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GMD缘何采用S波段远程识别雷达  

2015-09-30 23:38:00|  分类: 空天防御 |  标签: |举报 |字号 订阅

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GMD缘何采用S波段远程识别雷达 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 
作者:闫锦

美国地基中段(GMD)导弹防御系统的新型远程识别雷达(LRDR)拟采用S波段而非X波段,此举令很多人费解,难道是为了保证LRDR的成本不高于10亿美元而牺牲X波段的距离分辨率?让我们一探究竟。

美国GMD系统中的导弹防御雷达

美国目前的地基中段导弹防御系统名义上为所有的51个州提供有限的洲际弹道导弹防御,但众所周知,该系统的识别能力极为有限。GMD系统的主要传感器包括5部雷达,分别位于格陵兰的图勒空军基地、阿拉斯加的克里尔空军基地和英国的菲林代尔斯皇家空军基地,建造之初主要用于弹道导弹早期预警。这批雷达建于20世纪60~80年代,后续相继进行了一些升级维护并作为GMD系统的一部分对来袭导弹进行探测和跟踪。

  • 升级预警雷达(UEWR)

UEWR是由AN/FPS-115“铺路爪”雷达改进而成,分别部署在英国的菲林代尔斯、格陵兰岛的图勒、美国加利福尼亚州的比尔空军基地,用于探测从北极上空飞过的洲际弹道导弹,以及从太平洋和大西洋发射的潜射弹道导弹。这些雷达除担负战略预警和攻击评估任务外,也用于跟踪在中段飞行的导弹目标,支持地基中段防御任务。上述3个雷达站在2014年前全部完成升级,并移交给空军。
另外,从2012年起,导弹防御局和空军开始升级克利尔空军站和科德角空军站的另外两部雷达,计划于2016年和2017年投入使用。
UEWR的工作频率(440兆赫兹,对应波长约为0.68米)相对较低,这限制了雷达的带宽,其最小距离分辨率不小于5米,只能实现对目标的粗分类,如区分潜在威胁目标(弹头、诱饵、助推级等)或非威胁目标(小碎片)。

  • 丹麦“眼镜蛇”雷达

丹麦“眼镜蛇”雷达初始目的是搜集苏联弹道导弹飞行试验信息,可以同时跟踪多达100个目标且提供多达20个目标的精密数据,数据在基地经过处理后送往美国空军国外技术分部,用于弹道导弹防御系统的目标跟踪和为拦截弹制导。丹麦“眼镜蛇”雷达是一种大型固定式相控阵雷达,工作频率为1.1~1.3吉赫兹,是L波段雷达(单面,120°视角,短波雷达)。
在阿拉斯加州谢米亚岛上部署的丹麦“眼镜蛇”雷达,除了承担预警探测任务外,还可承担一定的火控功能。但是升级后的丹麦“眼镜蛇”雷达,在跟踪和识别能力上仍然无法与X波段雷达相比,而且它的安装方向使它无法跟踪中国和朝鲜向夏威夷地区发射的导弹。

  • 前置X波段AN/TPY-2雷达

作为弹道导弹防御系统的一个有机组成部分,AN/TPY-2雷达能够接受来自“宙斯盾”系统或早期预警卫星的提示信息,自身也能够搜寻信息。它能够为“宙斯盾”系统和地基拦截弹以及低层系统(如“爱国者”)提供目标跟踪指引。
AN/TPY-2雷达有两种主要工作方式。作为前沿基地设备,它本身是作为导弹防御网的一部分,因其尖端的X波段技术而大大提升了保护水平,能够探测和跟踪处于上升段的弹道导弹,从而增强早期发射的预警能力。当该雷达作为末段使用时,AN/TPY-2雷达是整个末段高空区域防御(THAAD)系统的一部分,可以为THAAD本身的火力控制系统和拦截飞行器提供高质量的射击解决方案。
前置X波段AN/TPY-2雷达(位于日本和土耳其)以及海军舰载S波段“宙斯盾”雷达共同为预警雷达提供信息支持,但其探测距离仍然有限,仅能观测到朝鲜或伊朗导弹的弹道初段。
部署于日本的第二部AN/TPY-2雷达

  • 海基X波段雷达(SBX)

GMD系统中惟一一部具有高分辨率测量能力的大型雷达是SBX雷达,其天线直径为17.8米,可跟踪数千千米外的导弹目标,理论距离分辨率为0.15米,实际距离分辨率可达0.2~0.25米。
然而,SBX主要是用于测试目的,因此,诸多限制严重削弱了其在GMD系统中作为工作雷达的有效性。更重要的是,其电子视场角(FOV)非常有限,FOV是雷达无需转动天线其波束即可瞬时指向的角度范围。典型的相控阵雷达,如美国的早期预警雷达,其单个阵面的FOV约为120°,而SBX的FOV仅为25°。如此窄的FOV严重限制了SBX的多目标处理能力。

LRDR的波段选择分析

  • 成本因素

LRDR将于2020年部署于阿拉斯加,造价约为10亿美元。其主要任务是精确跟踪、识别及杀伤评估,且有可能采用有限视场的相控阵天线而非全视场天线,除具备电子扫描能力外,其天线还可实现方位和俯仰向的机械转动。
LRDR有3种竞标方案,值得注意的是,这3种方案的雷达工作频率均采用S波段(2~4吉赫兹)。第一种方案采用单天线阵面;第二种方案采用双天线阵面;第三种方案也采用两个阵面,但只有一个阵面安装雷达功率收发模块,另一个阵面是非活动阵面,后续如果需要升级改造也可安装收发模块。
典型的相控阵雷达由于受到扫描角损失的限制,其最大电扫描角约为±60°,称其为全视场雷达。雷达天线模块间隔小于0.6倍波长。对相控阵天线而言,模块间隔增大后,会引起栅格旁瓣的问题,扫描角将大大缩小,称其为有限视场雷达。
按正方形阵列排列的雷达,若不产生栅格旁瓣,其模块间隔需小于0.536倍波长。SBX雷达具有45264个模块,按照正方形排列,天线面积为249平方米。模块间隔为2.35倍波长,最大电子扫描角约为±12.3°,因此SBX为有限视场雷达。
对于相同尺寸的天线,SBX雷达若想实现全视场角,需要19.2倍的模块数,即869000个模块。抛开造价不说,如此大规模的数量如果不投入一条新的昂贵的模块生产线,SBX的部署时间恐怕会一拖再拖。另一方面,若保持SBX雷达的模块数仍为45264个模块,而模块间隔缩小为0.536倍波长,实现全视场扫描,则天线直径仅为4.1米。由于雷达的探测距离与雷达功率、孔径面积及天线增益乘积(PAG乘积)的4次方根成正比,因此跟踪距离将降低4.4倍。
对安装有收发模块的相控阵天线,模块造价通常是雷达成本的最主要因素。因此SBX雷达在设计过程中,为获取更大的天线孔径,基于给定的模块数量,必须牺牲掉一部分的电扫描范围。在有限视场下,雷达天线孔径尺寸越大,其天线波束越窄(跟踪精度越高),跟踪距离越远(或给定距离下信噪比越高)。虽然降低电扫描范围对试验雷达并没有太大影响,但对于导弹防御雷达来说则严重影响了其可靠性。
由于距离分辨率与带宽近似成反比,而带宽与频率近似成正比,因此X波段雷达(9~10吉赫兹)的距离分辨率要比S波段雷达(2~4吉赫兹)高3倍左右。若X波段雷达的距离分辨率可达到0.15~0.25米,则S波段的距离分辨率为0.5~1米(依赖于S波段的频率选择)。目前比较新的美国导弹防御雷达(如AN/TPY-2和SBX)均工作在X波段。
然而,如果LRDR的成本严格受控,则工作于X波段的全视场大型雷达无法满足要求。X波段全市场雷达要想达到与SBX同样的探测距离,则需要在直径10.5米的天线上安装约237000个收发模块(假定X波段模块安装在与AN/TPY-2雷达同样的三角形天线上,且平均功率比SBX雷达高60%)。类似的雷达造价能否控制在10亿美元之内,目前还是个未知数。作为比较,当前生产的AN/TPY-2型X波段雷达,其模块数为25344个,造价为18亿美元,其中仅天线设备单元成本就占14亿美元。此外,若要在2020年前部署这样一部雷达而完全不干扰AN/TPY-2雷达的生产进程,则必须投入一条新的模块生产线。因此,除非LRDR的探测距离远小于SBX,否则若想在X波段以10亿美元的成本建造一部全视场雷达是不太可能的。
美国国家科学研究院(NAS)曾提出过一部“堆栈式TPY-2”雷达,命名为GBX,其天线由两个TPY-2天线上下堆叠而成,具有50688个X波段天线模块。尽管NAS专家小组声称它是一部全视场雷达,完全满足识别任务,但其PAG乘积仅为SBX的1%,NAS估计GBX雷达的研发费用为8~10亿美元,另需16亿美元用于购买5部GBX雷达,因此单部GBX的费用略高于10亿美元。如果NAS的费用估计准确的话,说明该配置下的堆栈式TPY-2雷达,将是10亿美元可购买的探测距离最大的X波段全视场雷达。
因此,如果费用是限制雷达性能的一个关键因素,那么若希望得到比堆栈式TPY-2雷达更大的PAG乘积,就必须降低雷达工作频率或采用有限天线,或二者兼具。假定S波段的工作频率是X波段的1/3并采用全视场天线,在模块数相同的情况下,S波段雷达天线孔径是X波段雷达的9倍,却具有相同的天线增益和波束宽度。其他条件一样的情况下,S波段雷达的跟踪距离将是X波段雷达的1.73倍。S波段雷达的实际优点会更多,因为在同样的时间内,S波段模块的平均功率比X波段模块要高,且随着频率的增加,弹头形状目标的雷达散射截面会减小。这些优点似乎可以抵消掉由于S波段天线尺寸造成的附加成本。

  • 技术因素

选择S波段雷达的另一个原因是美国导弹防御局希望能够兼顾目前的科研基础。对于2020年的部署时间节点,LRDR很可能会与计划用于美国海军新的“宙斯盾”防空反导雷达(AMDR)的导弹防御天线使用相同的S波段模块。首部装备于“宙斯盾”驱逐舰的AMDR计划于2016财年完成,2023年部署。AMDR中的S波段部分将采用新的具有更大功率及更小热消散的氮化镓模块来代替目前的砷化镓模块。LRDR和AMDR雷达的研制进度与新型S波段模块是一致的。
若要求LRDR的PAG乘积与SBX相同,假定S波段模块的平均功率是目前X波段模块的2倍且天线为全视场设计,模块采用等边三角形阵列安装,其他情况与X波段及AN/TPY-2天线相同,则需要90500个模块安装在直径19.4米的天线上(相比于SBX的45264个模块安装在直径为17.8米的天线上)。
鉴于LRDR有可能采用有限视场设计,假定其FOV比SBX的要宽很多,其模块数仍可进一步压缩。若FOV的范围是±30°(模块安装在正方形阵面上),且与SBX雷达具有相同的PAG乘积,则所需模块数为46300个,天线直径为23米。
所有上述设计方案都有可能超过10亿美元。

结 语

尽管上述讨论都具有一定的推测性,但足以表明获取最佳的距离分辨率并非是LRDR设计中最先考虑的。或许美国导弹防御局认为S波段的距离分辨率足够用于对现知目标的识别。
或许LRDR选择S波段替代X波段另有原因,然而,如果雷达成本制约了雷达频率的选择,美国导弹防御局可能不得不接受一个次优识别雷达。

 《军事文摘》2015年第9期
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