美国“海军海洋监视系统”（NOSS）发展历程

天基探测相较于陆、海、空基探测，具有覆盖范围广、速度快、效率高、不受国界和地理限制等优点。为了能在全天候条件下监测海面气候特性、有效鉴别敌舰、探测水下潜航中的核潜艇、跟踪低空飞行的巡航导弹、为本国舰船提供超视距目标指示，美国在20世纪60年代就启动了“海军海洋监视系统”(Naval Ocean Surveillance Satellites，NOSS)计划，先后在1000km高度圆形轨道部署了三代“白云”(White Cloud)系列海洋侦察监视卫星。这些卫星在海湾战争、科索沃战争、伊拉克战争和叙利亚战争期间，为美军提供了大量侦察监视军事情报。

一、起源

在NOSS计划的支持下，1962年，美国海军研究实验室(Naval Research Laboratory)提出并发展了“波比”(Poppy)电子信号情报(Electronic Intelligence，ELINT)卫星，目的是为了收集当时苏联的海上导弹防御系统雷达信号，最后交由美国国家侦察局(National Reconnaissance Office，NRO)运营。“波比”ELINT卫星在1962～1977年的运营期间，升空了三种规格型号，分别为第一代“20英寸系列”(20in Series)、第二代“24英寸系列”(24in Series)和第三代“多功能系列”(Multifaceted Series)，共计24颗卫星，平均在轨工作时间为34个月，轨道高度约900km±5%，单个卫星质量不超过130kg。

“多功能系列”卫星拦截地面或海上舰船的雷达信号

“波比”卫星每三颗卫星组成星座，并都安装了重力梯度稳定实验(Gravity Gradient Stabilisation Experiment，GGSE)平台，保持ELINT收集系统的定向天线对准地平线、使太阳能电池板始终指向太阳。三星星座可以监测更大频段范围的反弹道导弹雷达(Anti-ballistic Missile Radars)信号，并将拦截信号直接发送回建立在美国盟国的地面接收站。部分“波比”卫星还安装了星载氨蒸汽微型推进器系统以保持轨道高度、星座之间的正常距离。

“波比”卫星拦截监视海上舰船雷达信号的能力吸引了美国海军的注意。美国海军为了第一时间获得卫星拦截的舰船雷达信号，因此在1969～1972年期间对地面基站进行了升级，并安装了“Poppy自动处理系统”(POPPY Automated Processing System，PAPS)。“波比”卫星的主波束拦截能力非常强大，可以确定任何地面、海面雷达的功率和扫描特性，也成为了上世纪七十年代美国功能最强大的天基侦察卫星。

在“波比”卫星技术基础上，NOSS计划迅速展开了专门用于监视海洋舰船雷达信号的卫星系统——第一代“白云”(White Cloud)ELINT海洋监视卫星系统。

二、诞生

第一代“白云”海洋监视卫星系统(NOSS-1)又名“命运三女神”(Parcae)。这个名字准确的描述了NOSS-1系统的特点和工作原理，在希腊神话中，“命运三女神”就是指天神宙斯和女神忒弥达(Themida)的三个女儿，类比于NOSS-1的三颗子卫星(Subsatellite Unit，SSU)。

三颗SSU与主卫星共同组成NOSS-1星座，在空间成直角三角形排列，利用多点定位的原理，通过测量卫星接收信号的时间差来计算卫星与信号源的距离，最终定位目标。

“命运三女神”SSU概念图

在1976～1987年期间，美国利用“宇宙神”(Atlas)运载火箭从美国范登堡空军基地共发射了9组，共27颗SSU，3颗SSU的地面覆盖半径为3500km。此期间可分为NOSS-1试验型和NOSS-1改进型两个阶段。

1976～1980年，美国国防部主导发射了NOSS-1试验型ELINT卫星系统，分别于1976年4月、1977年12月和1980年3月发射，共3组卫星，被送入1125km高度、63.5°倾角的轨道，三颗SSU合计重600kg，轨道运行寿命约3～5年，彼此间隔50～240km。每颗SSU都有10～15m长的重力梯度定向吊杆，确保安装信号拦截天线的卫星主体一侧始终朝向地球。SSU卫星的侦察地面精度取决于：卫星自身坐标，地面对轨道进行精确测量和预报;各SSU之间时间同步，为了实现各星同步截获雷达波，SSU卫星间采用毫米波通信，并采取措施抑止空天电磁波干扰。计算表面，如果要计算出一组可靠海面舰船移动的速度数据，那么3颗SSU之间的位置精度必须保持在2～3km以内，每颗SSU使用星载微小推力装置保持相对位置。

1983～1987年期间，NOSS-1改进型的五组卫星分别于1983年2月、1983年6月、1984年2、1986年2月和1987年5月由“宇宙神-H”火箭发射至1186km高度、63.4°倾角的轨道。与NOSS-1试验型相比，NOSS-1改进型的星上稳定与数据转发系统比以前更加完善。

在完全部署的情况下，NOSS-1应有4组SSU星座在轨工作，每组SSU星座轨道于赤道的交点在60°～120°之间。此外，美国还建立了一组地面站用于接收和处理信号，分布于美国马里兰州、缅因州、英国苏格兰岛、关岛、迭戈·加西亚岛(Diego Garcia，位于印度洋，建有美军基地)以及埃达克岛(Adak，位于太平洋)等地。

“命运三女神”SSU形状与结构

三、发展

(一)SBWASS-Navy

1990年，美国提出了“天基广域监视系统”(Space-Based Wide Area Surveillance System，SBWASS)计划，美国海军在计划中开发出一套“海军天基广域监视系统”(SBWASS-Navy)来升级替换NOSS-1。SBWASS-Navy维持了第NOSS-1的一主三副的卫星系统结构，区别在于主卫星装载有高分辨率光学成像和雷达成像设备，具备全天时全天候的侦察能力。其中的主卫星就是美国“锁眼”(Keyhole)系列和“长曲棍球”(Lacrosse)卫星，“锁眼”主星是光学照相侦察卫星，采用大型CCD多光谱线阵器件、凝视成像技术和镜面曲率计算机控制技术;“长曲棍球”是雷达成像照相侦察卫星，装备了合成孔径雷达，最高分辨率可达0.3米。

“锁眼”光学照相侦察卫星

SBWASS-Navy的三颗子卫星(SSU)被称为“游侠”(Ranger)，与主星组成星座，每颗SSU装载高灵敏度红外相机，主要侦察对象是对方的水面舰和潜艇，还可以对飞机进行侦察。不同于NOSS-1系统中的“命运三女神”SSU，SBWASS-Navy系统“游侠”SSU的拦截频率由原4GHz扩大至10GHz，星间距离缩短到30～110km，星间采用了激光通信(Lasorcom)方式，采用新的定位基线、新型侦听与数据转发设备。“游侠”SSU较上一代卫星系统的信息拦截、处理和传输能力有了较大增强，每组卫星侦察区域可达7000km2。

在1990～1996年期间，美国利用“大力神-4A”运载火箭从范登堡空军基地和美国卡纳维拉尔角发射基地(Cape Canaveral)陆续将4组、共12颗SBWASS-Navy SSU送入高度约1165±50km、倾角63.4°的圆形轨道。到了2012年，SBWASS-Navy一主三副的卫星星座系统逐渐解体，三颗SSU相对运动发生变化，有可能是受到摄动的影响。

(二)NOSS-3

由于SBWASS要实现全球覆盖所需的卫星较多，从2000年起，美国国防部将SBWASS-Navy与SBWASS计划中的另一个SBWASS-Air Army计划合并为一个系统——“联合天基广域监视系统”(SBWASS-Consolidated)。SBWASS-Consolidated兼顾了美国空军和海军对战略防空和海洋监视的需求，发展成为现在的第三代NOSS(NOSS-3)。

NOSS-3系统放弃了前代的一主三副卫星星座，而选择了两颗名为“入侵者”(Intruder)卫星组网的方式，运行轨道也升至1200km高度，采用时差和频差相结合的定位体制，对海上舰船目标定位精度优于2km。美国NRO对具体的卫星性能和星载设备严格保密，目前也只是知道每次发射的两颗卫星总重约6500kg，卫星之间的编队保持很可能是通过使用外部面板来修改它们的弹道系数来实现的，外部面板可以调整卫星运动方向的区域，可以利用微小的阻力效应来缓慢地调整轨道。

2001～2017年期间，NRO通过“宇宙神5”(Atlas Ⅴ)火箭共发射了8组、16颗“入侵者”卫星，最近的一次为NROL-79发射任务，发射地点为范登堡空军基地，发射时间为2017年1月3日。下一次的发射任务预计在2021年下半年进行，转而采用SpaceX公司的“猎鹰9”运载火箭。

国外爱好者可以根据发射地点、运载器型号、发射窗口、上升路径以及对在轨卫星的跟踪观察推断出NRO保密卫星的属性和任务，足够的证据表面NOSS-3卫星星座目前在以十年为周期进行替换，如2011年4月发射的NOSS-3 5A/B就替换了2001年9月发射的NOSS-3 1A/B两颗卫星，后者在前者入轨后8个月就解散了星座构型;2012年9月发射的NOSS-3 6A/B替换了2003年12月发射的NOSS-3 2A/B，以此类推。

2008年国外爱好者拍下的NOSS-3 2A/B卫星

总结：

美国从20世纪60年代就开始在太空中部署海洋监视卫星系统，还配合有高分辨率成像侦察卫星系统和红外、雷达侦察卫星系统，形成了对海洋移动目标强大的监视能力。总结美NOSS星座发展历程，主要发展方向是多载荷、多功能的大型侦察卫星平台，从早期只安装有雷达信号拦截装置，发展到现在的搭载了雷达和红外成像等多种侦察载荷，集成通信情报侦察和电子信号侦察于一体。

除了美国，苏联从1959年开始也逐步建立了“宇宙”海洋监视卫星系统，解体后，俄罗斯经济的不振使得“宇宙”不能得到更新，目前也只是维持运转而已。德国、意大利、加拿大、日本、欧洲等国家和地区虽然没有专门的海洋监视卫星系统，但借助于军事成像侦察卫星或商业遥感卫星，开展了一系列海洋目标卫星监视研究，这些项目主要是基于合成孔径雷达(SAR)卫星开展，不过也仅仅限于对低慢速海面舰船的监视，远不能达到军用海洋监视的标准。

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作者丨太阳谷

编辑丨郑实

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