中国航天2000年第9期 【航天系统与技术】
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美国的照相侦察卫星

***************** 庞之浩 刘丽伟 *****************
　　1960年8月美国成功地发射了世界上第一颗照相侦察卫星。40年来，随着照相侦察卫星在现代战争中的作用日趋明显，越来越多的国家热衷于发展这种高技术武器。继美国、苏俄、以色列和法国之后，日本和印度等国也开始染指这一领域，以便在政治上、军事上争取主动。那么，照相侦察卫星有什么神奇之处？现在已发展了几种？最先进的侦察卫星是谁研制的？未来的发展趋势如何？

　　劳苦功高的回收型

　　美国光学照相侦察卫星有回收型和传输型两种，而雷达侦察卫星只有传输型。
　　美国自1960年8月发射世界上第一颗照相侦察卫星以来，执行了很多项侦察卫星计划，主要是用于代替高空侦察机来了解前苏联的军事实力。例如，科罗纳（CORONA，又叫日冕）计划的卫星最初的主要目的就是确定前苏联正在以多快的速度生产远程轰炸机、弹道导弹数量以及防空体系(包括截击机和地空导弹发射场等)的部署情况。
　　不过，美国的照相侦察卫星大部分项目后来均被纳入1962年3月正式开始的锁眼（Keyhole,缩写为KH）系列卫星计划。例如，其科罗纳计划就包括KH-1～4共4个系列，氩计划的卫星为KH-5，火绳（又叫牵索）计划的卫星为KH-6，后发制人（又叫策略）计划的卫星为KH-7、8，六角形计划的卫星为KH-9（俗称大鸟），凯南/晶体计划的卫星为KH-11，偶像计划的卫星为KH-12。
　　但是，为什么没有KH-10呢？这主要是因为KH-9卫星的成功和后来更先进的KH-11卫星的研制与成功发射使美国取消了KH-10卫星计划。KH-10又名载人轨道实验室，为有人侦察卫星，研制目的是为了完成各种在太空难以执行的任务，但因成本过高于1969年被取消。
　　另外，美国先锋计划的卫星和哨兵计划的卫星没有纳入KH系列里，而是分别叫萨莫斯-A和萨莫斯-B。萨莫斯采用与胶卷回收型完全不同的方式，即在卫星上使曝光后的胶卷显影，然后再对其进行扫描并用无线电将扫描的图像数据传回地面。这种卫星的分辨率低于胶卷回收型，但能胜任普查，且可工作较长时间。后来因科罗纳计划的卫星从1961年起开始提供前苏联的正规图像，所以从1962年起该计划被取消了。
　　科罗纳计划早期被隐匿在公开的发现者计划之中。它和氩计划及火绳计划的卫星（KH-1～6）拍摄的图像已于1995年解密，原因是美国一些公司期望在冷战后的世界寻求新的创收来源，另外俄罗斯已在销售分辨率达2米的数字化胶片图像。不过，更高分辨率的KH-7～12卫星图像依然保密，其中回收型的KH-8、9的地面分辨率为15厘米。
　　有人把美国光学照相侦察卫星分成6代，即KH-1～4为第1代，KH-5、6为第2代，KH-7～8为第3代，KH-9为第4代，KH-11为第5代，KH-12为第6代。但现任美国总统克林顿在1995年的一次讲话中提出，KH-1～6卫星为美国第1代光学照相侦察卫星，因为它们都使用差别不大的全景式相机或画幅式相机，而KH-7以后的卫星所携带的遥感器有了质的飞跃，对军事目标判别有重要意义。
　　1963～1967年间发射的36颗KH-7是第1种真正的详查型卫星，每颗星用两个回收胶卷舱将胶卷送回地面，分辨率为0.5米，但工作寿命一般为5天，主要用于侦察前苏联当时的新式SS-7、8洲际弹道导弹。
　　1966～1984年发射的57颗KH-8是KH-7的改进型，它除携带有红外相机和多光谱扫描仪外，还装备了高分辨率主题测绘全景相机，分辨率达0.15米。它有机动变轨能力，工作寿命达30天。
　　俗称大鸟的KH-9代表了美国光学照相侦察卫星向综合型侦察卫星发展的趋势，既能普查，又能详查。这种卫星在1971～1986年发射了20颗，每颗卫星重13.1～13.4吨，装有多种遥感器，兼有回收型和传输型两种工作方式，其中4个独立的胶卷回收舱用于传送分辨率达0.3米的详查信息，星上直径6.1米的展开式天线过顶传输普查信息，卫星工作寿命达71～275天。这种将详查和普查功能的有机结合，提高了从空间获取详细侦察情报的时效性。KH-9有3种轨道机动方式，即水平机动、垂直机动和规避机动，其中规避机动主要用于躲避敌方卫星的袭击。KH-9是胶片回收型侦察卫星向图像传输型侦察卫星的中间过渡。
　　总的来说，KH-1～9均属回收型照相侦察卫星，美国利用它们可以迅速而又经济地对地球进行测绘，并首次获得了光学三维影像，而此前用气球和高空侦察机测图只能获得地球四分之一的图像。这些卫星为美国政府对热点地区决策提供了背景资料，掌握了前苏联导弹基地的情报，从而减少了美国导弹基地的布设。它们还证实了照相侦察卫星的有效性。
　　不过，目前美国已不使用回收型照相侦察卫星了。虽然这种卫星的分辨率高，图像直观性好，卫星技术较易实现，但存在有很大的局限性，如工作寿命短，覆盖区域和重复照相次数受限，胶片有效利用率不高等。随着光电技术、电子技术的发展，传输型卫星的分辨率可与回收型媲美，而且在轨时间很长，实时传输信息，因而被广泛使用。

　　昔 日 大 腕

　　1976年12月19日第1颗KH-11卫星发射升空，拉开了美国应用图像传输型照相侦察卫星的序幕，使美国首次获得了实时侦察能力。这种卫星一共发射了9颗，其中8颗成功。
　　KH-11卫星的先进之处是采用了光电数字成像和实时图像传输技术。其主要遥感器是高分辨率CCD可见光相机、红外扫描仪、多谱段扫描仪和功能强大的反射望远镜系统。望远镜系统以巨大的放大率将地物的辐射能量引入视场，然后再送至每个遥感器进行光谱分离，形成的图像经放大、数字化后，传送到中继卫星或其它卫星再转发至贝尔沃堡地面站。
　　KH-11的高分辨率CCD相机可拍摄地面分辨率达0.15米的详查图像，能区分地面上的军人和平民，看清大型武器的装备细节，而红外和多谱段扫描仪则可以不分昼夜地确定导弹、车队和发射架的位置，并能把伪装和人工植被同真实植物和树木区分开来。该星的侧视能力允许其拍摄其地面轨迹两侧一定范围内的目标，使它每天有效飞过目标的次数由2次增加到4次。其轨道机动能力不仅能改变卫星轨道高度，还可以改变轨道平面，从而飞临重要目标附近进行拍照。它每3个月升轨一次，设计寿命3年，运行在300～1000公里的轨道上。
　　KH-11既能详查，也能普查，普查时的分辨率为1～3米。一般是由2颗KH-11协同工作，彼此的轨道面相隔48.7度，其中一颗在上午10点左右对目标拍照，另一颗随后在下午3点左右拍照。这样每颗卫星每4天重复一次其地面轨迹。
　　该星刚开始是保密的，但1978年一名美国中央情报局雇员在希腊把一份KH-11系统手册出卖给了一名克格勃间谍，从而使KH-11代号首次公布于世。
　　1980年，一颗KH-11发现了前苏联正在制造一艘比美国的三叉戟导弹核潜艇还要大的潜艇；同时KH-11还观察到前苏联正在某地将SS-20和SS-16两种导弹并排摆放在一起，由此得到结论，前苏联想利用美国侦察卫星送回的照片来增强这两种导弹的外观相似性，以使美国无法核查苏联对第二阶段限制战略武器会谈关于限制弹道导弹协议的遵守情况。在海湾战争中，KH-11也大显神通。

　　当 今 英 豪

　　目前在轨运行的KH-12是1990年2月28日开始发射的，至今已经发射了4颗。它能以与哈勃空间望远镜一样的方式成像，即其光学系统的相机采用了当今最尖端的自适应光学成像技术，可在计算机控制下随视场环境灵活地改变主透镜表面曲率，从而有效地补偿因大气造成的畸变影响，使分辨率达到0.1米。星上的红外相机也有较大改进，它不仅是“夜猫子”，而且可以发现地面伪装物、飞机发动机和大烟囱等有热源的目标。星上的高级“水晶”测量系统（ICMS）可使数据以网格标记传输。它还装有雷达高度计和其它用于测量地形高度的传感器。除第一颗KH-12运行在800公里外，其它3颗都运行在270～1000公里的轨道上。
　　KH-12比KH-11重得多，加满燃料时可达14～18吨，燃料用完后可由航天飞机进行在轨加注，因而该星的机动变轨能力极强，具有无限制的轨道机动能力。其设计寿命长达8年。
　　KH-12的光学系统与KH-11的基本相同，不同之处在于KH-12增加了红外谱段，故能探测伪装和埋置结构目标，监测地下核爆炸或其它地下设施，探知导弹和航天器的发射，分辨出目标区哪些工厂开工，哪些工厂关闭等。由于使用了更先进的技术，因此KH-12的分辨率比KH-11要高，达0.1米。星上装有一台潜望镜式的旋转透镜，能把图像反射到主镜上，因而卫星在大倾角的条件下也能成像。它还采取了防核效应加固手段和防激光武器攻击的保护措施，并增装了防碰撞探测器。
　　总之，KH-12有四个特点：（1）采用大型CCD多光谱线阵器件和“凝视”成像技术，使卫星在取得高几何分辨率能力的同时还有多光谱成像能力，其先进的红外相机可提供更优秀的夜间侦察能力；（2）采用镜面曲率可由计算机控制的技术，因而当卫星在高轨道普查或在低轨道详查时，能快速改变镜头焦距，这样就能在低轨道具有优越的分辨率，在高轨道可获得大幅宽；（3）机动能力强，满足现代战争的需要；（4）可进行电子侦察。
　　在1999年北约空袭南联盟的行动中，美国动用了3颗KH-12，其中两颗分别运行在昼夜轨道平面和晨昏轨道平面，轨道倾角97度，另一颗运行在这两者之间，能克服目标光照射对成像侦察的影响。它们每天飞过目标区域上方两次，并能对飞行轨迹东西两侧区域进行斜视成像，使7～10公里的观测幅宽有较大扩展。
　　KH-11、12是当今世界上技术最先进的光学照相侦察卫星，其原因如下：
　　(1)采用了大口径光学镜头的CCD相机，因而灵敏度和精度都很高，可清晰地对小目标成像；
　　(2)星上装有GPS接收机、雷达高度计和水平传感器等，对目标定位十分精确；
　　(3)星上太阳和月亮敏感器能实现CCD相机的在轨星上辐射定标，确保了地面目标辐射特性的可比性；
　　(4)其太阳电池板可提供3千瓦功率，为卫星提供充足的能源；
　　(5)卫星采用太阳同步椭圆轨道，地面重复周期为4天，但由于卫星是成对运行，因此实际重复周期为两天；
　　(6)通过跟踪与数据中继卫星实现大容量高速率的图像数据实时传送，因此能在全球实时侦察；
　　(7)载有大量燃料，使卫星变轨能力很强；
　　(8)CCD相机具有微光探测能力，可在傍晚微光下工作。

　　竞争未来计划

　　KH-11、12也存在先天不足。它们最大的缺点是只能在天晴时提供丰富的信息，而在雨天、雾天或多云时便无能为力了。例如，1999年北约空袭南联盟时，由于当地天气恶劣，因此KH-12经常成为“睁眼瞎”，这时雷达照相侦察卫星就大有用武之地了。
　　另外，KH-11、12是冷战时期的产物，主要用于搜索战略情报，因而难以满足当前局部战争的需要。它们无法直接支持战术行动。例如，由于卫星太重、太复杂、太昂贵，因此很难进行应急发射；对敏感地区重访周期太长，故不能随时提供所需情况；其扫描幅宽仅有7～10公里，不适合战区作战，战场指挥员抱怨它是“用麦管看战场”，因为战区作战需要大范围战场图像，等等。为此，美国正在进行多方面改进。
　　要彻底解决KH-11、12存在的地面覆盖范围太窄、驻留时间太短等问题，有两种方法，一是发射小卫星群代替目前的KH-12；二是卫星运行在高轨道，但也需用几颗卫星组网工作。
　　于是，美国国家侦察办公室提出了“8X”计划。这种卫星载有光学遥感器和合成孔径雷达组成的双重有效载荷，这样可使卫星覆盖区和数据传输速度提高8倍，且所拍图片与KH-12卫星拍的一样清晰。其扫描带的展宽也将有效地缩短卫星的重访周期。据称，“8X”卫星还可执行导弹预警和电子侦察等任务。该星对外不保密的正式名称为增强型成像系统，也有人称它是KH-13或KH-12的改进型。据称首颗“8X”卫星已于1999年5月22日秘密升空。
　　近年来，美国国家侦察办公室和国防高级研究项目局又分别提出了未来成像体系（FIA）和星光（Starlite）计划，这两个计划竞争得很厉害。
　　FIA拟由体积小、重量轻、功能强、数量多的较小型照相侦察卫星组成星座，以便为战场指挥官提供近乎实时的所需目标图像。这种卫星用宇宙神或德尔它等便宜的大中型运载火箭就能发射，因为其重量不到KH-12的一半。FIA将采用许多当今的高新技术，其中大部分技术比现有卫星的先进20年，从而使卫星造价降低一半，而性能提高一倍。
　　由于FIA星座将由多颗卫星组成，因而能大大提高卫星对地面给定目标的重访频率，一般可每天重访两次或更多次，具体次数要视目标所在的地理位置和所要求的图像质量而定。
　　FIA包括可见光/近红外光学成像卫星和合成孔径雷达成像卫星两部分。1999年9月3日美国国家侦察办公室宣布，FIA的所有卫星都由波音公司承制，结束了洛马公司长达几十年一直作为美国照相侦察卫星主制造商的霸主地位，这主要是因为洛马公司的方案缺乏创新精神，不采用新技术。波音的FIA合同至少将持续到2010年，合同总价值高达60亿美元，但这对美国国家侦察办公室来说已经大大省钱了，因为该局在现有侦察卫星上每年都要花费10亿美元以上。首颗FIA卫星可能于2004～2005年发射，星座规模还没最后确定，但据称已由10～12颗改为3～4颗，以便节省资金。
　　星光是由8～48颗装有合成孔径雷达和活动目标显示器的近地轨道卫星组成星座的方案。分析结果表明，由运行在767公里高的轨道上的24颗卫星组成星座，对地球南北纬65度之间的任何地点，都能在15分钟以内向作战者提供一幅图像，如星座扩大到36颗卫星，重访时间可缩短为8分钟，48颗卫星则可将反应时间进一步缩短为5分钟。其实，部署8颗卫星就具有初始工作能力，其反应时间为94分钟。
　　通过星光卫星，指挥官将能看到车辆移动的情形，即使其移动速度慢达每小时5～10公里，也能被发现。组成星座的24颗卫星将被送入8个轨道面内的圆形轨道上，每个轨道面3颗卫星，并有12～70度的投射角，例如在飞到美国小石城上空时可对地面直线距离在1435公里以外的地区成像。
　　它一般不会让战场指挥官亲眼目睹卫星图像，而是在计算机化地图显示器上给出目标坐标，显示车辆所处位置及其行进方向和速度。如果战场指挥官想得到更精细的目标研究结果，系统可通过中继卫星将图像数据传至美国国内自动处理与分析中心处理分析，并在10～25分钟内将分析结果传回战区。
　　星光上的合成孔径雷达/活动目标显示器能透过云层对地成像，发现并识别敌方领土纵深处的目标，使战区指挥官在敌人离前线仍有483～965公里时就能看到其车辆编队，并能以约3米的精度标绘出车队的位置。这样的信息可使防御计划制定人员能提前数天预测敌人准备发动攻势作战的地点，并允许使用多种类型的精确制导武器打击敌方目标。
　　每颗星光卫星的遥感器都能随时选用如下三种方式中的一种工作：定点观测，对4公里×4公里的面积进行0.3米分辨率的观测；窄条带扫描，即以1米分辨率和9.6公里宽的窄条带以每小时观测64360平方公里战区的20%；宽条带扫描，即以3米分辨率将朝鲜大小的地区每小时扫描一遍。
　　其卫星数据可同其它遥感器数据相融合，形成战场综合图。例如，可和信号情报数据相结合，识别出车队中哪辆车载有指挥官或是机动导弹发射车。这些卫星还能跟踪其下方的导弹和卫星，从而对下一代导弹预警卫星——天基红外系统的高轨道部分起补充作用。
　　星光卫星对美国的盟国也具有吸引力，因为他们只需购买3～6颗这种卫星就能加盟该系统，从而共享其情报成果。
　　由于是在现有技术上进行改进，因此该系统造价低。24颗星光卫星外加3颗备用星的制造和发射费用为17～23亿美元，其中包括10年使用期的运作费，因而它向美国国家侦察办公室的FIA提出了挑战。国防高级研究项目局已明确暗示FIA缺乏创新意识，并力图挤进向来由国家侦察办公室独霸的地盘。而国家侦察办公室对国防高级研究项目局也很不满意，并对星光卫星的费用估计表示怀疑。
　　为了解决两局的冲突，美国成立了一个卫星侦察特别小组，专门对FIA和星光方案进行评审，结论是FIA的进度表不得受星光影响；星光在军事上有明显的好处；FIA应对星光方案中的某些属性开放，如采用活动目标显示器；建议将星光方案加以修改后付诸实施，并改名为发现者-2。
　　照相侦察卫星是利用所携带的光学遥感器和微波遥感器拍摄地面一定范围内的物体产生高分辨率图像的卫星。它主要用于战略情报收集、战术侦察、军备控制核查和打击效果评估等目的，如获取机场、港口、导弹基地以及交通枢纽、工业布局等信息。
　　这类卫星的高度一般为几百公里。它把目标区的图像信息记录在胶片或磁记录器上，然后通过返回式卫星送回地面，或用无线电传输方式实时或延时传回地面。这些信息经过加工处理后，就能判读和识别目标的内容细节并确定其地理位置。因此，按获取图像的方式分类，照相侦察卫星可分为回收型和传输型两种。

　　全 能 高 手

　　雷达成像侦察卫星可以弥补光学成像侦察卫星不能全天候、全天时进行侦察的不足，并有一定的穿透能力，从而能识别伪装，发现地下军事设施。其幅宽也比较大，因此时间分辨率较高，这对全面观测战区和侦察全球性军事动态有重要意义。不过，它的分辨率较光学侦察卫星低，所以，从目前的技术水平来看，两者结合使用是最佳配置。
　　世界上第一颗雷达成像卫星是美国于1988年12月2日发射的长曲棍球。现已发射了3颗这种卫星，其中2颗在轨服役。目前只有美国拥有雷达成像侦察卫星。
　　长曲棍球卫星是美国在冷战时期针对华约制造的。其主体呈八棱体，长8米，直径约4米。一对太阳能电池帆板在轨道上展开后跨度为45.7米，可提供10千瓦以上的电力，这在当今卫星中是最大的。因为这种卫星要向地面发射微波能量，所以需要大量的能量。卫星重15吨，设计寿命8年，运行在倾角57～68度、高670～703公里的轨道上。

何为照相侦察卫星

　　与一般的民用对地观测卫星相似，照相侦察卫星最主要的特点是地面分辨率高，至少优于5米，目前最高分辨率可达0.1米。因此，按侦察能力分类，它又可分为普查型和详查型两种。前者的分辨率一般为3～5米，一幅图片的面积达几千到一二万平方公里，主要用于大面积监视目标地区的军事活动、战略目标和设施的特征以及对危机地区和局部地区的战略侦察，包括车辆位置和特征的侦察；后者的分辨率优于2米，一幅图片可覆盖几十到几百平方公里，主要用于获取局部地区重要目标详细特征信息的战略和战术侦察，可确认和鉴别各种类型的车辆和装置等。
　　为了提高分辨率，照相侦察卫星不仅需要先进的遥感器，而且卫星本身要运行在近地轨道，并进行高精度姿态控制，以保持所拍摄图像清晰。
　　星上的侦察设备主要有可见光相机、红外相机、CCD相机、多光谱扫描仪和雷达等。其中红外相机和多光谱扫描仪可使卫星分别具有夜间侦察和识别能力；若装有成像雷达，卫星则能进行全天候、全天时侦察。所以，根据星载遥感器的不同，目前的侦察卫星又分为光学照相侦察卫星和雷达照相侦察卫星两类，它们各有千秋，因而用途不一。目前，全世界有4个国家发射了照相侦察卫星，其中以美国的照相侦察卫星品种最为齐全，技术最为先进，它包括了上述的返回型和传输型、普查型和详查型、光学型和雷达型。这些不同功能的照相侦察卫星的视角覆盖全球，可对各种战略和战术目标实施全天候、全天时高分辨率的实时侦察，成了收集重要情报的主要来源。

　　该星的合成孔径雷达天线呈矩形，长14.4米，宽3.6米，由3个平面天线阵组成，每个天线阵含4个长度相等的子阵。雷达的几何分辨率为0.3～3米，所获图像数据通过大型抛物面可跟踪天线经跟踪与数据中继卫星传至白沙地面站，再经过国内通信卫星传到贝尔沃堡。
　　它不仅适于跟踪舰船和装甲车辆的活动，监视机动式弹道导弹的动向，还能发现伪装的武器和识别假目标，甚至能穿透干燥的地表，发现藏在地下数米深处的设施。
　　据推测，长曲棍球还载有光学遥感器用于目标识别，以供KH-11、12详细成像之用和核查机动式洲际弹道导弹条约的遵守情况。
　　其实，1997年10月23日升空的第三颗雷达成像卫星是改进型长曲棍球。它带有相控阵馈电系统，采用抛物面雷达天线，成像质量有所改善。该星与另一颗星配对工作，因而可以反复侦察地面目标。
　　在1991年的海湾战争中和波黑战争中，长曲棍球卫星用于跟踪伊拉克装甲部队和监视塞族坦克。它还多次用来评估美国巡航导弹对伊拉克和南联盟的攻击效果。
　　另据报道，现在美国正在研制一种新型高分辨率雷达成像卫星，它可能采用平板相控制导雷达天线，可获得更高的分辨率。

　　方兴未艾

　　简言之，美国照相侦察卫星是当代最先进的太空侦察兵。它们阵容整齐，品种齐全，性能先进，具有侦察面积大、范围广、速度快、连续性强、直观效果好、安全可靠、不受国界和地理条件限制等一系列优点，使别国无秘密可言。现在，美国一方面积极发展更新的照相侦察卫星，另一方面还努力利用小型高分辨率民用遥感卫星为军事服务。1999年9月升空的伊克诺斯-2就是一个例子。该星分辨率达1米，军方对它很感兴趣。2000年还将有几颗小型高分辨率、高光谱率民用遥感卫星升空，它们均可用于军事。
　　在未来的信息战中，照相侦察卫星将成为重要的信息源，从而使其大放异彩，对战争的胜负乃至全球的政治、经济都将产生重要影响。□
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