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

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

美國地基中段(GMD)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的新型遠(yuǎn)程識別雷達(dá)(LRDR)擬采用S波段而非X波段,此舉令很多人費解,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GMD系統(tǒng)中的導(dǎo)彈防御雷達(dá)

升級預(yù)警雷達(dá)(UEWR)

美國目前的地基中段導(dǎo)彈防御系統(tǒng)名義上為所有的51個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)行了一些升級維護(hù)并作為GMD系統(tǒng)的一部分對來襲導(dǎo)彈進(jìn)行探測和跟蹤。

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,分別部署在英國的菲林代爾斯、格陵蘭島的圖勒、美國加利福尼亞州的比爾空軍基地,用于探測從北極上空飛過的洲際彈道導(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個雷達(dá)站在2014年前全部完成升級,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克利爾空軍站和科德角空軍站的另外兩部雷達(dá),計劃于2016年和2017年投入使用。

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

美國導(dǎo)彈防御局(MDA)2015年發(fā)布的升級預(yù)警雷達(dá)(UEWR)產(chǎn)品手冊

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)彈飛行試驗信息,可以同時跟蹤多達(dá)100個目標(biāo)且提供多達(dá)20個目標(biāo)的精密數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)在基地經(jīng)過處理后送往美國空軍國外技術(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)警探測任務(wù)外,還可承擔(dān)一定的火控功能。但是升級后的丹麥“眼鏡蛇”雷達(dá),在跟蹤和識別能力上仍然無法與X波段雷達(dá)相比,而且它的安裝方向使它無法跟蹤中國和朝鮮向夏威夷地區(qū)發(fā)射的導(dǎo)彈。

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

前置X波段AN/TPY-2雷達(dá)

作為彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的一個有機組成部分,AN/TPY-2雷達(dá)能夠接受來自“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。它能夠為“宙斯盾”系統(tǒng)和地基攔截彈以及低層系統(tǒng)(如“愛國者”)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,能夠探測和跟蹤處于上升段的彈道導(dǎo)彈,從而增強早期發(fā)射的預(yù)警能力。當(dāng)該雷達(dá)作為末段使用時,AN/TPY-2雷達(dá)是整個末段高空區(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,但其探測距離仍然有限,僅能觀測到朝鮮或伊朗導(dǎo)彈的彈道初段。

?；鵛波段雷達(dá)(SBX)

GMD系統(tǒng)中惟一一部具有高分辨率測量能力的大型雷達(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,實際距離分辨率可達(dá)0.2~0.25米。

然而,SBX主要是用于測試目的,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,其電子視場角(FOV)非常有限,FOV是雷達(dá)無需轉(zhuǎn)動天線其波束即可瞬時指向的角度范圍。典型的相控陣?yán)走_(dá),如美國的早期預(yù)警雷達(dá),其單個陣面的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,造價約為10億美元。其主要任務(wù)是精確跟蹤、識別及殺傷評估,且有可能采用有限視場的相控陣天線而非全視場天線,除具備電子掃描能力外,其天線還可實現(xiàn)方位和俯仰向的機械轉(zhuǎn)動。

LRDR有3種競標(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陣面,但只有一個陣面安裝雷達(dá)功率收發(fā)模塊,另一個陣面是非活動陣面,后續(xù)如果需要升級改造也可安裝收發(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°,稱其為全視場雷達(dá)。雷達(dá)天線模塊間隔小于0.6倍波長。對相控陣天線而言,模塊間隔增大后,會引起柵格旁瓣的問題,掃描角將大大縮小,稱其為有限視場雷達(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。SBX雷達(dá)具有45264個模塊,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,最大電子掃描角約為±12.3°,因此SBX為有限視場雷達(dá)。

對于相同尺寸的天線,SBX雷達(dá)若想實現(xiàn)全視場角,需要19.2倍的模塊數(shù),即869000個模塊。拋開造價不說,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的部署時間恐怕會一拖再拖。另一方面,若保持SBX雷達(dá)的模塊數(shù)仍為45264個模塊,而模塊間隔縮小為0.536倍波長,實現(xiàn)全視場掃描,則天線直徑僅為4.1米。由于雷達(dá)的探測距離與雷達(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。

對安裝有收發(fā)模塊的相控陣天線,模塊造價通常是雷達(dá)成本的最主要因素。因此SBX雷達(dá)在設(shè)計過程中,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試驗雷達(dá)并沒有太大影響,但對于導(dǎo)彈防御雷達(dá)來說則嚴(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波段的全視場大型雷達(dá)無法滿足要求。X波段全市場雷達(dá)要想達(dá)到與SBX同樣的探測距離,則需要在直徑10.5米的天線上安裝約237000個收發(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)造價能否控制在10億美元之內(nèi),目前還是個未知數(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,造價為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雷達(dá)是不太可能的。

美國國家科學(xué)研究院(NAS)曾提出過一部“堆棧式TPY-2”雷達(dá),命名為GBX,其天線由兩個TPY-2天線上下堆疊而成,具有50688個X波段天線模塊。盡管NAS專家小組聲稱它是一部全視場雷達(dá),完全滿足識別任務(wù),但其PAG乘積僅為SBX的1%,NAS估計GBX雷達(dá)的研發(fā)費用為8~10億美元,另需16億美元用于購買5部GBX雷達(dá),因此單部GBX的費用略高于10億美元。如果NAS的費用估計準(zhǔn)確的話,說明該配置下的堆棧式TPY-2雷達(dá),將是10億美元可購買的探測距離最大的X波段全視場雷達(dá)。

美國國家科學(xué)研究院(NAS)曾提出過一部“堆棧式TPY-2”雷達(dá)構(gòu)想

因此,如果費用是限制雷達(dá)性能的一個關(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)的實際優(yōu)點會更多,因為在同樣的時間內(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)散射截面會減小。這些優(yōu)點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)的另一個原因是美國導(dǎo)彈防御局希望能夠兼顧目前的科研基礎(chǔ)。對于2020年的部署時間節(jié)點,LRDR很可能會與計劃用于美國海軍新的“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計劃于2016財年完成,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倍且天線為全視場設(shè)計,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個模塊安裝在直徑19.4米的天線上(相比于SBX的45264個模塊安裝在直徑為17.8米的天線上)。

鑒于LRDR有可能采用有限視場設(shè)計,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,天線直徑為23米。

所有上述設(shè)計方案都有可能超過10億美元。

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

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,美國導(dǎo)彈防御局可能不得不接受一個次優(yōu)識別雷達(dá)。

作者&來源:閆錦 《軍事文摘》雜志(微信公眾號:mildig)

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