美導(dǎo)彈防御系統(tǒng)緣何采用S波段遠(yuǎn)程識(shí)別雷達(dá)？

2016-11-06  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

美國(guó)地基中段(GMD)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的新型遠(yuǎn)程識(shí)別雷達(dá)(LRDR)擬采用S波段而非X波段,此舉令很多人費(fèi)解,難道是為了保證LRDR的成本不高于10億美元而犧牲X波段的距離分辨率?讓我們一探究竟。

美國(guó)GMD系統(tǒng)中的導(dǎo)彈防御雷達(dá)

升級(jí)預(yù)警雷達(dá)(UEWR)

美國(guó)目前的地基中段導(dǎo)彈防御系統(tǒng)名義上為所有的51個(gè)州提供有限的洲際彈道導(dǎo)彈防御,但眾所周知,該系統(tǒng)的識(shí)別能力極為有限。GMD系統(tǒng)的主要傳感器包括5部雷達(dá),分別位于格陵蘭的圖勒空軍基地、阿拉斯加的克里爾空軍基地和英國(guó)的菲林代爾斯皇家空軍基地,建造之初主要用于彈道導(dǎo)彈早期預(yù)警。這批雷達(dá)建于20世紀(jì)60~80年代,后續(xù)相繼進(jìn)行了一些升級(jí)維護(hù)并作為GMD系統(tǒng)的一部分對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈進(jìn)行探測(cè)和跟蹤。

GMD系統(tǒng)的主要傳感器包括5部雷達(dá)

UEWR是由AN/FPS-115“鋪路爪”雷達(dá)改進(jìn)而成,分別部署在英國(guó)的菲林代爾斯、格陵蘭島的圖勒、美國(guó)加利福尼亞州的比爾空軍基地,用于探測(cè)從北極上空飛過(guò)的洲際彈道導(dǎo)彈,以及從太平洋和大西洋發(fā)射的潛射彈道導(dǎo)彈。這些雷達(dá)除擔(dān)負(fù)戰(zhàn)略預(yù)警和攻擊評(píng)估任務(wù)外,也用于跟蹤在中段飛行的導(dǎo)彈目標(biāo),支持地基中段防御任務(wù)。上述3個(gè)雷達(dá)站在2014年前全部完成升級(jí),并移交給空軍。

另外,從2012年起,導(dǎo)彈防御局和空軍開始升級(jí)克利爾空軍站和科德角空軍站的另外兩部雷達(dá),計(jì)劃于2016年和2017年投入使用。

UEWR的工作頻率(440兆赫茲,對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約為0.68米)相對(duì)較低,這限制了雷達(dá)的帶寬,其最小距離分辨率不小于5米,只能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的粗分類,如區(qū)分潛在威脅目標(biāo)(彈頭、誘餌、助推級(jí)等)或非威脅目標(biāo)(小碎片)。

美國(guó)導(dǎo)彈防御局(MDA)2015年發(fā)布的升級(jí)預(yù)警雷達(dá)(UEWR)產(chǎn)品手冊(cè)

丹麥“眼鏡蛇”雷達(dá)

丹麥“眼鏡蛇”雷達(dá)初始目的是搜集蘇聯(lián)彈道導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)信息,可以同時(shí)跟蹤多達(dá)100個(gè)目標(biāo)且提供多達(dá)20個(gè)目標(biāo)的精密數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)在基地經(jīng)過(guò)處理后送往美國(guó)空軍國(guó)外技術(shù)分部,用于彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤和為攔截彈制導(dǎo)。丹麥“眼鏡蛇”雷達(dá)是一種大型固定式相控陣?yán)走_(dá),工作頻率為1.1~1.3吉赫茲,是L波段雷達(dá)(單面,120°視角,短波雷達(dá))。

在阿拉斯加州謝米亞島上部署的丹麥“眼鏡蛇”雷達(dá),除了承擔(dān)預(yù)警探測(cè)任務(wù)外,還可承擔(dān)一定的火控功能。但是升級(jí)后的丹麥“眼鏡蛇”雷達(dá),在跟蹤和識(shí)別能力上仍然無(wú)法與X波段雷達(dá)相比,而且它的安裝方向使它無(wú)法跟蹤中國(guó)和朝鮮向夏威夷地區(qū)發(fā)射的導(dǎo)彈。

美國(guó)導(dǎo)彈防御局(MDA)2015年發(fā)布的升級(jí)丹麥“眼鏡蛇”雷達(dá)產(chǎn)品手冊(cè)

前置X波段AN/TPY-2雷達(dá)

作為彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的一個(gè)有機(jī)組成部分,AN/TPY-2雷達(dá)能夠接受來(lái)自“宙斯盾”系統(tǒng)或早期預(yù)警衛(wèi)星的提示信息,自身也能夠搜尋信息。它能夠?yàn)椤爸嫠苟堋毕到y(tǒng)和地基攔截彈以及低層系統(tǒng)(如“愛(ài)國(guó)者”)提供目標(biāo)跟蹤指引。

AN/TPY-2雷達(dá)有兩種主要工作方式。作為前沿基地設(shè)備,它本身是作為導(dǎo)彈防御網(wǎng)的一部分,因其尖端的X波段技術(shù)而大大提升了保護(hù)水平,能夠探測(cè)和跟蹤處于上升段的彈道導(dǎo)彈,從而增強(qiáng)早期發(fā)射的預(yù)警能力。當(dāng)該雷達(dá)作為末段使用時(shí),AN/TPY-2雷達(dá)是整個(gè)末段高空區(qū)域防御(THAAD)系統(tǒng)的一部分,可以為THAAD本身的火力控制系統(tǒng)和攔截飛行器提供高質(zhì)量的射擊解決方案。

前置X波段AN/TPY-2雷達(dá)(位于日本和土耳其)以及海軍艦載S波段“宙斯盾”雷達(dá)共同為預(yù)警雷達(dá)提供信息支持,但其探測(cè)距離仍然有限,僅能觀測(cè)到朝鮮或伊朗導(dǎo)彈的彈道初段。

海基X波段雷達(dá)(SBX)

GMD系統(tǒng)中惟一一部具有高分辨率測(cè)量能力的大型雷達(dá)是SBX雷達(dá),其天線直徑為17.8米,可跟蹤數(shù)千千米外的導(dǎo)彈目標(biāo),理論距離分辨率為0.15米,實(shí)際距離分辨率可達(dá)0.2~0.25米。

然而,SBX主要是用于測(cè)試目的,因此,諸多限制嚴(yán)重削弱了其在GMD系統(tǒng)中作為工作雷達(dá)的有效性。更重要的是,其電子視場(chǎng)角(FOV)非常有限,FOV是雷達(dá)無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)天線其波束即可瞬時(shí)指向的角度范圍。典型的相控陣?yán)走_(dá),如美國(guó)的早期預(yù)警雷達(dá),其單個(gè)陣面的FOV約為120°,而SBX的FOV僅為25°。如此窄的FOV嚴(yán)重限制了SBX的多目標(biāo)處理能力。

LRDR的波段選擇分析
成本因素  

LRDR將于2020年部署于阿拉斯加,造價(jià)約為10億美元。其主要任務(wù)是精確跟蹤、識(shí)別及殺傷評(píng)估,且有可能采用有限視場(chǎng)的相控陣天線而非全視場(chǎng)天線,除具備電子掃描能力外,其天線還可實(shí)現(xiàn)方位和俯仰向的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)。

LRDR有3種競(jìng)標(biāo)方案,值得注意的是,這3種方案的雷達(dá)工作頻率均采用S波段(2~4吉赫茲)。第一種方案采用單天線陣面;第二種方案采用雙天線陣面;第三種方案也采用兩個(gè)陣面,但只有一個(gè)陣面安裝雷達(dá)功率收發(fā)模塊,另一個(gè)陣面是非活動(dòng)陣面,后續(xù)如果需要升級(jí)改造也可安裝收發(fā)模塊。

典型的相控陣?yán)走_(dá)由于受到掃描角損失的限制,其最大電掃描角約為±60°,稱其為全視場(chǎng)雷達(dá)。雷達(dá)天線模塊間隔小于0.6倍波長(zhǎng)。對(duì)相控陣天線而言,模塊間隔增大后,會(huì)引起柵格旁瓣的問(wèn)題,掃描角將大大縮小,稱其為有限視場(chǎng)雷達(dá)。

按正方形陣列排列的雷達(dá),若不產(chǎn)生柵格旁瓣,其模塊間隔需小于0.536倍波長(zhǎng)。SBX雷達(dá)具有45264個(gè)模塊,按照正方形排列,天線面積為249平方米。模塊間隔為2.35倍波長(zhǎng),最大電子掃描角約為±12.3°,因此SBX為有限視場(chǎng)雷達(dá)。

對(duì)于相同尺寸的天線,SBX雷達(dá)若想實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)角,需要19.2倍的模塊數(shù),即869000個(gè)模塊。拋開造價(jià)不說(shuō),如此大規(guī)模的數(shù)量如果不投入一條新的昂貴的模塊生產(chǎn)線,SBX的部署時(shí)間恐怕會(huì)一拖再拖。另一方面,若保持SBX雷達(dá)的模塊數(shù)仍為45264個(gè)模塊,而模塊間隔縮小為0.536倍波長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)掃描,則天線直徑僅為4.1米。由于雷達(dá)的探測(cè)距離與雷達(dá)功率、孔徑面積及天線增益乘積(PAG乘積)的4次方根成正比,因此跟蹤距離將降低4.4倍。

對(duì)安裝有收發(fā)模塊的相控陣天線,模塊造價(jià)通常是雷達(dá)成本的最主要因素。因此SBX雷達(dá)在設(shè)計(jì)過(guò)程中,為獲取更大的天線孔徑,基于給定的模塊數(shù)量,必須犧牲掉一部分的電掃描范圍。在有限視場(chǎng)下,雷達(dá)天線孔徑尺寸越大,其天線波束越窄(跟蹤精度越高),跟蹤距離越遠(yuǎn)(或給定距離下信噪比越高)。雖然降低電掃描范圍對(duì)試驗(yàn)雷達(dá)并沒(méi)有太大影響,但對(duì)于導(dǎo)彈防御雷達(dá)來(lái)說(shuō)則嚴(yán)重影響了其可靠性。

由于距離分辨率與帶寬近似成反比,而帶寬與頻率近似成正比,因此X波段雷達(dá)(9~10吉赫茲)的距離分辨率要比S波段雷達(dá)(2~4吉赫茲)高3倍左右。若X波段雷達(dá)的距離分辨率可達(dá)到0.15~0.25米,則S波段的距離分辨率為0.5~1米(依賴于S波段的頻率選擇)。目前比較新的美國(guó)導(dǎo)彈防御雷達(dá)(如AN/TPY-2和SBX)均工作在X波段。

然而,如果LRDR的成本嚴(yán)格受控,則工作于X波段的全視場(chǎng)大型雷達(dá)無(wú)法滿足要求。X波段全市場(chǎng)雷達(dá)要想達(dá)到與SBX同樣的探測(cè)距離,則需要在直徑10.5米的天線上安裝約237000個(gè)收發(fā)模塊(假定X波段模塊安裝在與AN/TPY-2雷達(dá)同樣的三角形天線上,且平均功率比SBX雷達(dá)高60%)。類似的雷達(dá)造價(jià)能否控制在10億美元之內(nèi),目前還是個(gè)未知數(shù)。作為比較,當(dāng)前生產(chǎn)的AN/TPY-2型X波段雷達(dá),其模塊數(shù)為25344個(gè),造價(jià)為18億美元,其中僅天線設(shè)備單元成本就占14億美元。此外,若要在2020年前部署這樣一部雷達(dá)而完全不干擾AN/TPY-2雷達(dá)的生產(chǎn)進(jìn)程,則必須投入一條新的模塊生產(chǎn)線。因此,除非LRDR的探測(cè)距離遠(yuǎn)小于SBX,否則若想在X波段以10億美元的成本建造一部全視場(chǎng)雷達(dá)是不太可能的。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院(NAS)曾提出過(guò)一部“堆棧式TPY-2”雷達(dá),命名為GBX,其天線由兩個(gè)TPY-2天線上下堆疊而成,具有50688個(gè)X波段天線模塊。盡管NAS專家小組聲稱它是一部全視場(chǎng)雷達(dá),完全滿足識(shí)別任務(wù),但其PAG乘積僅為SBX的1%,NAS估計(jì)GBX雷達(dá)的研發(fā)費(fèi)用為8~10億美元,另需16億美元用于購(gòu)買5部GBX雷達(dá),因此單部GBX的費(fèi)用略高于10億美元。如果NAS的費(fèi)用估計(jì)準(zhǔn)確的話,說(shuō)明該配置下的堆棧式TPY-2雷達(dá),將是10億美元可購(gòu)買的探測(cè)距離最大的X波段全視場(chǎng)雷達(dá)。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院(NAS)曾提出過(guò)一部“堆棧式TPY-2”雷達(dá)構(gòu)想

因此,如果費(fèi)用是限制雷達(dá)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素,那么若希望得到比堆棧式TPY-2雷達(dá)更大的PAG乘積,就必須降低雷達(dá)工作頻率或采用有限天線,或二者兼具。假定S波段的工作頻率是X波段的1/3并采用全視場(chǎng)天線,在模塊數(shù)相同的情況下,S波段雷達(dá)天線孔徑是X波段雷達(dá)的9倍,卻具有相同的天線增益和波束寬度。其他條件一樣的情況下,S波段雷達(dá)的跟蹤距離將是X波段雷達(dá)的1.73倍。S波段雷達(dá)的實(shí)際優(yōu)點(diǎn)會(huì)更多,因?yàn)樵谕瑯拥臅r(shí)間內(nèi),S波段模塊的平均功率比X波段模塊要高,且隨著頻率的增加,彈頭形狀目標(biāo)的雷達(dá)散射截面會(huì)減小。這些優(yōu)點(diǎn)似乎可以抵消掉由于S波段天線尺寸造成的附加成本。

技術(shù)因素  

選擇S波段雷達(dá)的另一個(gè)原因是美國(guó)導(dǎo)彈防御局希望能夠兼顧目前的科研基礎(chǔ)。對(duì)于2020年的部署時(shí)間節(jié)點(diǎn),LRDR很可能會(huì)與計(jì)劃用于美國(guó)海軍新的“宙斯盾”防空反導(dǎo)雷達(dá)(AMDR)的導(dǎo)彈防御天線使用相同的S波段模塊。首部裝備于“宙斯盾”驅(qū)逐艦的AMDR計(jì)劃于2016財(cái)年完成,2023年部署。AMDR中的S波段部分將采用新的具有更大功率及更小熱消散的氮化鎵模塊來(lái)代替目前的砷化鎵模塊。LRDR和AMDR雷達(dá)的研制進(jìn)度與新型S波段模塊是一致的。

美國(guó)海軍新的“宙斯盾”防空反導(dǎo)雷達(dá)(AMDR)的導(dǎo)彈防御天線使用S波段模塊

若要求LRDR的PAG乘積與SBX相同,假定S波段模塊的平均功率是目前X波段模塊的2倍且天線為全視場(chǎng)設(shè)計(jì),模塊采用等邊三角形陣列安裝,其他情況與X波段及AN/TPY-2天線相同,則需要90500個(gè)模塊安裝在直徑19.4米的天線上(相比于SBX的45264個(gè)模塊安裝在直徑為17.8米的天線上)。

鑒于LRDR有可能采用有限視場(chǎng)設(shè)計(jì),假定其FOV比SBX的要寬很多,其模塊數(shù)仍可進(jìn)一步壓縮。若FOV的范圍是±30°(模塊安裝在正方形陣面上),且與SBX雷達(dá)具有相同的PAG乘積,則所需模塊數(shù)為46300個(gè),天線直徑為23米。

所有上述設(shè)計(jì)方案都有可能超過(guò)10億美元。

結(jié)  語(yǔ)
盡管上述討論都具有一定的推測(cè)性,但足以表明獲取最佳的距離分辨率并非是LRDR設(shè)計(jì)中最先考慮的?；蛟S美國(guó)導(dǎo)彈防御局認(rèn)為S波段的距離分辨率足夠用于對(duì)現(xiàn)知目標(biāo)的識(shí)別。

或許LRDR選擇S波段替代X波段另有原因,然而,如果雷達(dá)成本制約了雷達(dá)頻率的選擇,美國(guó)導(dǎo)彈防御局可能不得不接受一個(gè)次優(yōu)識(shí)別雷達(dá)。

作者&來(lái)源:閆錦 《軍事文摘》雜志(微信公眾號(hào):mildig)

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