臨近空間武器對預警探測制導技術的挑戰*

包云霞，張維剛，李君龍，陳勇

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

近幾年來，“臨近空間”這一人類過去較少涉足的特殊空間領域，其戰略價值逐漸引起以美國為首的航天大國的積極關注，已成為各軍事強國武器發展的競爭之地［1－4］。美國空軍定義的“臨近空間”是指距海平面19．8～100 km的空間區域，自下而上包括大氣平流層(19．8～50 km)、中間大氣層(50～85 km)和部分電離層(85～100 km)區域，屬于航空向航天過渡的區域［2］。臨近空間的顯著特點是：大氣密度變化較強，空氣相對稀薄，環境溫度變化復雜等。美國空軍認為，臨近空間是實現太空軍事能力的有效途徑，是太空與空中的重要補償，是空天一體化作戰不可逾越的中間平臺，并已經將臨近空間飛行器納入作戰視野，在臨近空間理論、武器裝備研制、作戰應用等方面開展研究，處于世界領先地位［1－2］。

1 臨近空間武器

臨近空間武器是指部署或運行在臨近空間，具備通信、指揮、預警、偵察、監視、干擾、對空天地海攻擊等各種軍事用途的臨近空間武器或平臺的總稱。典型代表包括高空氣球、平流層飛艇、高空長航時無人機、空天轟炸機、高超聲速導彈等飛行器。從國內外研究情況看，臨近空間進攻武器主要為高超聲速巡航導彈和高速滑翔彈頭這類高超聲速飛行器。

目前，以美國、俄羅斯為代表的各軍事強國都在大力開展各類臨近空間武器的技術研發與樣機試驗，例如，美國“FALCON”計劃的重要項目之一是研制通用再入飛行器(CAV)和高超聲速巡航飛行器(HCV)，利用 HTV-1，HTV-2，HTV-3 系列來演示驗證CAV和HCV所需要的技術［3－4］。CAV是一種高超聲速滑翔再入機動飛行器，可以投送約454 kg的戰斗載荷，打擊精度達3 m，基本型最大打擊距離5 560 km，橫向機動距離可達1 800 km，增強型最大打擊距離16 700 km，橫向機動距離可達5 500 km。它采用助推－再入滑翔彈道，并結合新型制導、導航和控制方法，實現對目標的遠距離精確打擊。整個飛行過程是：助推級將滑翔彈頭助推到80 km左右的高空后關機并分離;之后，彈頭在大氣層外慣性飛行，大氣層內依靠氣動升力作遠距離跳躍、滑翔機動飛行，至目標上空30 km左右時，導引頭開機進行末制導，俯沖至目標并完成攻擊。

HCV可以從常規軍用跑道上起飛并可重復使用，直接攜帶2～3架CAV或其他有效載荷進行全球作戰。其飛行高度約35～75 km，飛行Ma約為10，采用渦輪基組合循環發動機作為推進系統，能夠在2 h內將約5 500 kg的有效載荷投送至16 600 km遠處的多個分散目標。通過試飛一系列高超聲速技術飛行器(HTV)來演示驗證用于未來HCV的關鍵技術，研制計劃如圖1所示［4］。其中HTV-2設計重點是為不同飛行環境提供一個穩定的試驗平臺，實現在大氣層內滑翔飛行達3 000 s。HTV-2飛行設計是基于2套彈道設計而制定的，能夠沿發射方向在大氣層內滑翔16 668 km，橫向機動5 500 km。目前，HTV-2飛行器的裝配、組裝與試驗任務已經開始，2010年04月在美國加州范登堡空軍基地對“全球快速打擊”的部分關鍵技術進行了飛行試驗驗證。

圖1 “FALCON”計劃中的高超聲速技術飛行器(HTV)Fig．1 Hypersonic test vehicle(HTV)of FALCON plan

俄羅斯的GLL-VK高超聲速飛行器計劃采用彈道導彈的發射系統和動力型高超聲速巡航導彈技術相結合，形成“彈道+巡航”的組合式導彈，可在26～50 km的高度上以速度Ma 8～14巡航。2004年該型導彈已經成功進行了低彈道飛行試驗，最高Ma達到了14。

此外，法國、德國、日本等國也在臨近空間領域陸續取得了技術上的重大突破，俄羅斯與印度已開始聯合研制高超聲速巡航導彈。

臨近空間武器具有速度快、高度高、橫向機動性好、突防能力強的特點，主要體現在：

(1)飛行高度高：臨近空間武器飛行高度在20～100 km之間，現有的預警探測系統和攔截防御武器系統都很難覆蓋;

(2)飛行速度快：臨近空間武器飛行Ma在5～20之間;

(3)打擊距離遠：預計高超聲速巡航導彈射程可達7 000～8 000 km，高超聲速滑翔彈頭的射程可達15 000 km;

(4)機動突防能力強：臨近空間武器機動過載能力為1～4，橫向機動性很強，例如滑翔彈頭橫向機動后還可飛行3 000～5 000 km，具備很強的機動突防能力;

(5)戰斗部比重大：與渦輪(渦扇)噴氣機相比，臨近空間武器沒有高轉速的渦輪(渦扇)機構;與彈道導彈相比，臨近空間武器只攜帶燃料，不攜帶氧化劑，這大大減輕了彈體質量，可以裝載更多戰斗部，提高戰略打擊毀傷能力。

(6)雷達反射面積為0.1～0.01 m2，典型值為0.1 m2［5］。

2 對預警探測制導技術的挑戰

臨近空間進攻武器的主要特點是非彈道高速機動飛行;相對彈道導彈，飛行高度低;飛行速度快，突防能力強;而且臨近空間環境復雜，存在許多特殊的光學/電磁現象。這些特點給預警探測與探測制導技術帶來了嚴峻的挑戰。

(1)提高了對預警探測系統的時間性要求

臨近空間飛行器的飛行速度極快，如高超聲速巡航導彈的飛行Ma一般為4～8，滑翔彈頭的速度Ma更是高達10以上。攔截這類目標，就要求預警探測系統盡可能早發現目標，盡早給制導雷達提供目標指示信息，使其在很遠距離上對目標穩定跟蹤，最終實現大空域遠距離攔截。然而對于地基預警雷達來說，由于受地球曲率的影響，單部雷達很難在很遠距離發現飛行高度低的目標，如圖2所示，即使雷達具有足夠的威力，也無法看見600 km遠、飛行高度20 km的臨近空間目標。而且，目標高速和機動的運動特性也會大大降低預警探測系統的發現概率和發現距離，這些均對預警探測技術提出了很高的要求。

圖2 目標飛行高度與雷達直視距離的關系圖Fig．2 Relationship of radar direct distance and target height

(2)增大了對探測制導系統的威力要求

根據臨近空間武器的基本特征，按照公式(1)可以計算出對跟蹤制導雷達威力 Rrmax的要求［6］。假定航路捷徑，系統反應時間等系統參數的經典取值，可大致得到：對于20～100 km高度、不同速度的臨近空間目標，要求跟蹤制導雷達的作用距離達千km。一般來說，對于預警雷達或靶場測量雷達，要實現上千km的探測威力比較容易，但對于跟蹤制導雷達來說，無疑是對現有制導雷達技術的一個嚴峻挑戰，必須解決現有單個T/R組件模塊功率小、效率低的問題，或研究新體制雷達技術來實現大威力需求。

式中：vt為目標飛行速度，km/s;ht為飛行高度，km;m為攔截彈平均速度，km/s;Pmax為航路捷徑，km;Rsmax為攔截斜距，km;ts為武器系統反應時間，s。

(3)提高了低仰角下探測制導技術的性能要求

臨近空間飛行器相對于彈道導彈，其飛行高度較低，一般為20～100 km。對于地基制導雷達來說，探測遠距離、低高度機動飛行的臨近空間目標，制導雷達通常處于低仰角情況下工作，例如高度20 km、距離450 km遠的目標俯仰角小于1.03°，如圖3所示。受多路徑效應的影響，制導雷達快速檢測和穩定跟蹤目標的難度較大。同樣，指令制導系統也面臨遠距離、大氣折射、多路徑效應等情況下正確、可靠傳輸信息的難題。

圖3 目標俯仰角與距離、高度的關系示意圖Fig．3 Simulation of target elevation vs．range with different height

(4)增大了臨近空間復雜環境下探測制導技術的適應性要求

臨近空間存在許多獨特的物理現象，屬于大氣密度變化劇烈的復雜環境，如20 km高度大氣密度為40 km高的22倍［7］。目標高速機動飛行時將與稀薄大氣相互作用，本體周圍的溫度迅速升高，高溫足以使空氣發生電離和電解，并使防熱材料被燒蝕，形成十分復雜的，由幾十種化學成分組成的高溫(峰值溫度為8 000 K左右)、峰值電子數密度為1013～1016/cm3的電離層，即高溫等離子體鞘套。同時還將產生湍流尾跡等獨特的光學/電磁現象，對雷達散射特性(RCS)產生明顯影響。文獻［8］基于C波段雷達的測量數據，分析了神舟飛船返回艙再入段RCS。再入段RCS變化過程分為突增段、隱身段、平穩段，如圖4所示［8］。毫無疑問，RCS突增有利于制導雷達對目標跟蹤和識別，而RCS縮減會使制導雷達短時間丟失目標，這將對制導雷達探測產生嚴重影響。同時，這些復雜現象還可能引起指令信號通信中斷或應答信號丟失，增大了指令系統的設計難度。

圖4 神舟飛船返回艙再入段RCS變化曲線Fig．4 RCS vs．time in return reentry phase of Shen Zhou Airship

(5)增大了對超高速機動目標與攔截彈精確探測的難度

臨近空間高超聲速飛行器一般采用高升阻比的升力體氣動布局，具有較大的可用氣動力機動過載，甚至還可以作波浪式的跳躍機動。而防御系統攔截這類機動目標時，通常要求攔截導彈的機動過載大于目標的3倍，才能實現成功攔截［5］。這樣高速機動特性可能會引起探測制導系統虛假跟蹤、精度變差等問題。同時，臨近空間復雜環境下導彈火焰衰減、大氣折射、獨特光電現象等對探測跟蹤精度都存在一定影響，這些都對探測制導技術提出了挑戰。

3 對預警探測制導技術的幾點思考

為滿足對臨近空間超高速機動目標探測制導的要求，預警探測和探測制導系統需要具備大空域遠距離快速預警、大空域遠距離目標探測、低仰角復雜環境下快速檢測、超高速機動目標精確跟蹤等能力，其主要特點為適應大氣密度變化強烈的臨近空間復雜環境下大空域、遠距離、低仰角、高精度探測與制導技術，主要的技術途徑及關鍵技術包括4個方面：

(1)多平臺與多模式的大空域預警探測技術

臨近空間進攻武器速度快、射程遠、機動性強，對這類飛行目標需要幾百km范圍內的大空域防御或攔截。通常系統的預警探測能力要達到1 000 km以上，才能贏得必要的作戰反應時間，因此預警探測系統必須提高對臨近空間進攻武器的戰場感知和快速反應能力。單部地基雷達由于地球曲率的影響很難滿足要求，必須采用多平臺、多模式的大空域預警探測技術。通過合理部署地基、海基、空基、臨基和天基探測器，綜合紅外、雷達、定向能等多模式的探測技術，構成防空、防臨近、防天區域內的全方位、大縱深預警探測網［9－10］。快速處理和充分利用預警探測信息，實現對臨近空間目標的遠程預警和跟蹤，為防御武器系統快速提供高精度的目標指示信息。全方位大縱深的預警探測網規模龐大，涉及的難點與關鍵技術很多，如多平臺系統配置技術、多模式探測技術、預警態勢感知技術、預警信息協同處理技術、預警信息傳輸分發技術等。

(2)分布式與網絡化的協同探測制導技術

探測制導系統最重要的任務是給末制導系統提供精確的目標和攔截彈信息，實現中末制導交班。分布式、網絡化、協同性三大特點不僅是探測制導技術未來發展的趨勢，也可能是應對臨近空間進攻武器的途徑之一。譬如，部署前置雷達，擴大探測制導系統的探測范圍;利用多部雷達進行分布式組網，通過信息中心站進行數據的傳輸、交換、處理等，實現更大的探測空域和更高的測量精度。這些雷達可以是全頻段、多體制、多模式，可以獨立探測目標，也可以在中心站的統一協調下協同工作，最終構成一個全方位、立體化、多層次的協同探測制導體系。據報道，美國PAC-3導彈武器系統就采用均衡布站的方式把系統中各個雷達組成一個以面防御為主的群組網系統。主要的關鍵技術有：系統配置及時間配準技術、系統資源調度設計技術、信息傳輸與交換技術、信息融合處理技術、作戰過程設計技術等。

(3)大威力和新體制的先進制導雷達技術

現有的固態有源相控陣天線技術難以滿足上千km的制導雷達威力需求，采用先進的高功率T/R模塊，可以提高雷達發射功率，進而增大探測距離，但必須解決寬禁帶功率器件的放大電路設計、幅相一致性等一系列問題［11］。同時，新體制雷達如組網雷達、MIMO雷達等也是解決大威力需求的途徑之一。值得一提的是，2003年美國導彈防御局(MDA)發起了一項應對未來彈道導彈威脅的高級雷達傳感器概念研究，即下一代雷達系統(NGR)：是一個可移動的系統，具有靈活的操作性能、改善的識別能力、較強的可擴展性以應對演變的威脅［12－13］。2004年美國林肯實驗室(Lincoln Lab)提出了將分布式陣列相參合成雷達系統(如圖5)作為下一代彈道導彈防御雷達的概念，引起了美國彈道導彈防御界的極大興趣和廣泛關注［12］。該雷達的最大特點是提高探測威力，改善測量精度和識別能力，主要關鍵技術包括正交發射波形設計與產生、回波信號延遲與相位精確估計、分布式子陣布局與柵瓣抑制、試驗驗證與性能評估技術等。

圖5 分布式陣列相參合成雷達系統示意圖Fig．5 Conceptual architecture for coherently combining multiple radar apertures

(4)遠距離低仰角目標快速檢測與穩定跟蹤技術

相對于彈道導彈，臨近空間進攻武器的飛行高度可以很低，如20 km左右。對于這類遠距離、低高度機動飛行的目標，制導雷達將面臨低仰角下探測跟蹤的難題。受多徑效應和地物雜波的影響，目標發現概率降低、測量精度也會急劇變差。傳統用來減小多路徑效應引起的測量誤差方法有：減小雷達天線的旁瓣電平、偏軸跟蹤技術、復角測量技術、頻率分集技術等，但每種方法都具有一定局限性，無法解決所有低仰角探測跟蹤的問題。此外，許多新體制雷達技術和信號處理方法也被廣泛提出來，如利用寬帶信號合成距離像直接測量目標角度信息、雷達組網方式的信息融合技術等。

對于抑制地物雜波，傳統方法有MTI/MTD技術，或增大雷達信號的帶寬，提高分辨單元內的信號雜波比等。采用先進的信號處理技術如DPCA技術、空時自適應信號處理(STAP)技術也是一條可行的途徑。例如，STAP技術是新一代高性能機載雷達抑制地(海)雜波、提高下視能力的核心技術［14］，雖然信號運算量非常大，但隨著相控陣脈沖多普勒雷達體制的成功應用，數字波束形成(DBF)技術和超大規模集成電路(VLSI)技術的發展，STAP技術逐步由理論向工程化、實用化發展。

4 結束語

隨著世界各國對臨近空間武器的加速研制，臨近空間的攻防對抗已成為國際上共同關注的熱點。臨近空間進攻武器具有速度快、射程遠、機動性強的特點，在未來幾十年內將成為空天體系現實存在的威脅目標。本文簡要綜述了臨近空間高超聲速巡航導彈和滑翔彈頭兩大主要威脅的發展現狀、主要特點及特性等，從預警探測和探測制導的角度，指出了預警探測制導技術在應對臨近空間進攻武器上面臨的嚴峻挑戰，提出了對其關鍵技術和技術途徑的幾點思考，希望本文的研究能起到一個拋磚引玉的作用。

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