北斗衛星增添新功能，不僅能定位導航，更是隱身戰機終結者？
2024年10月17日，《南華早報》以“中國北斗雷達能探測F-22隱身戰鬥機嗎？”爲題，報道了中國已經開發了利用北斗導航衛星系統探測隱身戰鬥機的技術，引發各大外媒的關注，紛紛轉載，一時引發熱議。
■《南華早報》關於中國利用北斗導航衛星探測隱身戰鬥機的報道。
自美軍F-117隱身戰鬥機在海灣戰爭中取得輝煌戰果以來，隱身戰機以其來無蹤去無影的獨特能力牢牢佔據軍事科技的前沿位置，而如何剋制隱身戰機也成爲各國防空戰法研究的重點課題，在隱身技術有關的攻防兩端取得的任何研究成果都會引起相關領域的高度關注。中國利用北斗衛星研究反隱身技術自然成爲爆炸性新聞，外媒使用聳人聽聞的字眼加以描述，比如《歐亞時報》就形容此項技術是Groundbreaking（開創性的）。那麼，中國的北斗系統真的會讓F-22無所遁形嗎？它是否確如報道所稱“石破天驚”地“改變了遊戲規則”？
■《歐亞時報》以“開創性”這樣的字眼形容中國的“北斗雷達”。
要想解答上述問題，還需要從反隱身技術本身說起。軍事裝備發展史就是一部矛與盾交替上升的技術發展史。在F-117如入無人之境般穿梭於巴格達夜空，宣告隱身戰機時代的降臨，也同時開啓了隱身與反隱身的技術對決。當前常說的隱身技術更確切地說是雷達隱身技術，儘可能減弱目標的雷達反射信號特徵，使雷達無法準確捕捉和識別目標，從而達到“隱身效果”。同樣，反隱身技術也需要從雷達入手，努力提升雷達對隱身目標的捕捉能力。目前通過巧妙運用雷達實現反隱身的技術方案主要有四種，即米波雷達、多方向探測、雙基地雷達和被動雷達，下面我們一一介紹。
米波雷達
隱身飛機表面塗有吸波塗料，能夠吸收雷達波，減弱反射信號，塗層厚度要求達到入射雷達波波長的四分之一左右。目前吸波塗料針對的雷達頻率大多在1~20GHz範圍內，對工作頻率爲30~300MHz的米波雷達，其吸波性能大大下降。另外，隱身飛機具有與米波波長可相比擬的外形尺寸，會形成諧振區，在米波雷達照射下回產生較強的回波信號，足以令其隱身技能破功。截至目前，在反隱身戰機的實戰中最成功的戰例就是由米波雷達創造的。
■中國研製的YLC-8E米波雷達，據稱是全球首款機動型反隱身雷達。
F-117在1991年“沙漠風暴”中的鋒芒初露有多麼耀眼，它在1999年貝爾格萊德上空的折戟沉沙就有多麼意外。關於被北約空軍按着摩擦的南聯盟如何打下“來自未來”的隱身戰機一度流行過各種說法，甚至包括荒誕不經的“AK-47擊落說”，但是在米波雷達加持之下的地空導彈纔是立此奇功的真正主角。
1999年3月27日，參與空襲南聯盟的4架美軍F-117戰鬥機在未得到電子戰飛機伴隨的情況下，從意大利阿維亞諾空軍基地起飛，經空中加油後飛向攻擊目標貝爾格萊德。其中2架F-117從城市東北方向進入，完成投彈後取西偏西北方向返航，在貝爾格萊德郊區進入了南聯盟第250防空旅第3連的防區。
■蘇制S-125“涅瓦河”地空導彈，爲蘇聯研製的第二代地空導彈，北約代號薩姆-3。
該連裝備的蘇制薩姆-3“涅瓦河”地空導彈原本標配P-15分米波目標搜索雷達，對米格-21大小的飛機的探測距離爲140千米，且雷達波頻率容易遭致北約AGM-88“哈姆”反輻射導彈的打擊。戰前，這支部隊將P-15臨時更換爲P-18米波雷達，後者對米格-21大小的飛機的探測距離達到了270千米，其發射的米波不僅不在“哈姆”導彈的目標頻譜之內，還對隱身飛機具有探測能力——這正是擊落F-117的勝利之鑰。
■蘇聯P-18米波目標搜索雷達，南聯盟防空部隊臨時更換雷達收到奇效。
在貝爾格萊德遭到空襲之時，第3連即打開P-18雷達，不久後發現朝己方防區飛來的2架F-117，剩下要做的事情就是一俟目標進入合適的距離就打開火控雷達加以鎖定並開火了。“涅瓦河”地空導彈的RSN-125“低擊”火控雷達的作用範圍是一個內徑8千米、外徑14千米的圓環，發射的釐米雷達波理論上並無反隱身能力。當編號82-0806、呼號Vega 31的F-117漸漸接近時，第3連連續兩次短促打開火控雷達，試圖對其鎖定都未能成功，在冒險第三次開機後才堪堪逮住目標，隨後2枚導彈迅速升空，笨拙的F-117既沒有導彈告警裝置，也沒有像樣的機動能力，被擊落的命運已經無可挽回。
■如今已經成爲博物館展品的F-117座艙蓋殘骸。
儘管箇中細節仍嫌模糊，但此戰經過南聯盟的大力宣傳已廣爲人知，相對而言F-117在南斯拉夫上空遭到的另一次重擊就顯得岌岌無名了。
據稱此事件發生在1999年4月30日，2架從德國斯潘達勒姆空軍基地起飛的F-117飛臨貝爾格萊德執行轟炸通信設施的任務。在編隊從城市西郊向北飛行進入投彈航線時，伴隨掩護的F-16CJ“野鼬鼠”電子戰機發出了“導彈來襲”的警報，儘管如此，F-117僚機還是規避不及，導彈在該機附近爆炸，雖然沒有當即墜落，但機體遭受重創，蹣跚飛到預定的空中加油地點與長機匯合。由於傷勢過重，難以穩定飛行，在加油過程中僚機一度失去高度，導致油嘴脫落，燃油溢出。最終，該機在長機伴隨下總算捱回斯潘達勒姆空軍基地。據信，這一戰果也是在P-18雷達的幫助下取得的。
■F-16CJ是基於F-16戰鬥機改裝的電子戰飛機。
總之，實戰證明米波雷達具備發現隱身飛機的能力。儘管貝爾格萊德郊區的戰例中P-18對隱身戰機的發現距離只有約25千米，也足夠防空部隊在一定的運氣眷顧下祭出致命一擊。
多方向探測
前文提到，隱身飛機的隱身性能存在頻譜上的侷限性，比如在米波照射下就會大打折扣。同時須知，即使在理想的雷達波頻段中飛機的隱身性能也具有方向性，一般而言就是飛機的正前方隱身效果最佳，側方次之，後方最差。這是因爲從原理上講，隱身效果的達成就是儘可能多地將入射雷達波反射到其他方向去，以避免其原路返回到雷達接收天線上，而隱身飛機在作戰中一般以機首對敵，故將前方的來波反射到其他方向自然具有最高的優先級。換而言之，這些飛機所披的隱身斗篷有厚薄之分，全身上下並非全無破綻，儘可能從多個方向對其進行雷達照射，就能提高破除隱身的概率。
■F-117隱身戰鬥機正面的隱身性能最好，但側面和後面隱身性能減弱，容易暴露。
前述南聯盟擊落F-117的戰例亦是對此思路的實踐，儘管運氣佔了很大的比重。關於此戰例的細節，有一種說法是南聯盟在意大利阿維亞諾空軍基地附近埋伏了眼線，F-117出擊的時間和沒有電子戰飛機護航的信息都被及時傳遞迴第250防空旅第3連，該連曾苦練快速機動和展開，得以在對手的慣常航路上精心設置了防空陣地，從而及時通過P-18米波雷達發現了目標，趁F-117開啓彈艙投彈，破壞隱身效果的幾秒鐘窗口期用RSN-125火控雷達實現了鎖定。相比之下，另一個種說法更加靠譜，即第3連從未獲得過F-117出擊的情報，其陣地也從來沒有根據敵情重新設置過，F-117從東北方向突入貝爾格萊德上空，投彈完畢返航時在城市西郊恰巧飛經第3連防空圈。在最初進圈之時，F-117近似機頭對敵，尚具有足夠的隱身效果，所以第3連的火控雷達兩次開機都歸於失敗，隨着飛機向西飛行，F-117漸漸暴露出隱身效果欠佳的側後方，從而被第3連火控雷達的第三次開機抓住了軟肋。
■F-117返航途中進入南軍防空火力圈的示意圖，當側面正對雷達時其隱身效果降低，從而被南軍火控雷達鎖定。
在1999年4月30日F-117被重創的戰例中，美軍編隊長機飛行員也曾說過，在敵人防空圈裡執行任務時隱身飛機應該保持在自動駕駛模式，避免飛行員手動進行轉彎和側飛，因爲那樣可能會將隱身效果更差的角度暴露給虎視眈眈的防空雷達。所以，即使沒有米波雷達，增加雷達數量也有助於加強從不同方向探測隱身戰機的能力。基於此思路，可以衍生出更多的雷達設置方案。
雙基地雷達
既然在不同的地點佈置雷達的目的是從更多角度接收隱身飛機反射的雷達波，那麼完全可以對雷達系統做進一步精簡，通過在兩處不同地點配置聯動的兩部雷達，從而提高對隱身飛機的探測能力，這就是雙基地雷達概念。具體而言，在A地點的雷達只有發射系統，在B地點的雷達只有接收系統，收發系統之間一般有數據鏈相連以實現信號同步。A、B之間的距離也被稱作“基線距離”，一般情況下基線距離越大對隱身飛機的探測效果越好。當雙基地夾角（即下圖中BISTATIC ANGLE）大於135°時，構成前向探測模式。反之，構成後向探測模式，而常見的單基地雷達也可以視作工作於後向探測模式之下。
■單基地雷達（上）與雙基地雷達（下）的工作模式對比。
在前向探測模式下，目標對電磁波的衍射佔主導，尤其當雙基地夾角接近180°時，目標邊緣對電磁波的衍射效應較強，在目標後方產生“陰影”，稱爲“前向散射場”，此時目標雷達截面積（Radar Cross Section, RCS）劇增，且與目標材料無關，因此該模式下的雙基地雷達對於反隱身和小目標探測具有天然優勢。相較於前向探測模式，後向探測模式有更高的靈活度，技術更成熟，但目標的隱身材料和隱身結構在此模式下仍能發揮相當的作用，因此該模式對隱身目標的探測能力較前向探測模式爲差。
另外，收發分置兩處，不僅減少了雷達系統被反輻射武器一鍋端的風險，也增加了對敵方電子干擾的對抗能力。如果接收天線設置在發射天線的地平線之下，還可以有效地增加探測超低空突防敵機的能力。
■2021年臺軍在澎湖列島部署的機動雙基地雷達，號稱可以探測殲-20戰鬥機。
乍一看，雙基地雷達似乎是比單基地雷達更先進的概念，實際上將收發系統分置的雷達體制是已經誕生百年的前度劉郎。早在1922年美國海軍飛機實驗室的研究人員就利用分處河流兩岸的發射機和接收機完成了對河中航船的探測。英國沿海部署的米波警戒雷達網中，鄰近收發基地相距40千米，在二戰中針對德軍飛機起到了重要的預警作用。其他如法國、蘇聯、德國等軍事大國在同一時期也研究和部署過雙基地雷達。只不過隨着1936年雷達分工器問世以來，收發合一的單基地雷達逐漸佔據主流，雙基地雷達的發展式微，直到上世紀50、60年代方纔重獲青睞。有意思的是，人們耳熟能詳的半主動雷達制導導彈就是採用雙基地雷達工作模式。
被動雷達
在雙基地雷達的應用中，常把發射雷達波，容易成爲反輻射導彈打擊對象的發射機部署在較爲安全的後方，將被動接收回波，更爲隱蔽的接收機置於前沿。那麼，何不乾脆取消發射機，利用其他系統發出的電磁波作爲平替？事實上，這種模式被稱爲被動雷達，或無源雷達、外輻射源信號雷達，可以視爲由雙基地雷達衍生的雷達探測模式，而且也不是什麼新鮮概念，其歷史可以追溯到二戰之前。
■二戰時期德國空軍“克萊因·海德堡”被動雷達的工作原理圖。
1935年，英國在試驗中利用BBC短波無線電廣播電臺爲照射源探測到10千米以外的轟炸機。二戰中，德國開發了可實用的“克萊因·海德堡”（Klein Heidelberg）被動雷達系統，暗中利用英國“本土鏈”（Chain Home）海岸警戒雷達爲照射源，接收機通過測量目標回波與直達波的時間差以及目標回波到達角進行目標定位，對飛越英吉利海峽的盟軍轟炸機羣實現預警。由於被動雷達不會主動發出信號，相對“沉默”，難以察覺，盟軍直到諾曼底登陸後才發現英國雷達信號反被德軍利用的秘密。
■二戰時期英國部署在海岸地帶的“本土鏈”防空警戒雷達。
經過一段時間的停滯後，被動雷達的發展在上世紀80年代重新復甦，如英國倫敦大學學院測試了以模擬電視伴音信號爲照射源的被動雷達，成功探測到目標。90年代後期，美國洛克希德·馬丁公司開發了基於調頻廣播信號的商用被動雷達系統，即“沉默哨兵”（Silent Sentry）。“沉默哨兵”系統的信號源數據庫存貯了全球5.5萬個商用電臺、電視臺的位置與頻率信息，因此可在世界大多數區域部署。據報道，該系統對RCS爲10的目標的探測距離可達220千米，定位精度達到警戒雷達的要求，但還不能滿足跟蹤雷達的要求。後續發展的第三代“沉默哨兵”系統，據稱還曾捕獲250千米外的美國空軍B-2隱身轟炸機。
■美國空軍士兵在維護“沉默哨兵”被動雷達系統的接收天線。
隨着進一步發展，被動雷達的發射源愈發五花八門，除了電視和廣播的模擬信號，還可以是LTE移動通信信號和WIFI信號。在本文開頭提到的新聞報道中，所謂中國開發出利用北斗系統探測F-22的技術，本質就是以太空中的導航衛星爲照射源的被動雷達，即反隱身技術拼圖中的GNSS（全球導航衛星系統）外輻射源雷達系統。
1995年，德國科學家率先進行了基於GPS的探測實驗，觀察到由於目標遮擋導致GPS接收功率出現明顯損失，證明了系統原理的可行性，2012年又發現目標遮擋還會造成接收信號功率持續時間小於1秒的震盪和放大效應。2016年，中國北京理工大學的胡程教授團隊首次進行了基於北斗導航衛星的試驗，在首都國際機場對起降的民航客機實施了探測。
■中國的北斗導航衛星網絡被認爲具有探測隱身飛機的潛力。
從原理上講，用導航衛星網絡爲照射源具有電視、電臺、無線通信基站或WIFI信號無可比擬的覆蓋廣度，而導航衛星自身具備的高精度時鐘功能和精確測距功能對被動雷達來說更是得天獨厚，另外數量衆多的導航衛星可以同時成爲被動雷達的多個照射源，對提高探測精度大有裨益。並且，被動雷達可以基於北斗系統，意味着同樣可以基於GPS系統、伽利略系統乃至星鏈系統，系統設計的靈活性大。如果這一技術真正得到應用，無疑是對中國的反隱身系統的極大增強。
改變遊戲規則？
通過對反隱身雷達技術的梳理，我們不難看出，外媒報道的中國北斗反隱身技術屬於被動雷達範疇，那麼這項技術真的能對隱身與反隱身的博弈構成顛覆性的衝擊嗎？其實，國外已經進行過類似試驗，並有公開報道，據稱曾捕獲美軍F-35戰鬥機。
■德國亨索爾特公司推出的Twlnvis被動雷達系統。
外媒報道，德國亨索爾特公司推出的Twlnvis被動雷達系統在2018年4月底的柏林國際航展後，對撤場的2架F-35保持了150千米的跟蹤。Twlnivs可同時利用16個調頻廣播信號和5個地面數字視頻廣播信號作爲照射源，並對來自4個接收器的信息進行融合，從而實現對目標的精確探測。關於此事，追求噱頭的媒體早在2019年就給Twlnvis被動雷達冠以了“遊戲規則改變者”的頭銜。
■Twlnvis被動雷達系統的工作原理圖。
其實，這則報道在當年就受到不少質疑，而被TwInivs雷達破防的F-35依然活躍在世界各個衝突熱點地區。首先，當時2架F-35本來就是前來參加航展，並非處於戰備值班狀態，爲了確保飛行安全很可能安裝了主動現形的龍伯透鏡。其次，TwInivs雷達操作員不僅對周圍的無線環境非常熟悉，更對F-35的起飛時間和返航方向一清二楚，所以對隱身飛機的搜索相當於開卷考試，而在戰時的強電子對抗環境中，當F-35以實戰狀態潛行於高空，TwInivs雷達能否有效偵知其存在仍在未定之數。
■爲確保飛行安全，隱身飛機有時也需要現行，比如F-35會配置4個龍伯透鏡。
同理，中國的“北斗雷達”到底有幾分成色也需要劃個大大的問號。事實上，外媒毫不吝嗇地再次驚呼“遊戲規則改變者”時所根據的僅僅是我國科研工作者公開發表的幾篇論文而已。論文中除了理論分析和軟件仿真，就是進行一些條件簡陋的測試，例如用星鏈衛星爲照射源探測大疆消費級無人機等等。外媒做出“北斗衛星能探測F-22”的論斷竟然基於論文中用F-22圖形泛指空中目標的一張插圖而已！
■相關論文插圖的F-22圖形被外媒當作“北斗雷達”探測隱身戰機的依據。
除去媒體給“北斗雷達”吹出的泡沫外，這種探測隱身飛機的雷達機制要真正落地依然困難重重。
首先，這種反隱身機制的最大效能僅限於隱身飛機穿越導航衛星和地面雷達之間的基線前後的一段時間窗口，因爲只有在此窗口中這三者之間的幾何關係才能構成前文“雙基地雷達”一節中提到的“前向探測模式”，而在此模式下對隱身飛機的探測纔可以抵消其外形和材料的隱身性能。容易理解，當只有1顆導航衛星作爲照射源和1部地面雷達作爲接收器時，這樣的時間窗口必然是狹窄的；當多顆導航衛星和多部地面雷達聯合探測時，能增加該時間窗口，但是也會帶來硬件和軟件複雜程度翻倍的困難，對參數解算的速度和魯棒性提出很大挑戰，考慮到導航衛星本身並非靜止不動時更是如此。
■利用北斗導航衛星系統探測隱身飛機還存在很多技術難題。
其次，由於導航衛星發射到地面的信號功率非常低，以此爲基礎的探測存在着信噪比低到不足以發現空中目標的問題。算法上可以通過增加積分時間來提高信噪比，這就意味着飛機要存在於“視野”中一段時間後才能被“看到”。飛機飛得越快，可供積分的時間就越短，越不利於探測，而飛機飛得慢，又不利於系統利用多普勒效應測量其速度。所以該反隱身體制的可探測目標存在着飛行速度的上限和下限，除非相關算法得到極大優化，系統的實用價值會相當有限。
綜上所述，一般受衆大可不必依照那些媒體的高調口徑浮想聯翩，導航衛星被動雷達不是什麼橫空出世的新理念，這條賽道上很多國家都在佈局，而目前來看也並沒有取得實質性的技術突破，還遠談不上“顛覆遊戲規則”。
結語
通過以上的簡單盤點，“北斗衛星”在反隱身這顆科技樹上所處的位置也逐漸清晰。容易看到，軍事科技的攻防競賽總是道高一尺魔高一丈，難以出現一邊倒的優勢。類似地，單基地雷達和雙基地雷達也在不停的演變中輪番上場。基於導航衛星的被動雷達貌似處在強勁風口，但今年珠海航展上我國又隆重推出了屬於單基地雷達的YLC-2E反隱身雷達。此款雷達沒有因循米波雷達機制，反而選擇在本不具備反隱身能力的S波段與隱身飛機死磕，其原理無非是“力大磚飛”：既然隱身原理是將入射雷達波加以吸收和散射，以確保雷達接收到的回波能量不足以發現飛機，那麼YLC-2E雷達就通過元器件和智能算法的升級加大功率來獲取足夠捕捉目標的回波能量。所以，反隱身技術既充滿了百般解數，又暗合着大工不巧，在各種解決方案的映襯下，被外媒大肆報道的“北斗衛星探測F-22”就越發像是一個標題黨式的故事了。
■在2024年珠海航展上亮相的YLC-2E反隱身雷達模型。