未来战争作战空间将逐步从陆地、海上、空中向临近空间和太空拓展,空天打击已成为国家安全的重大威胁之一。以美国为代表的军事强国正在持续推动导弹防御体系的升级,分别在2019年和2022年两次发布《导弹防御评估报告》,并公布了导弹防御2.0体系架构
在之前的导弹防御1.0体系架构中,弹道导弹主动段主要由天基红外导弹预警卫星系统进行早期发现;在中段将综合运用海基预警雷达、地基中段防御系统等传感器和武器系统进行探测拦截;由宙斯盾导弹防御系统完成末段高层拦截;由爱国者系统完成末段低层拦截。2021年,美国导弹防御局公布了新版战略远景文件,介绍了美国导弹防御体系架构的新版概念,即美国导弹防御系统2.0体系架构。
美军调整导弹防御体系架构的动因主要包括:未来作战重点由反恐、朝鲜等“流氓国家”调整为中、俄等军事强国;同时将传统的弹道导弹防御体系逐步拓展为导弹防御体系,即将临近空间高超声速武器、巡航导弹等目标逐步纳入体系的防御对象;由“两段三层”向“多段多层”扩展,逐步丰富拦截层次。
导弹防御2.0架构的主要特点包括:
(1)在弹道导弹/高超武器主动段,将天基红外系统升级为持续过顶红外(OPIR)系统,由OPIR系统和前置的TPYISPY完成主动段发现任务,由新研的上升段拦截弹完成拦截。
(2)在弹道导弹中段,主要采用地基雷达完成中段的跟踪识别任务,由标准-3和下一代拦截弹NGI完成拦截任务。
(3)在高超武器的巡航段/滑翔段,由新研的天基高超声速与弹道导弹踉踪传感器(HBTSS)完成持续探测跟踪,并由新研的高超滑翔段拦截弹完成拦截。
在末段,综合运用陆/海基宙斯盾、萨德等系统实施探测和拦截,并由天基杀伤评估系统(SKA)进行拦截评估。
而针对不同阶段不同目标的特点,美军指出了相应的技术发展重点:
在弹道导弹/高超武器主动段,拦截的基础是高精度的持续跟踪,依靠跟踪生成的目标轨迹来为拦截武器提供续稳定的引导信息,而高精度的跟踪主要以传感器的探测精度、主动段运动模型的精度以及高效的滤波算法为前提。
同时考虑到主动段拦截的时效性要求,星载传感器产生的数据必须在星上实现处理。在功能上,星上处理需具备数据压缩、传感器校准、杂波滤除、门限自适应调整、预检测、轨迹生成等任务,星上可实现时域多帧串行处理与多谱段并行数据处理任务
在弹道导弹中段,目标导弹会同时释放出弹头、诱饵来对防御系统进行迷惑。此时,诱饵、碎片、母舱以及残骸等伴飞物将在弹道附近围绕真实弹头高速运动,形成一个较为密集的中段目标群,其最大扩散范围可达几公里。因此中段目标群给预警探测系统带来了巨大挑战。一方面,在传感器的观测角度上,多目标之间空间关系相互遮挡且高速动态变化,使得预警处理系统产生目标轨迹的误关联,降低多目标跟踪的准确性和有效性;另一方面,在像平面上呈现出簇状光斑从而引起不可分辨测量,降低传感器的量测质量和目标的可观测性。
同时,在弹道导弹中段飞行过程中,受到轨道动力学的限制,单个天基传感器往往只具备极短的观测时间窗口,必须通过多个传感器的调度协同与接力跟踪,才能实现对目标的全程稳定观测。在多目标集火攻击场景下,威胁目标、传感器与火力之间高速相对运动,不同传感器对不同目标的观测窗口动态变化,必须通过多传感器调度协同,高速动态匹配传感器——火力——威胁目标三者之间的关系,实现多传感器与火力之间的调度与互操作。
另外,随着诱饵技术日趋先进和复杂,各型诱饵与弹头之间的差别极小,因此弹头/诱饵识别技术也是发展的重点。
在高超滑翔段,由于要对处于滑翔段的临近空间高超声速武器实施拦截,核心难点是实现对高超武器的高精度稳定跟踪。与弹道导弹相比,高超武器的机动性更强。其运动模式多变,难以用一种数学模型描述其完整生命周期内多种运动特性,而目标轨迹的精密确定,通常建立在目标模型与运动模式准确匹配的基础上。由于高超武器的运动存在随机不确定性,使得不同运动模式与动力学模型之间的转换具有备偶发性、突然性与不可预测性。一旦运动模式与动力学模型失配,将会导致跟踪误差迅速发散甚至目标丢失,无法完成目标跟踪任务。有研究认为,针对这个问题,可以考虑通过分析目标不同阶段的运动特性,建立基于运动学模型的单阶段目标机动模型;同时分析目标的机动特点以及不同机动模型的差异性,结合目标机动的先验知识和动态信息,建立动态交互多模型,覆盖目标全部运动模式,最后通过多模型切换实现对高超武器全生命周期的动力学特性建模。
在末段拦截方面,导弹防御2.0体系架构重点突出/天基杀伤评估系统的运用。天基杀伤评估系统主要用于解决以下几个方面的问题:确定是否拦截目标;确定拦截目标的类型(常规弹头、核弹头、生化弹头或诱饵);确定是否是正面撞击;确定目标是否被摧毁。其评估机理主要是利用爆炸强度、激波、破片云、材料气化等光学特征和时序动态,评估毁伤效果,判断弹头类型。杀伤评估的主要难点包括观测的传感器、核心数据库和评估模型与算法三个方面。
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