美國夸賈林“太空籬笆”系統概述與分析

刁華飛，殷智勇，張雅聲，馬志昊

（航天工程大學，北京101416）

0 引言

太空在國家戰略利益上的地位日益突出，已成為國家安全的重要組成部分。太空態勢感知作為保障太空安全的重要基礎能力，已成為美國等航天大國高度重視和優先發展的領域。夸賈林“太空籬笆”監視系統是美國為提高對太空目標監視、跟蹤和識別能力，增強太空態勢感知能力而發展的骨干裝備，主要用于取代原“電子籬笆”監視系統。相對于“電子籬笆”系統，該系統具有太空微小目標探測跟蹤能力強、全天候觀測的特點，可大幅提高美國的太空監視能力。盡管美國已擁有獨步全球的太空態勢感知能力，但“太空籬笆”系統將讓美國自此擁有更強的太空事件實時感知、太空目標威脅分析能力，建立起非對稱的太空優勢。

1 “太空籬笆”發展歷程

“太空籬笆”項目由美國空軍2005年提出，2009年6月11日，美國空軍850電子系統部電子系統中心授予洛克希德·馬丁公司、諾斯羅普·格魯曼公司和雷神公司三份價值3000萬美元的研究合同，經過幾年的概念研究和降低風險的努力，洛克希德·馬丁公司在2014年擊敗雷聲公司，贏得了一份價值9.14億美元制造、開發、生產和部署合同，在夸賈林環礁上建造第一個太空籬笆站點。2016年10月夸賈林“太空籬笆”施工航拍照片如圖1所示。

“太空籬笆”雷達站最終確定的建設站點為2個，另一部位于澳大利亞西部，其發展歷程如表1所示。

圖1 2016年10月12日施工過程航拍照片

表1 “太空籬笆”系統發展歷程

夸賈林“太空籬笆”系統已于2019年底開始具備初始運行能力，第二套“太空籬笆”系統計劃于2021年完成。

2 “太空籬笆”系統概述

2.1 系統組成

與原有“電子籬笆”鋪設長達數千米的天線陣列不同，“太空籬笆”采用收發分置的大型相控陣雷達體制，并以全數字化運行，波束合成靈活、準確，覆蓋的空域更廣、探測精度更高，同時具備搜索、跟蹤能力[1]。發射機采用兩維相掃+數字波束的工作模式，發射垂直于當地水平面的搜索波束，工作頻率3.5 GHz，發射陣元36000個，發射峰值功率2.69 MW，平均功率0.81 MW，發射天線增益30 d B，在東西經度方向具有寬波束，在南北緯度方向上為窄波束。接收采用數字波束形成技術形成（同時多波束）接收窄波束群，覆蓋發射扇形區域。接收陣元86000個，接收天線增益58dB。除發射機和接收機外，系統還配套三部柴油發電機、冷卻機組、液體冷卻系統的泵站以及雷達天線的校準塔[2]。夸賈林“太空籬笆”雷達系統組成如圖2所示。

根據設計要求，“太空籬笆”系統能探測跟蹤超過20萬個直徑大于5 cm的太空目標。除搜索波束外，太空籬笆還設計了跟蹤波束，以便同時滿足發現和跟蹤任務要求。“太空籬笆”由駐扎在亞拉巴馬州亨茨維爾的第20太空控制中隊負責運行，將觀測數據發送到設在加利福尼亞州范登堡空軍基地的第18太空控制中隊進行太空目標編目維護。計劃中2套“太空籬笆”系統通過GIG網絡將觀測數據匯入軍方“太空監視網”，發送到太空聯盟作戰中心任務系統（JMS）處理，“太空籬笆”系統關系如圖3所示。

圖2 夸賈林“太空籬笆”雷達系統組成

圖3 “太空籬笆”系統關系圖

2.2 系統功能

“太空籬笆”系統頻段由“電子籬笆”系統的VHF波段提升到S波段，更高的頻率可提供更好的精度和分辨率。根據洛克希德·馬丁公司展示的雷達功能，“太空籬笆”系統主要包括以下功能[3-4]：

1）探測、跟蹤和識別。“太空籬笆”是專用型太空目標監視裝備。美國現有太空搜索捕獲雷達8部，其中專用雷達1部，兼用遠程導彈預警雷達7部。目標精密跟蹤測量雷達10部，但對弱小目標（尺寸小于5 cm）的探測識別能力依然不足，“太空籬笆”系統正是為解決小目標探測需求而提出的。對于低軌道目標，“太空籬笆”系統采用大型扇面進行普查，對于中高軌目標，“太空籬笆”系統采用微型扇面、增程模式以保持較高的天線增益捕獲目標。

2）威脅預警和評估。對潛在攻擊、實際攻擊、太空環境效應以及太空系統異常進行預測和區分，“太空籬笆”能夠協助系統完成該任務。

3）情報特征收集。確定當前和未來的國外太空資產和太空攻擊系統的性能和特征，以及他國在太空中對美方的不利意圖。

4）數據集成。能夠將多源數據關聯并集成到單一太空作戰態勢圖中，并利用“太空籬笆”系統開展碰撞預警、目標識別、碎片演化等工作。“太空籬笆”原型控制中心作戰視圖如圖4所示。

圖4 洛克希德·馬丁公司展示的“太空籬笆”系統

3 研判分析

據《航天新聞》3月28日報道，美國天軍3月27日宣布，經5年建設，“太空籬笆”太空監視雷達已可投入使用[5]。針對這一消息，結合開源編目數據，對“太空籬笆”的啟用時間、探測能力、工作體制以及探測編目貢獻度進行了綜合研判分析。

3.1 啟用時間分析

依據公開報道，夸賈林“太空籬笆”從2019年12月開始試運行，但通過數據分析，“太空籬笆”實際從2019年11月初起便開始參與太空目標定軌編目。從2019年11月1—20日，“太空籬笆”每天低軌編目條數平均為800～900條，從21日開始，低軌編目條數上升到日平均約1900條。至2020年1月底，低軌編目條數穩定在日平均3000～3300條，太空目標編目能力穩步上升。

綜上所述，“太空籬笆”參與編目定軌任務時間為2019年11月初，而非報道稱2019年12月才開始試運行，參與編目時間及編目數量如圖5所示。

圖5 “太空籬笆”開始編目時間與編目數量統計

3.2 探測能力分析

“太空籬笆”對低軌編目目標的空間分布情況如圖6～7所示。

圖6 “太空籬笆”低軌編目目標緯度-高度分布

從緯度分布上看，最明顯的特點是形成了2個典型分布區域，其中心分別在北緯6°和北緯11°附近；從高度上看，則是不同高度編目數量不同，這與太空目標的軌道高度分布相關。

從經度分布上看，在低軌1000 km高度，低軌編目目標主要分布在東經153°～西經183°，通過換算，波束經度方向上的張角約為120°。根據圖6緯度方向上目標的分布，大致估算出緯度方向上的張角約為10°，形成了東西長、南北窄的搜索探測能力。

3.3 工作體制分析

圖7 “太空籬笆”編目目標經度-高度分布

對于“太空籬笆”這種普測性雷達來說，其在搜索屏設置上不同于“電子籬笆”的單屏體制，研判其采用的搜索體制為同時雙屏體制。這種搜索體制要求發射天線發出2個有一定夾角的指向天頂方向兩側V型扇面。當目標先后穿越2個屏后，可分別被捕獲，并根據獲得目標位置和時間實現初軌確定。夸賈林“太空籬笆”編目目標在經度-緯度上的分布如圖8所示。

圖8 “太空籬笆”編目目標經度-緯度分布

從圖8中可以看出，編目目標形成2個分布區域，這主要就是與雷達搜索屏的設置相關。同樣根據編目目標分布，大致估計出2個搜索屏的張角在5°左右。

3.4 編目貢獻度分析

從2019年11月1日到2020年1月31日，“太空籬笆”編目條數從每天平均800余條增加到3000余條，編目能力不斷提升，對低軌目標的編目貢獻度從5%上升到最高17.5%，如圖9所示。

初步分析，這只是“太空籬笆”試運行階段的低軌編目貢獻度情況，隨著正式運行，其對太空微小目標探測能力的不斷增強，探測編目數量將快速提升，其編目貢獻度將不斷提高。

4 結束語

圖9 夸賈林“太空籬笆”低軌編目貢獻度占比

美國通過全球布站，聯合國家情報部門，聯合商業力量和盟國，并廣泛開展國際合作，實現了感知信息跨軍種、跨機構、跨國界無縫隙流動匯聚，保持了太空目標監視力量的彈性運行和敏捷可靠，并在探測目標數量、時效性、精度等方面保持領先。隨著“太空籬笆”的啟用，美國在太空態勢感知領域的領先優勢將進一步拉大，主要體現在：

1）太空目標編目能力差距拉大。“太空籬笆”系統部署完成后，能夠探測尺寸大于5 cm的太空目標，其目標編目數量將達到15～20萬，比現有編目目標數量提高了一個數量級，使美軍碰撞預警、及時發現空間異常、掌握太空主動權的能力得到保障。

2）太空態勢感知時效性進一步增強。盡管美軍已經實現了全球部署和天地聯合觀測，但從地理分布來看，現有探測雷達系統大多位于北半球和西半球，影響了太空態勢感知的整體效能。“太空籬笆”系統的部署將極大增強美國對東半球和南半球的監視能力，提高太空態勢感知的時效性。

3）隨著第2套“太空籬笆”系統的部署，“太空籬笆”與太空監視網的其它數據整合，可進一步增強對太空態勢的異動感知能力。