“北鬥”衛星定位係統對中國核力量的影響！zt

“北鬥”衛星定位係統對中國核力量的影響！
發表時間:2008/01/01 22:41 西陸東方軍事

原為聯合國監督、檢驗及核查委員會下屬的的多學科分析中心主任，現為MIT安全研究項目的高級研究科學家。在本文中，他全麵探討了中國導航衛星係統的效能，並分析了該係統在增加中國戰略導彈精度方麵的潛在作用。

　　隨著2003年5月24日第三顆北鬥-1號衛星的發射升空，中國宣稱它已經建立了一個由三顆導航衛星組成的衛星體係。前兩顆分別於2000年10月31日和12月21日發射升空。北鬥衛星係統與美國的全球衛星定位係統(GPS/NAVSTAR)和俄羅斯的全球導航衛星係統(GLONASS)以及歐洲計劃中的伽利略係統有很大的區別。它是由三顆地球同步軌道衛星組成，覆蓋範圍隻能以地區為基礎，而不像其它係統具備了全球覆蓋能力。

　　作者認為，近年來中國一直在采取漸進的步驟發展空間導航衛星係統。它所宣稱的第一顆導航衛星，也就是北鬥-1A號於2000年10月30日發射升空，衛星定位於東經140度的地球同步軌道，大約在新幾內亞島上空，這也是處於整個星座最東麵的一顆工作星。兩個月後的12月20日，中國又發射了第二顆地球同步導航衛星--北鬥-1B號，它位於東經180度印度洋中部上空。在近兩年半的時間裏，它們構成了中國僅有的導航衛星，直到第三顆衛星的發射升空。北鬥-1C號屬於導航定位係統的備份星，它位於東經110.5度，處於前兩顆工作星的中間，與前兩顆一起組成了中國自己完整的衛星導航定位係統。在相隔兩年半的時間裏中國才發射第三顆衛星，看起來中國很可能利用了這段時間來測試衛星電子設備和熟悉係統的操作。

　　通常，導航衛星的位置對於確定用戶和衛星的距離以及此後的位置非常重要。這三顆衛星眾所周知處於地球同步軌道，它們位置的變化對於導航的影響是巨大的。在衛星工作的這段時間裏，北鬥衛星的經度偏差一直保持在加減0.1度，這也是國際電信聯盟所提出的標準範圍，在地球同步軌道的高度上，這個偏差與地球的對應值為150公裏。每經過大約一個月，當負責保持衛星在軌位置的發動機點火期間，這種經度變化就會發生一次。因此，每日的變量相對要小，隻有2至3公裏。

　　然而，由於存在著衛星軌道赤道傾角以及衛星軌道並不是真正的圓形，所以地球同步衛星每天在軌道的位置也是有變化的。前兩顆衛星的軌道赤道傾角為0.06度，對應每天南北方向50公裏的差額，最新的第三顆衛星軌道赤道傾角大約0.014度。傾角的不同是由於太陽和月亮(以及地球不是一個真正的圓球形狀這樣一個事實)在過去兩年半時間中對前兩顆衛星的輻射壓力所致，最後，地球同步衛星軌道並不是真正的圓形，每天會引起40公裏的徑向偏差。

　　所有這些偏差，在距離地麵35000公裏的軌道看起來微不足道，但在定位方麵如果不對參數修正的話卻能引發巨大失誤。現有以衛星為基礎的導航係統通過向用戶播發當前軌道參數及授時信號解決這類問題，然後用戶計算出精確衛星位置用於自己位置估算。看起來中國北鬥係統很可能使用的是同樣的工作原理。

　　◆係統精度的估算

　　衛星係統的用戶可以測算出自己在地球上的位置，如果他知道自己與三顆衛星或更多衛星之間的距離的話。估算的精確度取決於一係列因素包括電子設備的精度、信號穿越大氣層的影響以及已知的衛星位置到底有多精確和其幾何排列的順序。

　　使用更多的衛星可以增加位置估算的精度，然而如果衛星廣泛地分布於用戶的上空也可以增加定位精度。實際上四顆衛星就也可以取得理論上的最大定位精度，這就要求其中三顆要均勻地分布在水平麵上。換句話說就是以120度為間隔，第四顆衛星位於用戶的正上方。從這種最佳幾何排列中移動任何一顆衛星都將降低用戶定位的最佳精度。

　　由於北鬥衛星導航係統總共隻有三顆衛星在軌，因此就要求用戶裝有一台高精度原子鍾。或者其它的必要條件也行，如用戶處於海平麵位置，這種條件使得該導航係統除了用於艦船導航之外在陸上幾乎毫無用武之力。由於在這種情況下即使沒有衛星導航也可以得到一個合理的定位精度，因此本文在此不予具體論述。我們將假設用戶攜帶了一隻作工粗糙的小型高精度時鍾或是一台同步的價格不貴誤差也不是很大的時鍾。

　　近年來原子鍾越來越普及，中國肯定已經將或是自己製定或是購自國外的高精度時鍾安裝在導航衛星上了。不管怎麽樣，雖然我們對中國的一個步兵排甚至是一輛坦克能否在野外成功地操作這一裝置持懷疑態度，但是我們絕對有理由相信中國的飛機能夠攜帶原子鍾並做到時鍾與衛星的同步化，以此來確保導彈發射後數分鍾時間裏所最必需的精度。

　　衛星的幾何排列，就像用戶所看到的，在決定係統的精確度方麵起著非常重要的角色。中國位於地球同步軌道上的三顆衛星遠遠沒有達到最佳化的幾何排列。如果用戶靠近赤道的位置，這三顆衛星看起來就像是從頭頂穿過的一條直線。這種幾何排列雖然能夠很好地決定經度，但在測量緯度或高度方麵卻存在著很大的缺陷。實際上在赤道平麵上，美國的GPS係統測量經度的精確度要比北鬥衛星強一千倍，這個比較是建立在假設兩個係統都存在著電子設備、大氣失真及其它來源所引發的相同的誤差基礎之上的(另外，用戶的原子鍾不可避免也存在著誤差，除非也像衛星上安裝的原子鍾一樣經常進行數據更新，在此我們不予考慮)。因此，北鬥星座的用戶在赤道上測量緯度的誤差範圍至少是一個東西10米、南北3000米的大橢圓。同樣，在高度的測量方麵，美國的GPS係統精度也要超出中國10倍。當用戶向北方移動時，緯度和高度的精確度實際上在某種程度上得到了改善，這是因為北鬥星座的幾何排列看起來更加合理一些。當用戶越向北前進，衛星看起來越靠近水平線，也就是說星座越逼近它的最佳幾何排列。台灣台北的一個用戶使用該係統時，經度精確度大約10米，而緯度精度大概隻能有100米左右了。雖然這比赤道附近的用戶有了極大的改進，但要想靠這種精度製導航空炸彈卻還遠遠不夠。用戶越往北，精度就會增加，直到北緯80度線，在那裏北鬥一號衛星係統的經度測量精確度可以與GPS係統相媲美。這個比較也是建立在兩個係統存在著所有其它來源誤差相同的假設基礎之上的。更加有趣的是，如果用戶所處的海拔高度增加上百公裏，那麽係統在北緯地區的精確度還會隨之相應增加。

　　◆未來的改進？

　　中國國家航天局已經宣布，北鬥衛星係統的精度並不能滿足絕大多數的陸上用途，包括鐵路和公路運輸，而且肯定也不會為其所接受。然而，中國很有可能繼續發射衛星以充實目前的星座數量，來獲取可接受的精度。如果中國希望繼續發展這一地區性導航係統，一個方法就是向所謂的閃電軌道再發射另外4顆衛星。閃電軌道指的是一種大橢圓軌道，範圍從近地點高度的1000公裏到遠地點高度40000公裏，衛星運行周期為12小時。入軌時衛星的軌道傾角大約63度，這樣可以防止衛星向東或向西漂移出軌道。保持4顆這樣的衛星將確保用於導航目的時至少有一顆衛星處於最佳位置。

　　如果這樣一個附屬星座加入到北鬥係統，它仍然是一個區域性衛星導航係統，精度也隻有GPS/NAVSTAR係統的二分之一或三分之一。然而這樣用戶卻再也沒有必要隨身失事攜帶原子鍾了，因為用戶在任何時候它都可以接收到4顆衛星發射出的信號。盡管中國肯定已經具備了將這種衛星送入閃電軌道的能力，但它以前卻沒有這樣做過。考慮到中國在發展武器係統方麵一貫深思熟慮的作法，估計中國首先可能會入軌一顆單獨的北鬥衛星，然後經過一段時間對這顆衛星的多種功能進行測試，例如高度控製-保持衛星的一個表麵始終朝向地球，而太陽電池板的表麵則指向太陽，以及對衛星在這種大橢圓軌道上進行至少一年的位置保持和跟蹤。隻有當時機成熟時，中國才會將另外3顆衛星送入閃電軌道。　　作者認為，對於中國來講，高度控製和軌道位置保持這兩個環節才是操縱閃電軌道衛星最困難的事情。就像上文所提到的，導航衛星的運行軌道必須非常精確，否則軌道測量的任何失誤都將對用戶定位產生直接而巨大的影響。

　　地麵控製站可以利用多種方法測算出地球同步衛星更加精確的軌道位置。通過向衛星發射定時信號，然後接收應答信號，這樣就能很容易地算出衛星的徑向距離，另外采用波瓣技術-在兩張坐標稍有不同的天線方向圖上測量無線電相對往返的過程，也能夠得出衛星的角位置。毫無疑問，中國在過去兩年時間裏一直在發展這兩種技術，但是要測算閃電軌道衛星的位置，中國還須要做出更大的努力，采取新式不同的操作技巧。

　　◆戰略武器的使用

　　作者認為，如果中國打算建立一個精度更加接近GPS係統的地區性衛星導航係統，那麽在衛星的數量上至少翻上一番，而且還要將它們送入無任何經驗可尋的閃電軌道。

　　精度不足以製導常規彈藥的一個係統，卻可以改進戰略武器的精度，這看起來有點自相矛盾。然而，北鬥係統就是如此。它可以使用兩種方法將中國的戰略彈道導彈(ICBM)的精度極大提到到1公裏以內。一種方法是通過速度測量來決定主發動機的關閉點，這在後來證明是行不通的。第二種方法是對助推段後飛行器或總線實施製導，這種方法不但可以將導彈的精度提到到1公裏以內，而且也使得中國得到了多彈頭分導再入飛行器(MIRV)的技術。

　　美國和蘇聯的經驗說明，導彈精度、核武器當量以及核態勢這三個不可分割因素構成了核威懾的整體。因此，在探討北鬥導航係統如何能夠在現有的3顆衛星幾何排列的基礎之上改進戰略彈道導彈的精度之前，有必要考慮中國核態勢的主要內容。

　　中國的核威懾依賴的是一支目標對準對手人口中心的小規模、生存能力較強的報複性力量。該國目前的核武庫據估計包括大約20枚能夠使用的戰略彈道導彈，打擊距離可達美國本土。這些導彈均為東風-5A(北約稱為CSS-4)二級液體助推導彈，射程13000公裏，每枚導彈據信攜帶有一枚熱核彈頭，威力為2-3百萬噸TNT當量。盡管有報道稱中國取消了幾個多彈頭再入飛行器技術的研究項目，但東風-5A導彈具有著很強的機動性和生存能力。這種導彈平時未加注燃料儲存在坑道內，一旦需要它可以迅速轉移出來進入發射平台，整個發射準備工作能在60分鍾內完成。一些分析人士相信中國正在對其核力量實施現代化，最早可能在2005年，東風-5A型導彈將會被一種更先進的固體燃料彈道導彈所取代。

　　關於東風-5A導彈的精度有不同的報道，範圍從500米的徑向概率偏差(CEP)-表示來襲導彈將降落在這些半徑範圍以內，至3500米CEP不等。數百萬噸級的核彈頭無論擊中此範圍以內的任何一點都會毀壞整個城市(一枚300萬噸級的核彈頭可以夷平半徑6.5公裏以內的所有建築，並引發大火和重大的人員傷亡)。然而，如果中國確實在其戰略彈道導彈上安裝了多彈頭分導再入飛行器，那麽它就需要生產和部署更小、更靈活的核裝置，其核彈頭的當量相應也會更小。這樣一枚分彈頭可能的當量也許隻有150至350千噸TNT，如果是這樣的話，僅僅一枚也會破壞半徑2.5公裏以內的所有建築，同樣也會引起火災和嚴重的人員傷亡。當量越小，中國可能愈加感覺到有必要加強導彈的精度，然而即使導彈的徑向概率偏差比較接近外電報道的500米最小估計值，如果中國打算使用這些低當量核武器對多個城市進行打擊，它還需發展一種製導精度大致相同的總線技術.




　　◆定位與速度控製

　　對戰略彈道導彈進行製導與控製是一項非常複雜而艱巨的工作。在發動機點火4分鍾後，導彈燃盡時速度即主動段結束時的速度超過7000米/秒，經曆7次重力速度後，導彈載荷的速度必須控製在原定速度加減6厘米/秒的速度隙縫範圍以內。速度上的這種微小差別會對導彈的飛行彈道造成極大的影響。例如，將彈頭燃盡時的速度增加6厘米/秒，彈頭的最大飛行高度就會相應地增加100米，而且在飛行彈道的其它階段，這種高度上的差別還會繼續增加，造成了射程上的最終區別。

　　由於中國的東風-5A導彈並沒有安裝助推段後飛行器用於對第二級火箭燃盡後的彈頭速度進行修正，因此導彈上的製導與控製係統必須將第二級火箭的推力終止在一個精確的水平上，這就是人們常說的發動機停車。控製彈頭的射程就要控製燃盡時速度，如果指令要求精度在500米，那麽燃盡時速度最好是在10000米/秒。與更現代化的固體燃料彈道導彈相比，液體燃料的東風-5A導彈做到這一點可能更為容易，因為液體發動機在飛行的最後幾秒鍾時間裏會降低速度，因此也就減少了加速度，決定正確的發動機關閉時間也會更加容易。

　　如果中國為東風-5A導彈改裝固體燃料助推器，作為對其實施現代化改進的一部分，那麽在精確控製燃盡時速度方麵難度可能會增大。想法做到發動機精確停車，中國可以采取美國民兵和海神彈道導彈曾經使用過的原理：在導彈發動機的上未端加裝連接有爆破引信的發動機停車閥柱(塞)或氣門，用於突然減少發動機內部的壓力以及燃氣和推力。當然導彈的製導和控製係統必須非常精確地決定發動機停車的正確時間，並且還要在當發動機處於最高加速度時，否則將會加劇彈道的速度偏差。

　　中國可能利用其衛星導航係統改善導彈精度的一個方法將包括測量衛星射向地球信號所產生的多普勒頻移。衛星向地麵實際發出的無線電頻率與用戶接收到的信號頻率有差額，這個差額就稱作多普勒頻移。這種微小差額與導彈的速度是成正比的，當導彈達到理想的速度和方向時，就在這一精確時間點上做到發動機停車。另外，北鬥星座內的3顆衛星也使中國具備了測量導彈速度所有3個要素的能力，這不僅包括彈道上任何一點的速度，而且還能測量橫向距離偏差。

　　這種方法以前曾經被使用過。二戰期間的德國在其V-2導彈上不但進行了使用多普勒頻移技術來關閉發動機的試驗，而且實際上也部署了一些具備這種能力的V-2導彈。中國的戰略彈道導彈與德國短程V-2導彈的一大區別是兩者要求的速度測量精度。像上文所提到的，如果中國打算使用多普勒頻移來決定發動機關閉時間，就需要測量出每秒隻有幾公分的速度差別。然而，測量一個多普勒頻移就隻有短短的有限的時間，這個過程就像是在兩條類似的電波上作比較，尋找出它們的差別所在。導彈上的測量裝置必須要在半秒鍾的時間裏測量出導彈速度，而且精度不能低於6厘米/秒。假設北鬥衛星是在6兆赫的波段上向外發送信號--我們知道這是中國衛星的工作頻率，如果中國想使用更低的頻率或是要求更高的的精度--比如對應地麵50米的徑向概率偏差，那麽測量多普勒頻移所要求的時間就會增加。

　　要想在這半秒鍾時間裏，測出所需精度的東風-5A導彈的速度，那麽導彈的速度變化將會達到35米/秒，這就極大地超出了6厘米/秒的精度。而且要想測出主動段結束時所需精度的彈頭速度甚至也會變得更加困難，因為在測量多普勒頻移的同時，光是重力就會引起4.5米/秒的速度變化。這樣，如果中國想在一定的時間裏測出所需精度的彈頭速度，它必須將其導航衛星的頻率提高至少1000倍。從這裏我們可以得出結論，目前中國的導航衛星還無法利用測量所需精度的彈頭速度這種方法來提高其戰略彈道導彈的精度。

　　◆測量位置，推力速度

　　中國能利用它的3顆衛星來改善其戰略彈道導彈的精度，通過對助推段後飛行器的位置進行多次測量。速度稍有差別的彈頭，它的彈道在空間的飛行路線也是不同的。這種方法就是充分利用了這樣一個理論。在這種情況下，中國將會使用其生產或外購的標準加速儀來終止導彈的推力，最終速度精度可能隻有1米/秒左右，與之相對應的目標精度幾乎達到10公裏。

　　如果中國的彈道導彈裝備了助推段後飛行器，而且它所攜載的彈頭速度能夠在一秒鍾的時間內改變幾米的話--這一數值是一台先進發動機及其相關燃料容積所必須要求的，那麽中國還是可以承受彈道導彈速度上的不精確性的。在主助推器燃盡時，衛星總線將首先經過一段時間來確定導彈的位置，這一時間要足夠衛星來區別出速度差隻有每秒幾公分區別的彈道軌跡。這一過程最多不能超過600秒，可能會更少。到那時，總線將解鎖特別設計的加速儀，並將其設置在衛星導航係統所確定的環境中，或者隻需要重新啟動主慣性製導裝置也行。任何一種方法都能避免導彈製導係統在主助推器動力飛行階段可能產生的計算失誤。新的製導裝置屆時將由衛星總線啟動用於控製發動機以此來修正速度，另外它也能夠多次改變總線速度。如果總線運用的是多彈頭分導再入飛行器技術的話，那麽每到一個新彈道，總線都會釋放出一枚彈頭。彈頭或助推段後飛行器在其飛行的27分鍾時間裏，都處於所有3顆衛星的監測之下。這就使得衛星總線可以長時間、多次對其位置進行測量，進而推斷出精確度非常高的導彈速度。地基導航係統不可能有這麽長的測量時間，因為導彈很快會消失在地球圓形表麵之下。很明顯，如果助推段後飛行器想要達到所需的精度的話，它就需要這段時間來決定本身的速度。衛星在主動段結束後的前幾百秒估計的偏差與導彈的實際偏差大致相同。然而，由於係統每隔一秒或兩秒時間測量一次總線的位置，因此它最終還是能夠分別出速度上的差別。另外，係統還可將彈道高度差別納入速度差別的分析當中。

　　◆北鬥係統對中國核作用的影響

　　作者認為，一個係統理論上的能力並不能決定其是否可以用於特殊場合。中國的北鬥衛星導航係統盡管不適合常規及陸上用途，但卻很適合戰略彈道導彈的製導與控製。如果北鬥衛星係統的目的就是用於改進中國彈道導彈精度，那麽西方就有必要考慮中國的核態勢。

　　在美國和蘇聯的核較量中，改善核彈頭精度一直與第一次核打擊能力聯係在一起，打擊的目標要麽針對對方的核力量(在發射前毀壞對方導彈發射井)，要麽是對方的指揮與控製設施。然而，如果中國打算獲得第一次打擊能力，它就不得不實施一項大規模采購項目，而不僅僅是現代化這麽簡單。對美國民兵戰略彈道導彈進行第一次打擊至少需要500枚核彈頭：在《第二階段消減核武器協議》的限製下實現一對一打擊。即使中國為每枚戰略彈道導彈安裝3枚分導彈頭，那麽它的導彈數量至少還需要增加8倍，更不用提500枚核彈頭了。當然，美國還有數量不斐的戰略轟炸機及三叉戟彈道導彈核潛艇作為報複力量。即使中國想對美國的指揮及控製設施實施第一次核打擊也成問題，因為美國為了抵抗蘇聯的第一次核打擊相繼興建了許多預備指揮中心。

　　作者認為，中國致力於的一個選擇性戰略，可能是運用北鬥衛星導航係統為安裝有分導彈頭的戰略導彈提供製導，這也不需要對導彈精度作多大的改進。中國可能正在努力增加目標瞄準美國城市的導彈數量。北鬥衛星這樣一個用於戰略彈道導彈的導航係統，也可以看作是中國對抗美國部署更加現代化的國家導彈防禦係統而作出的一個反應。實際上由於啟動該係統耗時較長，因此在美國的天基追蹤係統確定了一個飛行彈道，第一枚攔截導彈就要擊中目標之前，此時助推段後飛行器可能還正在作機動飛行。這樣的機動飛行，再加上中國肯定已經掌握的廉價的彈頭誘餌技術，對付美國地基攔截導彈無疑非常有效。