刁華飛，殷智勇，張雅聲，馬志昊

（航天工程大學(xué)，北京101416）

0 引言

太空在國家戰(zhàn)略利益上的地位日益突出，已成為國家安全的重要組成部分。太空態(tài)勢感知作為保障太空安全的重要基礎(chǔ)能力，已成為美國等航天大國高度重視和優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域?？滟Z林“太空籬笆”監(jiān)視系統(tǒng)是美國為提高對太空目標監(jiān)視、跟蹤和識別能力，增強太空態(tài)勢感知能力而發(fā)展的骨干裝備，主要用于取代原“電子籬笆”監(jiān)視系統(tǒng)。相對于“電子籬笆”系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有太空微小目標探測跟蹤能力強、全天候觀測的特點，可大幅提高美國的太空監(jiān)視能力。盡管美國已擁有獨步全球的太空態(tài)勢感知能力，但“太空籬笆”系統(tǒng)將讓美國自此擁有更強的太空事件實時感知、太空目標威脅分析能力，建立起非對稱的太空優(yōu)勢。

1 “太空籬笆”發(fā)展歷程

“太空籬笆”項目由美國空軍2005年提出，2009年6月11日，美國空軍850電子系統(tǒng)部電子系統(tǒng)中心授予洛克希德·馬丁公司、諾斯羅普·格魯曼公司和雷神公司三份價值3000萬美元的研究合同，經(jīng)過幾年的概念研究和降低風(fēng)險的努力，洛克希德·馬丁公司在2014年擊敗雷聲公司，贏得了一份價值9.14億美元制造、開發(fā)、生產(chǎn)和部署合同，在夸賈林環(huán)礁上建造第一個太空籬笆站點。2016年10月夸賈林“太空籬笆”施工航拍照片如圖1所示。

“太空籬笆”雷達站最終確定的建設(shè)站點為2個，另一部位于澳大利亞西部，其發(fā)展歷程如表1所示。

圖1 2016年10月12日施工過程航拍照片

表1 “太空籬笆”系統(tǒng)發(fā)展歷程

夸賈林“太空籬笆”系統(tǒng)已于2019年底開始具備初始運行能力，第二套“太空籬笆”系統(tǒng)計劃于2021年完成。

2 “太空籬笆”系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)組成

與原有“電子籬笆”鋪設(shè)長達數(shù)千米的天線陣列不同，“太空籬笆”采用收發(fā)分置的大型相控陣雷達體制，并以全數(shù)字化運行，波束合成靈活、準確，覆蓋的空域更廣、探測精度更高，同時具備搜索、跟蹤能力[1]。發(fā)射機采用兩維相掃+數(shù)字波束的工作模式，發(fā)射垂直于當(dāng)?shù)厮矫娴乃阉鞑ㄊ?，工作頻率3.5 GHz，發(fā)射陣元36000個，發(fā)射峰值功率2.69 MW，平均功率0.81 MW，發(fā)射天線增益30 d B，在東西經(jīng)度方向具有寬波束，在南北緯度方向上為窄波束。接收采用數(shù)字波束形成技術(shù)形成（同時多波束）接收窄波束群，覆蓋發(fā)射扇形區(qū)域。接收陣元86000個，接收天線增益58dB。除發(fā)射機和接收機外，系統(tǒng)還配套三部柴油發(fā)電機、冷卻機組、液體冷卻系統(tǒng)的泵站以及雷達天線的校準塔[2]?？滟Z林“太空籬笆”雷達系統(tǒng)組成如圖2所示。

根據(jù)設(shè)計要求，“太空籬笆”系統(tǒng)能探測跟蹤超過20萬個直徑大于5 cm的太空目標。除搜索波束外，太空籬笆還設(shè)計了跟蹤波束，以便同時滿足發(fā)現(xiàn)和跟蹤任務(wù)要求?！疤栈h笆”由駐扎在亞拉巴馬州亨茨維爾的第20太空控制中隊負責(zé)運行，將觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)在加利福尼亞州范登堡空軍基地的第18太空控制中隊進行太空目標編目維護。計劃中2套“太空籬笆”系統(tǒng)通過GIG網(wǎng)絡(luò)將觀測數(shù)據(jù)匯入軍方“太空監(jiān)視網(wǎng)”，發(fā)送到太空聯(lián)盟作戰(zhàn)中心任務(wù)系統(tǒng)（JMS）處理，“太空籬笆”系統(tǒng)關(guān)系如圖3所示。

圖2 夸賈林“太空籬笆”雷達系統(tǒng)組成

圖3 “太空籬笆”系統(tǒng)關(guān)系圖

2.2 系統(tǒng)功能

“太空籬笆”系統(tǒng)頻段由“電子籬笆”系統(tǒng)的VHF波段提升到S波段，更高的頻率可提供更好的精度和分辨率。根據(jù)洛克希德·馬丁公司展示的雷達功能，“太空籬笆”系統(tǒng)主要包括以下功能[3-4]：

1）探測、跟蹤和識別?！疤栈h笆”是專用型太空目標監(jiān)視裝備。美國現(xiàn)有太空搜索捕獲雷達8部，其中專用雷達1部，兼用遠程導(dǎo)彈預(yù)警雷達7部。目標精密跟蹤測量雷達10部，但對弱小目標（尺寸小于5 cm）的探測識別能力依然不足，“太空籬笆”系統(tǒng)正是為解決小目標探測需求而提出的。對于低軌道目標，“太空籬笆”系統(tǒng)采用大型扇面進行普查，對于中高軌目標，“太空籬笆”系統(tǒng)采用微型扇面、增程模式以保持較高的天線增益捕獲目標。

2）威脅預(yù)警和評估。對潛在攻擊、實際攻擊、太空環(huán)境效應(yīng)以及太空系統(tǒng)異常進行預(yù)測和區(qū)分，“太空籬笆”能夠協(xié)助系統(tǒng)完成該任務(wù)。

3）情報特征收集。確定當(dāng)前和未來的國外太空資產(chǎn)和太空攻擊系統(tǒng)的性能和特征，以及他國在太空中對美方的不利意圖。

4）數(shù)據(jù)集成。能夠?qū)⒍嘣磾?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)并集成到單一太空作戰(zhàn)態(tài)勢圖中，并利用“太空籬笆”系統(tǒng)開展碰撞預(yù)警、目標識別、碎片演化等工作。“太空籬笆”原型控制中心作戰(zhàn)視圖如圖4所示。

圖4 洛克希德·馬丁公司展示的“太空籬笆”系統(tǒng)

3 研判分析

據(jù)《航天新聞》3月28日報道，美國天軍3月27日宣布，經(jīng)5年建設(shè)，“太空籬笆”太空監(jiān)視雷達已可投入使用[5]。針對這一消息，結(jié)合開源編目數(shù)據(jù)，對“太空籬笆”的啟用時間、探測能力、工作體制以及探測編目貢獻度進行了綜合研判分析。

3.1 啟用時間分析

依據(jù)公開報道，夸賈林“太空籬笆”從2019年12月開始試運行，但通過數(shù)據(jù)分析，“太空籬笆”實際從2019年11月初起便開始參與太空目標定軌編目。從2019年11月1—20日，“太空籬笆”每天低軌編目條數(shù)平均為800～900條，從21日開始，低軌編目條數(shù)上升到日平均約1900條。至2020年1月底，低軌編目條數(shù)穩(wěn)定在日平均3000～3300條，太空目標編目能力穩(wěn)步上升。

綜上所述，“太空籬笆”參與編目定軌任務(wù)時間為2019年11月初，而非報道稱2019年12月才開始試運行，參與編目時間及編目數(shù)量如圖5所示。

圖5 “太空籬笆”開始編目時間與編目數(shù)量統(tǒng)計

3.2 探測能力分析

“太空籬笆”對低軌編目目標的空間分布情況如圖6～7所示。

圖6 “太空籬笆”低軌編目目標緯度-高度分布

從緯度分布上看，最明顯的特點是形成了2個典型分布區(qū)域，其中心分別在北緯6°和北緯11°附近；從高度上看，則是不同高度編目數(shù)量不同，這與太空目標的軌道高度分布相關(guān)。

從經(jīng)度分布上看，在低軌1000 km高度，低軌編目目標主要分布在東經(jīng)153°～西經(jīng)183°，通過換算，波束經(jīng)度方向上的張角約為120°。根據(jù)圖6緯度方向上目標的分布，大致估算出緯度方向上的張角約為10°，形成了東西長、南北窄的搜索探測能力。

3.3 工作體制分析

圖7 “太空籬笆”編目目標經(jīng)度-高度分布

對于“太空籬笆”這種普測性雷達來說，其在搜索屏設(shè)置上不同于“電子籬笆”的單屏體制，研判其采用的搜索體制為同時雙屏體制。這種搜索體制要求發(fā)射天線發(fā)出2個有一定夾角的指向天頂方向兩側(cè)V型扇面。當(dāng)目標先后穿越2個屏后，可分別被捕獲，并根據(jù)獲得目標位置和時間實現(xiàn)初軌確定?？滟Z林“太空籬笆”編目目標在經(jīng)度-緯度上的分布如圖8所示。

圖8 “太空籬笆”編目目標經(jīng)度-緯度分布

從圖8中可以看出，編目目標形成2個分布區(qū)域，這主要就是與雷達搜索屏的設(shè)置相關(guān)。同樣根據(jù)編目目標分布，大致估計出2個搜索屏的張角在5°左右。

3.4 編目貢獻度分析

從2019年11月1日到2020年1月31日，“太空籬笆”編目條數(shù)從每天平均800余條增加到3000余條，編目能力不斷提升，對低軌目標的編目貢獻度從5%上升到最高17.5%，如圖9所示。

初步分析，這只是“太空籬笆”試運行階段的低軌編目貢獻度情況，隨著正式運行，其對太空微小目標探測能力的不斷增強，探測編目數(shù)量將快速提升，其編目貢獻度將不斷提高。

4 結(jié)束語

圖9 夸賈林“太空籬笆”低軌編目貢獻度占比

美國通過全球布站，聯(lián)合國家情報部門，聯(lián)合商業(yè)力量和盟國，并廣泛開展國際合作，實現(xiàn)了感知信息跨軍種、跨機構(gòu)、跨國界無縫隙流動匯聚，保持了太空目標監(jiān)視力量的彈性運行和敏捷可靠，并在探測目標數(shù)量、時效性、精度等方面保持領(lǐng)先。隨著“太空籬笆”的啟用，美國在太空態(tài)勢感知領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢將進一步拉大，主要體現(xiàn)在：

1）太空目標編目能力差距拉大?！疤栈h笆”系統(tǒng)部署完成后，能夠探測尺寸大于5 cm的太空目標，其目標編目數(shù)量將達到15～20萬，比現(xiàn)有編目目標數(shù)量提高了一個數(shù)量級，使美軍碰撞預(yù)警、及時發(fā)現(xiàn)空間異常、掌握太空主動權(quán)的能力得到保障。

2）太空態(tài)勢感知時效性進一步增強。盡管美軍已經(jīng)實現(xiàn)了全球部署和天地聯(lián)合觀測，但從地理分布來看，現(xiàn)有探測雷達系統(tǒng)大多位于北半球和西半球，影響了太空態(tài)勢感知的整體效能?！疤栈h笆”系統(tǒng)的部署將極大增強美國對東半球和南半球的監(jiān)視能力，提高太空態(tài)勢感知的時效性。

3）隨著第2套“太空籬笆”系統(tǒng)的部署，“太空籬笆”與太空監(jiān)視網(wǎng)的其它數(shù)據(jù)整合，可進一步增強對太空態(tài)勢的異動感知能力。