【軍事博評】張競:從SAR衛照淺論偵察與監視

2024-05-03 02:37:19 最後更新日期:2024-05-03 10:56:07
張競

中華民國榮民,中華戰略學會資深研究員,曾任海軍中權軍艦艦長,美國海軍戰爭學院績優畢業,英國赫爾大學政治學博士,目前在大學執教國際關係等政治學入門課程。勤於媒體針砭時政與探論國際現勢,亦經常接受媒體電訪;偶爾出席政論節目,評論政軍議題。

439928532 440863551658371 4954939824114179934 n編按:泰景四號03星利用電波合成孔徑成像下的諾福克軍港,艦艇大都可見,成像也足夠辨別艦型。不過需要留意的是,利用合成孔徑技術受干擾的機會,甚至比一般光學偵照大不少。(網絡圖片) 

最近由中國大陸北京微納星空科技有限公司所產製之泰景四號03星,利用Ku波段相控陣雷達,在2024年3月4日針對美國維吉尼亞州諾福克海軍基地(Naval Station Norfolk)、2024年2月26日針對美國佛羅里達州卡納維拉角太空軍基地(CCSFS:Cape Canaveral Space Force Station)內,甘迺迪太空中心編號第39b發射坪(Kennedy Space Center Launch Complex 39b)以及2024年3月29日針對美國亞歷桑納州戴維斯-蒙森空軍基地(Davis–Monthan Air Force Base)內,被稱為飛機墓地(aircraft boneyard)退除役戰機儲放場,所攝製多張影像,透過媒體報導後,在網際空間引發熱烈討論與積極迴響。

Taijing 4 01 02 03編按:泰景4號衛星群想像圖,其不單使用相控陣作為雷達素描之天線,且也有同系列不少衛星在軌作為星座,資料更新率其實更好。(圖片來自連結)

 

在今年1月23日於酒泉衛星發射中心發射升空入軌之泰景四號03星,其實是中國大陸首顆商業Ku波段相控雷達成像衛星;該枚衛星所配備合成孔徑雷達(SAR:Synthetic Aperture Radar)對地照相系統,具備此類雷達所具備條帶(stripemap)、聚束(Spotlight)以及掃描(Scan)三種透過演算基本成像模式。

其中條帶是最常見之SAR成像模式,在採用此種模式時,天線波束指向保持不變,依據衛星運行軌跡讓波束掃過預訂照相區域,此時就會在地表形成條狀掃描帶,因此稱為條帶。而聚束則是波束配合衛星運行軌跡機動調整,使其永遠指向地表固定區域,此時該區域可以受到多個不同角度照射,並且獲取SAR迴跡資料時較長,因此其方位分辨率(解析度)相對較高;但缺點就是成像範圍較小,當整個區域影像由多個較小區域聚束成像搭接時,會產生影像不能連續狀況。

SAR Spotlight Mode Diagram編按:SAR 衛星旋行合成孔徑成像的基本過程。若果天線相控陣制式的話,它不需要天線指向,因為相控陣本身就可以利用天線的相位差改變電磁波的射向,成象可以更為容易。(圖片來源:Capella Space)

 

至於掃描則是隨著衛星運行軌跡,天線波束在多個掃描帶上進行週期性掃描,藉此擴大掃描成像區域,但因波束在各掃描條帶上停留時間相對較低,因此整體方位分辨率(解析度)就會因此下降。不過此枚衛星所配備SAR可併用前述不同成像模式,以滑聚(sliding spotlight)成像模式,觀測幅寬10公里以上區域;就目前對外公布泰景四號03星所攝製圖像來說,應當係採用此等模式。

FIA RADAR CONCEPT編按:TOPAZ SAR衛星2008年之想像圖。該星2015年時升空並仍在軌服役,但其外觀卻被視為機密,甚至是否有轉用相控陣天線,我們仍無法得知。(圖片來自GlobalSecruity.com)

 

基本上所有合成孔徑雷達不受天候、視界與光度限制,能夠全天候與全時段進行對地照相;並且透過合成孔徑演算法,可獲得相當理想方位分辨率(解析度),同時亦較不受雷達頻率與對地距離影響,此外還能透過多個雷達波段,同時進行對地照相,獲得目標區域多頻段雷達影像進行比對。此外還可運用多個不同衛星接收天線,或是在運行軌道不同地點接收迴跡,針對相同區域,運用干涉技術獲得3維立體圖像。至於運用天線極化技術增加迴跡影像精準度,結合目標運動指示(MTI:Moving Target Indicator)信號處理功能,掌握運動目標動態工藝亦已成熟。

W020210401636755849340編按:現時號稱全球最強的民用SAR衛星-美國的Capella Sequoia,解像度最佳狀況下可達0.5M (X波段),不過相對於冰眼或海絲一號,其所用的仍是較傳統的單面陣大型伸縮網狀天線,達3.5米闊。2021年長賜號攔淺於蘇彝士運河時,Capella Sequoia拍到的影像稍有變形,這是因為長賜號部分船面會散射雷達波,而且在拍攝期間目標物若有位移,影像會矇成一團。這是因為雷達圖需多次掃瞄才能成像所致。(圖片來源:Guter's Space Page及Capella Space)

 

儘管如此,透過SAR進行對地偵照,在掌握動態情資上,僅能符合《國軍軍語辭典》【偵察】:「運用各種偵測與觀察方法,獲取敵方軍事、政治、經濟、心理、科技、地理、氣象及作戰地區特性等情報資料的行動,為遏阻戰爭及確保戰爭勝利的重要手段。」但卻無法達到【監視】:「運用視覺、聽覺、電子、照相或其他方法對空中、水(地)面、水下區域之人、事、地行有系統之觀察與跟蹤。」換言之,就是儘管衛星對地照相能力不可否認,但卻無法針對目標或是區域進行有系統之觀察與跟蹤。

再依據Joint Publication 1-02之美軍《Department of Defense Dictionary of Military and Associated Terms》(美國國防部軍事與相關用語辭典)【reconnaissance】:「A mission undertaken to obtain, by visual observation or other detection methods, information about the activities and resources of an enemy or adversary, or to secure data concerning the meteorological, hydrographic, or geographic characteristics of a particular area.」以及【surveillance】:「The systematic observation of aerospace, surface, or subsurface areas, places, persons, or things, by visual, aural, electronic, photographic, or other means.」其實意涵相當吻合。

吉林一号星座編按:光學偵照衛星普遍因為軌道及訊號傳送問題,很難作實時監控,然而現時卻有另一種方法可解決問題:以多枚衛星組成星陣,保持在相對更短時間間隔(例如每1小時甚至半小時)保持至少一顆偵照星在目標上空軌道搞過,變相將訊息每次更新時間變得更短,更新資料速度更高。圖為已有百多顆衛星的吉林一號商用偵照衛星星座。(圖片來自連結)

 

而《中國人民解放軍軍語》則是【偵察】:「為獲取國家安全、國家利益和軍事鬥爭所需情報而採取之行動。按任務範圍,分為戰略偵察、戰役偵察、戰術偵察;按活動空間,分為地面偵察、海上偵察、空中偵察等;按軍兵種,分為陸軍偵察、海軍偵察、空軍偵察、第二炮兵偵察。通常可由各級指揮員及其指揮機關組織所屬偵察力量實施,必要時可組織作戰部隊實施。」亦在基本理念上相差不多。


intelsat sds 1編按:空中巴士用的地球靜止軌道大型通訊衛星Intelsat 42 及43,將於今年內發射。雖然距離低軌道很遙遠,但通訊與信號處理能力更為強大。(圖片及資料來自連結)

 

不過解放軍軍語並無「監視」專屬辭條,但從【太空監視】:「space surveillence亦稱空間監視。運用無線電偵測、光電觀測、雷達探測等技術手段,對太空目標及其活動進行的跟踪觀測。主要對象包括空間飛行器、空間碎片、太空試驗等。」【對海監視】:「anti-sea surveillance運用各種手段對海上目標進行的跟踪觀測。」以及【對空監視】:「anti-air surveillance運用各種手段對空中目標進行的跟踪觀測。」吾人亦可看出能否進行「跟踪觀測」,才是監視重點所在,此與國軍軍語所強調「有系統之觀察與跟蹤」理念更是相同。

 unnamed 71編按:E-8聯星空中指揮機,其AN/APY-7相控陣雷達擁有SAR繪圖功能。由於滯空時間更長、天線更重型且巨大的任務艙可同時進行更複雜的資料處理,單就SAR任務而言,雖然視線上不及衛星,但持續監視能力其實更好。(圖片來自Military Today.com)

在此必須指出,由於衛星運作基本架構限制,因此其僅能在特定時間節點,當衛星運行軌跡通過特定地域上空,對地照相目標區進入其所配備可見光、紅外線或雷達波段偵蒐系統涵蓋範圍內時,該衛星才能夠實施照相獲取影像資訊,所以根本無法保持「跟踪觀測」;儘管能夠獲得特定時段影像資訊,可以算得上是「有系統之觀察」,但卻與跟蹤所要求標準相差太遠。因此此種衛星對地照相不論定位精確度與影像解析度多高,依據定義標準,其僅能執行偵察任務,但卻無法達成監視要求。

 visorsatA編按:星鏈的構形,其實就是一塊搭上大型太陽能電池板的厚板,構形所限,空間上無論是裝大型燃料箱、更強大推力引擎或者大型AESA雷達的後處理器,都沒有任何空間;然而由於其星座的高密度分佈,在資料傳輸上反而有相當優勢。(圖片來自SPACEX 連結1連結2,右者是次世代星鏈的構形,最大改變是加了遮陽板)

 

此外更要提醒,衛星對地照想獲得影像資訊後,假若未能結合通信中繼系統,經過衛星本身信號處理過程,其所整理成像資訊,必須能夠回傳至後續處理單位,才算是完成所有對地照相作業流程。當然以往亦有對地照相衛星並未配備信號處理演算單元,僅能獲取對地偵照迴跡數據,必須下傳至地面控制站臺進行後續處理,才能完成影像成像程序。

但不論如何,假若未能結合通信衛星中繼系統,將偵照所獲資訊下傳至地面控制站臺,此時就必須等待衛星從地球另一面偵照目標區,繼續運行至地面控制站臺所在位置上空,才能夠將偵照影像資訊下傳。

intel編按:星艦重型火箭第三次發射,曾測試主要載荷重返大氣層,雖然最終失敗,但其上面的攝影機曾拍攝自身重返大氣層時形成的等離子體層,並將影像後送至更高軌道的星鏈衛星,這可是人類歷史上第一次實時直播等離子體層的形成。由此也可印證星鏈星座在實時後送資料這方面,也可在相當程度上代替大型通訊衛星。(圖片來自連結)

 

當派遣偵察機與無人機針對周邊海空域軍事動態,進行情蒐與偵照,並且對特定動態保持跟踪時,假若未將所獲情報資料即時下傳回報,其實亦不能算是達成監視要求,僅能在其下傳資訊後,才算得上是完成偵察任務。

其實從此次衛星照相影像曝光引發關注看來,以往西方刻意運用商用衛星對地照相影像,作為指控中國大陸軍事活動與建設發展參考證據,例如聲稱在西部沙漠地區發現正在構築大量導彈發射窖,最後發現是風力發電設施烏龍事件,將來很可能就會被中國大陸仿傚,以相同手法比照辦理。

intelAA2編按:中方受聯合國所託,利用兩台新型民用光學遙感衛星(其中一台更是一機多光譜分析能力型,兩者在任務上都有一定的AI自律分析能力),在五個月的任務期內多次監察加沙地帶,並組織成一份詳細的該區建築和基建破壞報告。這種持續評估能力,對於災害或環境變異評估,以及進行精準人道救濟上都有相當重要的作用。(圖片來自連結)

 

何時北京會利用商業衛星對地照相影像資訊,反過來針對西方秘密軍事部署與活動狀況,進行政治喊話與宣傳攻勢,以便隱藏本身軍事體系情報蒐集作業能量;從泰景四號03星衛星照相影像受到如此關注看來,往此種方向發展相距時日應當不遠囉!

發佈於 軍事博評
By 2024-05-03

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