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新时期美军天基环境监测能力需求

访问次数: 469 次    作者: 远望智库开源情报中心 书香慧言 编译    发布时间: 2024-01-15

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在所有冲突中,能洞察天气的指挥官将获得战略优势,而那些忽视天气因素的指挥官往往面临灾难性的战役失败。1980年,为营救美国人质,美军特种部队在伊朗实施“鹰爪行动”,此次行动失败的部分原因在于意外发生了的沙尘暴。8名特种兵被杀,人质又被囚禁了七个月。这次行动失败表明了环境监测的重要性。三十多年后,美军成功对本·拉登位于巴基斯坦阿伯塔巴德的住所发动了袭击,这次行动围绕恶劣天气而精心策划。由于预测到会有地面风和雷暴,作战筹划人员将任务推迟了24小时。如果没有准确预测天气,这次任务很可能也会失败。

成功的环境监测需要各种在空中、海上、陆地和太空运行的传感器。其中,天基传感器可以说是最关键的,因为它具有独特的快速、持久广域监视与测量的能力。在偏远地区,这种远距离感知能力尤为重要。天基环境监测(SBEM)卫星对地表任何地方的云量、地面风速与方向、浪高、雪深、土壤湿度等进行建模和预测。

太空作战部长萨尔茨曼上将回忆称,在2003年伊拉克战争中,美军指挥官“在沙尘暴中跟踪机动中的伊拉克军队”,并在风暴结束后用精确弹药对其发动袭击。萨尔茨曼回忆道:“这对(伊拉克)军队造成了毁灭性影响,既有身体上的,也有精神上的”。“他们不知道我们是如何在夜间追踪他们的。当然,这在很大程度上是通过天基情监侦能力以及我们使用的GPS精确弹药实现的。”

得益于气象情报,美军对伊拉克军队享有决定性优势,使美国领导人能够准确地知道何时何地发动袭击。然而今天,美国在保持这一优势方面面临严峻挑战。天基环境监测(SBEM)依赖于国防气象卫星项目(DMSP),该项目于1962年研发,目前已远远超过预期寿命。军界的各级人员都依赖天基环境监测能力,但却不知道这种能力来自这些老旧的国防气象卫星。

国防气象卫星项目(DMSP)在设计和配置时,太空还被认为是一个和平的作战域,它被设计和专门建造成一个高性能、多功能的大型系统。失去一颗卫星就将使目前运行的星座功能减半。如今,随着对手越来越多地争夺太空作战域,需要一套数量更大、更分散的能力来降低风险和提高抵御能力。迅速采取行动的紧迫性显而易见。

2016年,联合需求监督委员会(JROC)发布的天基环境监测卫星架构的资本重组报告,审查了2010年代实施的替代方案分析(AOA),从而选择了电光/红外气象系统(EWS)和微波气象系统后继卫星(WSF-M)项目,以满足现代感知需求。

虽然这项资本重组工作旨在通过更现代化、能力更强的卫星系统提供更好的弹性,但它要求先部署示范卫星,随后再部署更多卫星,以提供满足数、质量要求的天气信息。为了提高重访率和增加近实时的天气数据,需要一个由十几颗或更多卫星组成的星座。增加卫星数量也可以降低敌人可能试图摧毁天基环境监测(SBEM)的能力。重要的是,虽然联合需求监督委员会(JROC)的研究确定了天基环境监测体系架构的核心能力,但这些能力发展计划的制定早于联合全域指挥与控制(JADC2)等概念的出现。

与此同时,领导层正在通过与美国国家海洋和大气管理局(NOAA)以及美国盟友的合作,整合轨道上其他气象传感器的数据,体系性强化美国的天基环境监测(SBEM)能力,从而确保了可在美国卫星空白期访问天气数据,但不是完全替代。美国北方司令部和北美防空司令部司令格伦·范赫克上军警告称,不要依赖在最需要的时候可能无法获得的关键信息来源。如果国防部不能部署自己的现代环境监测能力,指挥官将难以实现任务目标。

一、12项基本天气要求

2009年,美空军确定了12项对执行任务至关重要的天基气象能力缺口,其中大部分能力缺口后来被联合需求监督委员会确认为未来气象卫星的核心需求,如下表所示:

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气象条件将影响战争的各个层面,从战术到战略。环境数据在形成闭合杀伤链方面发挥着重要作用,有助于在正确的时间将正确的射手带到正确的地点,以提供正确的效果。分析人员必须使用图像和数据来确定哪些传感器具有最佳视线,然后在给定天气和环境条件下选择正确的武器。天气数据对于“联合全域指挥与控制”至关重要,它需要接近实时的天气数据,以便开展动态作战筹划并应对新出现的威胁。

在北极和西太平洋这两个美国希望避免发生冲突的地区,来自地面的气象数据很少。因此,天基环境监测(SBEM)对作战和致胜都至关重要。例如,机组人员准备起飞。他们需要了解风速、结冰温度、闪电、云层、能见度、沙尘条件和恶劣天气等。这些因素将影响整个行动,从飞机何时可以起飞和降落到应该使用哪些传感器以及可能消耗哪些弹药。它们还影响重要的保障能力,如搜救和情监侦(ISR)活动。

随着决策周期的加快,整个战区在数小时和数分钟内做出决策的压力越来越大,接近实时的气象数据将变得更加重要。如果没有及时、准确的气象数据来为决策提供信息,指挥官将无法完成任务。在印太战区,美军需要长途运输,并在复杂的气象条件作战,由于缺乏陆基和海基传感器,现有数据无法预测未知情况。而卫星是填补这一能力空白的最有效方法。

二、天基环境监测(SBEM)的挑战和未来需求

作为一套精致、功能齐全的天基环境监测(SBEM)系统,每颗国防气象卫星都有七个传感器,可满足各种气象感知需求。国防气象卫星项目(DMSP)卫星可以“看到”一系列环境因素,从云层覆盖到污染,并收集数据来测量云层类型和高度、陆地和水面温度等。这些卫星甚至可以测量太空中的带电粒子和电磁场,这些因素会影响军用雷达、通信和卫星运营。然而,尽管国防部一直在更新这些卫星,但后续补充已耗尽,最后一颗国防气象卫星项目(DMSP)卫星于2014年发射。过去二十年,两项可能解决这种短缺情况的气象卫星项目被取消,甚至都没有提供运营能力。2010年被取消的国家极地轨道环境卫星系统(NPOESS)及两年后被取消的国防气象卫星系统(DWSS)留下了一个遭破坏的国家安全气象界。2014年,空军发射了一颗经过翻新的20世纪90年代建造的国防气象卫星项目(DMSP)卫星,作为补救解决方案,该卫星在2016年发生灾难性停电后下线。由于没有新的国防气象卫星项目(DMSP)卫星可供发射,空军利用其仅存的已退役的在轨备份国防气象卫星项目(DMSP)卫星来承担主要系统功能,以填补能力空白并满足作战需求。

为了解决这一长期性挑战,空军从2009年开始,确定了天基气象方面的12项潜在关键任务能力缺口。大多数能力缺口后来在联合需求监督委员会(JROC)的研究报告中得到了强调,并且仍然是未来气象卫星运营的核心要求。

三、未来的发展路径

2016年,美空军根据联合需求监督委员会(JROC)提出的要求修订了计划,决定用两个分散型小卫星星座取代单一的国防气象卫星项目(DMSP),这两个星座分别为电光/红外气象系统(EWS)和微波气象系统后继卫星(WSF-M)项目,它们将共同形成所需要的体系模型,从而带来诸多好处:增强弹性和更快速的技术更新,渐进式现代化改造星座。

(一)电光/红外气象系统(EWS)项目

电光/红外气象系统(EWS)的云特征传感器功能对于支持飞行操作至关重要,从了解飞机传感器的能见度到确定机翼结冰条件。表征云层也是了解导弹预警时间表以及向部署部队、盟国和伙伴国及时提供导弹预警能力的基础。

太空系统司令部空间传感项目执行官布莱恩·德纳罗(Brian Denaro)上校表示,“电光/红外气象系统继续在许多太空采购原则上开创先河。该项目正在建造更小型的卫星,同时尽量减少非重复性工程。”考虑到国防气象卫星项目(DMSP)的使用寿命,电光/红外气象系统在满足天基环境监测两大最优先事项方面的重要性怎么强调都不为过。

(二)微波气象系统后继卫星(WSF-M)项目

微波气象系统后继卫星(WSF-M)项目将在近地轨道运行,使用下一代无源微波成像仪收集地面天气信息和观测空间环境。该卫星预计将于2023年底发射,并于2024年年中投入使用,几年后将被2028年发射的第二颗微波气象系统后继卫星(WSF-M)取代。微波气象系统后继卫星(WSF-M)将以多种方式支持气象学家生成日常全球任务规划和运行所需要的天气产品。这颗卫星将解决六大天基环境监测缺口:它将提供支持海军机动作战和飞机起飞和回收所需要的洋面风速和风向测量;它将提供热带气旋强度测量和预测,向受影响地区发出重要预警,并为可能受到极端天气条件影响的军事行动提供信息;它将使用最先进的算法来测量雪的深度、土壤湿度、海冰厚度和海冰特征;最后,微波气象系统后继卫星(WSF-M)通过在太空中测量来确定太空天气对卫星的影响,并控制对HF通信和卫星通信的干扰,从而解决表征带电粒子方面的能力差距。

(三)满足作战人员的需求

北方司令部司令范享克上将指出,美本土面临的日益严重的空中与导弹威胁需要获得清晰准确的环境数据:“为了保卫我们的家园,我们必须能够在北极开展行动,这需要态势感知,这也涉及气象方面的问题。”

目前,两颗运行中的国防气象卫星项目(DMSP)提供的覆盖范围只能10.5小时更新一次天气数据。然而,联合需求监督委员会(JROC)的要求是四小时刷新率,这将需要三颗卫星。但现代战争要求更高的准确性。阿拉斯加空军司令部及第11航空队司令大卫·那霍姆(David S.Nahom)中将描述了一起事件:“今年1月,在阿拉斯加,在一场暴风雪中,我们让F-35战机在暴风雪袭击前30分钟起飞,不知道它们是如何回家的。你让加油机在战斗中起飞。你让扫雪机司机夜以继日地工作,试图保持跑道畅通。你让HH-60空军救援人员在夜间的暴风雪中飞越布鲁克斯山脉的山谷。我们确实考虑到了气象因素,但如何预测它。”现实是,通过高度准确的短期预测,作战人员对气象条件预测的需求接近一小时刷新率。这需要至少12颗卫星,以满足在北方层恶劣环境或联合全域指挥与控制环境下的动态、高节奏作战。

四、对策建议

随着国防气象卫星使用寿命的结束,目前的天基环境监测事业面临崩溃的风险。开发和部署新技术的时间已经不多了,国防气象卫星预期寿命的不确定性以及不稳定的国防预算,使美军没有缓冲时间。因此,必须部署电光/红外气象系统(EWS)和微波气象系统后继卫星(WSF-M)并实施以下改革:

一是国会必须保护国防气象卫星项目(DMSP)的更换工作。《国防授权法案》应保护满足国防需求的电光/红外气象系统(EWS)和微波气象系统后继卫星(WSF-M),并避免重复过去以效率为名将许多政府机构需求合并到跨机构计划中而带来的延误、混乱和功能缺失。当然,国防专用项目的环境数据应适当共享。然而,如果没有可靠的气象数据支持,美军将无法最大限度地发挥其力量投送与有效运用的能力,进而将面临与实力相当对手发生潜在冲突的风险。非国防需求不应迟滞或影响天基环境监测的快速更替,而天基环境监测是为作战人员提供气象支持的基础。

二是美太空军必须继续开发具有弹性的天基环境监测(SBEM)系统架构。敌手已明确表达了他们的意图,并展示了破坏和摧毁美太空能力的实力。为化解这种风险,美太空军必须继续采用分布式天基环境监测(SBEM)架构,以更小、更便宜的平台提供弹性,以抵消一两个系统的损失。当前的气候战略是将传感器能力从国防气象卫星项目(DMSP)分配到电光/红外气象系统(EWS)和微波气象系统后继卫星(WSF-M)上。在成功发射和演示之前,它们可能是有弹性、有保证的天基环境监测(SBEM)能力的首个增量。

三是美太空军必须继续制定天基环境监测(SBEM)需求,以反映作战人员当前和未来的需求。电光/红外气象系统(EWS)和微波气象系统后继卫星(WSF-M)满足2012年备选方案分析(AOA)及随后的联合需求监督委员会研究所确定的要求,但太空军必须继续更新需求,以满足作战指挥官的未来需求。美军面临来自实力相当对手的威胁,正在制定“联合全域指挥与控制”作战概念。这推动了新的作战需求,对未来在冲突中取得成功至关重要。国防部必须继续更新其架构要求,以确保所提供的能力满足2023年及以后作战人员的需求。额外的卫星可能是提高刷新率和增强弹性的解决方案的一部分。

四是美太空军需要一个稳定、长期的天基环境监测(SBEM)计划。缺乏明确登记在案的项目在天基环境监测(SBEM)体系架构中产生不确定性。天基环境监测界将受益于一项长期、稳定的在案项目,并提供必要的资金,以提供完整的卫星星座。该在案项目应基于成熟的技术和未来发展的要求。目前签订合同的电光/红外气象系统(EWS)和微波气象系统后继卫星(WSF-M)卫星将提供这种能力,但需要在既定计划内迅速过渡到实战部署星座,以满足作战人员所需要的稳定而富有弹性的架构。

五是培育伙伴关系对实施气候战略至关重要。伙伴关系对天基环境监测(SBEM)战略至关重要,尤其是在近期,因为国防部目前在轨道上或计划中没有足够的能力来覆盖必要的轨道和重访率。在国防部根据体系概念交付天基环境监测(SBEM)星座卫星之前,如果没有盟国、伙伴国、民用、国防部及商业能力的结合,美国就无法生成所需的天基环境监测(SBEM)数据。美国防部伙伴关系战略必须通过在冲突各阶段有可靠的数据来源和数据使用,来优先确保获得天基环境监测(SBEM)数据。


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