【全解析】宙斯盾彈道導彈防禦系統（BMD）

原標題：【全解析】宙斯盾彈道導彈防禦系統（BMD）

海軍區域防空計劃(NAD)

最初的海軍區域防空計劃旨在以現有的宙斯盾系統為基礎發展戰術彈道導彈攔截能力，具體操作細節是通過修改宙斯盾的SPY-1雷達系統，SM-2 BlockIV導彈和計算機設備達到對戰術彈道導彈的探測，跟蹤和與之交戰的能力，並且宙斯盾艦不需要增加額外的人手。

SPY-1雷達系統：所有的SPY-1B,D都可以從全視場雷達(FFOV)轉變為有限視場雷達(LFOV)，即可用雷達凝視能力-由於越大的掃描角度就會帶來越大的損耗，相控陣雷達通常被限制在±60度的最大電子掃描角度。最大±60度掃描角度的雷達即為全視場雷達，反之即為有限視場雷達，典型的有限視場雷達例如SBX-1。關於範圍-SPY-1D被描述為能在165公里外探測一個高爾夫球。

SM-2 Block IVA試射

SM-2 Block IV：為海軍提供增程的跨距和高空攔截能力並改善對低空目標和複雜ECM的性能。後為攔截彈道導彈，其中75枚被修改包括導彈引信和導航儀，修改項目跟當時已生產的SM-2 Block IVA(增加雙模紅外感測器)差別不大。由於比原計劃落後兩年，超支50%，該計劃被取消，但SM-2 Block IV為後來在海軍戰區戰術彈道導彈防禦計劃(NTWD)的SM-3打下堅實的基礎。

宙斯盾BMD攔截試驗

背景：宙斯盾武器系統(AWS)最初為防空戰(AAW)任務而設計。對於這一使命，AWS遵循"探測，控制和交戰"的範式。探測，控制和交戰過程由AN/SPY-1雷達，指揮決策(C&D)系統，武器控制系統(WCS)和標準導彈執行。SPY-1探測和跟蹤潛在目標，C&D評估鑒定潛在目標，WCS和導彈用於交戰和攔截目標。

SM-3是標準導彈的四級火箭型號，專門用於大氣外攔截彈道導彈。SM-3使用SM-2 Block IV的前兩級。第三，四級採用由戰略防禦倡議辦公室出資的LEAP計劃開發的技術，後來的彈道導彈防禦機構。第三級使用雙脈衝固體推進劑火箭發動機在彈出第四級或動能彈頭之前增加導彈速度。動能彈頭使用長波紅外(IR)探測器和固體推進劑分流和姿態控制系統(SDACS)來引導以撞擊形式攔截彈道導彈。

具體閉合火控環路戰術操作

火控是戰鬥人員執行的一系列職能的過程，即引導導彈實現指定的目標攔截

在了解火控環路之前，必須先知道AAW(防空作戰)和ALI(宙斯盾小型大氣外彈頭(LEAP)攔截)的區別:

• 因為是TBM威脅，SPY-1雷達必須相比典型AAW任務搜索和探測更遠的目標。

• 導彈在大氣外飛行，其機動能力僅在一定的時間內可用，不同於大氣中的利用持續空氣動力學機動能力的AAW。

• 動能彈頭的IR感測器在進入末端階段之前不能獲取目標。

• 在末端，動能彈頭必須擊中目標才算成功，而不是像AAW依賴引爆彈頭。

火控環路簡單來說，輸入信號是所測得的目標位置向量，反饋信號是所測得的導彈位置向量。所得到的誤差信號是相對的目標到導彈的位置向量。ALI火控環路的目標是將誤差信號帶到零(即擊中目標)。控制處理可以使用多個感測器，涉及多個反饋環路，並在艦艇和導彈之間分配。

基本反饋控制系統圖

ALI火控環路

ALI火控環路被分為5個遵循典型ALI交戰時間線的獨立環路，下圖攔截演習開始於太平洋靶場發射的單級，單體測試目標飛行器(TTV)。TTV的M56A1火箭發動機燃燒63秒後沿彈道飛行。靶標姿態是由TTV上的冷氣姿態控制系統控制。SPY-1雷達將搜索區域放置在發射點附近，並在TTV超出雷達地平線之後探測到了它。在TTV已自由落體飛行並且火箭發動機已關機之後，C&D將確定可交戰性。如果飛行路線在預定區域內，C&D將向WCS發出交戰指令。此時，ALI火控處理開始。火控環路中的每一個環路——預備發射，助推，大氣內中段，大氣外中段和末端。

FM-2

預備發射：控制處理從預備發射環路開始，當C&D向WCS發出交戰指令時啟動。在此時，WCS正從SPY-1雷達獲取對目標的初始雷達測量並運行彈道軌跡濾波器以估算目標位置和速率.為了執行此過濾，WCS從艦載導航系統(WSN-7)獲得艦艇位置，速度和姿態數據。這些數據用於穩定雷達數據，並考慮到艦艇運動造成的明顯目標加速度。一旦從過濾處理中生成目標估算，它就會被用於WCS的預備發射攔截方案。該方案將目標位置延伸到預期的截距高度，它通過操作員手動鍵入系統。

該方案還計算目標到達所需高度的時間(T)。這個時間將與導彈的飛行時間(T)值進行比較，錄入存儲在WCS中的表，稱為T2表。T2表提供導彈飛行時間表的查找值，給出了預計攔截點(PIP)的下落範圍和高度。然後，WCS將當前時間加上導彈飛行時間與目標進入PIP的時間進行比較。當這些值相等時，WCS將初始化導彈並通知操作員發射。將ALI任務的交戰指令發送到WCS通常是目標發射79秒後。SM-3導彈發射大約在目標發射359秒後。

導彈初始化是火控環路的關鍵，因為這一步驟涉及了艦艇系統與導彈飛行期間的公共時間框架和用於數據通信的坐標框架。與其他標準導彈一樣，SM-3由WCS通過垂直發射系統(VLS)初始化，SM-3的新功能是導彈上GPS接收機的初始化，以及艦艇通過VLS對導彈進行外部供電的能力。

GPS初始化(或熱啟動)數據消息為GPS接收機提供非常精確的時間標記選通，時間標記數據和衛星星曆信息。提供這些數據的艦載系統是VLS GPS積分器(VGI)，其使用導彈上相同類型的GPS接收機通過光纖介面提供熱啟動數據。需要光纖連接才能獲得高精度的定時信息，以確保發射後導彈快速獲得GPS。預備發射GPS的初始化需要外部供電，並在導彈發射之前用於導彈健康和狀態檢查。一旦導彈正確初始化並通過其內部的檢測，它將向VLS傳輸一個導彈就緒信號，關閉發射互鎖並點燃MK 72助推火箭發動機。

助推階段：這一點就像SM-2 Block IV，它的火控環路不直接輸入目標位置；而是基於SPY-1雷達的目標數據和與發射攔截PIP計算出助推結束後所需的速度向量。初始化信息指定了一個預估的垂直速度向量方向(VLEG)和水平速度向量方向(方位)。在助推階段，導彈利用其彈載慣性導航儀-慣性參考和測量儀(IRU/IMU)提供導彈位置，速度和姿態。這些與初始化數據一起提供俯仰引導。俯仰引導演算法使用IRU反饋來計算電流速度向量方向並導出飛行路徑角度指令。以將向量強制到VLEG和方位的每個初始化信息。同時，內部控制環路將彈體速度反饋給導航儀，以保持彈體穩定。

為了平穩過渡到下一階段，必須建立艦艇和導彈之間的通信。發射不久後，SPY-1雷達將搜索波束放置在預估的導彈位置附近，然後發送一個採集束信息。如果導彈接收到了上行鏈路，則導彈的信標轉發器以下行鏈路應答。一旦建立通訊，WCS將使用來自SPY-1的原始導彈信標軌跡數據輸入到導彈篩選器中，測量導彈的位置和速度。下一個火控環路將需要這些數據。

大氣內中段：WCS將過濾後的目標位置和速度傳輸到到PIP。此時，WCS必須預測第三級火箭發動機的兩個脈衝何時點燃。對於整個ALI來說，這些操作是基於時間和高度的融合。中途導引的目的是在導彈進入大氣外中段之前儘可能減少航向誤差。從大氣內中段過渡到大氣外中段是極其複雜的，並且很多東西要在大氣內中段期間準備好。導彈的助推和大氣內中段飛行都是利用SM-2 Block IV的導航技術來提供導彈的位置，速度和姿態數據。正如發射前所述，導彈配備有GPS。GPS輔助慣性導航系統(GAINS)融合IMU,GPS和雷達數據，提供高精確的導航方案。在大氣內中段飛行期間，GPS接收機嘗試用熱啟動的初始化數據來獲取GPS衛星。按理來說導彈會在大氣內中段飛行期間獲得GPS並且GAINS方案將在過度到大氣外段飛行之前收集。

過度的另一個問題是導彈的機動性質要從空氣動力學到外層空間轉換，在進行這種轉換時，導彈的導航儀開始減少加速指令，以在第二，三級分離之前保持彈體穩定。第二級的導航儀需要減小彈體的角度和速度，以便設計用於外層空間控制並因此具有較弱控制能力的第三級控制系統能夠捕捉和保持穩定。另外，必須改寫上行鏈路的信息來完成大氣外中段的過度。上行鏈路分為兩個階段，第一階段包含用於大氣內中段制導的加速命令，第二階段包含用於外層空間中段的目標位置和速度。上行鏈路在飛行期間根據導彈高度進行過度。

大氣外中段：這個階段是在第三級與第二級分離，第三級火箭發動機(TSRM)的第一個脈衝點燃後開始。第三級只能在TSRM脈衝燃燒時主動引導導彈進行攔截。與大氣內中段相反，第三級的導引是導彈自己進行。通過上行鏈路將來自WCS的目標和導彈軌跡的預估數據提供給導彈。這些數據，以及GAINS對導彈位置，速度和姿態的估算，都被饋送到第三級的制導演算法中。然後將導引指令提供給第三級的導航儀，其使用體速和角度反饋來穩定導彈。第三級的導航會試圖在TSRM最後一次燃燒結束時將第三級置於撞擊途中。對於整個ALI來說，需要使用兩次TSRM脈衝。導航按照目標和導彈狀態信息推斷髮動機燃盡時間。此時，導航將導彈速度向量與目標速度向量的視線(LOS)進行垂直比較。如果這些向量匹配，導彈就會與目標發生碰撞。如果出現差異，則導航計算所需的TSRM推力矢量以使速度向量匹配。導航計算是在TSRM燃燒期間進行。

在TSRM燃燒期間執行任務序列，提供導航儀姿態控制指令。起初，導彈試圖用姿態控制系統(ACS)來保持零攻角，簡單說就是將導彈彈體的中心線與速度向量對齊。為了讓鼻錐拋離，導彈慢慢將彈體從速度向量上轉移，保持彈體姿態。在第二次TSRM脈衝燃燒之前，鼻錐被彈出並且彈體姿態返回到零攻角。在第二次TSRM脈衝之後，ACS用於指向目標LOS向量並提供其他姿態機動以準備拋射KW(動能彈頭)。在給定攔截時間後，第三級將命令激活KW電池並且將KW指向遠離目標LOS的空間背景以進行導引頭校準。與此同時，第三級將執行滾轉機動，來讓KW測量第三級與KW導航器的校準情況。完成校對後，第三級向KW提供初始化數據，包括目標位置和速度以及自身位置，速度和姿態。KW在24秒後射出.

末端：KW將被拋射並根據制導方案持續進行自我修正，KW將以直接撞擊其捕獲目標的方式完成攔截。

BMD系統版本

BMD 3.0E：首次部署的宙斯盾BMD，為宙斯盾艦提供遠程監視與跟蹤(LRS&T)能力，後續系統均有沿用。此升級允許前沿部署的宙斯盾艦將彈道導彈的軌跡信息轉發給路基中段國家導彈防禦系統使用。

BMD 3.0：該版本為宙斯盾艦提供初步的交戰能力。此升級允許宙斯盾艦在應急情況下使用SM-3 Block I攔截短-中程彈道導彈。

BMD 3.6：該版本為宙斯盾艦提供使用SM-3 Block IA的能力。此升級允許宙斯盾使用SM-3 Block IA與短-中程彈道導彈交戰。

BMD 3.6.1：該版本為宙斯盾艦提供大氣層內末端反導能力。此升級允許宙斯盾艦使用SM-2 Block IV攔截進入大氣層的彈道導彈，並添加遠程發射(LOR)能力。

BMD 3.6.3：該版本為宙斯盾艦提供更大的防禦範圍。此次升級允許宙斯盾艦使用SM-3 Block IB攔截短-中程彈道導彈。

BMD 4.0.1：被稱作第二代宙斯盾系統。該版本為宙斯盾艦增加了額外的BMD信號處理器(BSP)和使用SM-3 Block IB的能力。此次升級提供了宙斯盾艦的雷達分辨能力和防禦範圍，並且改善了遠程發射能力(LOR)。BSP可以通過信號處理和先進演算法來實時識別單個物體。

BMD 4.0.2：該版本為修復BMD 4.0.1在FTM-16 E2攔截測試中，第三級火箭發動機推力脈衝正時導致發動機爆炸的問題。此次升級允許控制脈衝之間的時間量，對導彈和艦艇的性能影響極小。

BMD 4.0.3：改進國土防禦凝視演算法。

BMD 4.1：該版本為BMD 4.X系列增加大氣內末端攔截能力。此次升級允許宙斯盾艦使用SM-2 Block IV，SM-6 Dual I在大氣層內攔截短-中程彈道導彈。

BMD 5.0：該版本為宙斯盾艦提供綜合防空反導能力-這裡就不得不提一下宙斯盾計算機發展歷史，早期BMD計算套件使用單獨的信號處理器，這使得宙斯盾在執行BMD任務時無法同時執行AAW任務。由於基線9的開放式架構和全COTS設備的計算總量與大量配備BMD並且還在使用軍規計算機的基線5相比完全不是一個量級，其使用一種信號處理器就足以並行處理BMD和AWW的雷達信號。洛馬稱之為多任務信號處理器(MMSP)，MMSP的最新商用硬體和軟體演算法控制雷達波形的形成，並允許同時處理AAW和BMD雷達信號，這意味著SPY-1D可以提供雙波束搜索。

(以UYK-43軍規計算機為量單位，初期裝備USS提康德羅加(CG 47)的基線1，計算總量擁有同時跟蹤128個目標的能力[人為限制，避免系統飽和]，在測試基線7.1R的全開放式COTS計算機環境時，同時跟蹤數量超過一萬)

MMSP允許宙斯盾形成雙波束

BMD 5.0 CU: (Capability Update,能力升級) 該版本在綜合防空反導的基礎上為宙斯盾艦增加末端反導的能力。此次升級允許宙斯盾艦使用SM-2 Block IV,SM-6 Dual I末端攔截短-中程彈道導彈。

BMD 5.1：該版本為宙斯盾提供更大的防禦範圍和遠程交戰(EOR)的能力。此次使得宙斯盾艦可以使用射程更遠的SM-3 Block IIA來攔截短-中-遠，甚至是洲際彈道導彈。

註：遠程發射(LOR)：允許宙斯盾在自身雷達不接觸目標的情況下，通過數據鏈(Link16/CEC)獲得其他感測器數據依次閉合火控環路直接發射SM-3的能力，在大氣外中段時雷達再接觸目標，直接為SM-3提供原始位置數據直到交戰結束。

遠程交戰(EOR)：允許宙斯盾通過數據鏈(Link16/CEC)獲得其他感測器數據依次閉合火控環路直接發射SM-3，並與目標交戰的能力。與LOR不同的是，使用EOR的宙斯盾艦，自身雷達從發現目標到交戰結束都可以不接觸目標。

標準-3導彈

SM-3 Block 0：僅用於測試的版本，與隨後的Block I相似，相比其增加了測試用的特殊功能，例如燃料箱和火箭發動機中的壓力表和「自主飛行終止系統」。在FM-2至FM-6中被用來測試。

SM-3 Block I：限量生產的一個版本，只生產了11枚，其中四枚在FTM-04-1(FM-7),FTM-04-2(FM-8)和「太平洋突襲」中使用。

SM-3 Block IA:是SM-3系列中第一個量產的版本。相比Block I具有更強的處理和紅外鑒別能力，還有更高的導彈壽命。Block IA還具有更強的機動性，從FM-5攔截實驗開始，所有SM-3都換裝了殺傷彈頭固態轉向和姿態控制系統，該系統有一個初始維持脈衝，接著是兩個小脈衝，提供額外的轉向能力。FM-5攔截失敗就是由於這兩個較小脈衝的閥門故障造成的。之後這兩個脈衝在所有導彈上都被禁止使用了，這些脈衝在Block IA版本被恢復使用。Block IA最初為BMD 3.6的一部分，它於2006年春首次部署在USS希洛(CG 67)上。

SM-3 Block IB：使用與Block IA相同的彈體，其擁有一個全新的KW，雙色紅外導引頭(可感知兩種不同波段的紅外信息)和機動性更強的可變推力轉向和姿態控制系統(TDACS)。此外，Block IB的彈頭還擁有一個更快的先進信號處理器，對所搜集的信息進行分類和分析。Block IB最初被部署在4.0.X的宙斯盾艦上。

SM-3 Block IB TU：(Threat Upgrade,能力升級)使用軟體升級套件升級Block IB,使殺傷彈頭能夠捕殺更複雜，更強大的目標。

SM-3 Block IIA：全新的第二，三級火箭給與它比Block IB更高的速度。雖然沒有官方數據公布，Block IA的關機速度通常被認為3KM/S，而Block IIA的關機速度被預測為4.0-4.5KM/S，這樣高的速度意味著它擁有比Block IB遠得多的射程。Block IIA擁有新的彈頭和靈敏度更高，機動性能力更強的導引頭，以及拋離助推火箭後更長的作戰時間。

SM-3 Block IIB：該攔截器不得不擁有比Block IIA更高速度的助推器和更輕的攔截器，因為其計劃用於彌補Block IIA對伊朗洲際彈道導彈有限的攔截能力。其原本計劃於2020年作為歐洲階段性防禦計劃(EPAA)第四階段部署。2013年3月，國防部宣布取消第四階段計劃。Block IIB的取消並不在意料之外，包括來自俄羅斯的外交壓力，和方案的缺陷-EPAA計劃中路基宙斯盾並不是利用Block IIB攔截飛向美國的ICBM的有利位置。最致命的硬傷是Block IIB是被設定為陸海兼容，並且海軍表示為了得到更大的防禦範圍，該方案可能會選擇液體燃料推進劑火箭，如果部署在軍艦上，無疑存在重大的安全隱患和花費相關的成本，還將推翻1988年制定的禁止在艦艇上使用液體燃料火箭推進劑的相關法案。

測試記錄

SM-2 Block IV

SM-6 Dual I

SM-3各系列

截止2018年2月8日，宙斯盾BMD一共發射了46枚攔截器，其中38枚擊中了目標，命中率82%。

宙斯盾BMD安裝/部署情況

太平洋艦隊

註：1.USS菲茨傑拉德(DDG 62)於1月19日抵達亨廷頓·英格爾斯，由於破損問題，菲茨傑拉德將直接獲得原計劃2019財年的HM&E，作戰系統和C5I升級，包括電子戰套件，雷達，交換機，燃氣輪機發電機和冷卻系統的修復或更換。預計修復和現代化工程需要24個月完成。

2.USS米利厄斯(DDG 69)將於2018年夏季部署到日本橫須賀,此次部署是前沿部署海軍力量(FDNF)計劃的一部分。原計劃2017年春部署，為了確保艦艇的維修和現代化在加入第七艦隊前完成測試和認證，海軍推遲了部署。

大西洋艦隊

太平洋靶場事件

太平洋鳳凰-2006年5月24日，宙斯盾BMD首次測試SM-2 Block IV末端攔截。

太平洋突襲-2008年11月1日，美國在沒有MDA的參與下獨立進行BMD測試

恆星匕首-2009年3月26日，首次測試同時執行防空與末端反導任務。

恆星火盾-2016年5月26日，測試改進過的SM-3 Block IB的第三級火箭發動機。

太平洋龍：美日韓兩年一度的宙斯盾彈道導彈跟蹤演習。

關於LOR的實戰過程

2011年4月15日。「這次飛行測試是最具挑戰性的測試，因為它首次用宙斯盾BMD3.6.1版本攔截一枚射程高達5500KM的洛克希德馬丁LV2靶彈（由三叉戟C4改造），並且也是首次BMD3.6.1依託遠程數據交戰。」導彈防禦局（MDA）指出。美國東部時間上午2點52分（馬紹爾群島時間4月15日下午6時52分），一枚中程彈道導彈靶彈從距夏威夷2300英里的馬紹爾群島誇賈林環礁的里根試驗場（RTS）中的梅克島上發射。靶彈飛向了東北方的太平洋海域。隨著靶彈的發射，坐落在威克島前沿設立的AN/TPY-2 X波段雷達首先探測和跟蹤到了這枚威脅導彈，雷達發送軌跡信息給指揮，控制，作戰管理和通信（C2BMC）系統，該系統處理並使用Link16傳輸遠程目標數據到USS 奧凱恩號驅逐艦（DDG 77），這艘驅逐艦在測試時位於夏威夷以西（為了確保測試更貼近實戰，靶彈發射的時間並為透露給任何參與者），奧凱恩號在自身雷達沒有接觸目標的前提下，使用收到的軌跡數據制定了一個火控方案並在靶彈發射大約11分鐘後發射一枚SM-3 Block IA導彈,並以此為線索開始使用它的AN/SPY-1雷達搜索目標（即使不開啟SPY-1，奧凱恩的宙斯盾 BMD武器系統也會通過Link16持續處理AN/TPY-2的軌跡數據並計算更新火控方案）。SM-3的拋離MK72助推器以後（即第二級火箭工作期間），BMD武器系統持續的上鏈給導彈的制導指令，都來源於TPY-2的軌跡數據。第二級雙推力火箭發動機拋離後，第三級火箭助推器（TSRM）點火，提供維持導彈軌跡所需的軸向推力。TSRM的姿態控制系統（ACS）進行俯仰機動，彈 出鼻錐並且露出動能彈頭（KW）的紅外（IR）導引頭。由於靶彈隨著它的軌跡持續飛行，奧凱恩號上的AN/SPY-1雷達也捕獲了這枚靶彈，發射艦的宙斯盾BMD武器系統整合SPY與 TPY-2的軌跡，基於SPY（本地）的軌跡數據，武器系統上鏈傳輸目標軌跡信息到SM-3 Block IA，SM-3由火控方案的指引下將目標鎖定在紅外導引頭視場的中心位置。在太空中的指定位置釋放了動能彈頭，隨後，動能彈頭以撞擊的方式攔截了這枚靶彈。在測試過程中，第94陸軍航空與導彈防禦司令部通過C2BMC系統將所有數據和態勢感知提供給了美國太平洋司令部，美國北方司令部和美國戰略司令部。兩顆由MDA於2009年發射的太空跟蹤與監視衛星（STSS）也成功捕獲到了導彈從發射到被攔截的全過程。

FTM-15

此次測試，指定飛行測試標準導彈-15（Flight Test Standard Missile-15，FTM-15），使用遠程雷達數據攔截威脅彈道導彈的能力大大提高了SM-3導彈的作戰空間和防禦區域。

關於攔截衛星

2008年2月20日，美國海軍USS伊利湖(CG 70)擊落了一顆失控衛星。該艦的宙斯盾彈道導彈中段系統的修改主要涉及軟體修改。國防部表示，這些修改只是暫時的。總共三枚SM-3 Block IA被改裝用於嘗試攔截。伊利湖發射的第一枚SM-3在約133海里的高度成功攔截了衛星，另外兩枚備用彈(一枚由伊利湖攜帶，一枚由USS迪凱特(DDG 73)攜帶)沒有發射。此次攔截一直被視為SM-3的最大攔截高度，直到2013年被FTM-21打破(比該測試晚一個月進行的FTM-22被MDA描述為SM-3有史以來最高的攔截，之後洛克希德馬丁發言人表示：FTM-22攔截低於預期，最高攔截為FTM-21)

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