浅谈军事航天气象保障

文章来源:中科院软件所天基综合信息实验室 李钢 胡月梅  |  发布时间:2017-11-10  |  【打印】 【关闭

  

  从中国三国时的赤壁之战到二战中的诺曼底登陆,战争与天气从来密不可分。天气对军事活动来说是一柄“双刃剑”,不同天气条件对军事活动的影响往往不同,即使是同一种天气条件,也常常因指挥员和部队利用是否得当而产生不同的结果。 

  气象对战争的影响 

  风:大风和强烈的垂直气流是危及飞机飞行、导弹发射安全,影响火炮射击精度的重要因素;  

  云:低云影响侦察、射击、投弹,积雨云对导弹、火箭发射和飞机飞行安全威胁很大,云层对再入大气层的导弹弹头可以造成侵蚀从而增强或减弱核爆光辐射效应;  

  雾:大雾给飞机起降、舰艇编队航行、军种兵种协同作战等带来困难,雾层能使化学毒剂蒸气产生凝结、沉降和水解从而降低杀伤效能等,雾也可以作为“天然烟幕”,掩护部队的作战行动;  

  降水:暴雨、大雨和连续性降雨可引起山洪暴发、土壤流失和泥石流等灾害,从而冲毁军事设施。毛毛雨、雪会降低能见度,冻雨可使飞机、导弹外壳和雷达天线等积冰而影响性能;  

  沙暴:能引起电磁波衰减,干扰无线电通信,危害兵器和设备,强烈的沙暴卷起沙石可形成沙壁向前推进,使能见度接近于零。 

  典型战例——三国时,周瑜命诸葛亮造10万狼牙箭,限期3天。诸葛亮胸有成竹,准备战船20只,束草千担,在漫天大雾中把船驶进曹营。曹操误以为是周瑜偷营,吩咐乱箭齐发,于是使诸葛亮“借”得10万狼牙箭。  

  第二次世界大战中,美国第三舰队遇强台风袭击,约800人死亡,飞机被毁146架,若干舰只沉没。  

  2003年的伊拉克战争中,一场强沙尘暴使美军飞机被迫降落或停止起飞,通讯网络装备被毁,2架直升机坠毁,士兵全部被“驱赶”进入就近的散兵坑、军车和帐篷。  

  水文对战争的影响  

  海浪:能改变舰船的航向、航速,甚至产生船身共振使船体断裂,破坏海港码头、水下工程和海岸防护工程,影响雷达的使用、水上飞机和舰载机的起降、水雷布放、扫雷、海上补给、舰载武器使用和海上救生打捞等。小浪利于潜艇隐蔽接近敌方,大浪影响鱼雷发射和舰艇安全航行,不利于登陆作战;  

  潮汐:掌握潮汐发生的时间和高低潮时的水深是保障舰船航行安全,进出港口、通过狭窄水道及在浅水区活动的重要条件,也是建设军港码头、水上机场,进行海道测量、布雷扫雷、救生打捞,构筑海岸防御工事,组织登陆、抗登陆作战和水下工程建设等必须考虑的重要因素;  

  潮流:登陆作战中,乘涨潮顺流而入,利于部队登陆;逆流而行,会降低舰船速度,延长时间,增加登陆困难。潮流大的海区不宜布雷、施放水下障碍物和舰艇锚泊待机。  

  典型战例——二战初期,德军潜艇利用英国沿海潮流变化,潜入英国海军基地佛罗港,击沉近3万吨级的英国旗舰“皇家橡树”号后安全返航。  

  1982年马岛战争中,狂涛伴大雨,英军乘机夺回马岛。但同时由于风浪大、能见度差,英军一架直升机坠毁,21人丧生。  

  空间天气对战争的影响  

  对航天器的影响:高层大气阻力可使航天器动能减小,运行轨道高度降低,轨道收缩;宇宙间高能带电粒子不断轰击航天器表面,可造成航天器辐射损伤,更高能的粒子可穿过电子器件,在电子信号串中改变数据位,导致仪器发出混乱指令或提供错误数据;  

  对军用电磁通信、预警、导航定位的影响:当空间灾害性天气发生时,无线电通信和雷达信号传输会受到影响,卫星微波通信也会因电离层扰动而降低通信质量。电离层闪烁可导致GPS卫星导航、定位误差高达几十米至几百米,甚至信号中断;  

  对战略武器使用的影响:当太阳爆发导致高层大气密度发生剧烈扰动的时候,导弹飞行的实际轨道将严重偏离预测轨道;  

  对人的影响:据估计,如果飞船在深空飞行或在磁层外进行舱外活动时,大约有十分之一的宇航员会受到致命剂量的高能带电粒子辐射。  

  典型事件——1982年12月26日,美国地球同步轨道业务4号卫星的可见光和红外扫描辐射计,在太阳耀斑发出的高能质子到达45分钟以后失效,在一系列强磁暴袭击加利福尼亚海岸时最终完全损坏。  

  1989年3月空间大磁暴期间,低纬地区的无线电通信几乎完全失效,美国海军的4颗导航卫星被迫提前一年停止有效服务,飞机、舰船的导航系统失灵。  

  2001年4月3日凌晨,25年来最大的太阳X射线爆发事件,使我国的短波通信和侦测等用户系统受阻、中断约3小时。 

  下面浅谈军事航天气象保障技术。军事航天气象保障是应用军事气象科学技术,为保障航天力量建设,遂行“天战”和其它任务提供气象情报和相应措施的专业技术活动。伴随军事航天活动和技术发展,“太空不空”已被观测事实和航天实践活动证明。气象要素不再只是对流层大气的气温、气压、湿度、风向和风速;还包括空间天气要素如高层大气的气温、气压、风和组成成分;电离层电子密度、离子密度和电场;辐射带中的高能电子通量、质子通量;磁层中的磁场、电场、带电粒子和电流;日地行星际空间的太阳风速度、成分、行星际磁场;太阳的电磁辐射和粒子辐射通量等。气象保障的空间范围从传统的对流层以下,拓展到平流层、中间层、热层,直至外层空间,称作“无缝隙”保障。与机械化战争之前的传统气象保障相比,军事航天气象保障带来的不仅是保障空间范围的扩大,而且气象保障的内涵也发生了深刻的变化。如果说为大炮射击编制射表、化学武器施放提供风向、风速测量预报仍然是一种伴随式、保姆式外在保障,那么军事航天气象保障将逐步变为内在的嵌入式保障,大气环境参数(包括空间天气要素)要作为武器装备的内在参数或输入参数,才能发挥充分发挥武器装备效能。不管是冷兵器、机械化还是信息化战争,产生矛盾的源头在地上,解决矛盾的地盘可能选择在地上、空中或者太空;天战主要作战样式无外乎从天上打到空中、地面或者反之,但作战武器平台都要从地面送到空中或者太空,总之都离不开地球空间环境或日地空间环境,都没有脱离气象管辖的范围。 

  要形成完整的军事航天气象保障能力,必须掌握以下七个方面的技术。 

  (一)气象信息采集技术 

  气象信息反映大气的状态,采集到了气象信息就意味着捕获到了大气现在所处的状态,知道现在才能预测未来。因此大气象信息采集是分析判断、了解掌握大气状态,预测大气状态变化的前提和基础。采集气象信息的基本手段是进行气象观测。气象观测按照传感器设置平台所在位置,分为地基、空基和天基气象观测。 

  地基气象观测是以地(海)面为传感器设置平台,以整个地球大气圈和相关圈层为观测对象,采用多种观测技术的综合性观测系统,包括地面气象观测、地基气候系统观测、地基遥感观测、地基大气边界层探测(如浅层风测量系统)、地基中高层大气和空间天气监测、地基移动气象观测(如测量船进行的海洋气象观测)等。地基气象观测是不可替代的基础性观测业务,目前在向高准确度、高时空分辨率、遥感遥测和自动化方向发展,它还是天基遥感探测真实性检验和校准的基础。 

  空基气象观测是指以气球、飞机和火箭为携带传感器的平台,以对流层、平流层和中间层大气的物理、化学特性为观测对象,采用遥感遥测技术的综合观测系统。对地面以上到中间层大气的温度、气压、湿度、风向风速等气象要素及大气成分进行观测,是描述大气三维结构特征的主要资料来源,是气象预报保障的基础,空基气象观测业务的发展直接影响到预报水平的提高。 

  天基气象观测是指利用人造地球卫星搭载传感器在太空中对地气系统辐射特征(可见光、红外和微波辐射)进行遥感探测,将探测结果发回地面进行处理,反演出云层、地表以及大气垂直结构等气象资料。由于卫星观测具有“站得高,看得远”,连续不间断观测,尤其能获取广阔洋面、无人居住区或者敌战区气象观测资料等优点,气象卫星已成为获取全球气象信息,进行“太空战”预报保障不可或缺的工具。天基气象观测包括低轨和高轨卫星观测,极轨卫星是低轨卫星的一种,具有全球观测、分辨率高的优点;静止卫星是高轨卫星的一种,具有连续定时定点观测优点,是监视天气系统连续变化的有力工具。 

  (二)气象信息传输技术 

  从气象科学本身角度看,地气系统是一个整体,战区或某个目标所在地天气的变化,不只是当地气象状态变化导致,而是更大范围甚至全球的变化引起的,这个事实决定只掌握局地气象信息是不够的,尤其天战武器平台基本都在轨道上绕全球运动,发起攻击也会从不同位置,沿不同轨迹到达不同目标,这就要求获取不同区域大小,多时次多层次满足作战任务需求的气象信息。气象信息通信能力成为制约气象信息发挥战斗力的瓶颈。要求气象通信必须具备连续、不间断、大容量、高速率、多品类信息的传输能力,同时要满足作为军事通信的互通性、生存性、安全性、可靠性和机动性等要求。 

  (三)气象信息处理技术 

  通过观测系统采集到的大气状态信息往往是个别孤立站点的信息(地面气象观测站)、或是以采集点为中心的成片区域信息(天气雷达站),即使是规则网格点上,也是该点上空地气系统整体表现出的特性(卫星云图),它往往不是指挥决策机构或武器系统需要的形式。必须根据决策需求和武器系统输入要求,按照支配大气运动的动力学和天气学原理,进行气象信息的加工处理,转变成需要的形式和产品(天气预报单、实况报告、物理量场等)。天战将战争的范围从水平方向上扩展到全球,垂直方向上延伸到深空,战争需要的气象信息是海量的,要将大量历史的、现实的和未来的气象信息“栅格”化,为武器系统提供任一高度,任一运动轨迹、任一指定区域的大气环境信息。这些环境信息或作为武器系统装订的气候平均值,或成为武器最终是否到达目标的判别依据。显然海量信息的处理对高性能并行计算技术、海量数据存储技术和环境仿真建模技术提出很高要求。 

  (四)气象预报保障技术 

  气象预报保障技术包括预报技术和保障技术两类。气象预报是基于对作战区域或目标区域大气初始状态的了解,根据影响该地区大气状态变化的物理规律,预测未来的大气运动状态。只有做出准确的预报才能做到“拥有天气”,才能比敌人更了解他自己所在地的天气。天战所需要的天气预报不仅是粗放的最高最低气温,雨雪雷电等天气现象的有无,更需要的是网格化的、分层的、立体的各气象要素的具体数值,这样才能满足武器系统的输入需求。 

  保障技术则是另一个层面的问题,准确的预报当然是做好保障的基础条件。但是在预报不够精准的情况下,基于对作战意图的准确把握,对武器系统的深刻了解,抓住决策的关键节点,综合评价大气状况演变趋势,灵活把握气象放行条件,也能保证作战任务的圆满完成,体现了保障经验和保障艺术的魅力。 

  (五)改变局部状态的人工影响天气技术 

  基于对天气系统演变规律的认识,采用科学手段,使天气朝着自己期望的状态改变,是气象保障由被动式转为主动式的标志。人工影响天气,消除或加剧某种天气现象或天气系统,本身可以作为一种“气象武器”进行气象战。越战期间,美军通过向积雨云中播撒碘化银,使战区1小时降雨达80毫米,造成山洪暴发、泥石流等气象衍生灾害,给以地面部队为主的越军造成极大麻烦。随着对台风发生发展机理认识深化,采用核爆等能释放巨大能量的武器,改变台风移动方向,加剧旋转涡度,带来强风暴雨,给欲打击目标区造成的毁灭性破坏力,足可以达到不战而屈人之兵的最高战争境界,也给交战国以遭“天谴”的巨大心理威慑力,动摇其战争决心。 

  (六)机动保障技术 

  天战主要作战样式要求作战部队具备机动气象保障能力。防天作战武器可能部署在大洋深处的潜艇或者水面舰艇上,也可能在某型空天飞机上,要获取武器平台至欲打击的天基系统之间的大气状态信息,为弹道计算和发射时机选择提供计算参数,才能引导武器准确命中目标。为此,除应大力发展机动观探测设备以外,还要发展卫星终端接收设备,获取上级指导气象产品。 

  (七)气象信息与武器融合技术 

  天战武器系统不能选择适合自己发射的大气环境条件,而是根据作战需求在任何指定的时刻发起攻击。这就要求武器系统能全天候使用。比如要在某时刻补充发射侦察卫星,不能因为发射场上空高空风过大而不发射,必须实时测量发射场区垂直上空高空风向、风速值,采用风攻角修正技术,调整发射弹道,及时、准确、安全地把卫星送入预定轨道。又如若需打击的某军事目标上空有低云、沙尘等覆盖,红外制导的天基导弹要准确命中目标,就必须利用气象卫星实时观测资料,结合装备靶场试验时在同样天气条件下获取的大气消光系数,为导弹预先装订目标区大气光学参数。气象信息与武器系统的融合在武器研制时就要开始,不能到靶场试验阶段,才想起作战环境要求,而且还要求在理想气象条件下试验,成功即认为万事大吉。全天候使用是因为做过全天候试验,而且刻意在不同气象条件下试验,找出影响命中精度的气象因子,为武器系统备份了好几套输入因子,才能真正实现全天候。 

  军事航天气象保障技术涉及学科门类多,知识跨度大,也是多学科融合的复杂系统工程,涉及地基系统、天基系统,通过天地一体的协调、处理、传输、预报,在各种气象条件下实现军事航天任务执行的保障。