美国夸贾林“太空篱笆”系统概述与分析

刁华飞，殷智勇，张雅声，马志昊

（航天工程大学，北京101416）

0 引言

太空在国家战略利益上的地位日益突出，已成为国家安全的重要组成部分。太空态势感知作为保障太空安全的重要基础能力，已成为美国等航天大国高度重视和优先发展的领域。夸贾林“太空篱笆”监视系统是美国为提高对太空目标监视、跟踪和识别能力，增强太空态势感知能力而发展的骨干装备，主要用于取代原“电子篱笆”监视系统。相对于“电子篱笆”系统，该系统具有太空微小目标探测跟踪能力强、全天候观测的特点，可大幅提高美国的太空监视能力。尽管美国已拥有独步全球的太空态势感知能力，但“太空篱笆”系统将让美国自此拥有更强的太空事件实时感知、太空目标威胁分析能力，建立起非对称的太空优势。

1 “太空篱笆”发展历程

“太空篱笆”项目由美国空军2005年提出，2009年6月11日，美国空军850电子系统部电子系统中心授予洛克希德·马丁公司、诺斯罗普·格鲁曼公司和雷神公司三份价值3000万美元的研究合同，经过几年的概念研究和降低风险的努力，洛克希德·马丁公司在2014年击败雷声公司，赢得了一份价值9.14亿美元制造、开发、生产和部署合同，在夸贾林环礁上建造第一个太空篱笆站点。2016年10月夸贾林“太空篱笆”施工航拍照片如图1所示。

“太空篱笆”雷达站最终确定的建设站点为2个，另一部位于澳大利亚西部，其发展历程如表1所示。

图1 2016年10月12日施工过程航拍照片

表1 “太空篱笆”系统发展历程

夸贾林“太空篱笆”系统已于2019年底开始具备初始运行能力，第二套“太空篱笆”系统计划于2021年完成。

2 “太空篱笆”系统概述

2.1 系统组成

与原有“电子篱笆”铺设长达数千米的天线阵列不同，“太空篱笆”采用收发分置的大型相控阵雷达体制，并以全数字化运行，波束合成灵活、准确，覆盖的空域更广、探测精度更高，同时具备搜索、跟踪能力[1]。发射机采用两维相扫+数字波束的工作模式，发射垂直于当地水平面的搜索波束，工作频率3.5 GHz，发射阵元36000个，发射峰值功率2.69 MW，平均功率0.81 MW，发射天线增益30 d B，在东西经度方向具有宽波束，在南北纬度方向上为窄波束。接收采用数字波束形成技术形成（同时多波束）接收窄波束群，覆盖发射扇形区域。接收阵元86000个，接收天线增益58dB。除发射机和接收机外，系统还配套三部柴油发电机、冷却机组、液体冷却系统的泵站以及雷达天线的校准塔[2]。夸贾林“太空篱笆”雷达系统组成如图2所示。

根据设计要求，“太空篱笆”系统能探测跟踪超过20万个直径大于5 cm的太空目标。除搜索波束外，太空篱笆还设计了跟踪波束，以便同时满足发现和跟踪任务要求。“太空篱笆”由驻扎在亚拉巴马州亨茨维尔的第20太空控制中队负责运行，将观测数据发送到设在加利福尼亚州范登堡空军基地的第18太空控制中队进行太空目标编目维护。计划中2套“太空篱笆”系统通过GIG网络将观测数据汇入军方“太空监视网”，发送到太空联盟作战中心任务系统（JMS）处理，“太空篱笆”系统关系如图3所示。

图2 夸贾林“太空篱笆”雷达系统组成

图3 “太空篱笆”系统关系图

2.2 系统功能

“太空篱笆”系统频段由“电子篱笆”系统的VHF波段提升到S波段，更高的频率可提供更好的精度和分辨率。根据洛克希德·马丁公司展示的雷达功能，“太空篱笆”系统主要包括以下功能[3-4]：

1）探测、跟踪和识别。“太空篱笆”是专用型太空目标监视装备。美国现有太空搜索捕获雷达8部，其中专用雷达1部，兼用远程导弹预警雷达7部。目标精密跟踪测量雷达10部，但对弱小目标（尺寸小于5 cm）的探测识别能力依然不足，“太空篱笆”系统正是为解决小目标探测需求而提出的。对于低轨道目标，“太空篱笆”系统采用大型扇面进行普查，对于中高轨目标，“太空篱笆”系统采用微型扇面、增程模式以保持较高的天线增益捕获目标。

2）威胁预警和评估。对潜在攻击、实际攻击、太空环境效应以及太空系统异常进行预测和区分，“太空篱笆”能够协助系统完成该任务。

3）情报特征收集。确定当前和未来的国外太空资产和太空攻击系统的性能和特征，以及他国在太空中对美方的不利意图。

4）数据集成。能够将多源数据关联并集成到单一太空作战态势图中，并利用“太空篱笆”系统开展碰撞预警、目标识别、碎片演化等工作。“太空篱笆”原型控制中心作战视图如图4所示。

图4 洛克希德·马丁公司展示的“太空篱笆”系统

3 研判分析

据《航天新闻》3月28日报道，美国天军3月27日宣布，经5年建设，“太空篱笆”太空监视雷达已可投入使用[5]。针对这一消息，结合开源编目数据，对“太空篱笆”的启用时间、探测能力、工作体制以及探测编目贡献度进行了综合研判分析。

3.1 启用时间分析

依据公开报道，夸贾林“太空篱笆”从2019年12月开始试运行，但通过数据分析，“太空篱笆”实际从2019年11月初起便开始参与太空目标定轨编目。从2019年11月1—20日，“太空篱笆”每天低轨编目条数平均为800～900条，从21日开始，低轨编目条数上升到日平均约1900条。至2020年1月底，低轨编目条数稳定在日平均3000～3300条，太空目标编目能力稳步上升。

综上所述，“太空篱笆”参与编目定轨任务时间为2019年11月初，而非报道称2019年12月才开始试运行，参与编目时间及编目数量如图5所示。

图5 “太空篱笆”开始编目时间与编目数量统计

3.2 探测能力分析

“太空篱笆”对低轨编目目标的空间分布情况如图6～7所示。

图6 “太空篱笆”低轨编目目标纬度-高度分布

从纬度分布上看，最明显的特点是形成了2个典型分布区域，其中心分别在北纬6°和北纬11°附近；从高度上看，则是不同高度编目数量不同，这与太空目标的轨道高度分布相关。

从经度分布上看，在低轨1000 km高度，低轨编目目标主要分布在东经153°～西经183°，通过换算，波束经度方向上的张角约为120°。根据图6纬度方向上目标的分布，大致估算出纬度方向上的张角约为10°，形成了东西长、南北窄的搜索探测能力。

3.3 工作体制分析

图7 “太空篱笆”编目目标经度-高度分布

对于“太空篱笆”这种普测性雷达来说，其在搜索屏设置上不同于“电子篱笆”的单屏体制，研判其采用的搜索体制为同时双屏体制。这种搜索体制要求发射天线发出2个有一定夹角的指向天顶方向两侧V型扇面。当目标先后穿越2个屏后，可分别被捕获，并根据获得目标位置和时间实现初轨确定。夸贾林“太空篱笆”编目目标在经度-纬度上的分布如图8所示。

图8 “太空篱笆”编目目标经度-纬度分布

从图8中可以看出，编目目标形成2个分布区域，这主要就是与雷达搜索屏的设置相关。同样根据编目目标分布，大致估计出2个搜索屏的张角在5°左右。

3.4 编目贡献度分析

从2019年11月1日到2020年1月31日，“太空篱笆”编目条数从每天平均800余条增加到3000余条，编目能力不断提升，对低轨目标的编目贡献度从5%上升到最高17.5%，如图9所示。

初步分析，这只是“太空篱笆”试运行阶段的低轨编目贡献度情况，随着正式运行，其对太空微小目标探测能力的不断增强，探测编目数量将快速提升，其编目贡献度将不断提高。

4 结束语

图9 夸贾林“太空篱笆”低轨编目贡献度占比

美国通过全球布站，联合国家情报部门，联合商业力量和盟国，并广泛开展国际合作，实现了感知信息跨军种、跨机构、跨国界无缝隙流动汇聚，保持了太空目标监视力量的弹性运行和敏捷可靠，并在探测目标数量、时效性、精度等方面保持领先。随着“太空篱笆”的启用，美国在太空态势感知领域的领先优势将进一步拉大，主要体现在：

1）太空目标编目能力差距拉大。“太空篱笆”系统部署完成后，能够探测尺寸大于5 cm的太空目标，其目标编目数量将达到15～20万，比现有编目目标数量提高了一个数量级，使美军碰撞预警、及时发现空间异常、掌握太空主动权的能力得到保障。

2）太空态势感知时效性进一步增强。尽管美军已经实现了全球部署和天地联合观测，但从地理分布来看，现有探测雷达系统大多位于北半球和西半球，影响了太空态势感知的整体效能。“太空篱笆”系统的部署将极大增强美国对东半球和南半球的监视能力，提高太空态势感知的时效性。

3）随着第2套“太空篱笆”系统的部署，“太空篱笆”与太空监视网的其它数据整合，可进一步增强对太空态势的异动感知能力。