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加强监控别国卫星,太空战中美军这些装备不容

发布时间:2019-08-30 18:28编辑:时事评论浏览(74)

      出品:科普中国军事科技前沿

      “太空态势感知就是太空作战管理。今天,太空比以往任何时候都更加拥挤、更加具有竞争性,对美国能力的威胁也与日俱增。美军应加强太空态势感知的能力,以便在太空作战并取得胜利。” 这是近日美国空军第20太空控制中队艾林·萨利纳斯少校撰文表达的观点。

      策划:宋雅娟

      提到美国军用卫星,大家对侦察卫星、导弹预警卫星比较熟悉,对“低调”的太空态势感知卫星比较陌生。太空态势感知卫星好比太空中的“监视员”,其他卫星主要监视地球上的目标,而太空态势感知卫星则是监视其他卫星。因此,虽然“低调”,但却有重要的作用,地位也非常高。

      作者:张保庆(中国航天二院208所高级工程师)

      不断增强太空态势感知能力,既是美国太空安全政策的基石,又是美国实现太空军事化的前提。为此,美军在过去几年发射了多颗太空态势感知卫星,增强对别国卫星的监视能力。此外,用于监视太空的地基太空监视系统也在不断完善,太空态势感知能力已经有了很大程度的提高。

      监制:光明网科普事业部

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      6月18日,美国总统特朗普下令美国防部立即启动组建“天军”的进程。特朗普表示,“天军”将独立于空军,成为美国武装力量的第六军种。这是美国军队成立独立作战部队的关键一步,对于美国太空作战力量而言具有里程碑意义。

      “同步轨道太空态势感知项目” (GSSAP)主要用于监视地球同步轨道的卫星。

      近年来, 为维护本国太空安全和利益,占据太空领域优势地位,美国尤为关注太空安全能力发展,加速发展太空对抗装备和技术,积极备战向太空延伸的军事冲突。

      太空态势感知卫星:监视卫星的卫星

      太空对抗是指为争夺太空控制权、保证太空优势而采取的作战行动。太空对抗系统由太空态势感知系统、进攻性太空对抗系统、防御性太空对抗系统三部分组成。

      去年9月12日,美国科罗拉多州施里弗空军基地第一太空作战中队两颗“地球同步轨道太空态势感知计划”(GSSAP)卫星获得初始运行能力。这两颗卫星开始运行之后,美国军方将拥有4颗地球同步轨道太空态势感知卫星,进一步增强其态势感知能力。美国空军太空司令部司令雷蒙德当时表示:“第三和第四颗GSSAP卫星将显著提升我们描绘地球同步轨道上的目标特征的能力,给我们提供了成功遂行太空作战所需的感知能力。”

      在未来战争中,太空态势感知系统将发挥“耳目”作用,是遂行太空对抗作战的前提;进攻性太空对抗系统将发挥“利剑”作用,可降低甚至摧毁对手的太空能力;防御性太空对抗系统将发挥“盾牌”作用,通过主动或被动方式,防御并阻止敌方对太空系统的攻击。

      目前,美国天基太空监视系统主要包括:“中段试验卫星”(Midcourse Space Experiment,MSX)、“天基太空监视系统”(Space Based Space Surveillance,SBSS)、“天基太空跟踪与监视系统”(Space Tracking and Surveillance System,STSS)、“地球同步轨道太空态势感知项目(Geosynchronous Space Situational Awareness Program,GSSAP)”,以及后续各种可遂行太空监视任务的空间平台(小卫星)等。其中,MSX主要用于弹道导弹中段监测和跟踪、太空目标监测和地球背景环境探测试验研究等;SBSS主要针对GEO(地球同步轨道)轨道进行探测,其先进的转台跟踪能力,不仅能对高轨目标探测跟踪,而且具备对低轨及机动目标探测能力。GSSAP主要也是针对GEO轨道。SBSS系统将使美国对地球静止轨道卫星的跟踪能力提高50%,同时美国空间目标编目信息更新周期由5天左右缩短为2天,信息的更新频率大幅缩短。

      太空对抗作战的“耳目”—太空态势感知系统

      相对于地基太空监视系统来说,以太空态势感知卫星为主要组成部分的天基监视系统有明显的优势。天基系统能提供不受天气影响的、适应性较强的太空监视能力,并能对位于静地轨道上的高度关注的物体,进行更及时的重访。这是美国重视发展太空态势感知卫星的主要原因。

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      美国空军“太空篱笆”(space fence,正式名称为“空军太空监视系统”,AFSSS)项目(图片来自中国科学报)

      测试中的“天基太空监视系统”(SBSS)卫星

      太空态势感知能力是洞察和掌控潜在对手航天活动意图与动向、确保太空资产安全的关键,是进行太空控制的基础和前提。美军将太空态势感知能力建设作为重点领域加速推进,积极构建天地一体化的太空态势感知网络体系。

      2011年2月4日,美国五角大楼公布了《美国国家太空安全战略》。该报告中明确提出:“我们将提高我们的情报能力,加强预测性感知、特征描述、预警以及责任归究,更好地监控太空领域内的活动。因此,太空态势感知和基础性情报将继续是最优先的事务,因为它们是我们了解自然干扰的能力,了解其它行为体能力、活动和意图的关键。”同时,美国还将太空感知能力作为领导和约束其他航天国家的重要手段。上述报告表明:“美国是太空态势感知的领导者,可以使用其知识,来促进合作化太空感知关系,支持安全的太空活动,并保护美国及盟国的太空能力和活动。”因此,美国正在不断加大太空态势感知系统的构建,在继续完善、增强地基太空监视系统的同时,加大了天基系统的建设。

      美国正在研制的新一代“太空篱笆”系统采用大型S波段单基地相控阵雷达,预计2019年具备初始运行能力,建成后可探测、跟踪和测量20万个直径大于2厘米的太空目标。近期,美军高度重视亚太地区监视能力和战场态势感知能力建设,以期保持太空态势对美军单向透明优势。如美军在澳大利亚部署的地基C波段太空目标监视雷达具备全面运行能力,将大幅提升对亚太地区的太空目标监视能力;未来在澳大利亚部署的“太空监视望远镜”每晚能多次扫视整个地球同步轨道带,将明显提升美军对中高轨太空事件的监测认知能力和反应速度。

      美国空军航天司令部已经明确了太空态势感知的四大支柱:信息描述、数据综合与利用、威胁预警和攻击报告。为实现这四个支柱,美国空军航天司令部为太空态势感知规划了多个实体项目,这些项目包括地基和天基两大部分。其中,太空态势感知卫星是天基系统的重要组成部分。

      天基态势感知系统方面,美军持续提升地球同步轨道目标和局域特定目标持续监视能力。为填补“探路者”卫星服役期满后与后续微小卫星星座间的天基太空监视能力的缺口,美空军成功发射“快速响应太空”-5卫星,卫星载有的光学成像系统每天可从低轨对地球同步轨道目标进行15次扫描监视,所验证的技术还将用于未来的太空目标监视星座以及通用星载太空态势感知传感器。美空军已成功发射4颗“同步轨道太空态势感知计划”(GSSAP)卫星,GSSAP单星质量600千克,星上可能搭载宽视场观测相机、窄视场成像相机、红外相机、电子信号截取设备等,可在地球同步轨道附近机动,对高轨目标进行抵近详查,甚至截取电子信号,能够为美军太空作战提供目标技术侦察和行动意图判断。

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      摧毁对手太空能力的利剑—进攻性太空对抗系统

      准备发射的GSSAP卫星

      美国拥有可用于反X任务的中段反导拦截弹,曾于2008年用“标准”-3导弹摧毁了一颗失控的在轨间谍卫星,以实战的形式验证了动能反低轨卫星的能力;美军“反通信系统”(CCS)电子战太空对抗系统统可全球部署,具备对地球同步轨道通信卫星的上行链路干扰能力。

      地基太空监视系统:“太空篱笆”越扎越紧

      鉴于发展太空攻防对抗手段的复杂性和敏感性,美国近年来多通过掩军于民、隐蔽推进的方法,以在轨操作、太空碎片清除等为重点,加紧演示验证和储备太空攻防对抗技术。美国已多次试验近地轨道和地球同步轨道近距离接近和交会技术,以及跟踪、瞄准和拦截技术。

      “太空篱笆(Space Fence)”是美国提高太空态势感知能力的另一个关键项目,属于太空监视系统的地基部分。“太空篱笆”指的是由多个地基相控阵雷达站构成的大型太空探测系统。

      美国重点发展的“凤凰”计划、“蜻蜓”计划以及“地球同步轨道太空态势感知计划”(GSSAP)等在轨操作技术进一步成熟,太空攻防对抗手段多样化趋势更趋清晰。

      根据规划,美军正在建设的第二代“太空篱笆”将在今年完成部署。原美国空军航天司令部司令威廉·谢尔顿将军曾多次宣称,“太空篱笆”是提升美国太空能力的关键,属于“最优先”发展的项目。

      此外,美国开展的“天基杀伤评估”计划探索在弹道导弹防御系统中整合天基拦截器的可行性。美国新一届政府极有可能在任期内借助“天基杀伤评估”项目,安排与天基拦截相关的技术项目,未来具备潜在太空攻防用途。

      美军第一代“太空篱笆”于1961年建造,最初由美国海军使用,2004年转交给美国空军第20空间控制中队。第一代“太空篱笆”的地面系统全部在美国国内,沿北纬33度线部署。9个大型地面雷达基站从美国佐治亚州的塔特纳尔,到加利福尼亚州的圣迭哥,绵延数千公里。其中3个雷达基站向太空发射垂直地面的扇形波束,形成一道像“篱笆”状的雷达波,另外6个雷达基站则用于捕捉和接收所有穿越“篱笆”时反射回波的目标,从而有效实现对地球轨道上高速飞行物体的探测。这个系统发出的电磁波,可将整个北美大陆笼罩起来,就像一个巨大的太空“篱笆”。

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      第一代“太空篱笆”,可保证对轨道倾角约30度-150度范围的卫星进行搜索,能追踪地球轨道上篮球大小的物体,多年来一直是美国太空监视的主要手段之一。然而,由于系统老化、功能不足且耗资巨大,美国空军航天司令部已于2013年9月1日关闭了第一代“太空篱笆”,改由其他监视系统暂时接替“太空篱笆”系统的部分功能。

      未来太空武器作战设想图 [资料图](图片来自中国科学报)

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      防御敌方对太空攻击的盾牌—防御性太空对抗系统

      “太空篱笆”系统由多座大型地面雷达组成。

      美军充分认识到太空系统的脆弱性,为弥补这一弱点,美军制定了太空系统分散式体系结构和多样化防护并举的发展思路,并在美空军发布的《弹性与分散式太空系统体系结构》白皮书中系统阐述了对太空系统“弹性”和“分散式太空系统”体系结构的认识和思考。

      2014年初,美空军与洛克希德·马丁公司就第二代“太空篱笆”研制方案达成协定。根据该协定,美空军将得到性能更强的S波段陆基雷达系统,以便探测到体积更小的物体。第一代“太空篱笆”只能探测到2万个直径大于28厘米的物体。第二代“太空篱笆”将能追踪超过20万个直径大于2厘米的物体。

      分散式太空系统体系结构的五种途径分别是:结构分离、功能分解、有效载荷搭载、多轨道分解、多作战域分解。而多样化太空防护更加强调发展主动防护能力,以分离、多样化、分散、欺骗、冗余备份等六种途径,提高卫星系统防护能力,确保太空系统在任何时候均可应用。

      第二代“太空篱笆”建成后,不仅可将日益增多的“太空垃圾”纳入美国的监控范围,而且更能及时捕获在其部署地上空沿中低轨道飞行的弹道导弹和卫星,为美国的国家和战区导弹防御系统和反卫星武器,提供实时准确的情报信息。美空军希望能同时在太平洋马绍尔群岛共和国夸贾林环礁和澳大利亚部署多部“太空篱笆”大型地基雷达站,但美国国会仅批准了在夸贾林环礁地面雷达基站的建设经费。在那里运行的第二代“太空篱笆”雷达基站获得的数据,将被送到美国本土范登堡空军基地的联合太空作战中心,与其他太空监视网络的数据融合,共同为美军提供全面的太空态势感知能力。

      近年来,多种主动防护能力建设项目重新获得关注,如要求所有重要卫星都具备轨道机动能力、推进卫星通信干扰源探测技术研发等。尤其是在下一代天基预警系统发展方面,美空军希望在“天基红外系统后继”系统体系架构设计中纳入分散式体系结构理念,即利用“结构分离、功能分解、有效载荷搭载、多轨道部署、多作战域部署”的方式,实现弹性与分散式太空系统体系结构,提高系统的可靠性、抗毁性与弹性。

      美国空军的地基监视系统除“太空篱笆”外,还包括陆基光电深空探测系统(GEODSS)和兼职做太空监视的导弹预警雷达网等。不过这些地面设施,具有局限性。这些设施不仅受大气环境和太空环境的影响很大,而且其监视能力也存在空白,如太空篱笆需要卫星穿过它的波束,对于具有变轨能力的航天器,它就显得无能为力。

      按计划,“天基红外系统后继”系统将包括5颗地球同步轨道卫星和2颗极轨卫星,提供对所有类型弹道导弹发射助推段预警能力,性能改进的重点在于抗毁性得到了大幅提升。

      通过天基和地基监视系统的配合,目前,美国每天可完成6万余次对太空目标观测,并对10厘米以上的1.6万个在轨目标进行探测、跟踪和分类。能够对包括高轨道和低轨道的别国卫星尤其是军用卫星在轨运行状况进行分析, 可以为作战运用提供强大的信息支持。

      (作者系空气动力学家、航天技术专家,长期从事空气动力学、航天发展战略研究,为我国大型试验基地建设、载人航天方案论证、新型航天器研制做出了突出贡献,著有《航天空气动力学》《高超声速飞行器空气动力学》《空天大视野》等专著。》)

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