1 引言

近年来，伴随着临近空间领域陆续取得技术上重大突破，临近空间目标大量涌现、军事化应用日益增强，特别是临近空间超高速目标以其速度快、航程远、突防能力强等特点，越来越受到各国的高度重视，成为新型战略威胁。

进入21世纪，高超声速技术已经从概念和原理技术试验阶段，进入了以高超声速巡航导弹、高超声速助推-滑翔飞行器和轨道再入飞行器等为应用背景的原理样机设计和飞行试验阶段。当前，以美国为代表的，包括俄罗斯、法国、德国、日本、印度和澳大利亚等多个国家在内的技术大国已陆续取得了技术上的重大突破，并相继进行了地面试验和飞行试验。资料显示美国在2020年后可实现最大速度为25马赫的弹头，目前大部分高超声速飞行器的速度介于5-25马赫之间。

临近空间高超声速飞行器活动高度范围比较广，100千米以下都是其活动范围；横向机动性较强，可实现大于15g的过载机动；航程远，1000千米-16000千米之间，善于快速远程突击作战；受等离子鞘套影响，可能会对电磁波有吸收、折射、衰减的作用，具有隐身化的特点。

综上，临近空间高超声速飞行器是一种新兴的、超远程的高速飞行武器。由于其目标特性与传统空气动力目标以及弹道导弹目标等有明显的不同，导致现役的预警探测系统难以对该类目标实施有效的监视预警。

本文首先阐述了现有临近空间高超声速目标的特点及种类划分，根据其特性指出雷达探测难点。在搜集整理国外现有临近空间高超声速目标探测装备的基础上，对雷达探测关键技术进行分析，提出了临近空间高超声速目标预警探测系统的初步构想。

2 临近空间高超声速飞行器分类

临近空间高超声速飞行器根据其飞行和作战模式的不同，主要分为助推-跳跃（滑翔）飞行器、高超声速巡航飞行器以及轨道-再入飞行器。根据动力形式的不同，主要分为火箭发动机式和吸气式两种，当前主要采用冲压发动机，根据飞行速度的不同选择亚燃冲压或超燃冲压发动机。根据发射平台的不同主要分为空基平台、海基平台和陆基平台。

表1国外典型临近空间飞行器对比表

3 临近空间高超声速飞行器探测难点

临近空间高超声速飞行器的气动布局和弹道特性给目标探测带来了相当的困难。同时现有的防空预警网探测高度范围，反导预警系统监视区域有限，也难以对其进行全程跟踪。具体地：

（1）临近空间高超声速高机动飞行器的楔形“乘波体”构型，有效减小目标的电磁波后向散射，对探测雷达的小目标远程探测能力提出了要求。

（2）临近空间高超声速高机动飞行器的高机动飞行能力和复杂的飞行轨迹，对探测雷达的高概率检测和连续跟踪能力提出了要求。

（3）临近空间高超声速高机动飞行器的“等离子鞘套”，对探测雷达的频段选择提出了要求。

（4）临近空间高超声速高机动飞行器具有多样的目标类型，要在短时间内实现可靠识别，目标/目标群的高精度分辨，并剔除诱饵等影响，对雷达的瞬时信号带宽和宽带宽角扫描范围提出了相当高的要求。

综上所述，对于临近空间飞行器，现役或在研的预警探测雷达都很难解决上述诸多难点，因此必须在相应探测系统的体系构架、实现体制、工作方式、核心信号处理算法、搜索/跟踪/识别多功能集成技术、以及具体的雷达应用平台等方面开展深入研究，解决未来临近空间目标预警探测系统的技术瓶颈。

4 临近空间高超声速飞行器预警探测系统发展现状

临近空间高超声速目标探测技术，主要用于实现对临近空间高超声速飞行器的搜索、截获、跟踪和识别等功能，完成对其全方位监视预警和威胁评估，并在必要时引导防空武器实施有效拦截。

目前各国均没有专门针对临空高超声速目标的预警探测体系，美俄等国借助已有的战略预警系统，开展高速威胁目标的预警探测网建设。

美国一直十分重视预警系统的建设，已建成以空军防空力量为主体，空天一体，陆海空三军联合的预警系统。防空预警系统主要由北方预警系统（主要负责对来袭轰炸机和巡航导弹的预警，可对来袭轰炸机提供3小时的预警时间）、联合监视系统（主要负责国土防空预警、反恐预警和空中管制）、超视距雷达系统（与空中预警机配合，实现提前发现和为境外拦截提供空中目标情报信息，同时可与大型相控阵雷达协同，执行战略预警任务）和空基预警系统四部分组成。

反导预警系统可对全球范围内的中远程和洲际弹道导弹实施早期预警，具体工作流程如下：首先红外预警卫星发现来袭目标，并将目标跟踪报告上报至C2BMC和战略司令部，C2BMC系统根据目标报告制定作战计划，同时将卫星获取的目标跟踪信息发送至FBX-T，并且指定机载激光器尽可能地进行初始段首次拦截。前置部署的X波段雷达（FBX-T）自主搜索或接收红外预警卫星的指示，对助推段的弹道导弹进行识别跟踪，同时评估助推段拦截效果，若拦截不成功，FBX-T雷达将跟踪报告上报至C2BMC系统。C2BMC系统将FBX-T的跟踪报告发送至GMD火控系统（GMD Fire Control，GFC），并且根据“宙斯盾”的部署情况，将目标信息传送给“宙斯盾”系统。“宙斯盾”反馈目标信息至C2BMC，C2BMC将“宙斯盾”的跟踪信息发送至GFC，GFC将引导信息发送UEWR。UEWR对雷达视距内的助推末端和中段飞行的弹道导弹进行探测和连续跟踪，对弹道导弹目标进行定轨、落点预报以及粗识别，然后将目标信息传送给GFC系统，GFC发送引导信息给SBX。海基多功能雷达（SBX）在远程预警雷达识别信息的引导下对导弹进行截获、跟踪和精确测轨，并将跟踪报告反馈给GFC，GFC向发射指挥装备（Command Launch Equipment，CLE）发送作战武器任务计划，CLE发送作战任务数据包到地基拦截弹通信系统，地基拦截弹发射同时将发射参数报告上传至GFC系统，GBI飞行中的位置数据直接由弹上GPS下传至在飞拦截弹通信系统（IFICs），GFC通过在飞拦截弹通信系统数据终端（IFICS Data Terminal，IDT）将在飞目标更新数据（In-Flight Target Update，IFTUs）发送至地基拦截弹。同时，海基多功能雷达不断对目标群进行识别和跟踪，同时不断对拦截弹进行修正，在拦截弹到达其传感器处理范围后其红外导引头识别处理，然后进行第二次拦截，SBX对拦截效果进行评估，并且将评估报告发送至GFC。若地基拦截弹拦截失败，且当目标飞行在“宙斯盾”AN/SPY-1雷达探测范围外时，SBX将直接作为“宙斯盾”拦截系统的火控和制导雷达使用，将引导标准-3拦截弹的导引头搜索目标，当目标进入拦截弹传感器处理范围后其红外导引头进行识别处理，然后根据识别信息，控制引导标准3（SM-3）拦截弹进行第三次拦截，并实时评估拦截效果。若仍不成功，“宙斯盾”系统可通过上行数据链路将雷达获取的目标信息传送至末端高层拦击系统，为其他作战雷达提供信息，同时上报C2BMC系统。

图 1 AN/FPS -115雷达图2 AN/FPS -132雷达

图2 美国战略反导系统图

为了应对不断发展的高空高速巡航导弹和高超声速无人机，美国将对现有的防空预警系统和反导预警系统进行发展和改进，一方面加强一体化防空反导系统建设，另一方面将反导预警系统的作战对象从弹道导弹扩大到高空高超声速目标。例如研制陆基防空反导雷达（3DELRR）替代目前的TPS-75等防空雷达。

图3 3DELRR概念图及原理样机

俄罗斯（前苏联）也在弹道导弹探测领域开展了长期研究，并研制和部署了“鸡笼”、达里亚尔、伏尔加和瓦伦聂日等多套远程预警相控阵雷达，能够实现对莫斯科周边地区的弹道导弹预警。近几年，俄罗斯研制了新型的Nebo-M反导雷达设施系统，该雷达系统具备多量程、可编程、多波段特点，能够在强干扰背景下探测小型空气动力目标和超音速目标。由于临近空间高速飞行器通常具有部分弹道飞行器的目标特性，因此上述探测体系的搭建，使得国外在相关探测体系构架方面积累了大量的研究成果和实际运行经验，为临空高超声速目标探测体系建设奠定了基础。

图4 沃罗涅日-DM雷达

俄罗斯正致力于进一步加强统一的空天防御系统建设，从2000年开始，对早期的预警系统进行修复和更新，不断升级各种导弹预警卫星、侦察卫星，并且与地基雷达站相互配合协同，形成一个环形防御整体，控制俄罗斯整个战略区域，除了进行弹道导弹预警以外，还具备较强的探测隐身目标和高空高速目标能力。

图5 俄罗斯新研的防空反导系统“天空-M”

对比美俄战略预警系统，基于诸多海外基地及海基平台，美国致力于更早期、预警时间更长的全球预警监视系统建设。俄罗斯虽然系统能力不及美国，也基本实现了国土全境对外反导预警体系建设。此外，美俄都在发展具备防空和战术反导能力的新一代预警监视装备，同时也可弥补高空高速目标防御能力的不足。

5 临近空间高超声速目标预警探测系统能力建设

临空目标工作于防空预警和反导预警的交界处，需要防空预警和反导预警的一体化协同工作，建设一体化系统：

早期预警：天基预警（红外、雷达）、平流层预警监视系统、机载预警、海基平台预警系统；

国土预警：多功能地基雷达。

根据对临近空间目标特性分析、作战需求以及探测、打击能力现状的研究，临近空间高超声速目标预警探测系统需要具备以下能力：

（1）远程探测能力

远程探测能力是指探测装备能够探测到临近空间高速目标的最大威力，威力越大，提供的预警时间越长，留给拦截系统的时间也就越多，拦截的成功率也越大。地面雷达受视距限制，对20千米高度的目标最远探测距离为600千米，对100千米高度的目标最远探测距离为1300千米。天基雷达探测临近空间高速目标受轨道高度和功率孔径积限制，800千米低轨道天基雷达威力应至少达到3000千米。

（2）大范围截获能力

大范围截获能力是指雷达的空域覆盖范围，包括高度覆盖和仰角覆盖。临近空间目标不同于常规空气动力目标，对其探测的连续性非常重要。因此必须保证探测设备能够在20-100千米进行高度覆盖，且仰角覆盖至少达到70°。

（3）及时态势更新能力

及时态势更新能力是指在一定时间间隔内对观测范围内的目标进行数据更新，态势更新率越高，对空天态势的反应越及时。针对临近空间高超声速目标，数据率至少需要1秒。临近空间目标多为无人驾驶飞行器，跟踪滤波算法处理的加速度容限在15g左右。

（4）连续跟踪能力

连续跟踪能力是指临近空间高速目标预警探测系统连续跟踪目标的距离或时间。由于临近空间目标本身具有的高速、高机动特定，这就要求预警探测系统必须能够对目标持续进行探测，多型装备之间的交接必须通过波束交接，不能够类似反导预警系统通过预测弹道而进行的预报交接。

6 临近空间高超声速目标预警系统关键技术

（1）临近空间高超声速目标电磁特性分析技术

雷达对临近空间高超声速目标的探测实质上是对“本体-等离子鞘套”这种特殊目标的探测，这种特殊目标的目标特性本身随目标速度、高度、空气密度和雷达频率而变化；同时，其回波也不单纯是目标本体产生的回波模型，而是由目标本体与等离子鞘套共同产生的时变回波。需要准确认识雷达电磁波与“本体-等离子鞘套”相互作用的机理，掌握“本体-等离子鞘套”对雷达电磁波反射回波的基本规律，确定合理的雷达体制，选择有效的工作频段、波形设计和信号处理方法。

（2）凝视探测技术

临近空间目标飞行速度快、有一定的机动能力，且攻击来向具有不确定性，若采用传统针状窄波束扫描，则被探测目标可能穿越雷达波束。凝视探测技术可防止目标高速运动带来的穿越波束问题。凝视探测雷达发射宽波束，而接收采用同时多窄波束覆盖同一区域，如下图所示。

图6 宽波束发射多波束接收

由于发射波束宽，可防止目标跨波束。但凝视探测时的发射天线增益下降，为弥补发射天线增益下降对雷达威力的影响，须对多个回波进行积累。

（3）跨距离单元跨多普勒单元回波长时间相参积累技术

探测临近空间高超声速目标的凝视雷达由于要进行较长时间积累，目标在积累时间内有可能跨距离单元，需要解决长时间相参积累引起的目标跨距离单元问题，即距离补偿。距离补偿就是将不同周期的脉冲回波的包络进行对齐。

对临近空间高超声速目标长时间积累时，目标可能有机动和加速度，即使是匀速目标也会因为与雷达视线的夹角发生变化而造成目标跨多普勒单元。此时，目标的回波变为非平稳信号（线性调频信号或更复杂的时间高阶多项式信号），基于单频率分量的傅里叶变换已不能将各个回波脉冲调整到同相。需要通过广义Keystone变换等算法来校正距离走动。

（4）高速机动目标跟踪技术

临近空间高超声速飞行器为了增大射程，通常采用弹道优化设计方案，在高低方向具有“跳跃”特征，即临近空间目标具有一定的机动性。

由于临近空间目标速度快且有一定的机动性，故要求雷达具有跟踪高速机动目标的能力。运动目标的机动会使雷达跟踪的性能恶化，可考虑采用基于多机动模型和交互多模型及其改进算法对临近空间高速机动目标进行跟踪。

7 结论

临近空间在整个太空安全中的战略地位越来越重要，临近空间武器的部署应用提升了空间军事系统的作战效能，增强了空间武器的战术作战能力。

根据临近空间目标的特点和作战样式，对临近空间目标的预警不可能利用单部装备完成，需要天基、空基、地基、海基等探测手段综合，在空间上形成域、簇、节点的分布式布站，依靠“网络化构架”提升对临空目标的预警能力。依靠网络化、分布式部署，实现光电探测装备对部分雷达探测区域的重复覆盖。这使得预警探测装备必须按照体系的观点综合集成，构建预警探测体系，才有可能取得战场全频谱控制能力，夺取制信息权，建立和保持战场军事信息优势。（来源：雷达前沿瞭望）