外军电子侦察卫星技术特点与趋势浅析

2016-11-29 by:CAE仿真在线来源:互联网

美国当地时间2016年中旬,一颗隶属于美国国家侦察办公室(NRO)的侦察卫星(代号NROL-37)发射升空,有专家分析称,该卫星可能是“门特”(Mentor)系列电子侦察卫星系列中的第7颗,并引起了世界各国的高度关注。

电子侦察卫星之所以会引起如此高度的关注,主要是因为即便在航天领域发展如此快速的今天,电子侦察卫星仍属“奢侈品”——其技术含量之高、设计难度之大让很多国家(甚至是有些大国)望而却步。例如,从国家分布角度来看,电子侦察卫星及其技术主要掌握在美、俄、中、法等极少数几个国家手中,且其中美、俄占了绝大多数。从历史上看,美国、前苏联/俄罗斯、法国分别发射了156颗、164颗、10颗电子侦察卫星(不完全统计);从目前来看,美国、前苏联/俄罗斯、法国仍在轨运行的电子侦察卫星数量分别为20颗、15颗、10颗(不准确统计)。

一、外军电子侦察卫星近期发展动态综述

在上个世纪经历过一次蓬勃发展阶段后,天基电子侦察领域一直处于沉寂状态,风头完全无法与天基成像侦察相抗衡。尤其是在合成孔径雷达(SAR)等雷达成像技术高速发展的今天,天基电子侦察的空间被进一步压缩。然而,自从2014年俄罗斯高调宣布发射“莲花-S”电子侦察卫星以后,美国、法国也在电子侦察卫星领域取得了一系列进展,这可能意味着天基电子侦察领域再次走到情报侦察舞台的中央。2014年以来发射的主要电子侦察卫星如下表所示。

2014年以来发射的电子侦察卫星

卫星	概述
“莲花-S”	2014年12月25日,俄罗斯从普列谢茨克航天发射场成功发射了一枚“联盟”2-1B火箭,将一颗“莲花-S”(Lotos-S)电子侦察卫星送入太空。该新型电子侦察卫星将用于监听全球无线电通信,电子侦察专家也可以利用截获的信号对各种设施和军用平台实施定位、特征分析和目标瞄准。 “莲花-S”是俄罗斯研制的新一代电子侦察卫星,首颗卫星于2009年11月发射并一直工作到2011年。此次发射的是“莲花-S”系列的第二颗卫星,搭载了更先进的载荷。原计划于2012年年初发射,但由于技术原因拖延了两年多时间。“莲花-S”系列卫星是俄罗斯“藤蔓植物”(Liana)卫星星座的一部分。该星座还包括用于海上情报监视的“介子”(Pion)卫星,该卫星可帮助俄罗斯海军对敌方舰只进行定位和目标瞄准。
“谷神”	2015年3月17日,据报道,法国空客公司已与法国国防采购局(DGA)签订了一份价值4.87亿美元的合同,为其建造3颗“谷神”(CERES)卫星,用于太空信号情报(SIGINT)任务。这是法国“天基电磁情报”(CERES,“谷神”)项目的一部分。泰勒斯公司将负责卫星信号情报有效载荷的研发。按计划,首颗“谷神”卫星将于2020年开始运作。该卫星将具备最新的太空信号情报侦察能力,预计于2020年投入使用。三颗卫星在轨位置距离较近,将通过组网协同来实现对地面信号的检测、定位。主承包商包括空客公司和泰勒斯公司:前者将负责太空卫星部分,后者则将负责有效载荷和地面站部分。
“门特”	2016年6月11日,一颗隶属于美国国家侦察办公室(NRO)的侦察卫星(代号NROL-37)发射升空,据称该卫星是“世界上最重的卫星之一”(“德尔塔4”型火箭可将10吨重的载荷发射到地球同步轨道)。专家称,该卫星可能是“门特”系列(“门特”亦称为“高级猎户座”(Advanced Orion))电子侦察卫星系列中的第7颗,主要用于从地球同步轨道上收集地面的各类雷达、通信(以通信为主)等电磁信号。

俄罗斯“莲花-S”(Lotos-S)电子侦察卫星

法国CERES信号情报卫星

“门特”侦察卫星

二、外军电子侦察卫星典型特点分析

从历史上看,世界上第一颗侦察卫星即是电子侦察卫星,即,美国1960年6月底发射的GRAB卫星,这比世界上首颗图像侦察卫星“科罗娜”早了2个月。从当前来看,外军电子侦察卫星发展现状主要体现出如下几大特点。

美国1960年6月底发射的GRAB电子侦察卫星是世界上第一颗侦察卫星

1.侦察频段方面几乎覆盖了从短波到SHF的所有常用射频频段

外军电子侦察卫星的覆盖频段从最初的雷达频段逐步向两端扩展,逐步覆盖了从短波到SHF的常用射频频段。

例如,美国发射的首颗电子侦察卫星GRAB就是专门针对俄罗斯的地面防空雷达设计的,而随着侦察目标类型的不断扩展,侦察频段也不断向两端扩展——低端可达短波频段(约20 MHz,如,法国“克莱门汀”卫星就具备该频段侦察能力),高端可达SHF频段(约20 GHz,如,美国“大酒瓶”卫星就具备该频段侦察能力)。

2.侦察目标方面几乎已遍及所有射频信号

从最初单纯地侦察防空雷达信号扩展到能够侦察几乎所有射频信号。

目前,外军电子侦察卫星的侦察目标主要包括:防空雷达信号、反导雷达信号(如,美国的“折叠椅”卫星)、太空跟踪雷达信号、导弹测控信号(如,美国的“水星”、“门特”卫星)、战术通信信号、战略通信信号(如,美国的“折叠椅”、“号角”卫星可用来侦察前苏联/俄罗斯的“闪电”战略通信卫星信号)、广播通信信号(如,美国的“水星”卫星)、微波通信信号(如,美国的“门特”/“高级猎户座”卫星)、无线电话(如,美国“大酒瓶”卫星)。可以看出,当前的电子侦察卫星的目标几乎已遍及所有传统、非传统射频信号。

3.卫星轨道与具体功能密切相关

不同国家天基电子侦察战略、任务的不同导致其卫星轨道不尽相同,其中:

Ø 美国目前在轨运行的电子侦察卫星主要以大椭圆轨道、地球同步轨道为主,为数不多的低轨卫星也运行在相对较高的轨道(1000公里左右),可见美国在电子侦察卫星发展方面主要着眼于全球侦察这一战略;

Ø 俄罗斯目前在轨运行的电子侦察卫星则以低轨为主(大多低于800公里),但其新一代电子侦察卫星则是兼顾了地球同步轨道和低地轨道(如,2014年底发射的“莲花”卫星),可见俄罗斯在电子侦察卫星发展方面主要着眼于从战术侦察向战略侦察转型;

Ø 法国目前在轨运行的电子侦察卫星均为低地轨道,这主要与法国在电子侦察卫星领域起步较晚(20世纪90年代)、发展较慢有关。

4.侦察数据传输方式日趋多样化

安全性、实时性、带宽均已大幅提升,传输途径也日趋多样化。侦察数据的传输方式也随着侦察手段的发展而快速发展,主要体现在如下几方面:

Ø 安全性方面,从最初的直接采用超短波传输,到采用加密、编码的EHF频段卫星通信链路传输;

Ø 实时性方面,从最初的从非实时传输转型为实时传输;

Ø 带宽方面,从最初的低频段/低带宽发展为高频段/高带宽;

Ø 传输途径方面,从传统的星地传输方式逐步发展为星地、星间一体化的传输方式,例如,俄罗斯的Tselina-2系列卫星可通过“急流”地球同步轨道中继卫星向地面站实时传输侦察数据。

5.定位精度、方式、目标、体制、信号处理等能力均非常强

主要体现出如下几方面特点:

定位精度已达到1公里以内。最初发射的一系列电子侦察卫星就已经开始具备目标定位能力(如,20世纪60年代“雪貂”系列),但定位精度一直不是很高。然而,最新一代卫星则是大幅提升了其定位精度。例如:美国的“徘徊者”卫星采用了“精确信号情报目标标定系统”(PSTS),据称,该系统可向战术用户提供较之其它系统高一个数量级以上的定位精度,据分析可达百米量级;再例如,俄罗斯的US-P海洋监视卫星定位精度最高也可达到1公里以内(700米)。

定位方式日趋多样化,单星定位与多星组网定位兼顾。例如,美国的“白云”电子侦察卫星、法国的ELISA卫星等均具备多星组网定位能力,多星组网也大幅提升了定位精度。

定位目标已经从最初的地面固定目标提升为地面/海面/水下移动目标。早期的卫星(如,美国的GRAB、“罂粟”)仅能对地面固定目标(如,雷达站)进行定位,而诸如美国的海洋监视卫星等的新型电子侦察卫星则可定位移动目标(如,水面舰船)。

定位体制兼顾测向定位与时差/频差定位(FDOA/TDOA)。从外军电子侦察卫星描述来看,常见的两类定位体制(测向定位和时差/频差定位)都有采用。其中:俄罗斯的电子侦察卫星基本都采用测向定位体制(单基线干涉仪测向或正交干涉仪定位体制),因此,星上一般要搭载测向设备,例如,俄罗斯“莲花”卫星采用相位干涉仪测向定位体制、Tselina-D系列卫星采用二维多基线干涉仪测向定位体制;美国、法国的电子侦察卫星除采用传统测向定位体制外,还采用了定位精度更高的时差/频差定位体制,如,美国“白云”采用长基线时差定位体制,法国“蜂群”卫星采用三星时差定位体制。

定位处理方面,已初步具备星上处理能力。例如,据称俄罗斯“莲花”卫星实现了星上辐射源精确定位能力。

6.信号处理已实现数字化

数字信号处理已成主流,且已开始具备星上处理能力并逐步形成星地一体的综合信号处理能力。例如,美国最先进的电子侦察卫星之一“入侵者”就具备了星上数字信号处理与数字波束形成能力,而此前美国的电子侦察卫星也有一些已经具备了初级的星上预处理能力,如,“雪貂”子卫星-D系列;俄罗斯近几年发射的“莲花”系列卫星以及上世纪90年代发射的Tselina-2系列卫星也均已具备很强的星上数字信号处理能力。

三、外军电子侦察卫星发展趋势分析

结合电子侦察领域的新技术发展趋势,从外军电子侦察卫星发展角度来分析,外军电子侦察卫星技术发展趋势可归纳为如下几方面:

1.情报融合已成大势所趋

美国“入侵者”卫星

与水下、水面、地面、空中等部署的侦察平台一样,只有通过多源情报融合才能产生有用、可用的态势信息。因此,近年来外军电子侦察卫星的情报融合能力不断提升,而且这种趋势还将继续持续下去。从外军电子侦察卫星发展来看,未来情报融合大致可采取如下几种方式:

Ø 信号情报自身的融合,即,通信情报与电子情报融合。例如,美国“入侵者”卫星即基于美国空军一体化信号情报体系结构(IOSA)将通信情报与电子情报收集功能综合在同一个平台上。

Ø 信号情报与其它情报卫星融合,尤其是信号情报与图像情报的融合。例如:俄罗斯/前苏联的Tselina系列卫星就具备了初步的信号情报与图像情报融合能力;美国的“门特”卫星的发射初衷之一就是“作为成像侦察的补充手段”。

Ø 天基情报与地基情报融合。可以预期,未来随着多源情报融合能力的推进,天基情报与地基情报之间的融合力度也将进一步提升,真正做到“大融合”,并最终为作战决策提供有力支撑。

2.阵列天线、阵列处理地位将显著提升

阵列天线、阵列信号处理在外军电子侦察卫星领域的应用已有“悠久历史”,1960年美国发射的世界上首颗电子侦察卫星GRAB就采用了十字天线阵。随着阵列天线、阵列信号处理在技术灵活性、多目标能力、物理特性(尺寸、体积、功耗)等方面的优势不断显现,未来阵列天线、阵列信号处理等在电子侦察卫星领域的地位必将稳步提升。例如,美国“号角”/“高级折叠椅”系列卫星就已经采用了大型相控阵天线,可同时侦察上千个辐射源。再例如,俄罗斯的Tselina-2系列卫星也采用了正交干涉仪天线阵以及星上阵列处理技术,以实现精确定位。

3.天基组网将助力提升侦察效能

在美军网络中心战理念的指导下,国外天基系统网络化进程不断推进,电子侦察卫星自然也不例外。可以预期,从某种意义上讲,未来电子侦察卫星效能的提升将在很大程度上取决于其网络化程度的提升。综合来看,外军电子侦察卫星的天基网络化主要采用2种方式:

Ø 天基组网侦察,即,以星座的方式将各种侦察卫星组成网络,以提升总体侦察效能(定位精度、覆盖盲区缩减、普查与控守兼顾等)。尤其是高低轨侦察卫星的组网可有效解决定位精度和覆盖范围之间的矛盾。目前美国的第二代“白云”海洋监视卫星/第二代海军海洋监视卫星(NOSS-2)卫星、俄罗斯的Tselina-2系列卫星、法国的“蜂群”卫星都采用了天基组网侦察技术。可以预期,随着对精细化侦察能力需求的不断提升,这种具备网络化侦察能力的卫星将越来越多。

Ø 天基侦察数据组网传输,即,通过电子侦察卫星与数据中继卫星组网实现侦察数据的快速、超视距传输。例如,俄罗斯的Tselina-2系列卫星即可通过“急流”中继卫星实时传输数据。可以预期,随着对实时态势感知能力需求的不断提升,这种具备网络化侦察数据传输能力的卫星将越来越多。

4.侦察目标将进一步拓展

目前来看,外军电子侦察卫星的侦察目标主要是雷达信号、通信信号、测控信号三类,但随着各国对综合态势感知能力需求的不断提升,未来电子侦察卫星的侦察目标可能扩展到整个可用电磁频谱,即,凡是可接收的射频信号都有可能成为电子侦察卫星的侦察目标。“全频谱感知”能力将成为电子侦察卫星的主要能力之一。

5.电子侦察卫星有望成为一种非核威慑手段

外军电子侦察卫星在如下技术领域方面的综合发展使其有望成为一种非核威慑手段:

Ø 定位精度的不断提升有望实现“传感器到射手”闭环,即,卫星侦察有望直接引导火力打击。若这一点能够实现,则“不受制于国界+可直接引导火力打击”这种能力组合无疑可以对潜在对手产生巨大的威慑力。据称,美军最新型的“徘徊者”电子侦察卫星就已具备“实时精确目标标定的‘从传感器到射手’的能力”。可以预期,未来这种能力必将成为各国追求的目标之一。

Ø 针对战略目标的精确感知能力很大程度上可掣肘潜在敌人的威慑能力的发挥。一直以来,以核武器及其搭载平台为代表的核力量都是有核国家主要的威慑力量。电子侦察卫星可对战略弹道导弹导弹测控信号、战略核潜艇等核威慑资产实施越来越精确的态势感知,例如,美国的“小屋”、“大酒瓶”、“水星”、“门特”等卫星均已具备针对导弹遥测信号的侦察能力,而“白云”系列海洋监视卫星还具备了对潜艇的定位与跟踪能力。这些能力都可以大幅削弱潜在对手的核威慑力。这种“反威慑”能力亦可视作一种威慑。从核威慑出现的那一天起,大国之间的威慑与反威慑活动就从未停止过,可以预期,未来电子侦察卫星在“反威慑”领域内定将占得一席之地。

Ø 与隐身战略轰炸机一样,隐身性本身就可以带来一种威慑力。近来美国也不断致力于提升其电子侦察卫星的隐身能力,具备隐身能力的电子侦察卫星可视作一种类似于隐身战略平台的“战略威慑武器”。例如,美国最新型的电子侦察卫星“入侵者”、“徘徊者”都具备隐身能力。