来源 | 高端装备产业研究中心
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导读：随着高新传感器技术的快速发展，美军构建了强大的空天预警体系。在此对美军基于先进传感器系统所构建的空天预警体系进行了调研，并对基于最新型E-2D舰载预警机传感器系统的协同作战体系、基于多架F-35传感器组网的分布式协同感知体系、基于多架MQ-9传感器组网的弹道导弹预警体系、基于先进空间传感器的下一代OPIR 导弹预警卫星系统以及基于在轨传感器层的高超音速武器与弹道导弹监测跟踪系统等进行了梳理分析，以期进一步了解美军空天预警体系的研究重点与发展方向。
基于最新型E-2D舰载预警机传感器系统的协同作战体系最新型E-2D舰载预警机是美国海军主要的机载预警与指挥控制平台，具备8小时滞空时间，能够对对手的舰船、飞机以及巡航导弹进行预警，可作为区域监视、通信中继平台，已于2015年开始陆续服役，正逐步替代E-2C(将于2025年全部退役)。与E-2C相比，其不再局限于在海域上空执行任务，而是具备了完成海、陆作战域上空任务的能力，并被美军认为是未来对抗五代隐身战机以及导弹预警的重要平台，这与其所装备的AN/APY-9先进超高频有源相控阵雷达以及红外搜索监视跟踪系统(SIRST)息息相关。
其中，AN/APY-9雷达的工作波段位于UHF波段(反隐身战机的主要频段)，其先进之处在于：- 基于以碳化硅为基底的集成电路材料，该型雷达的发射功率与电路灵敏度均提升了近10倍，使得其对隐身飞机的探测距离与对非隐身飞机的探测距离相近；
采用了机械扫描与有源相控阵雷达扫描相结合的探测方式，有效减少两种扫描方式不足的同时，融合了两者的优点，使其效率最大化;
配备了高效的数字接收机，并整合多种高级复杂算法与开放式结构，既可以更高效地辨析来自远海以及陆地的杂波，也可以对指定区域进行专项扫描;
采用单脉冲、波束参差等技术，消除了雷达探测与跟踪运动目标的盲速效应;
采用数字波束形成、空时自适应信号处理技术，大大增强了雷达杂波抑制能力，提高了多目标跟踪与批处理能力;
采用模块化设计方法，提高了装备零件通用性。
总之，AN/APY-9通过采用碳化硅有源收发组件的有源电子扫描阵列和数字化接收机技术提高了可靠性和灵活性，并能够有效探测、识别与跟踪强杂波环境下低空飞行的隐身飞机、巡航导弹等低雷达反射截面积的机动目标。与E-2C的AN/APS-145雷达相比，AN/APY-9的信号增益比高约20dB，对雷达反射截面积为3～5m2的战斗机的探测距离可达500公里，可同时处理2000个空中目标，对于最小目标的可检测速度可达约25m/s。此外，E-2D机鼻处所装备的红外搜索监视跟踪系统(SIRST)则大大提升了E-2D的导弹预警能力。该系统可对导弹进行角度跟踪，结合预警雷达的同步检测数据，利用机载任务计算机、Link-16数据链与航母战斗群实时共享导弹的三维位置图像与跟踪信息，以指挥协调对来袭导弹的拦截。综上可知，基于所装备的先进传感器，E-2D 具备强大的隐身目标与巡航导弹探测能力，能够与舰载战斗机、电子战机以及宙斯盾舰协同作战，将是“海军一体化防空火控”(NIFC-CA)系统的重要枢纽，同时也将是海上中心战的节点。
未来，美军可利用E-2D探测隐身目标以及网络战的能力，与F-35等构建更为强大的探测预警与信息收集分析能力，从而有力提升美军的信息化作战能力。美军认为中俄两国五代隐身战机与机载超视距空空导弹有可能会对其大型预警机的生存能力以及作战效能等带来不利影响，因此在提升E-2预警机传感器性能的同时，也提出了“分布式协同感知体系”概念。该概念旨在利用多架具备雷达/光电全向感知系统的五代机，实现组网探测，进行预警。一方面可在部分战机遭遇损失时，及时补充其他战机以保障组网完整性，提高预警机高价值目标的战场生存力;另一方面多架战斗机通过高速数据链实现协同探测、信息共享，在隐身目标的探测预警方面更具优势。F-35战斗机作为先进的五代机，装备了性能优异的多传感器，并具备多传感器融合技术，具备对隐身目标等探测预警的能力，并能够为其他作战平台提供战场态势感知与精确的目标瞄准数据，将成为未来战争中的信息节点。在此将F-35所装备的主要传感器进行梳理，如下表所示。| 传感器类型 | 主要功能 | 相关测试结论 |
| AN/APG-81有源相控阵（AESA）火控雷达 | 具备自动识别目标、有源干扰、无源电子防御与通信能力；通过逆合成孔径雷达进行海面目标检测与识别 | 测试中在10秒内探测到23个探测范围内的虚拟目标，并能够探测到低空巡航导弹与无人机 |
AN/AAQ-37分布式孔径系统 （EO DAS） | 通过6个红外摄像机为F-35的飞行员提供360°球形环境视图 | 曾成功探测、跟踪了90公里之外迎面飞来的F-16战斗机，以及一枚1200余公里外的火箭 |
| AN/AAQ-40光电瞄准系统（EOTS） | 具备激光瞄准、前视红外与远程红外搜索跟踪功能 | -- |
| AN/ASQ-239电子战系统 | 能够提供360°全向全频段射频信号监视和收集功能 | -- |
| AN/ASQ-242通信、导航和识别（CNI）组件 | 可将传感器信息结合成单独战术图像提供给飞行员，并将全方位目标定向与识别信息分享给其他平台 | -- |
其中，AN/APG-81可在AN/AAQ-37系统的指示下对弹道导弹进行精确探测和测量，为美国网络中心机载防御单元(NCADE)或宙斯盾系统拦截提供火控支持; AN/ASQ-239与EOTS高度融合，能够在保证F-35隐身性能的前提下，为AN/APG-81提供敌机的精确方位指示。近几年来，美军针对F-35的探测预警作战应用进行了多次演练。自2019年以来就将“橙旗”演习的重点之一置于实现F-35战斗机与美国陆军综合防空和导弹防御(AIAMD)作战指挥系统(IBCS)的信息融合，以实现将F-35作为高空预警平台纳入美军的防空系统，用于指示防空武器瞄准空中目标，并由IBCS跟踪传感器数据以确定和指示包括飞机和导弹在内的空中威胁，最终实现有效防空。近几年美军也在对“分布式协同感知体系”概念进行试验，已经在近年的红旗军演与北方边界演习中，开始尝试在没有预警机支援的情况下，以四架F-35为一编队的形式，利用编队中F-35的AN/APG-81火控雷达、EODAS、EOTS射频传感器等，通过数据链共享信息，构成一架虚拟预警机。然而，尽管F-35在防空系统中能够发挥其信息与探测能力的优势，从而能够提升美军的防空反导预警能力，但基于五代机的分布式协同感知体系，仍然无法取代预警机在指挥通信以及电子对抗等方面所发挥的作用，只能在危险系数高的作战区域或者预警机受损而无法及时替换时作为预警机的补充。美军对于利用高空长航时无人机搭载光电/红外传感器，对弹道导弹进行预警探测也已经展开了十余年的研究，旨在实现由无人机发现、识别和跟踪敌方刚刚发射的弹道导弹，随后为前出部署的“宙斯盾”战舰提供目标指示和初步的目标要素，由“宙斯盾”系统和“标准”-3导弹及早完成拦截。MQ-9长航时无人机则被美军选作进行该项研究的试验平台，并被装备了雷神公司为该机研制的AN/DAS-1“多光谱瞄准传感器-B”(MTS-B)作为弹道导弹预警探测传感器，该型传感器首次实现了利用光电/红外传感器数据直接生成弹道导弹助推段的跟踪数据，且使得MQ-9具备高分辨能力以及多目标跟踪能力等。
据称，MTS-B具有高定位精度，其自动采集和跟踪能力能够满足系统的要求，而美国导弹防御局(MDA)多年来已经与美国防部长办公厅、空军以及海军，利用装备了MTS-B传感器的MQ-9进行了多次反弹道导弹试验，在此将部分试验结果梳理如下所示。综上可知，装备了MTS-B传感器的MQ-9具备一定探测、跟踪弹道导弹的能力，但是需要基于两架或两架以上架次的MQ-9才能够实现更为高效的三维跟踪，并提供高精度目标数据。由此也说明长航时无人机要实现对导弹的探测、跟踪与识别需要具备两个条件：一是至少需使用两架无人机，方能对目标进行立体跟踪和定位;另一方面则必须保证无人机持续的空中飞行，以确保覆盖探测范围。MDA、美国太平洋司令部、美国海军“约翰保罗琼斯”号驱逐舰还于2020年11月成功完成了一次FTX-20的反导试验。在该次试验中由一架携带有MTS-B型多光谱瞄准系统的无人机充当识别传感器，对目标进行了跟踪、导引，尽管该次反导试验并未进行实际拦截，但已然说明美军在利用无人机参与反导作战方面已经迈出了重要一步。据称，MDA近几年正在为MQ-9等平台研发更为先进的弹道导弹探测跟踪传感器，一旦研发成功，则将有望实现单架次MQ-9即可对所发现的弹道导弹目标进行跟踪的能力，从而提升美军弹道导弹防御体系的远程发射作战能力。基于先进空间传感器的下一代OPIR 导弹预警卫星系统“下一代高轨持续红外预警系统”(OPIR)于2016年公开，是美国下一代导弹预警卫星，主要用于监视和发现敌方的战略弹道导弹，并在导弹发射时发出警报，未来将逐步取代现役的SBIRS卫星系统，成为美国首要的导弹预警星座。据称其未来不仅能够对全球弹道导弹威胁进行全天候监测与跟踪，还能监测与跟踪助推-滑翔/吸气式高超声速武器、小型的地空导弹乃至空空导弹的发射。OPIR星座与SBIRS的高轨道系统相似，将使用多个子系统中插入现代电子设备的洛克希德·马丁增强型LM 2100卫星总线(于2021年5月发射的SBIRS GEO-5为首颗基于该卫星总线设计的卫星)，从而能够使OPIR更具弹性功能，且拥有相较于SBIRS更为强大的全新传感器与生存能力，并且更具在轨机动能力与网络化能力。在此将OPIR与SBIRS的组成等进行简单梳理，以期对美军近两代导弹预警卫星系统有所了解。| 系统 | SBIRS | OPIR |
| 组成 | 6颗地球同步卫星（已入轨5颗） | 初始星座将包括五颗卫星，其中3颗为地球同步卫星，将负责全球监控；2颗为太阳同步轨道卫星，处于极地轨道，将负责监控北极上空 |
| 传感器 | 五颗地球同步卫星均采用了由扫描型、凝视型红外探测器组成的双传感器，监控地球与其他感兴趣区域；多个运行在大椭圆轨道侦察卫星的星载传感器可实现对极地的覆盖 | 前两颗地球同步卫星的红外传感器已通过初步设计审查，原计划于2021年秋季进行关键设计审查，尚未见最新消息与其具体性能披露 |
| 探测预警性能 | 扫描速度和灵敏度较上一代“国防支援计划”导弹预警卫星系统提高了10倍以上，覆盖范围扩大了2～4倍，能在导弹发射10～20秒内将预警信息发送至地面运行控制系统，从而能够大幅提高拦截的成功率 | 据称探测能力相较SBIRS将更强 |
由上表可知，OPIR星座与SBIRS的高轨道系统相似，均包含高轨道与低轨道两套卫星监控系统，但是OPIR将进一步通过新型传感器的装备加强探测能力，同时在面对反卫星武器威胁的时候具有更高的生存能力。此外，美国太空发展署(SDA)还计划通过融入新算法，提升OPIR卫星星座传感器的自动目标识别能力，并于2021年5月宣布，雷神公司与波音千禧太空系统公司将为OPIR卫星星座设计红外传感器模型，以验证导弹跟踪设计以及红外传感器的预测性能。据称美军计划于2025财年运行OPIR星座的第一颗地球同步卫星及配套地面系统，2028财年发射第一颗极地卫星。美军还计划能够于2029年使得五颗初始卫星能够全部投入使用，届时将有望为美军提供更为强大的导弹预警与防御、作战空间感知和技术情报获取能力，同时还使得导弹预警卫星星座具备一定抗打击与防御能力，更为有效地应对新型威胁。基于在轨传感器层的高超音速武器与弹道导弹监测跟踪系统为应对高超音速导弹以及弹道导弹的威胁，美国导弹防御局(MDA)正在努力开发“高超音速和弹道追踪”空间传感器(HBTSS)，即建立一种在轨传感器层，能够检测和追踪该国目前的导弹防御体系结构无法处理的高超音速武器，美国国防部将该传感器作为优先投资项目，源于其能够提高几乎所有导弹防御系统的效率，通过有效的轨道规划，该型传感器将有望持续监测、跟踪弹道导弹与高超音速武器，并提供目标数据，从而进一步完善美国的导弹预警体系。
总之，该卫星星座的性能优势在于具有更广阔的视野，不受限于地平线，使得天基传感器能够从发射到拦截连续跟踪导弹，而不必在导弹离开其视野时在地面传感器之间传递数据。据称，未来HBTSS将被内置到低地轨道卫星群中，可灵活地改变自身位置，若结合先进数据链，将有望监控、发现并跟踪世界上任何一个地方发射的导弹目标，允许美军作出快速反应，并有机会实现对敌方导弹的助推段打击与摧毁。
诺斯罗普·格鲁曼公司的高超音速和弹道导弹天基传感防御概念图美国导弹防御局已经授予L3·哈里斯技术公司一份价值1.2亿万美元的合同，以设计可以追踪高超音速武器的原型卫星，据称将于2023年7月完成原型卫星交付。此外，SDA也在同时发展一项初期导弹预警网络项目，其最终目标在于部署由70颗广角视野(WFOV)卫星组成的大型星座，并于2020年10月授予L3哈里斯公司价值1.93亿美元的合同，为SDA制造初期计划的8颗WFOV卫星中的4颗，SpaceX公司则制造另外4颗。据称未来SDA的WFOV卫星将与MDA的HBTSS协同工作，即由WFOV进行目标的初步探测与跟踪，确认后将由HBTSS卫星进行后期探测，并为拦截弹提供更精确的火控数据。小结：美军将未来空天预警体系的重点关注集中于多传感器组网、多轨道部署等方面，一方面为E-2D最新型预警机装备先进的超高频有源相控阵雷达以及红外搜索监视跟踪系统，基于F-35构建“分布式协同感知体系”发挥五代机的信息与探测能力的优势，并利用高空长航时无人机搭载光电/红外传感器，对弹道导弹进行预警探测，通过传感器组网等方式，有效提升美军的防空反导预警能力;另一方面建造下一代OPIR预警卫星星座，通过高轨道、低轨道两套卫星监控系统，利用新型传感器，加强探测能力的同时，提升面对反卫星武器威胁时的生存能力，并发展“高超音速和弹道追踪”空间传感器(HBTSS)与广角视野卫星星座，以大幅提升探测与跟踪高超音速导弹以及更为复杂且具备高机动性的弹道导弹的威胁的能力。1 U.S. Air Force Considering Replacement for EO/IR Sensor on MQ-9 Reaper.2021.
2 General Atomics Reveals Self-Protection Pod For The MQ-9 Reaper.2021.3 Lockheed Martin to build next-generation infrared surveillance sensors for space-based missile-defense.2021.4 Lockheed Martin to build next-generation infrared surveillance sensors for space-based missile-defense.2021.5 Lockheed Martin Selects Industry Mission Payload Providers For Next Gen OPIR Missile Warning System.6 Hypersonic Missile Defense: Issues for Congress.2021.－ The End －
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