天基信息系统:来自太空中的较量

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  突破巴列夫防线的“大鸟”
  
  1973年的第四次中东战争中,以色列军队的反败为胜堪称又一军事奇迹。战争初期,阿拉伯国家军队迅速突破了以色列的“巴列夫防线”,迫使以军全线败退。绝望的以色列领导人甚至想动用秘密制造的原子弹来挽回几乎已定的败局。在这关键时刻,美国的“大鸟”侦察卫星观测到在埃及军队进攻的正面二、三军团的接合部有一个十多千米的间隙,于是迅速通知了以军。以军抓住这个反击良机,通过间隙迅速突入埃军后方,摧毁了埃及的全部地空导弹发射阵地,兵临苏伊士城下,切断埃军第三军的后路,迫使埃及停战。这一戏剧性的一幕,可以说是“大鸟”卫星立了头功,足见军事卫星的巨大威力。
  
  得“天”独厚的军用卫星
  
  军用卫星飞得高、飞得快,不存在侵犯领空的国际纠纷,凭借其得“天”独厚的优势,获取的信息占所有作战信息的70%以上。美国有关军事专家指出:“美国拥有无可匹敌的卫星群,是能够在全球成功运用武力的非常重要的原因之一。”故目前各国所发射的军事卫星约占所有航天器数量的三分之二以上。未来的军事卫星将注重直接支持作战的战术应用能力,实现陆、海、空、天作战平台的互联互通,进一步推动网络中心战转型。
  网络中心战包含传感器网、信息网和武器网三大部分,由各种军事卫星组成的天基信息系统同样分为三大网:成像侦察卫星、电子侦察卫星、导弹预警卫星、海洋监视卫星、空间目标探测卫星、气象卫星、测绘卫星等信息获取类卫星属于传感器网;通信卫星、直播卫星、数据中继卫星和导航定位卫星等信息传输类卫星属于信息网;反卫星卫星、太空武器等属于武器网。其中侦察卫星、预警卫星、通信卫星和导航卫星等是夺取信息优势最重要的天基武器。
  经过40余年的发展,美国已构建性能先进、种类齐全、配套设施完备的天基信息系统,也是其全球信息栅格的天基组成部分。目前太空中在轨的近千颗卫星中,有一半属于美国,其中纯军事卫星约100颗,还有300多颗民用卫星为美军服务。美军还考虑部署太空武器,包括激光和动能武器等,以在一小时内打击地球表面的任何目标。
  
  侦察、监视与预警卫星太空中的“间谍”
  
  侦察、监视和预警是一个久远又充满活力的军事技术领域。自人类进入太空时代后,军事活动的范围迅速扩展到了太空。预警、侦察与监视卫星就是窃取军事情报的卫星,俗称间谍卫星,在军用卫星中数量最多,主要包括成像侦察卫星、电子侦察卫星、海洋监视卫星和预警卫星等。它们在侦察对方的情况后,能够迅速把情报传回地面进行处理分析,及时掌握双方的战事,对力量的部署决策提供情况,正是“运筹帷幄之中,决胜于千里之外”。当前美国的战略情报有70%以上是通过这类卫星获得的。
  成像侦察卫星又可分为光学成像侦察卫星和雷达成像侦察卫星。光学成像侦察卫星拥有特长焦距相机,焦距在2米以上,目前最大焦距已长达6米,相当于大倍数望远镜。Coogle Earth提供的图片就是光学成像侦察卫星拍摄的照片,不过是以商用光学成像卫星获取的。
  地面分辨率是衡量成像卫星技术水平的重要指标。分辨率是指在影像中将两个物体分开的最小间距,而不是能看到的物体的最小尺寸。例如Google“卫星地图”上的分辨率大约为1米,也就是说两个人相距一米以上时,在影像中就可以看到分开的两个点,当两人距离小于一米时,两人的影像将合为一体,在影像中只能看到一个点。
  美国目前有3种类型的军事成像侦察卫星在轨,共计6颗,分别为3颗“锁眼-12”(KH-12)卫星、2颗“长曲棍球”卫星、1颗“增强型成像系统”(EIS)卫星,又称8X卫星。
  “锁眼”系列卫星是美国光学成像侦察卫星系列,简称“KH”号,已发展了6代。立下汉马功劳的“大鸟”号卫星是第四代,最新的为第六代“KH”,采用先进的自适应光学成像技术,可见光分辨率达到0.1~0.15米,红外分辨率达到0.6—1米。
  所有光学成像照相侦察卫星的通病就是无法透视云层。在冷战时期,由于苏联的大部分领土和其它一些令美国感兴趣的地区经常被云层所覆盖,所以这对情报搜集来说始终是一个难题。不过现在的“长曲棍球”雷达成像卫星分辨率达到了0.3米~1米,在完全无光的黑夜工作,其合成孔径雷达可以穿透云层和烟雾发现地面和海面的目标,甚至可以穿透一定厚度的地层发现地下目标,具有全天候、全天时的侦察能力。
  “8X”卫星在太阳同步轨道上运行,载有合成孔径成像雷达和光学相机,对地观测的条带宽度远远超过前两者。
  
  九天之上的顺风耳电子侦察卫星
  
  电子侦察卫星亦称电子情报卫星,被喻为太空中的“顺风耳”,主要任务是侦收敌方雷达、通信和遥测等系统所辐射的电磁信号,以确定敌方雷达和军用电台等装备的精确位置、信号特征等参数,提高己方的突防能力。
  电子侦察卫星掌握的情报信息,在某种意义上能更准确了解敌方军队调动、武器试验与装备情况及战略意图。海湾战争和伊拉克战争中,美国在空袭伊拉克前几个月就开始通过电子侦察卫星搜集掌握了大量的伊军电子情报。利用这些情报在空袭前几十分钟开始对伊展开电子战,使伊大部分雷达受到强烈干扰而无法工作,无线电通信全部瘫痪,连巴格达电台的广播也因干扰而无法听清。曾担任过美国参谋长联席会议计划部主任的小贝茨上校说:“通过人力渠道得来的情报,不足美国政府搜集到的全部情报的1%,而一颗45分钟绕地球一周的卫星,一天收集的情报比谍报部门在过去数十年里收集的情报还多。”
  由于信号在传播路径上衰减很快,电子侦察卫星必须使用高灵敏度接收机和非常大的天线,这时卫星本体显得较小。如美国的同步轨道的电子侦察卫星天线有的和足球场一样大,可以测到10万亿分之一瓦的极微弱信号,同时侦听上千个辐射源。
  
  知寒知暧的红外预警卫星
  
  任何物体只要温度高于绝对零度(即零下273摄氏度),都会辐射肉眼看不见的红外线。预警卫星一般发射到地球静止轨道上,在卫星上装有高精度的红外探测器。一旦敌方发射导弹,在不到几分钟的时间内,通过对导弹发射主动段羽焰的红外辐射等探测成像,卫星就可以探测出来,同时计算飞行弹道,确定它的落点和攻击目标,并马上把信息传到本部指挥中心,提醒做好拦截准备。
  美国“国防支援计划”(DSP)卫星现已发展了3代,利用红外传感器探测处于发射段弹道导弹,实现早期预警,对洲际战略弹道导弹可提供25—30分钟的预警时间,对潜射战略导弹的预警时间为10~15分钟。
  天基红外系统(SBIRS)是美军为适应网络中心战需求而发展的新一代导弹 预警卫星系统,由高轨和低轨两个部分组成,低轨SBIRS现称为“空间跟踪与监视系统”(STSS)。SBIRS不仅对小型战术导弹发射的探测能力大幅度提高,而且可在导弹发射后10-20秒内传送预警信息,并把来袭导弹发射点确定在1千米以内(DSP卫星的精度是5千米)。
  此外,美国还有海洋监视卫星系统,用于探测、监视海上舰船和潜艇活动:天基空间监视系统(SBSS),用于发现、识别和跟踪空间目标,避免太空垃圾或外来卫星与美国航天器相撞;“轨道快车”计划,用于卫星在轨燃料补给、升级和改装技术,以及对敌国卫星的攻击。
  
  实现超视距通信的骨干节点军事通信卫星
  
  顾名思义,通信卫星是远距离无线电通信的卫星,主要包括战略通信卫星、战术通信卫星、直播卫星和数据中继卫星等,是现代战争通信、指挥和控制的重要手段。在最近几次现代化局部战争中,卫星承担着美军75%以上的通信任务,大大提高了美军及其盟军多军兵种协同作战、联合作战效能。
  目前美军拥有世界上最先进、最庞大的军事通信卫星,在轨运行的通信卫星约30多颗。主要包括:可提供全球战略、战术宽带通信的“国防卫星通信系统”;满足战略、战术通信和数据中继需求,提供低、中速数据率通信服务,并具有星间链接能力的“军事星”系统:主要供海军、也可为陆、空军使用的“舰队卫星通信系统”;此外还有战略与战术中继卫星系统。
  网络中心作战中的卫星通信业务不仅包括下达作战命令、态势报告、后勤保障等的电报电话,还包括卫星侦察侦察图像、预警信息、卫星气象、数字地图等,需要传输的信息量急剧增加,因此美国自上世纪90年代末开始实施新一代军事通信卫星计划,主要有“宽带填隙卫星”(WGS)、“先进极高频卫星”(AEHF)、“移动用户目标”系统(MUOS)、“先进极地系统”和“转型通信卫星”(TSAT)(已取消)等。这些卫星系统将广泛应用高数据率通信、宽带通信及跳频技术、星间链路和星上处理技术,达到现役系统的10~100倍以上,可满足陆、海、空三军战区作战的大数据量、高速通信的战术应用需要。
  
  网络中心战的准星导航定位卫星
  
  目前世界上主要的导航系统有美国的GPS系统、欧洲的“伽利略”系统、俄罗斯的GLONASS系统和我国的“北斗”系统等,数美国的GPS功能最为完备。
  美国导航定位卫星系统在世纪之交的几场战争中发挥了巨大作用,推动了机械化战争地毯轰炸向信息化战争精确打击转变,被认为是现代战争的“定盘星”、军队战斗力的“倍增器”。在精确制导武器中,激光制导、红外制导和电视制导的精确打击武器很容易受到恶劣天气的影响,GPS制导武器却丝毫不受影响。国外有关学者研究认为,在二次世界大战期间,摧毁一个目标平均要用648枚炸弹,而现在只需用一枚GPS制导炸弹就能击中目标,有时候炸弹甚至根本不用装弹头,只需装上水泥,直接撞击目标就能将其摧毁,这便是小小信息技术变成巨大战斗力的根本所在。另外,美军作战部队也装备了大量GPS终端,为部队机动和作战提供高精度的导航定位和时间信息,使得“不同时间、不同地点、同时到达”的联合作战思想得以实现。
  美国在几次局部战争中使用的是第二代导航定位系统的IIR型,其P码精度达到6米,导弹的GPS/INS制导精度达到了数米至十几米:新一代GPS-III发射功率将比现有卫星提高100多倍,信号强度至少增加100倍,导航定位精度提高到0.2~0.5米,从而使GPS制导的炸弹命中精度达到1米以内。而且卫星轨道布局也将由原来6个轨道面的24颗星改为3个轨道面的32颗星。如果说第二代导航卫星可以指导汽车在街道自动行驶,第三代导航卫星则能找到车库门。
  
  美军天基信息系统最新动向
  
  美国已将保持与发展全面空间信息优势作为其军队转型至网络中心战的目标之一,以期形成天地一体化网络,实现全空域信息共享和综合利用,使战略、战区、战术各层次上均可实时、近实时地利用天基信息,为美军未来网络中心战提供更有力的保障。其两个重要发展动向值得我们借鉴。
  注重战术应用 美国目前的军事卫星系统基本上满足冷战时期国家战略层次上的军事需求,但其战术应用能力较弱。印度在1998年进行的5次核试验都没被美国卫星发现,很重要的一点就是利用美国侦察监视卫星的过境时间差,躲过了侦察。因此天基信息系统融入作战体系的最终目标是全球持续监视、支持战术应用、缩短打击链时间。
  严格地说,美军目前的空间系统只有通信卫星系统和导航卫星系统基本实现了战术级应用,而成像侦察和电子侦察等卫星还无法直接支援战术需求。
  美军提出的“太空作战快速响应”计划,包括快速响应运载器、快速响应战术小卫星和快速响应发射场等,运载火箭将更快更便宜地发射快速响应,而且小卫星的在轨检测和校正阶段很短,能迅速投入服务状态。例如已经发射的Tac-Sat-2可以几分钟内就把拍摄的战术图像传递给地面指挥官,TacSat-3可以发现隐藏在树木下面的车辆,探测埋藏在路边的炸弹,发现伪装的敌军部队等。这些快速战术小卫星,重量小、轨道低,与以往的卫星系统最大的不同是传感器直接由美国中央司令部的军队领导层控制,指挥官在几分钟之内就可以获得图像,而不再由美国军方航天控制中心控制,因此不,必等待几个小时或几天的时间才能响应。
  军用和商用(民用)卫星界限模糊化由于未来的军事需求与天基信息系统的能力仍存在较大差距,而民用卫星的技术性能却在不断提高,在许多领域已经接近甚至超过军用卫星系统。例如美国军事通信卫星无法满足巨大的军事通信需求,因此在战争中使用了许多民用通信卫星;美国国家图像测绘局(NIMA)的军事制图任务全部采用民用卫星图像制作,而不发展专用的系统;美军已把极轨气象卫星计划与NOAA的计划合并,不再发展专用的军用静止气象卫星;美国防部以低价订购了日渐复活的铱卫星公司的低轨道卫星星座,极大地提高了美军移动通信能力。
  成像卫星在民用和军事侦察上都具有比较大的应用价值,但技术要求有所不同。民用往往要求成像卫星具有宽的测绘带宽和高精度的辐射定标,并具有中等分辨率的图像(一般低于5米);军事侦察在强调测绘带宽的同时,更强调高分辨率。有些国家研制的军民两用对地成像卫星,其分辨率进一步提高,使军用和民用的界线越来越不明显,例如美国“快鸟-2”光学成像小卫星的分辨率达到了0.61米,在2006年,根据“快鸟-2”对伊朗核设施的拍摄,美国及时掌握了其核武器的研制进度。2008年发射的美国“地球眼-1”低轨光学成像卫星,成像分辨率达到了0.41米,逼近美国最先进的军事成像卫星,Coogle Earth就使用了这颗卫星拍摄的图像。
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