美国海上预警探测系统发展研究

梁延峰，杨云祥

(中国电子科学研究院，北京　100041)

梁延峰(1986—)，男，黑龙江哈尔滨人，博士，主要研究方向为综合电子信息系统等；

E-mail：peakbeam@hotmail.com；

杨云祥(1986—)，男，山东济宁人，博士，主要研究方向为综合电子信息系统等。



综述

美国海上预警探测系统发展研究

梁延峰，杨云祥

(中国电子科学研究院，北京100041)

摘要：海上预警探测系统是美国弹道导弹防御体系的重要组成部分，本文详细介绍了以海基X波段雷达、预警侦察船、作战舰艇预警探测雷达为代表的美国海上预警探测系统的发展概况，并结合信息技术发展趋势总结了海上预警探测系统功能集成化、雷达数字化、结构模块化、天线一体化、探测网络化的发展特点。

关键词：预警探测；海基X波段雷达；预警侦察船；舰载雷达

0引言

预警探测是指利用探测(主要以有源探测为主)、监视和通信等技术手段，搜索、发现、识别、跟踪和监视来自陆、海、空、天、水下等来袭目标。预警探测系统是军事综合电子信息系统的重要组成部分，也是国家安全的基石，无论在和平时期还是战争时期，预警探测系统都要全天时、全天候工作，监视进入预警区域的目标，并快速识别目标的性质，防止敌方的突然袭击，是国家实体安全防御体系的“千里眼”[1]。

海上预警探测系统作为预警探测系统的重要组成部分，可以机动部署于远离国土的公海海域以及海外军事基地，大大拓展了预警区域，给军事指挥中心提供了更多的预警时间。虽然美国海上军事战略历经调整，但是始终重视海上预警探测系统的发展，在技术势力及装备配置上一直处于国际领先地位，其标志性装备“宙斯盾”系统——美国弹道导弹防御系统的海基关键节点——自2002年开始，开展了34次拦截试验，28次取得成功，成功率远高于陆基反导系统[2]，这也充分证明了海上预警探测系统对国家安全的重要意义。近期，随着其《21世纪海上力量合作战略》的发布实施，美海军将进一步寻求全域介入能力，更将海上预警探测系统作为实现其战略目标的核心能力之一，因此可以预见，美军在未来仍将不断增强其海上预警探测能力，拓展预警探测范围，以服务于美国国家安全及海外攸关利益的需要。

目前，我国面临的主要威胁来自海上方向，但我国的海上预警探测能力尚不足以满足国家需要，海上预警探测体系建设和装备发展需求迫切，本文研究了美国海上预警探测系统的发展趋势和建设理念，对于我国增强海上预警探测能力具有重要借鉴意义。

1美国海上预警探测系统概况

美国从1983年就计划开展弹道导弹防御计划(BMD)。1993年，克林顿政府将弹道导弹防御计划分为国家导弹防御(NMD)和战区导弹防御(TMD)两部分。随后的小布什政府继续发展弹道导弹防御计划，建立了一体化多层次的BMD系统，分为助推段防御、中段防御和末端防御[3]。海上预警探测系统在三段防御中都发挥着重要的作用。在助推段防御时，负责将探测到的威胁目标信息传递给指挥中心并发出预警信号；在中段防御时，跟踪和监视目标的运动轨迹并回传给指挥中心做研判；在末端防御时，协同武器系统对威胁目标进行拦截打击。除了针对空天目标的预警探测外，部分海上预警探测装备负责探测水下来袭目标。与此同时，海上预警探测系统在平时担负着获取电磁环境信息、搜集导弹信息、探测海洋环境信息等任务，为战时做好准备。

美国海上预警探测系统可以分为三类：专用平台系统、预警侦察船以及作战舰艇预警探测系统。专用平台系统是指将雷达搭载在专用海上平台上，平台可以是固定的，也可以是可以动的，多采用海上钻井平台进行改造。根据平台类型不同，可以分为固定式平台系统和半潜式平台系统。固定式平台系统的代表是Texas Towers，半潜式平台系统的代表是海基X波段雷达(SBX)。预警侦察船是指专门从事预警侦察任务的海上船舶，按照具体承担的任务可以分为三类：海洋监视船、海洋调查船和导弹监测船。作战舰艇预警探测系统是指作战舰艇上搭载的预警探测雷达系统。随着雷达技术的不断发展，舰载预警探测雷达的探测距离不断扩大，同时依靠作战舰艇的前出部署，可以有效的扩大预警探测范围。目前美国作战舰艇上搭载的预警探测雷达系统主要是AN/SPS-48系列三坐标对空搜索雷达、AN/SPS-49系列二坐标对空搜索雷达以及SPY-1系列相控阵雷达。

下文将详细介绍这些典型装备的发展历程和主要特点，并总结海上预警探测装备的未来发展趋势。

图1　美国海上预警探测系统组成

2专用平台预警系统

美国在上世纪50年代开始建设的专用平台系统——Texas Towers 固定式海上预警探测雷达，是冷战时期针对苏联研制的海基防空预警系统的重要组成部分。美国原计划建造5座该雷达系统，部署在美国东海岸。自1957年开始，美国相继建造了3座该雷达，但是由于平台抗毁性差，该计划于1963年被迫终止。

随着海洋工程技术的发展，出现了能够抵抗恶劣海上环境的半潜式海上平台，为海上专用平台预警探测系统的发展提供了支持。美国于2002年开始发展以半潜式平台为基础的海基X波段雷达(SBX)，并于2006年开始使用，目前部署于Adak港。

海基X波段雷达是将一部X波段雷达加装在半潜式钻井平台上的预警探测系统，平台长119 m，宽76 m，排水量达到5万吨，可以承受每小时208 km 的狂风。该平台可以依靠拖船进行转移，同时具备自我推进能力，航速可达到每小时11公里。因此，海基X波段雷达可以针对不同的安全威胁机动部署。SBX雷达采用了有源相控阵技术体制，对空探测距离可以达到4800 km，被称为“海上巨眼”[4]。

图2　海基X波段雷达

图3　海基X雷达在导弹防御系统中的作用[6]

SBX是美国海上预警探测典型装备，它是美国国家导弹防御系统关键部分中段防御系统的主要组成部分，主要用于监视近太空空间，辨别来袭的各种弹道导弹分弹头及假目标，为导弹拦截提供远程监视、截获和精密跟踪。SBX的工作流程如图3所示。SBX可以发现并跟踪导弹，监控导弹的实时弹道数据，并通过在飞拦截弹通信系统(IFICS)将数据传送给指挥中心，由指挥中心判断是否为来袭目标，并指挥陆基拦截系统(GBI)发射拦截武器(KV)。在拦截过程中，SBX可以对拦截效果进行评估，并将评估报告传回指挥中心。自SBX服役以来，参加了多次反导试验并发挥重要作用。2008年2月25日，SBX参加了卫星摧毁实验并取得成功。虽然SBX的必要性及经济性仍然受到质疑，但是SBX对美国国家安全的贡献是不容忽视的[5]。

3预警侦察船

预警侦察船是指专门从事海上侦察预警活动的舰船。预警侦察船活动区域大，可以远航持续抵近目标侦察，弥补了空中侦察和地面侦察的不足，是现代战争中获取情报的主要手段之一。目前，美军拥有现役预警侦察船20余艘，根据使命任务不同，可分为海洋监视船、海洋调查船和导弹监测船。

3.1海洋监视船

美军为监视全球重要海域的潜艇动向，在北美洲大陆东、西部沿岸、阿留申群岛、日本海域、及格陵兰、冰岛、不列颠群岛等海域部署了固定式的“音响监测系统”(Sound Surveillance System, SOSUS)[7-9]。为配合SOSUS，美军同时开展了机动式拖曳线阵监视系统(SURTASS)的开发，其中核心部分之一是UQQ-2型声纳，该声纳成为后来T-AGOS计划的基础。其中“T”字表示这些舰船是由隶属于军事海运司令部具平民身份的船员操作，AGOS是“一般性辅助海洋监视”(Auxiliary General Ocean Surveillance)的缩写。海洋监视船是美国T-AGOS计划下的系列舰船，主要用于水声监听，其以几千米每小时至十几千米每小时的速度巡航，配合SOSUS可满足美军对全球关注海域潜艇动向把控的需求。

美海军海洋监视船包括3种不同级别系列舰船——坚强级(Stalwart)、胜利级(Victorious)以及完美级(Impeccable)，满载排水量分别为2285 t，3380 t和5270 t，都配有UQQ-2型SURTASS被动声纳，如表1所示。

坚强级海洋监视船是冷战时期的产物，美军为应对苏联潜艇的威胁，前后共建造了18艘坚强级海洋监视船，主要使用SURTASS拖曳被动声纳线阵在海上执行常态化水下监视任务，并将信息经卫星传回美军基地。后由于苏联解体，美军水下监视需求与坚强级相比，胜利级海洋监视船最大的不同在于为适应水声监听的需求在船体设计上寻求了一些变化。胜利级采用了“双船体”，即使用两个相互平行的角状船体构成小水线面船型[11]，水线面积仅为同等排水量常规单船体船只的四分之一左右，大大减少了船体受海浪运动的影响，增加的船体稳定性，有利于拖曳作业，同时，甲板面积增加40-50%，可搭载更多任务电子设备[12]。现役4艘，于1991年8月至1993年7月间陆续服役，是美军对我国华东、华南沿海和南沙群岛附近海区进行水声监听的重要力量。

表1　三型T-AGOS系列检测船的技术数据[10]

发生变化，坚强级海洋监视船被改装、出售，现已全部退役，由性能更强的胜利级、完美级海洋监视船替代。

与胜利级类似，完美级海洋监视船同样采用了“双船体”小水线面船型，同时除配有SURTASS被动声纳外，还增加了LFA主动声纳[13]，是美军最为先进的声纳系统，能力非常出众：SURTASS拖揽1800 m，可探知150~450 m深度潜艇的方位和类型；LFA主动声纳用以对付被动声纳无法探知的“极静”潜艇。这种主被动配合的声纳系统，探测距离最远可达100海里[14]。声纳系统收集声纳数据后，将信息由卫星传至岸上基站进行分析或引导反潜攻击。

图4　完美级T-AGOS——“无暇号”海洋监视船

美国的海洋监视船是美国水下预警防御的重要装备，于此同时，也担负着情报收集的使命。监视船常年活动在世界范围内的各大海域，探测潜艇并将情报给美国国内。“无暇号”就常年活跃在我国东南沿海，伺机搜集我国潜艇、各类舰艇等情报。2009年3月8日，“无瑕号”在我国南海专属经济区从事情报搜集活动，我国5艘船只对其进行驱赶。

3.2海洋调查船

海洋调查船的最初功能是水深测量，随着科技的发展，功能逐渐拓展为海底地形地貌探测以及海洋气象水文调查等。海洋调查船最初主要用于科学考察，后来逐步加强了军事应用，主要为海军提供海洋环境以及气象水文保障。美国在20世纪90年代建造了6艘5000吨的“帕塞芬德”级海洋调查船(T-AGS 60～65)。每艘船上都装备了回声测深仪、海底浅层剖面仪、多波束系统、多普勒声学测流仪、测扫声纳、重力仪、磁力仪等20多种海洋测量设备，可以完成30多种测量任务，详尽准确地探测海底地形、海底地貌、海底浅层剖面、海底表层底质等多种战场要素[15-20]。

部分海洋调查船在海洋测量的基础上，发展了电子侦察功能，“玛丽·西尔斯”号(T-AGS-65)就是典型代表。该船上配备了无线电接收机、雷达接收机、终端解调和记录设备、信号分析仪器及电子干扰设备通过截收对方无线电台、雷达或其它电子设备辐射的电磁信号，该船不仅能准确查明这些电子设备的技术参数和战术性能，而且还可能获得对方无线电台、雷达或其它兵力兵器的部署甚至导弹的发射、飞机的起飞和舰艇出港等重要军事情报。

美国海洋调查船主要担负的军事使命是战场准备和情报侦察。通过对世界各海域的测绘和考察，可以建立资料详尽的海洋环境信息数据库，为作战舰艇及潜艇的外出作战提供了环境保障。同时，通过电子侦察获得的情报，可以建立电子情报数据库，分析可疑目标，并以此为基础寻找敌方的电磁漏洞，为发动赛博攻击奠定基础。

图5　“玛丽·西尔斯”号(T-AGS-65)

3.3导弹监测船

导弹监测船主要用于监视美国及别国的弹道导弹试验，搜集远程弹道的导航、射程及精度方面的情报。美国建造这种测量船主要出于两个目的：一是出于安全考虑，火箭或者导弹试验大都是选择向海洋发射，安装有雷达天线和电子设备的测量船作为岸基跟踪站的补充，可以增加测控范围；二是美国出于监视其他国家的火箭或者导弹发射的需要，在美国感兴趣的国家发射火箭或者导弹期间，派遣一艘披着“民事科研”外衣的航天测量船到别国沿海收集射程情报[21]。

长期以来，美国主要使用两艘导弹监测船执行监测任务——T-AGM-23“观察岛”号和T-AGM-24“无敌”号。“观察岛号”装备了一部S波段“眼镜蛇·朱迪”相控阵雷达和一部X波段抛物面雷达。“眼镜蛇·朱迪”相控阵雷达的天线为八角形平面阵列天线，可以覆盖120度的扇形区域，探测距离超过3000km，能同时跟踪100个目标[4]，主要负责跟踪洲际导弹。X波段抛物线雷达具有更高的分辨率，主要负责搜集弹道导弹在飞行末段的情报数据。“观察岛号”还配备了一套远程导弹射程精确测量系统，可以精确测量别国导弹的射程[22]。该船常年活动在太平洋上，主要监控我国和朝鲜的弹道导弹试射，从而获取导弹参数及性能。另一艘导弹测量船“无敌号”配备了更先进的“眼镜蛇·双子星”雷达，该雷达同样工作在S波段和X波段两个频段，探测距离可以达到2000 km，可以作为美国弹道导弹防御系统的前置雷达，用来监控可能来袭的导弹目标[23]。

2014年3月25日，“观察岛”号正式退役，由T-AGM-25“霍华德·洛伦岑”号接替它担负导弹监测的使命。“霍华德·洛伦岑”号全长162 m，宽27 m，排水量为10264 t，搭载了新式弹道导弹跟踪雷达“眼镜蛇王”。“眼镜蛇王”雷达是有源相控阵雷达，包括X波段和S波段两部雷达，在后部船桥烟囱后面较高处安装的是S波段雷达，后侧甲板处安装的是X波段巨大旋转式相控阵雷达，如图6所示。与退役的“眼镜蛇·朱迪”相比，“眼镜蛇王”具有更高的分辨率，S波段雷达可以跟踪更多目标，同时X波段雷达不仅可以观测普通高速移动对象物，还可以获知弹头朝向[24-25]。

图6　“霍华德·洛伦岑”导弹监测船

4作战舰艇预警探测系统

作战舰艇预警探测系统主要指对空搜索雷达系统，用于发现及跟踪来袭的空中目标。由于作战舰艇可以大范围前出、机动灵活部署，因此可以有效的增加预警探测的范围，同时可以加强对重点区域的预警探测能力，对整个海上预警探测体系具有重要意义。

20世纪40年代，美国海军在“加利福尼亚”号装备了第一部舰载雷达——CXAM对空搜索雷达，从此海上预警探测进入了一个全新的时代。1953年，美国研制出第一部频率扫描阵列雷达AN/SPS-26，该雷达为三坐标对空搜索雷达，实现了三维立体搜索和目标探测。但AN/SPS-26雷达不具备对“黄铜骑士”、“鞑靼人”等导弹的跟踪制导能力。为了解决这一问题，美国海军相继研制出了具备导弹制导能力的AN/SPS-39三坐标雷达以及可以与海军战术数据系统对接的AN/SPS-42三坐标雷达。

随着雷达技术的不断发展，AN/SPS-48系列三坐标对空搜索雷达逐步取代了AN/SPS-39和AN/SPS-42系列雷达，成为装备美国海军舰艇的主力装备。该型雷达工作在E/F频段(2.9 GHz—3.1 GHz)，探测距离可以达到400 km，可以提供空中目标的三坐标数据以及为武器系统提供目标指示[4]。目前美国“尼米兹”级航母以及大部分导弹巡洋舰和驱逐舰都装备了AN/SPS-48E雷达。它是美国海军中远程防空的关键设备，能够对复杂电磁环境中来袭的小型反舰目标提供预警，同时可以向“标准-II”型导弹提供中途制导及目标数据。

图7　AN/SPS-48三坐标对空搜索雷达

在装备AN/SPS-48系列雷达同时，美国海军同时还装备了AN/SPS-49二坐标对空搜索雷达进行补充探测。AN/SPS-49雷达工作在频率更低的C频段(850MHz-942MHz)，因此具有更大范围的对空探测能力、提供更长的预警时间。另外，由于902-928MHz频段受海杂波影响较小，AN/SPS-49雷达能够更好地克服海杂波的影响，对低空飞行的来袭目标具有更好的探测效果，有效地弥补了AN/SPS-48在这方面的不足[26]。

图8　AN/SPS-49二坐标对空搜索雷达

AN/SPS-48、49系列雷达都是通过旋转天线实现360度全方位覆盖，扫描速度远不及电扫雷达。随着相控阵雷达技术的出现和发展，美国海军于1969年开始研制AN/SPY-1系列多功能相控阵雷达。该雷达由四面阵构成，每一阵面覆盖90度方位角，工作在S波段，探测距离约为500 km，能够自动搜索、跟踪多个目标，具备“标准”导弹的制导能力，是美国海军“宙斯盾”系统的核心装备[4]。1983年，AN/SPY-1A雷达装备首批12艘“提康德罗加”级导弹巡洋舰。1991年开始，“阿利伯克”级驱逐舰已经全面装备具有更强杂波抑制能力、可以兼容改进型“海麻雀”导弹和“标准II”导弹的AN/SPY-1D型雷达。目前，AN/SPY-1雷达已发展了AN/SPY-1A、B、D、F、K等多种型号，如表2所示。近年来，通过配备雷达信号与数据处理机，该雷达能够跟踪、识别弹道导弹真假目标，增加了有限的中远程弹道导弹拦截能力，使其能更好的融入到预警防御体系中，发挥更大的作用。

表2　SPY-1系列各型雷达情况[4]

图9　AN/SPY-1相控阵雷达

5海上预警探测系统发展趋势

随着电子信息技术的不断发展，海上作战的作战形态和作战样式都发生了巨大的变化。现代海上对抗更注重信息化的对抗，对海上预警探测系统提出了更高的要求。为应对信息化条件下的新挑战，海上预警探测系统发展呈现以下几个趋势。

功能集成化：传统作战舰艇上装备了探测、导航、制导、火控、引导等多种任务雷达，占据了大量的空间，同时需要多名操作人员，经济性和可维护性都较差。目前雷达的研制越来越注重多任务化，希望能够同时兼顾对空、对海搜索、早期预警、防空自卫及对海对地作战所需的跟踪、瞄准、火控等多种任务。例如美国目前研制的新型防空反导雷达AMDR，具备X和S双波段工作模式。其中，X波段雷达负责水平搜索、精确跟踪、导弹通信和末端照射功能，S波段则负责立体搜索、跟踪、弹道导弹识别。一部雷达同时兼顾防空和反导任务，缩短了响应时间，提高了作战效能[27][28]。

雷达数字化：随着近些年数字技术不断进步，经济型数字零部件普及率不断提高，雷达数字化程度逐步向射频端前移，为数字阵列雷达的发展提供了有力的支撑。数字阵列雷达具有幅相控制精度高、瞬时动态范围大、空间自由度高、波束形成灵活等特点，具有探测复杂目标能力强、抗干扰能力强、地形适应能力强、探测精度高等性能优势。由于数字阵列雷达具有技术体制上的优势，因此它可以有效的应对复杂的海战场环境，实现高效的海上预警探测性能[29]。

结构模块化：模块化的设计思想近年来不断在工程领域得到推广。模块化的开放式系统硬件和软件结构便于维护，同时降低了成本，缩短了研发周期，使系统更新管理具有高度的灵活性，方便系统以最小的成本及时更新换代，更快的适应新的军事斗争需求。现代雷达中可模块化的产品包括天线、接收发射装置、信号处理器、数据处理器、二次电源等硬件以及信号处理解算软件等[30]。

天线一体化：随着舰船平台上的电子设备增多，天线数量不断增加。复杂的电磁环境给全舰的电磁兼容性设计带来了极大的困难，同时由于反射面积增大，也使舰船的隐身性能下降。为解决这一问题，美国海军最早开始开展了综合射频技术研究，将几个分布式宽带多功能孔径取代目前数目繁多的天线孔径，采用模块化、开放式、可重构的射频传感器系统体系架构，并结合功能控制与资源管理调度算法、软件，同时实现雷达、电子战与通信、导航、识别等多种射频功能[31]。在利用综合射频技术减少天线数量的同时，注重雷达阵面与平台的共形设计，达到天线与船体的一体化，进一步提高了舰船整体的隐身性，提升了综合作战效能。美国新型DDG-1000级驱逐舰就是采用这种设计理念建造的，它的雷达反射截面积明显比CG-47级和DDG-51级驱逐舰小很多。

探测网络化：由于被探测目标在不同方向上的雷达反射截面积不同，因此利用不同舰船上的探测雷达协同工作，通过增大雷达发射机和接收机之间的夹角，可以更有效的探测隐身目标。与此同时，多雷达协同组网探测，可以多角度探测同一个目标，提高了系统的发现概率，也为目标的精确识别提供了重要依据。目前雷达组网协同探测需要突破的关键技术包括空间同步、时间同步、相位同步、数据关联、数据传输等[32]。

6结语

经过了几十年的发展，美国海上预警探测系统已逐渐成熟。在不断提升自身探测性能的同时，美国海军更注重预警探测系统与其他武器装备协同工作的能力，建立一套完整的预警探测体系，承担了日常预警探测、敌方数据情报收集以及战时导弹拦截等多种使命任务。美国海上预警探测系统建设的发展历程值得我海军借鉴，在深入研究数字阵列雷达、综合射频、协同探测等预警探测技术的同时，要注重海上预警探测体系建设，合理、高效、经济的发展预警探测系统，保障我国海上方向安全。

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梁延峰(1986—)，男，黑龙江哈尔滨人，博士，主要研究方向为综合电子信息系统等；

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杨云祥(1986—)，男，山东济宁人，博士，主要研究方向为综合电子信息系统等。

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The Research of American Sea Based Early Warning and Detection System

LIANG Yan-feng, YANG Yun-xiang

(China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China)

Abstract:Sea based early warning and detection systems play important role in the American ballistic missile defense system. In this paper, as the typical early warning and detection systems, sea based X band radar, early warning and investigation ships and shipboard early warning radar are introduced in detail. Then the development characteristics of sea based early warning and detection systems are summarized. Multi-functional radar, digital array radar, modularized design, integrated antenna and networked radar detection will be the development trends.

Key words:early warning and detection; sea based X band radar; early warning and investigation ships; shipboard radar

作者简介

中图分类号：E3/7，TN95

文献标识码：A

文章编号：1673-5692(2016)01-007-08

收稿日期：2015-11-30

修订日期：2016-01-23

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.01.002