最新的太空信號情報偵察能力,預計于2020年投入使用。三顆衛星在軌位置距離較近,將通過組網協同來實現對地面信號的檢測、定位。主承包商包括空客公司和泰勒斯公司:前者將負責太空衛星部分,后者則將負責有效載荷和地面站部分。
“門特”	2016年6月11日,一顆隸屬于美國國家偵察辦公室(NRO)的偵察衛星(代號NROL-37)發射升空,據稱該衛星是“世界上最重的衛星之一”(“德爾塔4”型火箭可將10噸重的載荷發射到地球同步軌道)。 專家稱,該衛星可能是“門特”系列(“門特”亦稱為“高級獵戶座”(Advanced Orion))電子偵察衛星系列中的第7顆,主要用于從地球同步軌道上收集地面的各類雷達、通信(以通信為主)等電磁信號。

二、外軍電子偵察衛星典型特點分析

從歷史上看,世界上第一顆偵察衛星即是電子偵察衛星,即,美國1960年6月底發射的GRAB衛星,這比世界上首顆圖像偵察衛星“科羅娜”早了2個月。從當前來看,外軍電子偵察衛星發展現狀主要體現出如下幾大特點。

美國1960年6月底發射的GRAB電子偵察衛星是世界上第一顆偵察衛星

1.偵察頻段方面幾乎覆蓋了從短波到SHF的所有常用射頻頻段

外軍電子偵察衛星的覆蓋頻段從最初的雷達頻段逐步向兩端擴展,逐步覆蓋了從短波到SHF的常用射頻頻段。

例如,美國發射的首顆電子偵察衛星GRAB就是專門針對俄羅斯的地面防空雷達設計的,而隨著偵察目標類型的不斷擴展,偵察頻段也不斷向兩端擴展——低端可達短波頻段(約20 MHz,如,法國“克萊門汀”衛星就具備該頻段偵察能力),高端可達SHF頻段(約20 GHz,如,美國“大酒瓶”衛星就具備該頻段偵察能力)。

2.偵察目標方面幾乎已遍及所有射頻信號

從最初單純地偵察防空雷達信號擴展到能夠偵察幾乎所有射頻信號。

目前,外軍電子偵察衛星的偵察目標主要包括:防空雷達信號、反導雷達信號(如,美國的“折疊椅”衛星)、太空跟蹤雷達信號、導彈測控信號(如,美國的“水星”、“門特”衛星)、戰術通信信號、戰略通信信號(如,美國的“折疊椅”、“號角”衛星可用來偵察前蘇聯/俄羅斯的“閃電”戰略通信衛星信號)、廣播通信信號(如,美國的“水星”衛星)、微波通信信號(如,美國的“門特”/“高級獵戶座”衛星)、無線電話(如,美國“大酒瓶”衛星)。可以看出,當前的電子偵察衛星的目標幾乎已遍及所有傳統、非傳統射頻信號。

3.衛星軌道與具體功能密切相關

不同國家天基電子偵察戰略、任務的不同導致其衛星軌道不盡相同,其中:

? 美國目前在軌運行的電子偵察衛星主要以大橢圓軌道、地球同步軌道為主,為數不多的低軌衛星也運行在相對較高的軌道(1000公里左右),可見美國在電子偵察衛星發展方面主要著眼于全球偵察這一戰略;

? 俄羅斯目前在軌運行的電子偵察衛星則以低軌為主(大多低于800公里),但其新一代電子偵察衛星則是兼顧了地球同步軌道和低地軌道(如,2014年底發射的“蓮花”衛星),可見俄羅斯在電子偵察衛星發展方面主要著眼于從戰術偵察向戰略偵察轉型;

? 法國目前在軌運行的電子偵察衛星均為低地軌道,這主要與法國在電子偵察衛星領域起步較晚(20世紀90年代)、發展較慢有關。

4.偵察數據傳輸方式日趨多樣化

安全性、實時性、帶寬均已大幅提升,傳輸途徑也日趨多樣化。偵察數據的傳輸方式也隨著偵察手段的發展而快速發展,主要體現在如下幾方面:

? 安全性方面,從最初的直接采用超短波傳輸,到采用加密、編碼的EHF頻段衛星通信鏈路傳輸;

? 實時性方面,從最初的從非實時傳輸轉型為實時傳輸;

? 帶寬方面,從最初的低頻段/低帶寬發展為高頻段/高帶寬;

? 傳輸途徑方面,從傳統的星地傳輸方式逐步發展為星地、星間一體化的傳輸方式,例如,俄羅斯的Tselina-2系列衛星可通過“急流”地球同步軌道中繼衛星向地面站實時傳輸偵察數據。

5.定位精度、方式、目標、體制、信號處理等能力均非常強

主要體現出如下幾方面特點:

定位精度已達到1公里以內。最初發射的一系列電子偵察衛星就已經開始具備目標定位能力(如,20世紀60年代“雪貂”系列),但定位精度一直不是很高。然而,最新一代衛星則是大幅提升了其定位精度。例如:美國的“徘徊者”衛星采用了“精確信號情報目標標定系統”(PSTS),據稱,該系統可向戰術用戶提供較之其它系統高一個數量級以上的定位精度,據分析可達百米量級;再例如,俄羅斯的US-P海洋監視衛星定位精度最高也可達到1公里以內(700米)。

定位方式日趨多樣化,單星定位與多星組網定位兼顧。例如,美國的“白云”電子偵察衛星、法國的ELISA衛星等均具備多星組網定位能力,多星組網也大幅提升了定位精度。

定位目標已經從最初的地面固定目標提升為地面/海面/水下移動目標。早期的衛星(如,美國的GRAB、“罌粟”)僅能對地面固定目標(如,雷達站)進行定位,而諸如美國的海洋監視衛星等的新型電子偵察衛星則可定位移動目標(如,水面艦船)。

定位體制兼顧測向定位與時差/頻差定位(FDOA/TDOA)。從外軍電子偵察衛星描述來看,常見的兩類定位體制(測向定位和時差/頻差定位)都有采用。其中:俄羅斯的電子偵察衛星基本都采用測向定位體制(單基線干涉儀測向或正交干涉儀定位體制),因此,星上一般要搭載測向設備,例如,俄羅斯“蓮花”衛星采用相位干涉儀測向定位體制、Tselina-D系列衛星采用二維多基線干涉儀測向定位體制;美國、法國的電子偵察衛星除采用傳統測向定位體制外,還采用了定位精度更高的時差/頻差定位體制,如,美國“白云”采用長基線時差定位體制,法國“蜂群”衛星采用三星時差定位體制。

定位處理方面,已初步具備星上處理能力。例如,據稱俄羅斯“蓮花”衛星實現了星上輻射源精確定位能力。

6.信號處理已實現數字化

數字信號處理已成主流,且已開始具備星上處理能力并逐步形成星地一體的綜合信號處理能力。例如,美國最先進的電子偵察衛星之一“入侵者”就具備了星上數字信號處理與數字波束形成能力,而此前美國的電子偵察衛星也有一些已經具備了初級的星上預處理能力,如,“雪貂”子衛星-D系列;俄羅斯近幾年發射的“蓮花”系列衛星以及上世紀90年代發射的Tselina-2系列衛星也均已具備很強的星上數字信號處理能力。

三、外軍電子偵察衛星發展趨勢分析

結合電子偵察領域的新技術發展趨勢,從外軍電子偵察衛星發展角度來分析,外軍電子偵察衛星技術發展趨勢可歸納為如下幾方面:

1.情報融合已成大勢所趨

與水下、水面、地面、空中等部署的偵察平臺一樣,只有通過多源情報融合才能產生有用、可用的態勢信息。因此,近年來外軍電子偵察衛星的情報融合能力不斷提升,而且這種趨勢還將繼續持續下去。從外軍電子偵察衛星發展來看,未來情報融合大致可采取如下幾種方式:

? 信號情報自身的融合,即,通信情報與電子情報融合。例如,美國“入侵者”衛星即基于美國空軍一體化信號情報體系結構(IOSA)將通信情報與電子情報收集功能綜合在同一個平臺上。

? 信號情報與其它情報衛星融合,尤其是信號情報與圖像情報的融合。例如:俄羅斯/前蘇聯的Tselina系列衛星就具備了初步的信號情報與圖像情報融合能力;美國的“門特”衛星的發射初衷之一就是“作為成像偵察的補充手段”。

? 天基情報與地基情報融合?？梢灶A期,未來隨著多源情報融合能力的推進,天基情報與地基情報之間的融合力度也將進一步提升,真正做到“大融合”,并最終為作戰決策提供有力支撐。

2.陣列天線、陣列處理地位將顯著提升

陣列天線、陣列信號處理在外軍電子偵察衛星領域的應用已有“悠久歷史”,1960年美國發射的世界上首顆電子偵察衛星GRAB就采用了十字天線陣。隨著陣列天線、陣列信號處理在技術靈活性、多目標能力、物理特性(尺寸、體積、功耗)等方面的優勢不斷顯現,未來陣列天線、陣列信號處理等在電子偵察衛星領域的地位必將穩步提升。例如,美國“號角”/“高級折疊椅”系列衛星就已經采用了大型相控陣天線,可同時偵察上千個輻射源。再例如,俄羅斯的Tselina-2系列衛星也采用了正交干涉儀天線陣以及星上陣列處理技術,以實現精確定位。

3.天基組網將助力提升偵察效能

在美軍網絡中心戰理念的指導下,國外天基系統網絡化進程不斷推進,電子偵察衛星自然也不例外。可以預期,從某種意義上講,未來電子偵察衛星效能的提升將在很大程度上取決于其網絡化程度的提升。綜合來看,外軍電子偵察衛星的天基網絡化主要采用2種方式:

? 天基組網偵察,即,以星座的方式將各種偵察衛星組成網絡,以提升總體偵察效能(定位精度、覆蓋盲區縮減、普查與控守兼顧等)。尤其是高低軌偵察衛星的組網可有效解決定位精度和覆蓋范圍之間的矛盾。目前美國的第二代“白云”海洋監視衛星/第二代海軍海洋監視衛星(NOSS-2)衛星、俄羅斯的Tselina-2系列衛星、法國的“蜂群”衛星都采用了天基組網偵察技術?？梢灶A期,隨著對精細化偵察能力需求的不斷提升,這種具備網絡化偵察能力的衛星將越來越多。

? 天基偵察數據組網傳輸,即,通過電子偵察衛星與數據中繼衛星組網實現偵察數據的快速、超視距傳輸。例如,俄羅斯的Tselina-2系列衛星即可通過“急流”中繼衛星實時傳輸數據?？梢灶A期,隨著對實時態勢感知能力需求的不斷提升,這種具備網絡化偵察數據傳輸能力的衛星將越來越多。

4.偵察目標將進一步拓展

目前來看,外軍電子偵察衛星的偵察目標主要是雷達信號、通信信號、測控信號三類,但隨著各國對綜合態勢感知能力需求的不斷提升,未來電子偵察衛星的偵察目標可能擴展到整個可用電磁頻譜,即,凡是可接收的射頻信號都有可能成為電子偵察衛星的偵察目標?！叭l譜感知”能力將成為電子偵察衛星的主要能力之一。

5.電子偵察衛星有望成為一種非核威懾手段

外軍電子偵察衛星在如下技術領域方面的綜合發展使其有望成為一種非核威懾手段:

? 定位精度的不斷提升有望實現“傳感器到射手”閉環,即,衛星偵察有望直接引導火力打擊。若這一點能夠實現,則“不受制于國界+可直接引導火力打擊”這種能力組合無疑可以對潛在對手產生巨大的威懾力。據稱,美軍最新型的“徘徊者”電子偵察衛星就已具備“實時精確目標標定的‘從傳感器到射手’的能力”?？梢灶A期,未來這種能力必將成為各國追求的目標之一。

? 針對戰略目標的精確感知能力很大程度上可掣肘潛在敵人的威懾能力的發揮。一直以來,以核武器及其搭載平臺為代表的核力量都是有核國家主要的威懾力量。電子偵察衛星可對戰略彈道導彈導彈測控信號、戰略核潛艇等核威懾資產實施越來越精確的態勢感知,例如,美國的“小屋”、“大酒瓶”、“水星”、“門特”等衛星均已具備針對導彈遙測信號的偵察能力,而“白云”系列海洋監視衛星還具備了對潛艇的定位與跟蹤能力。這些能力都可以大幅削弱潛在對手的核威懾力。這種“反威懾”能力亦可視作一種威懾。從核威懾出現的那一天起,大國之間的威懾與反威懾活動就從未停止過,可以預期,未來電子偵察衛星在“反威懾”領域內定將占得一席之地。

? 與隱身戰略轟炸機一樣,隱身性本身就可以帶來一種威懾力。近來美國也不斷致力于提升其電子偵察衛星的隱身能力,具備隱身能力的電子偵察衛星可視作一種類似于隱身戰略平臺的“戰略威懾武器”。例如,美國最新型的電子偵察衛星“入侵者”、“徘徊者”都具備隱身能力。

四、結語

太空一直被視作制高點,其不受限于國界、領空的全球覆蓋能力是最大優勢所在。正因如此,世界各國都不斷致力于將各種能力搬到天上。例如,通信與組網、預警與探測、情報與偵察、導航定位與授時等等。

不得不說,太空能力已成為驅散戰場迷霧、提升戰場透明度的一劑良方。然而,這劑良方究竟會讓未來戰爭朝著什么方向發展,尚需拭目以待。

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