1.天基雷达是何物
雷达作为一种不可或缺的防空兵器,在现代或未来战争和信息竞争中,它将扮演举足轻重的重要角色。它相当于人类的“第三只”眼睛,可以时刻探视着我们生存的地球空间。为了国土与领空的安全,现代雷达的研究更多的趋向于空间技术领域,力争实现全天时、全天候、全方位的监视地球空间与地面,而当前普通的海基、空基、陆基雷达还真无法完成如此重大的任务,这正是当前世界各国大力发展天基雷达的真正原因。
天基雷达以地球轨道的人造卫星作为载体,可设置在3600千米高空的地球同步卫星上,是高轨道星载高科技雷达。
根据天基雷达的作用不同,它可以分为三种不同类型:一种是交会雷达。它的主要作用是指引航天器的轨道交会,卫星的回收,空间定位等,例如美国在登月计划中使用的“阿波罗号”卫星,它的卫星回收就是通过天基雷达的定位指引技术来完成。二是遥感卫星上的合成孔径雷达。它主要作用是进行地球表面参数的测量,包括地面高度、反射率、海洋浪高、解冰情况、降雨率以及云高等参数测量。三是雷达侦察卫星上的监视雷达。这种监视雷达正是目前世界各国重点发展研究的一种雷达,因为它在未来的军事战略上有着极其重要的作用。这种雷达侦察卫星上的监视雷达可以对地球进行大面积、全天候监控,可以完成对多目标的探测跟踪,而且还可以对隐形目标反隐身。
卫星监视雷达能居高临下,细微地侦测到地球表面的活动目标,为战场指挥员的正确决策提供必要的信息和可靠的保证。
现在,世界上除超级大国美国外,其他任何国家都没有军用雷达侦察卫星。但毫无疑问,在不久的将来,各国天基雷达将如燎原之势的星星之火,广泛应用于军事和民用每一个领域。近几年来,几乎所有的大国都开始着手研制未来的雷达侦察系统。西方国家已经拥有两种民用合成孔径航天器—欧洲航天局的“Ers-2”和加拿大的“雷达萨特-1”。虽然欧洲卫星的分辨率相对较低,只有20~30米,但从“Ers-2”上获得的图像已经被北约国家所共享利用,利用它便可以发现水下舰艇和监视海情。加拿大的“雷达萨特-1”分辨率为7~100米,侦察宽度为45~510千米,并可在任何气象条件下给地球“照相”,使用者可在4个小时后获得“照片”。
天基后向散射式监视雷达是针对隐形飞机的顶部无法隐形这一弱点设计的反隐身监视雷达。在隐形飞机上实际起隐形作用的因素,隐形涂料只占其中不到10%,而形体结构的设计却占30%~40%,形体结构设计主要是把机体设计成让雷达波向后或侧面反射,以减弱正面的反射波,但不管形体结构怎么设计,肯定不能对顶部隐形,也无法进行红外隐形(隐形飞机的发动机尾喷口是朝天的)。
2.天基雷达为什么能让隐形飞行物无处可藏
地面雷达波照射在隐形飞机上虽然反射波无法返回原来的雷达接收器上,但却会反射到天外被那里等候着的卫星守株待兔,逮个正着,地面雷达将发现的目标参数,如数量、速度、方位用暗码通知卫星,卫星在接收到这些信号后与自己所接收的雷达波信号数据作比较,若发现信号有差异(一般是卫星获取的信息多一些,详细一些),就进一步把信息进行综合分析,如果确认那确实是隐形飞机,就可将所截获的隐形飞机的信息通过导航卫星传回地面。
天基雷达预警卫星拥有被动接收天线和采用空间激光通信,在绕地轨道高度约1000千米的每条轨道上布置6~8颗星,这个数量可确保每15~20分钟就对轨道区进行一次扫描。正常情况下,它能发现远在3000多千米外的隐形飞机或隐形巡航导弹,这是目前超远程警戒雷达的正常作用距离。因为这样的距离可以使卫星的天线系统不必过于复杂,因为相对于雷达波被飞机反射到监视卫星的距离,要比反射回地面雷达的距离要小多了。在这样的探测模式下隐形飞机将失去赖以生存的隐身性,大大提高了天基雷达的防空能力。
然而天基雷达的研制难度非常大,涉及到复杂的空间电子技术,其中大功率电源、大型可展开天线、大功率发射机等问题都令人感到非常棘手。另外,星载雷达除要求体积小、重量轻、能承受卫星发射时的机械环境考验外,还必须能进行几十年如一日的无故障工作。这些都是现在星载雷达研究的重点与难点。
3.“星球大战”—美国“天基雷达”计划
“天基雷达”计划是美国空军为实施其具有转折性空间力量增强战略的一项具体内容。他们计划的任务是建造一个由8~10 颗雷达成像卫星组成的星座,这些卫星的主要有效载荷为合成孔径雷达和活动目标指示器,它们的主要作用是在为美国分布在全球各地的武装部队提供实时或准实时的战术和战场信息。从这个庞大的项目我们可以清楚地看到美军对武器发展的实际作战需求,以及美军如何用先进作战理论指导武器装备发展,如何合理地进行成本管理和技术管理。
(一)明确的作战需求
美国军方称,美国已经拥有无数可以打击地球上任何一个角落的致命武器,但是缺少全球打击目标及这些目标的准确位置的信息,因此迫切呼唤一种先进的、集情报、监视与侦察于一身的平台出现。这种平台不仅能提供一切战略目标的详细信息,而且能提供一切战术和战场目标的详细信息;不仅要提供那些静止目标的信息,而且要提供地面和空中任何活动目标的信息。未来信息化战场的地面武器装备和部队人员的机动性将越来越强,隐蔽性也越来越高,对侦察手段的要求也必然越来越高。在美国看来,由于导弹技术的全球扩散,其使用范围在不断扩大;同时,反侦察技术水平在随之提高,可见光侦察监视手段的效能受到抑制,因而需要呼唤一个具有压倒性优势的、更加快速的、覆盖全球的情报、监视和侦察平台诞生,为它的空间军事力量的增强提供有力保证,为支持未来信息化战争提供更强的适应能力和更高的效率。
在近年来的世界各自的局部战争中,美国已经大量使用了“空基雷达”系统。它们在各大战场上发挥了巨大作用,及时、快速地为美军提供了作战所需的战术、战场的信息。“空基雷达”系统虽然具有灵活机动、快速进出战场和热点地区的优势,但同时也存在航程短、受地形变化及植被覆盖的影响大、飞行范围受领空的限制和容易受到攻击等弱点。而“天基雷达”系统却完全不存在这些问题。它具有全天时、全球覆盖的优点,能连续监视他们关注的全球任何地区,天基雷达还不受领空领海的限制,能无所顾忌地自由进出敌人后方。
(二)一个先进的系统作战构想
“天基雷达”系统采用全球最先进的高科技,具有较高的分辨率,能实时获取监测范围内所有静态和动态目标的信息;它能向决策者提供目标地区或战场地形的高程数据,绘制精确的三维地图,大大方便了地面部队的行军、袭击和搜索等行动,能充分保障军事作战的各种需求。
1999年美军第一次提出了全球信息网格的概念,目的是把世界各地的美军指战员通过全球信息网连接起来,在未来的信息化战争中,为他们提供联合作战所必须的各种数据、应用软件和通信能力,实现在适当的时间和地点,将适当的信息,以适当的格式,传送给适当的使用者,以获取信息优势、决策优势和作战行动优势,支持网络中心战。这个理念和规划,表明美军对天基雷达系统的作战使命提出了更多更具体的要求。这些要求如下:
(1)直接与战斗群对接联络
天基雷达系统使美国军队有一个共同的作战信息蓝图,而且不会有很大延迟。从而为战区导弹防御提供对方导弹发射段的轨迹,天基雷达同时作为天基预警系统的一部分,可以提供更准确的导弹发射段的轨迹信息,以及巡航导弹、反舰导弹的目标信息,预警信息可以直接传送到“宙斯盾”巡洋舰等相关单位,根据轨迹推算出的反导弹导弹发射位置。也可以及时发送给战场执行任务的飞机,实施及时的报复打击。
(2)特征辅助识别
根据目标的成像特征,可以从众多商船群中鉴别出可疑的导弹巡洋舰,降低海军介入时的潜在威胁。
(3)大范围的水面搜索
一个天基雷达不到1分钟就可以搜索大约60万平方海里的海面,10个天基雷达10分钟就可以完成搜索全球的所有海面,及时为所有指挥员提供全面的海战态势情报。
(4)保障己方的电子静默行动
由于发射信号来自天外,而不是来自舰上,因此不会由于舰载雷达的工作而暴露海军部队的位置信息,这个行动成功的前提是天基雷达的信息能快速有效在海军部队各舰艇上传递共享。
天基雷达系统将与空基(机载)“E-8”雷达联合监视目标,让攻击雷达系统和无人机协同工作,成为空、天、地一体化,情报、监视与侦察系统的重要组成部分。
(三)开发成本控制
“天基雷达”计划由原来的“发现者-2”计划逐渐演变而来的。而原来的“发现者-2”计划是国防先进研究计划局在1998年支持的名为“监视、目标瞄准与侦察卫星”计划,它的任务是在2010年完成2颗“天基雷达”成像演示验证卫星,然后再接着考虑下一步应用,部署一共由24颗卫星组成的实用性星座。
为了继续发展“天基雷达”成像侦察卫星计划,美国空军于2001年又提出了“天基雷达”计划。只是这个计划拟建成的星座的卫星数量只有8~10颗,比发现者-2减少了约2/3.而两者最重要的区别就在于,“天基雷达”计划根本不需要经过演示验证,一步到位,直接就可以建立实用星座。美国空军认为,近年来在“天基雷达”卫星的关键技术上已取得了突破性的进展。因此,整个“天基雷达”系统的全寿命成本就大幅度下降了。
(四)实际面临的关键技术
尽管“天基雷达”系统的着急技术已经取得了可喜的突破,但它的应用仍然存在许多较大的技术难点,可能直接影响和限制雷达系统的功能。这些关键技术包括:
(1)地面背景杂波和自然干扰的影响 天基雷达相对与空基雷达,平台的速度更高,距目标更远,由于载荷能源限制,雷达的发射功率不可能再有提高,相比之下,面临的背景杂波和干扰影响却是会越来越大。
(2)轻质高效的有源电扫描阵列1998年美国投资开发了“天基雷达”卫星的关键技术——多模态主动电子扫描阵。具有研制X频段发射/接收装置经验的诺斯罗普-格鲁曼和雷声公司承担这项技术的研制工作。
(3)高效的功率管理 由于能源有限,这很可能成为天基雷达实时工作的瓶颈,解决能源瓶颈的重要措施就是实施有效的功率管理,在不同的侦察任务和信息分发任务间进行合理功率分配。
(4)高性能的星上处理能力 从传感器侦察接收信号的检测、提取、识别,到卫星间的协同规划调度,都需要进行大量的计算,天基雷达若要最终要采用星上处理,就必须要有极高的星上处理能力。同时由于每时每刻卫星都在获取大量的信息数据,这些数据的存储也是需要解决的难题。