美國地基空間目標(biāo)雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)淺析

劉璐 王浩 （北京道達(dá)天際科技有限公司）

1 引言

英國《太陽報(bào)》2021年7月17日?qǐng)?bào)道，美國天軍太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心擬開發(fā)“深空先進(jìn)雷達(dá)能力”（DARC）項(xiàng)目，計(jì)劃在美國得克薩斯州及英國、澳大利亞各部署一座DARC雷達(dá)站，預(yù)計(jì)2027年正式投入使用。該項(xiàng)目中每個(gè)基地將部署10～15個(gè)直徑15m的大型天線，可探測(cè)距地球約3.6×10km外足球大小的目標(biāo)，單座基地占地面積約10km。

此前，美國國防部曾于2017年啟動(dòng)DARC項(xiàng)目計(jì)劃，每年投資1.4億～2億美元用于原型設(shè)計(jì)和測(cè)試，旨在建設(shè)新的雷達(dá)站，開發(fā)可監(jiān)測(cè)地球同步軌道衛(wèi)星和太空碎片的深空雷達(dá)傳感器，以探測(cè)、跟蹤可能對(duì)美軍高價(jià)值資產(chǎn)構(gòu)成潛在威脅的空間目標(biāo)。目前，在英項(xiàng)目已獲得英國皇家空軍批準(zhǔn)，美國天軍正在考察蘇格蘭和英格蘭南部地區(qū)為雷達(dá)站選址。

由此可見，近年來，美國在持續(xù)發(fā)展原有地基空間目標(biāo)雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，著力研發(fā)深空雷達(dá)探測(cè)能力，積極推動(dòng)相關(guān)項(xiàng)目實(shí)施，以增強(qiáng)包括地基空間目標(biāo)監(jiān)視在內(nèi)的空間態(tài)勢(shì)感知能力，強(qiáng)化領(lǐng)域內(nèi)同盟關(guān)系以及威懾潛在對(duì)手等戰(zhàn)略意圖明顯，系統(tǒng)架構(gòu)逐步體系化，裝備效能不斷提升。本文就美國地基空間目標(biāo)雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行梳理，系統(tǒng)分析美國在該領(lǐng)域的能力建設(shè)情況。

2 空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)

空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)是對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)跟蹤、定軌預(yù)報(bào)、識(shí)別編目、偵收分析的情報(bào)獲取系統(tǒng)，可通過對(duì)空間目標(biāo)的精確探測(cè)和跟蹤，確定可能對(duì)航天系統(tǒng)構(gòu)成威脅的航天器尺寸、形狀、軌道參數(shù)等重要目標(biāo)特性，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)特性數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類和分發(fā)。空間目標(biāo)主要指衛(wèi)星，包括在役衛(wèi)星和退役衛(wèi)星，同時(shí)也包括各種空間碎片，進(jìn)入地球外層空間的各種宇宙飛行物以及深空天體等。

在偵察手段方面，空間目標(biāo)監(jiān)視包括天基空間目標(biāo)監(jiān)視和地基空間目標(biāo)監(jiān)視。天基空間目標(biāo)監(jiān)視是指通過安裝在空間平臺(tái)上的各種成像測(cè)量裝置，對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別，具有機(jī)動(dòng)靈活、探測(cè)范圍廣、不受疆域和氣象條件限制、可近距離詳測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

地基空間目標(biāo)監(jiān)視是指采用由各種地基光電探測(cè)器、雷達(dá)探測(cè)器及無線電信號(hào)探測(cè)器組成的監(jiān)視網(wǎng)，對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和跟蹤，受傳感器分辨率、地理位置和氣象條件等限制，地基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)性能、范圍、時(shí)效性等方面尚存在諸多局限。目前，該系統(tǒng)主要包括地基空間目標(biāo)雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)和地基空間目標(biāo)光電監(jiān)視系統(tǒng)。

地基空間目標(biāo)雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)是空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)重要組成部分，具有全天候工作、廣域捕獲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，主要用于探測(cè)人造地球衛(wèi)星、空間探測(cè)器、航天飛機(jī)及空間碎片等各種空間目標(biāo)，預(yù)報(bào)空間物體軌道、落點(diǎn)，對(duì)可能發(fā)生的碰撞和空間系統(tǒng)攻擊進(jìn)行預(yù)警，也可兼顧對(duì)空間內(nèi)彈道導(dǎo)彈的預(yù)警。地基空間目標(biāo)光電監(jiān)視系統(tǒng)則通過光學(xué)設(shè)備接收空間目標(biāo)反射的可見光或紅外光，以觀測(cè)空間目標(biāo)，系統(tǒng)主要由各種不同口徑的望遠(yuǎn)鏡以及配套設(shè)備組成。在多設(shè)備協(xié)同狀態(tài)下，采用交叉定位法，可獲得空間目標(biāo)連續(xù)位置信息，并進(jìn)行軌道定位。

在階段任務(wù)方面，隨著各國對(duì)空間疆域的不斷爭(zhēng)奪和太空軍備競(jìng)賽的不斷加劇，空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)在未來空間對(duì)抗中，將呈現(xiàn)不同階段不同任務(wù)的特點(diǎn)。

可以說，空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)具有重要的軍民兩用價(jià)值。在民用方面，其主要作用是保障航天器安全和判斷航天器故障。在軍用方面，該系統(tǒng)可以幫助確定潛在敵方的空間能力，為空間對(duì)抗等軍事航天活動(dòng)提供支持。

空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)各階段主要任務(wù)概況

3 美國地基空間目標(biāo)雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)概況

美國地基空間目標(biāo)雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)，從體系架構(gòu)上看，主要包括探測(cè)系統(tǒng)及太空監(jiān)視中心；從雷達(dá)隸屬關(guān)系上看，包括專用、兼用和可用三類型雷達(dá)；從系統(tǒng)部署上看，典型部署有“空間監(jiān)視”（SPASUR）雷達(dá)系統(tǒng)、AN/FPS-85雷達(dá)、GLOBUS-II雷達(dá)、“太空籬笆”（Space Fence）雷達(dá)系統(tǒng)，以及深空探測(cè)雷達(dá)等。

系統(tǒng)組成

美國地基空間目標(biāo)雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)主要包括探測(cè)系統(tǒng)及太空監(jiān)視中心兩部分。其中探測(cè)部分即地基雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)，包括“空間跟蹤”（SPACETRACK）與“空間監(jiān)視”兩大系統(tǒng)?！翱臻g跟蹤”系統(tǒng)用于監(jiān)視航天目標(biāo)入軌及在軌配置過程，設(shè)有6個(gè)雷達(dá)站，對(duì)位于地球同步軌道和大橢圓軌道上的空間目標(biāo)實(shí)施觀測(cè)?！翱臻g監(jiān)視”系統(tǒng)用于測(cè)定新航天器軌道參數(shù)，由9個(gè)雷達(dá)站（3個(gè)用于發(fā)射、6個(gè)用于接收）組成。該系統(tǒng)對(duì)軌道傾角在30°～150°范圍內(nèi)的航天器進(jìn)行搜索。

依據(jù)不同性質(zhì)和隸屬關(guān)系，美國空間監(jiān)視系統(tǒng)地基雷達(dá)可分為專用型、兼用型和可用型三類。其中，專用型雷達(dá)由國防部所屬，專門用于空間監(jiān)視及太空態(tài)勢(shì)感知任務(wù)，如AN/FPS - 85相控陣?yán)走_(dá)等；兼用型雷達(dá)由國防部所屬，主要用于導(dǎo)彈預(yù)警、情報(bào)收集等任務(wù)，可兼用于空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)，如彈道導(dǎo)彈預(yù)警雷達(dá)和情報(bào)收集雷達(dá)等；可用型雷達(dá)由美國國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)或國外相關(guān)機(jī)構(gòu)所屬，通過合作協(xié)議接入美國空間監(jiān)視網(wǎng)，并為其提供雷達(dá)數(shù)據(jù)，如靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)雷達(dá)等。

太空監(jiān)視中心由包括位于科羅拉多州夏延山地下的主中心和位于弗吉尼亞州海軍太空監(jiān)視系統(tǒng)總部的備份中心組成，由美國太空司令部管理，負(fù)責(zé)接收各類探測(cè)器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行目標(biāo)軌道確定、預(yù)報(bào)以及目標(biāo)數(shù)據(jù)庫維護(hù)等。其中，夏延山地下主中心是北美航空航天防御司令部（NORAD）與原美國航天司令部（USSPACECOM）共用數(shù)據(jù)處理與監(jiān)視警戒中心，備份中心為美國備用太空防御作戰(zhàn)中心。

典型雷達(dá)系統(tǒng)及部署情況

美國“空間監(jiān)視”系統(tǒng)是一種連續(xù)波多基地雷達(dá)系統(tǒng)，由3個(gè)甚高頻（VHF）雷達(dá)發(fā)射站和6個(gè)接收站組成，工作頻率為 216.98MHz。該系統(tǒng)沿北緯 33°線部署，自佐治亞州塔特納爾至加利福尼亞州圣迭戈，通過建立東西方向數(shù)千千米巨大電磁波束，接收在軌空間目標(biāo)穿過波束時(shí)反射雷達(dá)信號(hào)，測(cè)量并確定目標(biāo)位置、速度、軌道信息等。該系統(tǒng)主站探測(cè)軌道高度為24000km，對(duì)雷達(dá)散射截面（RCS）為0.1m的目標(biāo)探測(cè)距離為3687km，主發(fā)射站天線長約3.2km，接收站天線長約1.85km。

AN/FPS-85雷達(dá)建成于20世紀(jì)60年代末，是世界上最早的有源相控陣?yán)走_(dá)，部署于美國佛羅里達(dá)州埃格林空軍基地，最初用于探測(cè)潛射彈道導(dǎo)彈。1988年，佐治亞州洛賓斯空軍基地“鋪路爪”（PAVEPAWS）雷達(dá)正式服役后，AN/FPS-85雷達(dá)成為專用空間探測(cè)雷達(dá)，主要任務(wù)是探測(cè)、跟蹤、識(shí)別和編目空間碎片，是美國空間監(jiān)視系統(tǒng)重要組成部分。

該型雷達(dá)為大型多功能相控陣?yán)走_(dá)，由計(jì)算機(jī)控制各個(gè)單元相位，波束可迅速移動(dòng)，陣面傾斜角為45°，雷達(dá)波束可覆蓋俯仰角 0°～105°和方位角 30°～150°探測(cè)空域。其主軸方向?yàn)槟鞲鐬痴戏剑稍谠撦S兩側(cè)60°范圍內(nèi)工作。此外，該型雷達(dá)還能跟蹤近地球軌道和深空空間物體。

GLOBUS-II雷達(dá)（AN/FPS-129，原名HAVE STARE雷達(dá)），曾部署于加利福尼亞州范登堡空軍基地，現(xiàn)作為專用空間監(jiān)視雷達(dá)，部署于挪威北部芬馬克郡瓦爾德（Vardo）雷達(dá)站，除擔(dān)負(fù)美國空間目標(biāo)監(jiān)視任務(wù)之外，也為挪威軍事情報(bào)部門提供數(shù)據(jù)服務(wù)。該型雷達(dá)采用27m機(jī)械拋物面天線，方位角0°～360°，俯仰角90°，發(fā)射功率200kW, X頻段10GHz頻率工作，具有1GHz信號(hào)帶寬，可生產(chǎn)25cm分辨率多普勒?qǐng)D像，可探測(cè)目標(biāo)尺寸為1～10cm。

S頻段“太空籬笆”地基空間目標(biāo)雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)是美國太空態(tài)勢(shì)感知領(lǐng)域骨干裝備，于2020年3月27日正式服役。該系統(tǒng)具有太空微小目標(biāo)探測(cè)跟蹤能力強(qiáng)、全天候觀測(cè)等特點(diǎn)，將取代美國原“電子籬笆”監(jiān)視系統(tǒng)，主要用于跟蹤商業(yè)和軍事衛(wèi)星、廢棄火箭助推器、空間碎片（包括低、中、同步軌道）以及預(yù)測(cè)空間物體對(duì)GPS衛(wèi)星、“國際空間站”（ISS）等設(shè)施存在的潛在威脅等。

“太空籬笆”系統(tǒng)關(guān)系示意圖

該雷達(dá)系統(tǒng)由2處雷達(dá)站點(diǎn)及1處作戰(zhàn)中心組成。其中，第一處雷達(dá)站點(diǎn)位于夸賈林環(huán)礁（原計(jì)劃于2021年交付使用，目前，開源信息尚未披露是否完成交付）；第二處雷達(dá)站點(diǎn)或?qū)⑽挥诎拇罄麃單鞑抗_德霍爾特海軍基地。作戰(zhàn)中心位于亞拉巴馬州亨茨維爾，由第20太空控制中隊(duì)負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至范登堡空軍基地第18太空控制中隊(duì)進(jìn)行太空目標(biāo)編目維護(hù)。

“太空籬笆”系統(tǒng)雷達(dá)采用S頻段全數(shù)字化相控陣?yán)走_(dá)體制，具有波束合成靈活、覆蓋域廣、探測(cè)精度高等特點(diǎn)，可對(duì)低軌、中軌及地球同步軌道上的小型目標(biāo)，進(jìn)行搜索、跟蹤和記錄。該系統(tǒng)雷達(dá)工作頻率為3.5GHz，具有36000個(gè)發(fā)射陣元，峰值發(fā)射功率可達(dá)2.69MW，接收陣元86000個(gè)，具有超強(qiáng)的空間監(jiān)視能力，可探測(cè)跟蹤約20萬個(gè)直徑大于5cm的太空目標(biāo)。

夸賈林“太空籬笆”雷達(dá)系統(tǒng)組成示意圖

深空探測(cè)雷達(dá)

除持續(xù)強(qiáng)化對(duì)合作體監(jiān)視跟蹤外，近年來，美國還針對(duì)空間非合作目標(biāo)，不斷加強(qiáng)地基深空雷達(dá)探測(cè)能力建設(shè)。例如，美國宇航中心在加利福尼亞戈?duì)柕滤诡D(Goldstone) 建立深空站（DSS）探測(cè)雷達(dá)；美國天文電離層中心在阿雷西博(Arecibo)天文臺(tái)建立地基探測(cè)雷達(dá)等。地基深空探測(cè)雷達(dá)是一種主動(dòng)雷達(dá)，主要針對(duì)目標(biāo)包括太陽系內(nèi)各行星、小行星、其他物理天體等，與傳統(tǒng)雷達(dá)相比其典型特點(diǎn)是地面發(fā)射功率大，作用距離更遠(yuǎn)；實(shí)施主動(dòng)探測(cè)，靈敏度高。

深空探測(cè)雷達(dá)的建設(shè)與發(fā)展，將為美國空間態(tài)勢(shì)感知能力拓寬發(fā)展空間，功率更大、作用距離更遠(yuǎn)、靈敏度更高的深空探測(cè)雷達(dá)，可對(duì)物理天體實(shí)施主動(dòng)探測(cè)，這將進(jìn)一步強(qiáng)化美國空間態(tài)勢(shì)感知能力。

4 發(fā)展趨勢(shì)

近年來，美國著力構(gòu)建面向空間對(duì)抗的體系結(jié)構(gòu)，將太空感知尤其是空間目標(biāo)監(jiān)視列為建設(shè)重點(diǎn)，不斷更新、改建冷戰(zhàn)時(shí)期發(fā)展而來的空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)，堅(jiān)持天地基一體建設(shè)，加強(qiáng)包括雷達(dá)在內(nèi)的地基空間目標(biāo)監(jiān)視能力，其未來發(fā)展呈現(xiàn)以下幾方面趨勢(shì)：

一是鞏固地基雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)低軌目標(biāo)探測(cè)識(shí)別的骨干作用，通過發(fā)展新型高頻雷達(dá)、升級(jí)舊雷達(dá)至高頻等多種方式，提升雷達(dá)的空間目標(biāo)識(shí)別能力，減小太空目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)更新周期，例如，開發(fā)新型S頻段“太空籬笆”系統(tǒng)。

二是重點(diǎn)增強(qiáng)10cm以下微小目標(biāo)雷達(dá)探測(cè)能力。隨著空間碎片迅猛增長、在軌航天器激增，探測(cè)和跟蹤空間目標(biāo)，保護(hù)高價(jià)值空間戰(zhàn)略系統(tǒng)，成為刻不容緩的重要空間任務(wù)。美國或?qū)⒀兄菩滦偷鼗臻g微小目標(biāo)雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)，提高對(duì)微小目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤及識(shí)別能力。

三是加強(qiáng)多國布站，尤其重視持續(xù)推進(jìn)向澳大利亞部署地基監(jiān)視裝備，縮小空間目標(biāo)監(jiān)視網(wǎng)在南半球和東半球的覆蓋盲區(qū)，例如，建立新一代“太空籬笆”地基雷達(dá)站。

四是深空探測(cè)向“高頻率、高功率、高效率、高可靠性”的“四高”化發(fā)展方向。工作頻段從以 S 和 X 頻段為主，逐漸向 Ka 頻段方向發(fā)展，提升信噪比及抗干擾能力，增大地面發(fā)射機(jī)輸出功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)超遠(yuǎn)距在軌航天器遙測(cè)，強(qiáng)化技術(shù)指標(biāo)，提升高效率及高可靠性。

綜上所述，美國在持續(xù)發(fā)展原有地基空間目標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，著力建設(shè)深空雷達(dá)探測(cè)能力，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)其在空間態(tài)勢(shì)感知領(lǐng)域的戰(zhàn)略意圖，即不斷增強(qiáng)地基空間目標(biāo)監(jiān)視能力，強(qiáng)化空間監(jiān)視領(lǐng)域同盟關(guān)系，以及威懾潛在對(duì)手。在深空雷達(dá)建設(shè)方面，計(jì)劃累計(jì)建造費(fèi)用將達(dá)10億美元，至少需要建設(shè)3個(gè)永久性且地理分散的雷達(dá)站，部署完成后，性能優(yōu)于已位英國北約克郡菲林代爾斯空軍基地巨型雷達(dá)系統(tǒng)，美國將具備全天時(shí)全天候地基空間目標(biāo)監(jiān)視能力。在同盟合作方面，美國在英國修建大型雷達(dá)站，不但可以監(jiān)視太空安全，還可以為英國衛(wèi)星系統(tǒng)提供保護(hù)。在太空威懾方面，超級(jí)地基空間監(jiān)視雷達(dá)站的部署與運(yùn)行，將對(duì)俄羅斯等潛在對(duì)手產(chǎn)生強(qiáng)大威懾作用，特別是在應(yīng)對(duì)反衛(wèi)武器等方面。

5 結(jié)束語

目前，美國地基空間目標(biāo)雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)已建成較為完善的探測(cè)-管理體系架構(gòu)，擁有可供國防部及國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)專用或調(diào)用的多波段多類型雷達(dá)，可對(duì)大部分合作體空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤及編目管理。同時(shí)，美國還與盟國合作，加緊部署“太空籬笆”雷達(dá)系統(tǒng)以及積極研發(fā)深空探測(cè)雷達(dá)等，不僅可提升對(duì)中低軌空間目標(biāo)探測(cè)及跟蹤能力，提高探測(cè)覆蓋率，改善地基中、高軌探測(cè)監(jiān)視能力，還可加強(qiáng)對(duì)非合作體深空目標(biāo)的監(jiān)視能力，美國空間態(tài)勢(shì)感知能力將得到進(jìn)一步提升。