盘点美军太空信息支援系统

来源:战略前沿科技 作者:远望智库 时间:2018-11-01
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2018 年 8 月 9 日,美国副总统彭斯在美国五角大楼宣布了一个计划,争取到 2020 年成立美军第六大军种“太空军”。计划包括建立太空发展机构、发展太空作战部队、立法支持创建计划、建立太空司令部等。按照彭斯公布的计划,特朗普将呼吁美国国会在未来五年拨款 80 亿美元支持太空部队的建立。虽然特朗普经常放烟幕弹,也经常恣意行事,但是这次组建天军构想是有实质内容的。

一、天基信息感知系统

近几场高技术局部战争的实践表明,现代作战离不开天基信息系统的支持。经过几十年不遗余力的发展,美国目前已经建成了包括信息获取类航天装备、信息传输类航天装备、时空基准类航天装备在内的种类齐全且体系较为完善的天基信息系统,为战略决策、武器装备系统和作战部队提供情报信息、通信广播、侦察监视、导航定位等支持,极大地提高了美军的作战能力。

美国天基电子侦察力量是美军事情报力量体系的重要支撑,在大国战略博弈尤其是近 30 年美发动和主导的局部战争或海外军事行动中发挥了重要作用。美国建有覆盖全球、分辨率高,可进行全天时、全天候侦察的卫星侦察系统。目前美军太空力量在成像侦察方面主要有 5 颗“锁眼”、3 颗“长曲棍球”、3 颗“未来成像体系”等多个系列军用卫星,电子侦察方面有 3 颗“水星”、5 颗“先进猎户座”、4 颗“军号”等卫星,海洋监视方面有 12 颗海军海洋监视卫星。美国天基电子侦察力量是美军事情报力量体系的重要支撑,接受国家侦察局和美军战略司令部的组织管理,同时接受国家安全局、中央情报局等部门的业务指导。

美国电子侦察卫星已发展至第五代。现有三代共43 颗在轨服役,形成了遍布地球高中低轨的天基电子侦察装备体系。从轨道分布看,“大酒瓶”“水星”“顾问”3 型 13 颗同步轨道卫星全天时监视纬度较低地区,“号角”1 型 6 颗大椭圆轨道卫星重点监视北半球高纬度地区,“雪貂”D、“海洋监视系统”、“天基广域监视系统”3 型 24 颗中低轨道卫星,重点监视全球范围内的舰船及电子目标。从载荷能力看,主要侦收防空反导雷达、导弹遥测和微波通信信号。从侦察频段看,覆盖100MHz 至 25GHz 范围内的电磁信号。

2013 年 12 月美国五角大楼设计出一颗巨型间谍卫星,名为“薄膜型光学即时成像器”(MOIRE)。它可以一次性捕捉地球 40%的地表的图像,并能够在任何时间传输世界上任何地点的实时高分辨率视频与图像,堪称“间谍卫星之王”的 MOIRE 卫星由美国国防高级研究计划局设计,所采用的技术能够让太空望远镜的性能和精确度翻几倍,同时降低制造成本。MOIRE 卫星利用巨型膜,发射时折叠在一起,进入轨道后展开,展开后的直径达到 68 英尺(约合 20 米),而目前体积最大的地面望远镜的口径大约只是这一尺寸的一半。

2015 年 10 月美国家侦察局(NRO)的 NROL-55 任务将一组两颗海洋监视卫星成功发射升空入轨。这两颗卫星是美军“天基广域监视系统”(SR-WASS)的第七组卫星,主要用于对海洋舰船的探测和监视。美国计划将制造 12 至 24 颗新型间谍卫星,将是美国现有间谍卫星数量的 2 至 4 倍。新一代间谍卫星体积更小,造价也更低,目前已经开始部署。这项研制新型卫星的计划被命名为“未来图像建筑工程”,目的是通过卫星为美国空军从事间谍活动的国家侦察局和美国国家安全局之间建立起密切的合作关系。这两个机构一旦联手可以使美国当局搜集情报的能力天下无敌。美国科学家联合会认为,这是美国“情报史上耗资最大的计划”。

SBIRS 卫星是美空军下一代导弹预警卫星,将替代之前的“国防支援计划”(DSP)系统,计划由 4 颗地球同步轨道卫星和两个大椭圆轨道探测载荷组成。目前美国正稳步推进高轨天基红外导弹预警卫星系统(SBIRS)和低轨空间跟踪监视系统(STSS)建设,替代DSP 导弹预警卫星系统,以实现对弹道导弹目标在助推段、自由段和再入段的全程跟踪和识别,将具有“对全球任何时间、任何地点发射的弹道导弹进行预警和全程侦察、跟踪、摧毁”的能力。

美空军第三颗“天基红外系统”(SBIRS GEO-3)导弹预警卫星 2017 年 1 月 20 日搭乘“宇宙神”-5401 型运载火箭从卡纳维拉尔角成功发射。GEO-3 卫星也将成为 Block 10 地面系统控制下开始运行的首颗卫星。Block 10 系统在 2016 年 12 月 2 日完成接收,已开始采集来自 SBIRS 卫星和 DSP卫星的导弹预警数据以及指挥与控制数据。GEO-4 卫星计划于 2017 年 11 月 9 日发射,此外还将在 2021 年和 2022 年分别发射两颗额外的卫星,即 GEO-5 和GEO-6 卫星。

从信息获取类卫星发展趋势来看,成像侦察卫星将向采用超频谱成像技术和天基雷达成像技术的方向发展,以提高其探测、分辨伪装和模糊目标的能力,其尺寸一方面向更大的方向发展,如正在研制的“锁眼-13”成像侦察卫星的重量将达 20 吨,另一方面向小卫星方向发展,建设小卫星探测网,以实现全球覆盖,如“21 世纪技术卫星”星座由 8 颗卫星组成,组网后雷达的等效孔径可达 500 平方米。电子侦察卫星将向多功能、长寿命、实时性强、适应范围广等方向发展,采用电子侦察与照相侦察相结合、被动式侦察与主动式侦察相结合,进一步提高星上电子侦察设备的信号处理能力与处理速度,增强其抗干扰、变轨机动和抗摧毁等能力。而导弹预警卫星则是继续发展“天基红外系统”。“天基红外系统”将在几年内部署完毕,届时可在导弹发射后 2O 秒内将警报信息传送给地面部队。

二、天基信息传输系统

天基信息传输系统,主要是指借助通信卫星进行远距离中继的信息传输系统。军用通信卫星的应用,促使军事通信进入了全球化、实时化的新时代。通信卫星在卫星大家族中占有重要位置,到 2011 年 12 月 31 日,世界各国发射 6439 个航天器,其中卫星(包括空间探测器)为 5940 颗,而(军用、民用及商业应用)通信卫星就有 1882 个,占航天器总数的 29.2%以上和卫星总数的 31.7%以上。尽管大多数通信卫星主要被用于国际间或地区(或国家)内部的民用通信和卫星电视节目转播等领域,但同样可以用于军事信息传输,完成军事卫星通信任务。

在信息传输类航天装备建设方面,美国已建成覆盖地球静止轨道、大椭圆轨道和中低轨道的包括通信卫星、广播卫星和数据中继卫星在内的天基信息传输系统,能够全面支持战略战术通信、数据中继和移动通信。目前美国在轨的信息传输类卫星 30 多颗,包括“国防卫星通信系统”“军事星”“特高频后继星”“全球广播系统”“过渡型极轨通信卫星”“宽带全球卫星通信系统”以及搭载在“特高频后继星”上的“全球广播系统”等,这些卫星是美国现代军事信息传输网络的重要组成部分。其中被称为第三代“军事星”的“先进极高频”通信卫星的设计寿命为 15 年,采用相控阵天线技术,在第二代“军事星”的基础上,增加了扩展数据率载荷。

1 颗“先进极高频”的容量高于目前在轨的整个“军事星”星座的容量,而且具有很强的抗干扰、防侦听、防截获、抗毁伤能力,能够满足实时图像、战场地图和跟踪数据传输等战术通信需求。

作为美军第三代军事通讯卫星,“先进极高频通讯卫星”采用星间链路(不同在轨卫星间的互联)技术、星上处理技术等,能根据用户优先级别来提供点对点通信以及网络服务。该系统有非常强的战场生存能力,即便在地面控制站被破坏后,整个系统仍能自主工作半年以上。“先进极高频通讯卫星”的质量为 2500—3000kg,可同时提供 50 多个信道,每个信道数据率8Mb/s,总通信能力 375Mb/s(约合 45 兆每秒),设计寿命为 10 年。卫星覆盖范围为南北纬 65 度间,总通信能力比现有的“军事星”大 10 倍,数据传输速率高 6 倍。

高速的传输率可以做到实时画面、战场地图和目标数据的传输。“天基太空监视系统卫星”,搭载一台重达227 公斤的先进数字照相机,镜头可迅速旋转,能及时定位并拍摄重要太空物体的图像。主要目的是预警和防范对美国卫星的破坏活动,从而增强美军对其太空资产的保护能力。2015 年 1 月和 9 月美国相继发射“移动用户目标系统”(MUOS)第 3 颗和第 4 颗星并完成 MUOS 初始星座构建,同年 7 月第 7 颗“宽带全球卫星通信”卫星(WGS-7)顺利发射并传回首批信号,也是 7 月已入轨的 3 颗“先进极高频”(AEHF)通信卫星开始初始运行,至此美国宽带、窄带和受保护等新一代军事通信卫星系统全部完成了初始星座构建并逐渐取代上一代系统。

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2017 年 3 月 27 日,美国导弹防御局(MDA)发布“用于跟踪高超声速滑翔飞行器的天基微型传感器实验”信息征询。MDA 计划利用两颗基于模块化设计、开放式系统架构和通用用户界面的 50 千克级低轨卫星,验证传感器、光学设计、通信和指向精度等。该卫星的主要指标包括:单星总质量不超过 50 千克,设计寿命目标为 5 年,至少为两年,轨道高度不大于 1000 千米,可接近实时地向地面系统提供跟踪数据,精度能够满足弹道导弹防御系统(BMDS)作战需求,卫星能够安装于通用多卫星适配器上,以分摊发射成本。

从通信卫星未来发展来看,针对在轨的通信卫星存在通信带宽有限、中继转发易受干扰、信号捕获时间长、信号功率小等问题,将采用射频和激光通信、极高频抗干扰技术、星上基带处理技术,逐步实现开放体系、接口标准化、战术终端轻小型化,同时发射新型通信卫星。计划采办 4 颗通信容量 430 比特 / 秒、最大用户传输数据率 8.2 兆比特 / 秒的“先进极高频”通信卫星取代“军事星”系统;计划采办 6 颗通信容量为 2.1—3.6 吉比特 / 秒、工作在 x 波段和 Ka 波段的“宽带全球卫星通信”系统取代“国防卫星通信系统”;发射 6 颗“移动用户目标系统”卫星系统取代“特高频后继星”,为美军提供强大的全球战术窄带卫星通信业务,为地面人员提供类似移动电话式服务。

三、卫星导航定位系统

在时空基准类航天装备建设方面,美国主要发展全球定位系统(Global Positioning System.GYS)。该系统可以为全球陆海空天用户提供全天候、全天时、连续实时的空间和时间基准,是作战指挥控制、兵力机动、火力打击特别是精确打击的关键支撑,已经成为美军支援和保障军事行动不可或缺的手段。美国军方用的GPS 精度 1 米左右,提供给民用和北约的为 10 米左右。目前在轨服役的是 GPSⅡ系列卫星,包括 GPSⅡA、GPSⅡR、GPSⅡR-M、GPSⅡF 等。与此前的 GPS 卫星相比,GPSⅡF 卫星的硬件更先进,增大了信号功率并实现了导航信号功率可调的目标,其导航定位精度更高,抗干扰能力更强。GPS 目前有包括备份星在内的31 颗卫星在轨运行通信卫星系统,是目前在轨数量最多、使用范围最广泛的卫星系统。

针对目前存在的易受敌方干扰、易受遮蔽影响、控制中心生存能力有限等问题,将采用抗干扰信号处理技术、自适应调零天线技术、组合导航技术、卫星自主生存技术等。为了提高导航战能力,确保先进性,增强国际市场竞争力,美国除了在未来继续发射 10 颗 GPSⅡF 卫星外,正在研发能为美军提供更多信号以提高精度和关键的抗干扰能力的新一代导航卫星 GPSⅢ。

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2016 年 2 月美国发射第 12 颗 GPS-ⅡF 卫星,实现全部 GPS-ⅡF 卫星部署,GPS 现代化改进计划完成第二阶段任务。5 月,美空军分别授予波音、洛马和诺格公司生产就绪度可行性评估合同,演示验证建造下一批GPS-Ⅲ卫星的能力。美空军此次提出要采用弹性设计建造未来 GPS-Ⅲ卫星,设计要求包括在轨重编程、在轨升级以及可增加新信号或新任务的能力。

近年来美国积极推动军用卫星系统朝着网络化方向发展,使部署在不同轨道、执行不同任务的航天器及其相应的地面系统联接起来,并与陆、海、空中的相关系统,组成一体化的指挥、控制、通信计算机、情报、监视与侦察体系,实现信息的快速获取、融合和分发。根据设想,美空军 2025 年将通过星间通信、星上数据处理和信息融合,建立功能完善、攻防兼备的“太空网”。此外,美空军还在研发可快速将卫星发射入轨的小型卫星发射器,在未来空间冲突中可以快速更换受损的关键卫星。

四、太空感知和攻防武器装备软件系统

据洛克希德·马丁公司网站 2017 年 4 月 4 日报道称越来越多的卫星系统所有者和运营商需要新的能力,以保护他们的太空资产和任务。洛克希德·马丁公司为满足这一需求,推出了一款为军、民、商和国际客户提供传感器数据处理、太空感知、指挥控制以及太空作战管理能力的系统———iSpace(智能太空)。iSpace 系统软件可分派、处理和关联来自全球政府、商业界和学界传感器及指挥中心的数据。从光学、雷达,红外和无线电传感器获取信息后,iSpace 系统会自动向用户提供相关的实时信息,并给出最佳的行动路径。iSpace 系统先进的分析和融合功能使其可以主动管理各类太空事件,如碰撞、机动、解体、发射和共轨威胁。iSpace 系统架构以网络为中心,具有开放性和可扩展性,能为用户配置可快速集成到各种环境中的直观显示器,进行建模、仿真、实验或操作使用。在 iSpace 系统的开发过程中,洛克希德·马丁公司充分借鉴了美国政府多个项目(如“太空篱笆”、战区管理核心系统、指挥控制战斗管理和通信等)积累的在太空、空中、海上和导弹防御方面的经验。

2017 年 4 月 26 日美国空军物资指挥部已授予了雷声公司初始价值高达 3.75 亿美元的合同,以在六年内维持和实现航空航天作战中心武器系统(AOC WS)的现代化。根据合同,雷声公司将更新现有的 AOCWS 基准软件,并开发和部署新的软件升级,以改善航空航天的指挥和控制作战。航空航天作战中心为美国空军提供战略能力,拥有全球 22 个地区的操作员,使用 AOC WS 通过所有空军指挥和控制飞行器的关键任务。

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定期举行军事演习是美军能力建设的关键环节,这在太空防御或作战能力方面的建设也不例外。2017 年 4 月 17 日至 21 日美国空军举行首次“太空旗帜”演习。随着本系列演习的逐步成熟,军事行动场景、威胁、环境以及武器系统的建模仿真将更加真实。美军方认为美军需要一种太空测试与训练环境,真实的或模拟的,统一指挥太空和网络系统,提供全球作战效果。美军需要在战役级、战术级实施作战管理和指挥控制的新系统,而“太空旗帜”将为全面描述未来系统必须提供的能力指出方向。

2020 年前,美国在天基侦察监视能力、通信保障能力、导航定位能力等方面将有较大提升,具备较为完善的太空信息支援能力。在天基侦察监视能力方面,将部署精度更高的光学成像和雷达成像卫星,探测识别地面小目标、机动目标的能力进一步增强。“天基红外系统一高轨道”7 颗卫星部署完毕,太空跟踪与监视系统部署 10 余颗卫星,“太空篱笆”系统进一步完善并全面形成能力。同时,将部署由 20—30 颗雷达跟踪卫星组成的卫星集群,具备穿透伪装层、高灵敏度、连续不间断实施侦察的能力。

在天基通信保障能力方面,将建设和使用基于激光通信系统的太空信息网络,“宽带全球通信卫星系统”和“移动用户目标系统”通信卫星升级完善,天基通信保障能力进一步提升。在天基导航定位能力方面,第三代 GPS 完成 16 颗卫星的在轨部署,系统定位、定时精度分别接近 0.3 米和 1 纳秒,抗干扰能力较第二代 GPS 成倍提升。

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