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解读萨德反导系统的雷达探测距离

微波射频网mp
2017-02-17
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末段高空区域防御系统(Terminal High Altitude Area Defense,THAAD,汉译萨德)是美国导弹防御局和美国陆军隶下的陆基战区反导系统,一般简称为萨德反导系统。

THAAD作为专门用于对付大规模弹道导弹袭击的防御系统,其独特优势是在防御大规模导弹威胁的同时, 为作战部队提供更加灵活的使用选择。其目的不是取代而是补充MIM-104防空导弹以及海军宙斯盾弹道导弹防御系统、 陆基中段防御系统和美国在世界各地部署的预警雷达与传感器,从而使美军具备多层弹道导弹防御能力,是战略性进攻武器 。2016年7月8日美国和韩国正式宣布将在韩国部署THAAD,引发韩国国内巨大争议以及本地区国家强烈不满。

THAAD的标准雷达配置是一台AN/TPY-2 X波段固体有源多功能相控阵雷达,是世界上性能最强的陆基机动反导探测雷达之一。该雷达警戒距离远,兼顾战略与战术,天线阵面积为9.2平方米,安装有30464个天线单元,方位角机械转动范围-178°~+178°,俯仰角机械转动范围0°~90°,但天线的电扫范围,俯仰角及方位角均为0°~50°。而关于TPY-2雷达的探测范围,众所纷纭。

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康奈尔大学和平与冲突研究所的学者所写的文章。文中举出了许多种关于TPY-2雷达探测范围的说法。可以供我们参考。原文如下:

文章主要对最近美国将在韩国部署THAAD的TPY-2 雷达的探测范围进行分析。中国认为THAAD雷达将深入探测中国境内,反对部署者认为雷达的探测范围有限。

众所周知,THAAD使用X波段的AN / TPY-2雷达,拥有2种部署模式:末端部署模式(Terminal Mode, TM),此时AN / TPY-2雷达作为THAAD系统的火控雷达,还有一种前置部署模式(Forward-Based Mode, FBM),此时AN / TPY-2雷达将会追踪辨别目标,然后将数据传递给远程的反导系统,例如GMD系统。

如果THAAD部署到韩国,美国声称其TPY-2雷达将处于TM部署模式。由于使用TM模式,雷达探测范围据报道只有600km,所以THAAD的支持者认为,其能够覆盖朝鲜,却无法深入探测中国。批评人士指出:FBM模式下雷达具有更大的探测距离,而且2个模式相互切换只需要不到8小时。根据美国陆军手册,“两种模式使用的硬件相同,只是它们的控制软件、操作逻辑和通信系统等不同[1] 。此外,雷达的移动能力非常强,可以用运输机空运,在4小时内完成部署。

从相关报道看,各媒体披露的TPY-2雷达探测距离存在较大差异,最大差异近五倍。如果这些数据为同一个目标和相同的雷达工作参数,那么雷达的探测能力差别约为5^4 = 625。显然,这些提法的前提条件是不同的。

为了分析探测范围如何受雷达参数的影响,本文将会从低到高的数据分析TPY-2雷达的探测范围。这些说法的参数比较复杂,许多说法缺乏达到所述距离所需的条件。结果表明:在雷达操作已知时,并考虑目标的性质,大致的变化范围是一致的。因此,断章取义的应用雷达探测范围将会造成误导。

下面指出不同之说法:

(1)几百英里

我们可以看见,最短的探测距离数据是TPY-2雷达的制造公司雷声的数据:“能在几百英里外追踪球场上的本垒打”[2] ,如果我们那300英里来替代几百英里,那么数据将是480公里。如果,棒球本垒打高度44,000 feet那么是可以被观测到的(实际当然不可能如此高)。棒球(直径2.9英寸)的RCS大概是0.004 m⊃2;,虽然这个RCS是可能的,但是低于通常计算使用的RCS值,如果我们把RCS值放大到0.01m⊃2;,通过计算,探测距离大概是600km,这个探测范围与韩国新闻报道中引用的TM模式探测范围一致。

(2)600km

这是韩国媒体报道的TM模式的探测距离。2015年2月韩国媒体朝鲜日报提到一位政府官员说,TM模式的有效探测范围为600公里[3]。2015年4月,韩国给出了TM模式下雷达的这个探测范围,援引了美国的技术报告[4]。

(3)870km

这是2012年9月21日的博客(乔治·刘易斯和Theodore Postol)的博文中给出的探测范围估计。我将使用这个帖子作为讨论的基础,因为它包含雷达探测范围计算中使用的所有参数的值。这个链接是:https://mostlymissiledefense.com/2012/09/21/ballistic-missile-defense-radar-range-calculations-for-the-antpy-2-x-band-and-nas-proposed-gbx-雷达九月-21-2012 /#更-420

(4)1500km

2013年美国国家科学院(NAS)报告中提到,TPY-2雷达跟踪范围是半径1500km[5],NAS的咨询组还指出1500km的数据是保守的。[6]。

(5)大于1732km

NAS专家组指出:如果S / N从20降低到12.4,驻留时间从0.1 s增加到1.0 s,使用Lewis和Postol的参数将会得到1732km的探测距离[7]。 他们进一步指出,如果使用其他参数,而不是(3)中的值,则探测范围将更大。

(6)1800km-2000km

韩国出版社给出的TPY-2雷达的FBM模式的探测距离,资料来源与(2)相同。

(7)大于2900km

在2008年,MDC副主任Patrick O'Reilly少将表示:TPY-2雷达探测距离大于1800英里(1,800英里= 2,900公里)[8]。

(8)3000km

根据乔治·刘易斯和西奥多·波斯托尔的计算[9] ,这个探测范围在韩国报纸上出版的一幅图中可以看见。

TPY-2雷达对中国导弹发射点的追踪曲线TPY-2雷达对中国导弹发射点的追踪曲线

为什么我们可以看到如此多的差异巨大的探测数据呢?因为假设的雷达部署模式与目标特性不同。

以上述的(3)中的870 km基础开始讨论。这里所使用的关键性假设数据是:目标的RCS是0.01m⊃2;;每个目标在雷达上的停留时间是0.1s(雷达在每个波束位置上花费的时间);用于探测的信噪比(S / N)S / N = 20[10]。 其他参数为雷达平均功率= 81,000 W,天线孔径= 9.2平方米,天线增益= 103,000,雷达系统温度= 400 K,雷达系统损耗= 6.3.结果是:雷达可以在870km内追踪进入范围的10个目标,每秒对每个目标测量探测一次,或者100个进入范围的目标,每10秒一次测量探测[11]。对于目标停留0.1s的假设是有些任意的,而且并不一定匹配实际部署的TM和FBM模式。

现在考虑(1)(2)的探测数据。这些数据明显看出与TPY-2雷达的TM模式相关,其所述的探测距离都为600km,这么短的探测数据是否合理呢?在TM模式下,所针对的目标通常是单一的战斗部或者整枚导弹(虽然在某些情况下,目标可能在它们到达其轨迹的峰值之前被探测到到),除非目标是翻滚的,否则它们通常将被视为接近迎头观测,使得它们的RCS可能相对较低。

因此,在基础假设的0.01平方米RCS似乎是适当的,虽然它可以更低。

在这种模式下,TPY-2雷达作为THAAD的火控雷达,雷达可能必须同时处理几十个甚至上百个或更多的目标。此外,雷达还需要对新目标进行连续监视(搜索)。因此,这种模式中的探测范围将小于(3)中的估计,并且达到600km似乎是可能的,这将不令人惊讶。

现在让我们来看看美国国家科学院报告的(4)和(5)中得到的1,500km和1,732+km的探测范围。在美国国家科学院报告中使用的雷达和目标参数是绝密的。然而从(5)里可以看出,相对于(3)的870km,大部分数据的差异原因是更长的停留时间,在1732+km时可以看出,目标的停留时间是(3)的10倍——1s,这就是为什么探测距离增加1.78倍的原因。也就是说,增加的探测距离是以探测的目标数量减少10倍,或花在每个目标的探测时间多10倍为代价获得的(或者两者皆有),和(3)一样,这些探测距离没有考虑监视新目标的要求(假设雷达靠其他传感器获得精确的目标轨迹,因此无需靠自身探测)

花在每个目标上的停留时间更长,这可能和(6)中FBM模式下,探测距离1800km-2000km的情况相似。在FBM模式下,雷达主要用于在更远的范围探测数量较少,处于飞行初期,射程较远的长程导弹。然而,似乎在FBM模式下,雷达也有监视目标的要求,这意味着探测距离将缩短。另一方面,MDA和雷声对TPY-2雷达的描述强调:它旨在弹道导弹的升空阶段进行追踪。在TPY-2雷达工作的X波段(大概10GHz),弹道导弹的上升段将会比弹头有更大的RCS。例如,2003年美国物理学会助推段研究使用的固体燃料导弹的RCS是0.094m⊃2;(液体燃料导弹假设为0.45m⊃2;)[12]。如果假定的RCS值如此之大(比(3)中目标假设的0.01m⊃2;还要大9.4到45倍),1800到2000公里的探测距离还是可以在停留时间比(4)和(5)中NAS模式更少的情况下达到,尽管雷达半数的时间都用于监视。最后,如果加入一个助推段跟踪假设(目标雷达截面= 0.1平方米)与更长的停留时间(0.1秒)结合起来,并且没有监视要求,那么范围就像O'Reilly将军所引用的2,900+ )或从路易斯和Postol在(8)中的3,000公里。

上述讨论表明,虽然美国称THAAD在其预期的TM模式下探测范围有限的论调貌似可信,但是中国觉得该雷达能够探测其本土导弹的论调也同样成立。虽然中国能够监视雷达的部署模式,但是并没有任何技术或法律手段可以阻止其快速在FBM和TM模式之间切换。

参考:THAAD雷达的探测范围 http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404067099977872077#_0

来源:电波之矛

参考文献

[1] Quotation from: Park Hyun, “Pentagon Document Confirms THAAD’s Eight-Hour Conversion Time,” June 3, 2015. Available at: http://english.hani.co.kr/arti/english_edition/e_international/694082.html.

[2] Raytheon Company, “Sharp Eyes for Missile Defense – Bus-size Radar Rolls Like a Truck, Sees Like a Hawk,” August 26, 2015, Available at: http://www.raytheon.com/news/feature/an_tpy2_radar_behind_headlines.html.

[3] “U.S. Seeks Compromise Over Missile Defense System,” The Chosun Ilbo (English Edition), February 24, 2015. Available at: http://english.chosun.com/site/data/html_dir/2015/02/24/2015022400979.html.

[4] Cited in: “News Analysis: U.S. Defense Chief’s Visit to Seoul Adds Controversy to THAAD Deployment,” China.org.cn, April 9, 2015.

[5] National Research Council, Making Sense of Ballistic Missile Defense: An Assessment of Concepts and System for U.S. Boost Phase Missile Defense in Comparison to Other Alternatives (Washington, D.C.: National Academies Press, 2012), p. 115. Available at: http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=13189.

[6] Letter sent to Congress by Members of NAS Panel, “Setting the Record Straight – NRC Study Entitled “Making Sense of Ballistic Missile Defense,”” January 11, 2013 (including David Barton, “Attachment 1 – A Brief Rebuttal to Lewis and Postol Radar Claims,” (dated December 31, 2012)).

[7] NAS Panel, “Setting the Record Straight.”

[8] Alan Suderman, “Radar Array Placed in Juneau,” www.juneauempire.com, June 1, 2008.

[9] Park Hyun, “An/TPY-2 Radar Could Track any Chinese ICBMs as They Pass Over the Korean Peninsula,” The Hank Yoreh (English Edition), June 2, 2015. Available at: http://english.hani.co.kr/arti/english_edition/e_international/693916.html.

[10] The other parameters are radar average power = 81,000 W, antenna aperture = 9.2 square meters, antenna gain = 103,000, radar system temperature = 400 K, radar system losses = 6.3.

[11] This also assumes a different beam position is needed for each target.

[12] Report of the American Physical Society Study Group on Boost-Phase Intercept Systems for National Missile Defense, July 2003, Vol. 2., p. 177. Available at: http://journals.aps.org/rmp/pdf/10.1103/RevModPhys.76.S1.

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