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日志

 
 

电子侦察卫星初探  

2016-04-18 13:52:08|  分类: 军事科普 |  标签: |举报 |字号 订阅

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孙洋 邱乐德
(中国空间技术研究院)

摘要:分析了电子侦察卫星的分类方法、主要任务、有效载荷及性能指标,介绍了美国电子侦察卫星的发展概况及计划,探讨了电子侦察卫星的关键技术,最后展望了电子侦察卫星的发展趋势。

1. 引言

在现代战争中,谁能夺取电磁控制权,谁就能掌握战争的主动权。电子侦察情报是夺取电磁控制权的重要基础,是制定电子战计划、组织行动和科研发展的基本依据,与其它情报结合,可形成更为全面、准确、重要的高价值的军事情报。卫星电子侦察是我军战略、战术情报侦察网的重要组成部分。
电子侦察卫星是保密级别最高的卫星,也是获取电子情报的重要手段,尤其在快速作战决策方面,更是有其独特的作用。由于电子侦察卫星可以不受地域或天气条件的限制,大范围、连续性地长期监视和跟踪敌方雷达、通信等系统的传输信号,从而及时获得其军用电子系统的性质、位置和活动情况以及新武器试验和装备信息,了解敌方军队的调动、部署及战略意图,所以,它已成为当代情报侦察中必不可少的手段。

2. 电子侦察卫星分类和主要任务

2.1 电子侦察卫星分类
电子侦察卫星可分为普查型和详查型两种。普查型的扫描范围普查型的扫描范围可达2000km左右。该种卫星能监视大面积地区,测定辐射源的位置和粗略地测定电磁信号的工作频段等参数。详查型卫星能全面测量电磁信号的各种参数,测定辐射源的位置。
电子侦察卫星依据轨道高度可分为低轨电子侦察卫星和高轨电子侦察卫星,其中低轨卫星比照相侦察卫星轨道要高,通常离地面500km左右。静止轨道电子侦察卫星所接收的地面信号是低轨卫星的1/5100左右,所以必须采用高灵敏度的大型接收天线,故又称其为“大天线伞”。电子侦察卫星的轨道为图形或近圆形,为了增大对地球的监视区域、减少阻力、延长寿命并兼顾定位精度的需要,其轨道平面的倾角都较大,轨道高度大多在300-600km,有的高达1400km,也有的部署在地球同步轨道上。卫星轨道高度的选择主要取决于其所担负的特定任务和星上设备的能力。
电子侦察卫星依其功能侧重的区别,可分为破译信息内容的通信情报侦察卫星与了解通信、雷达信号电子参数的电子情报侦察卫星。电子侦察卫星按照定位方法可分为单星定位制电子侦察卫星和多星定位制电子侦察卫星。

2.2 主要任务
电子侦察卫星是用于侦收雷达、通信和武器遥测系统所辐射的电磁信号,并测定辐射源地理位置的侦察卫星。其主要任务有:
(1)收集电子信号情报(ELINT),包括导弹遥测信号和雷达信号的侦察。前者用来监视新型武器的研制,了解技术战术性能参数等;后者用来精确测定敌方雷达位置以及性能参数,如工作频率、信号强度、脉冲宽度、脉冲重复频率、波瓣宽度、扫描方式、极化方式等。为己方发展反制武器和制定作战计划提供情报支持。
(2)收集通信信号情报(COMINT),主要用于收集通信信号,测绘外军的“电子战斗序列”(EOB),即战时外军电子技术设备的作战编组(性能和配置地点等)以及指挥关系,也用来侦听通信内容,传回地面后进行破译,由于破译计算量和处理难度较大,一般在地面进行。
总的来说,电子侦察卫星的任务是对信号源定位和截获信号。

3. 有效载荷及性能指标

3.1 有效载荷
电子侦察卫星有效载荷从结构上分主要包括天线(用于侦收电子信号的大型天线,用于转发信号的小型天线),电子侦收设备,信号处理设备和传输转发设备。具体从功能上来说:大型接收天线和电子侦收设备是电子侦察卫星的接收部分,负责截获各种类型的信号;信号处理设备包括数据处理设备和定位设备,是电子侦察卫星上的信号处理部分,主要用来对截获到的信号进行分析、处理,得出相关的信息;传输转发设备以及转发信号的小型天线是电子侦察卫星的信号转发部分,负责将星上的处理结果传回地面或传给其它相应的接收装置,以便对分析所得到的信息进一步的利用。

3.2 性能指标
(1)电子侦察的针对性。一般来讲,电子侦察卫星执行的侦察任务都具有一定的针对性,对有些国家和地区需要进行重点侦察。卫星的飞行轨道将影响其侦察的针对性。在重点侦察地区,一般卫星在其上空位置相对较高,飞行时间较长,能够获得更多的信息。而在非重点地区飞行高度相对较低,越过其上空的时间较短;
(2)大天线、高精度、高侦收率的电子侦察能力。电子侦察卫星的核心部件就是其接收天线,它的性能直接决定了卫星侦察截获信号的能力。卫星上的信号处理能力也是十分重要的指标。电子侦察卫星一方面要求能够同时接收和处理成千上万个信号,另一方面要求能够识别出小信号,这对卫星上的接收处理单元提出了很高的要求.当信号流的密度很高时,如果仍要求保持较高的侦收概率,则需要采用服务时间较短的高速侦察处理系统;
(3)多信号形式的适应能力。空间电子侦察任务的困难之处,除了信号流的密度很高以外,还在于信号形式的复杂多变性。电子侦察卫星上的接收机要能够识别和分析不同形式的信号;
(4)全天候、全天时长期连续的侦察能力。电子侦察卫星的侦察不能因为天气的好坏而受到很大影响。此外,侦察的连续性也是一个很重要的性能指标。为了保持侦察的连续性,避免或减少“侦察空白”,电子侦察卫星常常采用星座或者编队飞行的方式实行侦察;
(5)侦察信息的实时性。侦察信息能否实时地传到地面直接影响到信息的利用价值。要想做到实时转发,可采用星际链路和中继星来达到目的;
(6)抗干扰能力。电子侦察卫星的抗干扰能力的强弱也直接影响了其侦察能力的大小。一个很容易被干扰的侦察卫星在遇到干扰时,就不能有效地执行侦察任务;
(7)定位精度。决定目标定位精度的误差有下列3种类型,一是决定卫星空间位置的误差,二是决定敏感轴(天线电轴)方向的误差,三是其它误差。电子侦察卫星减小这3个方面的误差,提高定位精度也是性能的一个重要的方面。

4. 美国电子卫星的发展概况

美国是世界上最早研制、发射并使用电子侦察卫星的国家,在卫星的数量、类型、技术性能以及应用等诸方面均代表着当今世界的最高水平。美国的电子侦察卫星从60年代至今已经发展到了第5代,其主要卫星计划及名称列于表1。

表1 美国电子侦察卫星发展计划概览
 卫星类型 第一代
(60年代)
 第二代
(70年代)
 第三代
(80年代)
 第四代
(90年代)
 第五代
(2000年后) 
 准同步轨道  幽灵鸟、峡谷 牧人小屋、漩涡 高级漩涡、水星 入侵者
 同步轨道  流纹岩、水技表演 大酒瓶、猎户座 门特(顾问) 入侵者
 大椭圆轨道   弹射座椅(雪貂C) 号角 徘徊者
 低轨道 圣徒(又称侦探、雪貂) 雪貂B 雪貂D 空军天基广域监视系统 联合天基广域监视系统
 低轨道 掠取 海军海洋监视系统(白云)  海军海洋监视系统(白云) 海军天基广域监视系统 联合天基广域监视系统
注:峡谷、流纹岩、牧人小屋、大酒瓶、猎户座和弹射座椅采用的是伞形侦察天线,后来的水星、门特、号角和入者均采用网格状的相控阵侦察天线。
   
为了更有效地监听地面的雷达和通信信号,侦察卫星必须升高工作轨道才能保证更长时间的连续监听。比如升高到较高的大椭圆轨道以保证每天12小时的连续监听,若在同步轨道则可以进行每天24小时不间断的监听。为此,美国积极发展静止轨道电子侦察卫星以获得更好的侦察效果。表2是美国静止轨道电子侦察卫星基本情况。

表2 美国静止轨道电子侦察卫星基本情况
 名称 峡谷 流纹岩、
 水技表演
 小屋、漩涡 大酒瓶、门特(猎户座) 高级漩涡
 (水星)
 发射时间 1968-1977 1970-1978 1978-1989 1985- 1994-
 数量 7 4 6 4 3
 卫星质量 300kg 75kg 2000kg 3000kg 5000kg
 寿命 5-7年 5-7年 5-7年 5-7年 5-7年
 用途 信号情报:通信信号、测控信号、雷达信号 电子情报、导弹遥测信号、VHF/UHF和微波通信信号、导弹制导信号 通信、测控信号:通信信号、遥测信号、雷达信号  电子情报:导弹遥测信号、雷达信号、微波通信、无线电话 通信、测控信号:通信信号、遥测信号、雷达信号 
 天线口径 10m多馈源抛物面 10-20m多馈源抛物面 50m多馈源抛物面 80m多馈源抛物面 160m电扫相控阵

美国国家侦察局正在一项称为“先进电子情报体系结构”的研究中继续研究改进电子侦察卫星的方法。在改造这种新型电子侦察卫星的过程中,重点是要不断发展超大型天线技术。因为这种卫星天线很大,所以其收拢、展开和变形等处理技术很复杂。新系统将会在更大程度上满足前线作战的需要。电子侦察卫星正向多功能、长寿命、实时性强和适应范围广等方向发展。进一步增强星上电子侦察设备的信号处理能力与处理速度,提高电子侦察卫星的抗干扰能力、变轨能力及抗摧毁能力,是美军电子侦察卫星的发展趋势。

5. 电子侦察卫星的关键技术

电子侦察卫星的关键技术主要有超大型天线技术、综合化集成化技术、定位技术以及星上信号处理技术等。

5.1 超大型天线技术
电子侦察卫星又称大天线卫星,大椭圆轨道卫星一般采用伞状天线,技术难度在于肋条的展开精度。静止轨道卫星采用网格天线,在网格节点上装微型电机,保证天线的机械均匀性和微波特性。高性能侦察卫星天线要求直径高达100m左右,携带这样大型天线的卫星的发射难度较大,当天线折叠起来仍不能收藏于运载工具之内时,则需将天线分成若干部分,分批送入轨道后再在卫星上利用空间机器人装配成完整的天线,这类天线称为空间组装型天线。大型天线的收拢、展开、变形处理等技术难度很大,可以探讨利用小卫星群组成分布式天线来解决以上问题。

5.2 综合化、集成化思路
过去的侦察卫星大多采用单星模式,这对于侦收移动部队的微弱通信信号以及为移动式导弹配置的雷达信号有一定困难,为此提出“集成化过顶信号侦查结构设施”,目标是消除电子侦察盲区。目前,比较热门的综合化、集成化技术是卫星编队飞行技术,它能够加强电子侦察卫星的综合化、集成化程度。

5.3 定位方法
电子侦察卫星的定位方法有两种:一种是单星定位法,另一种是多星定位法。单星定位有两种方法:一种称为测角定位法,通过测定卫星一辐射源联线与卫星一地心连线的夹角来定位;另一种称为测向交叉定位法,利用卫星在两个不同位置上测定辐射源的方向,然后交叉定位。
交叉定位的过程是由于卫星飞经每个侦察覆盖区的时间是准确已知的,利用侦察卫星接收到目标信号的到达时间、卫星的姿态数据和接收到目标信号的辐射方向,推算出侦察对象雷达等电子设备的方位。单星定位要求卫星姿控达到0.1~0.2度的精度。美国电子侦察卫星基本上都是采用的单星测向交叉定位法。
多星定位也称时差(距离差)定位。一般使用3~4颗卫星定位,先测定电磁信号到达两颗卫星的时差,也就是测定辐射源至两颗卫星的距离差,这样就可以建立一个以两颗卫星所在位置为焦点的双曲面。同样可以建立另一个以两颗卫星所在位置为焦点的双曲面。然后根据这两个双曲面与地球表面的交线来确定目标位置。多星定位比较适合于大面积地区的监视。单星定位和多星定位已经达到几公里的定位精度。定位方法不同,对卫星设计提出的技术要求也不相同。

5.4 星上信号处理技术
电子侦察卫星的发展趋势是越来越重视星上处理能力。为了实现卫星传输的信息能够被直接利用,降低下传数据量,减轻传输系统的压力,争取宝贵的战场决策时间的目标,这就对星上信号的分析和处理能力提出了很高的要求。由于卫星上有效载荷的高可靠性要求以及对大量侦收到的信号的海量数据处理的工作量和复杂度,有效的星上信号处理技术仍是目前电子侦察卫星的一个难点。星上信号处理主要有两个方面:一方面是对截获的信号分析其通信体制和信号特征,并对信号源进行定位,以便指导下一步的监听、干扰和精确打击;另一方面对截获的信号进行内容破译和筛选,以便获得有用的通信情报。

6. 电子侦察卫星的发展趋势

(1)电子侦察卫星部署从低高度向中高度以及静止轨道发展,由单星工作向多星组网发展。卫星部署得越高,地面搜盖面就越广。电子侦察卫星特别是具有对遥测信号和通信信号监听任务的卫星,向静止轨道发展,这样只要使用3颗卫星即可覆盖全球,如能与中继卫星配合,可以大大提高监视电子目标的实时性;
(2)信息处理从地面向星上发展。若想取得战争的主动权,必须对来自空间的信息准确及时地吸收和利用,尽量减少观察、判断、决策和行动回路的时间,对卫星的自主性和星上处理提出了要求。随着大规模集成和微处理技术的发展和应用,星上终端设备将担负起愈来愈多的信息处理任务,卫星只需把处理结果发送回地面。星上处理能力的加强,尤其是智能处理技术的应用,将为今后战场直接使用卫星传输的信息打下基础;
(3)卫星任务从单一型向综合型方向发展,生存能力从无抗毁能力向自卫防御发展。随着科学技术的发展,多源信息数据融合智能技术的开发应用,发展综合型侦查卫星更有利于提高情报的质量,减少空间费用的投入。在现代电子战中,只提高卫星的工作能力是远不够的,还须有一套自我防卫措施;
(4)航天力量由支持战略任务向战术任务应用转变。海湾战争后,苏联解体,冷战结束。美国的军事战略由原来的“核威慑”转变为“打赢局部战争”,军用卫星由支持战略任务向战术任务应用转变,把卫星信息的运用范围从高层指挥机关、司令部,普及到一般的战场指挥员、武器装备和单个士兵;
(5)电子侦察卫星发展呈现出多极化趋势。多年来,卫星军事侦察领域一直被美俄两个空间大国所垄断。冷战结束后,许多国家的军事航天战略都有所调整,多极化政治格局的形成己使许多国家认识到控制空间的重要性。电子侦察优势使美国在海湾战争中掌握主动并占据优势,这激励了不少国家(如法国、英国、日本)努力发展和建立自己独立的空间电子侦察能力,希望拥有电子侦察能力以实现综合侦察能力的提高。

7 结束语

由于电子侦察卫星在情报侦察方面的巨大作用,欧美各大国都在积极发展以电子侦察卫星为主的空间情报体系结构,以此加强对太空这一未来潜在的战场加以控制和利用。为了在未来空间信息战中拥有一席之地,我们也应积极研究电子侦察卫星相关技术,努力发展自己的电子卫星侦察系统。

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