上接「虎年談天下大勢：彈道導彈攻擊大型海面船隻（I）」

（七）偵查衛星

古人說登高望遠，一點也不錯，爬山者的樂趣就在最後站在頂峰上俯瞰遼闊的大地。現代的探測器也是一樣，飛得越高看到的地面和海面也就越廣。海洋的面積佔地球面積的四分之三，如此大面積的搜索是非常困難的事，要看得又廣又遠就要升得夠高。

航空母艦上面的作戰飛機都有一定的作戰半徑，以美國海軍的主力戰機F/A-18為例，空戰的作戰半徑是740公里，對地和對海攻擊的作戰半徑是1065公里，所以絕大部分的時間航空母艦距離敵人的領土都在一千公里以外，這是一個安全距離，只有在發動攻擊時才會接近目標區。

我們需要瞭解的是，航空母艦距離攻擊的目標越近則艦載機滯留目標上空的時間就越久，這對攻擊的效果是至關重要的，所以在發動攻擊的時候航空母艦會盡量靠近攻擊地區。至於航空母艦會多靠近目標區，那就要看對手的空軍力量有多強。由於艦載機的性能一般不如陸基戰機（艦載機結構重），在面對強國時，美國航空母艦多半在對方陸基戰機的攻擊距離以外。當然如果攻擊的對象是弱國，美國航空母艦就可以非常靠近攻擊區，譬如８０年代美國轟炸利比亞，美國航空母艦就在距離利比亞海岸只有幾公里處巡弋。利比亞的軍事力量太弱了，一般而言，即使在進行攻擊任務的時候，航空母艦距離攻擊目標至少也在五百公里以外。

航空母艦的攻擊能力全在艦載機，所以如果能夠阻止敵人的航空母艦在領海範圍的一千公里以外，那麼敵人航空母艦的威脅力就幾乎消失了。當然，如果要把威脅完全消除，艦載機攜帶的制導武器的射程就要加進去，譬如空對艦或空對地的導彈射程，所以至少還要加上五百公里。除此之外，YST 認為還需要加上五百公里的安全係數（safety margin）。總結上面所有的考慮，對系統設計的工程師而言，阻止敵人的航空母艦在國家領土兩千公里以外是必須的，在這個距離之外的航空母艦就純粹是一種擺設了。

防禦航空母艦的攻擊是相當困難的，難就難在你不知道敵人的航空母艦在哪裏。所以防禦航空母艦的首要任務就是在茫茫大海中先找到它，而航空母艦最重要的工作就是隱密，不讓你找到。這是一個貓和老鼠的遊戲。

一架偵察機飛在一萬兩千公尺的高空，它的視界極限最遠也只能達到四百公里，所以對偵察航空母艦來說偵察機必須進入敵人艦載機的攻擊範圍之內才有可能發現航空母艦，在這種情形下偵察機生存的機會微乎其微。這還不是所有的問題。遙測感應器的覆蓋角度通常30度左右，所以飛行在一萬兩千公尺的高度，偵察機搜索海面的寬度不到50公里，要覆蓋一個特定的海洋區域，譬如東海，需要很久的時間才能完成一次搜索，航空母艦很可能從搜索區中尚未搜索的部份進入偵察機已完成搜索的部分而未被發覺，甚至航空母艦早就駛離搜索區了。所以偵查機面對浩瀚的海洋遠遠不能滿足搜索大型海面船隻的需要。

加快偵查機的飛行速度來實現快速的海洋搜索是不實際的，偵查機的最高航速比巡航速度快不了多少（不到50％），更何況有些遙測系統是有速度限制的，譬如雷達成像。

要滿足快速搜索海面船隻的要求更有效的方式是增加飛行高度。但是還有什麼比飛機飛得更高呢？

比飛機飛得更高的人造物體就只剩下人造衛星了，是的，海洋的大面積搜索非衛星莫辦。人造衛星的搜索寬度至少有四、五百公里，航空母艦的最高航速為每小時55公里，所以如果能安排衛星執行每四小時觀察一次就可以達到無縫覆蓋，這是可以做到的。

本篇文章就是介紹偵察衛星的功能與相關原理。

甲. 物理現象

在敘述衛星前，讓我們溫習小時候學過的一些物理現象。

凱普勒定律（Kepler's law）：

十六世紀德國數學家和天文學家凱普勒（Johannes Kepler，1571~1630）在觀察太陽系的行星時發現一個非常有趣的規律：

a.任何行星圍繞著太陽運行形成一個通過太陽中心的平面，行星運行的軌道在這個平面上一定是 一個橢圓（注意，圓是 當橢圓長軸與短軸相等的一種特殊情況）；

b.如果你連接行星和太陽的中心就會形成一條直線，這條直線當行星運行的時候就會形成一個扇形的面積，雖然行星與太陽的距離隨時都在改變，但是它在單位時間內所覆蓋的扇形面積不會改變而是一個常數（constant）。

上面敘述的a與b就是天文學上非常有名和非常重要的凱普勒定律。

乙. 衛星的軌道

讀者必須瞭解衛星的應用與它的運行軌道是分不開的，不同的應用需要不同的軌道，譬如偵察衛星和通訊衛星的軌道是完全不同的，即使同樣是偵察衛星，攜帶的遙感器不同其設計的軌道也不同，這個軌道錯不得。於是每顆衛星在發射上就需要作出特殊的安排與調整。由於衛星攜帶的感應器發射後就不能改變，所以衛星軌道的精確性和它的應用息息相關，如果發射的軌道錯誤，那麼這顆衛星的應用價值就完全沒有了，形同報廢。

衛星所攜帶的燃料非常有限，推力也很有限，主要用作姿態調整和軌道的維持，萬不得已才做變軌飛行，這是最耗費燃料的。所以把衛星準確地送入預定軌道極為關鍵，衛星的發射任務如果不夠精準，輕則減少衛星的預定壽命，重則導致衛星成為廢物。

衛星的運行與行星的運行道理是一樣的，所以凱普勒定律可以直接應用在衛星軌道的計算上，得出衛星運行的性質。

衛星在環繞地球的飛行中循著一定的軌道並且有下列幾個重要性質：

a. 這個軌道可以是圓，圓心是地球的中心，衛星運行的高度不變；

b. 衛星的軌道也可以是橢圓，這時候衛星飛行的高度隨時間而改變，但有規律可尋，那就是凱普勒定律，最重要的性質就是衛星距離地球越近其飛行的速度越快；

c. 衛星運行形成的平面和地球赤道形成的平面有一個夾角，這個夾角科學家稱為「傾角」（inclination angle）。「傾角」在衛星的應用上是非常、非常重要的參數，因為不同的傾角衛星的觀察就覆蓋不同的地球表面。

d. 衛星運行的高度越高，運行的週期越長。

譬如高度只有一百公里的極低空衛星，86分鐘就繞地球一周；

美國的太空梭通常運行在六百公里的高度，97分鐘就繞地球一周；

衛星運行高度上升到一千公里（美國太空梭的極限），106分鐘繞地球一周；

衛星運行高度上升到一萬公里，348分鐘繞地球一周；

衛星運行高度上升到兩萬公里（大約美國GPS導航衛星的高度），711分鐘繞地球一周；

衛星運行高度上升到35,786公里（地球同步衛星的高度），1436.07分鐘繞地球一周。

丙. 衛星的發射場

前面說過，衛星運行的傾角決定衛星觀察時覆蓋地面的區域，我們有必要對傾角作進一步的論述。

一個非常重要的物理現象是衛星發射場的緯度決定「傾角」，譬如一個發射場位於北緯38度，它發射的衛星傾角就是38度。下面我們把全球重要的衛星發射場的緯度列舉如下：

發射場                              緯度

法國南美洲圭亞那庫魯發射場         北緯 5.0度

美國甘迺迪航天中心                 北緯28.5度

日本種子島航天中心                 北緯30.4度

俄羅斯拜科努爾航天中心             北緯45.6度

中國酒泉衛星發射中心               北緯40.6度

中國太原衛星發射中心               北緯37.5度

中國西昌衛星發射中心               北緯28.1度

中國海南文昌航天中心（興建中）      北緯19.0度

讀者一定會問：如果一個發射場要發射與它的緯度不同的傾角的衛星，那要怎麼辦呢？

答案是：首先發射衛星進入軌道運行，這時候傾角等於發射場的緯度，然後由控制中心指揮再進行變軌運作改變傾角。

無論改變衛星運行的高度或是傾角都稱為變軌運作，由衛星上的火箭發動機提供所需動力，這些都是迫不得已而不得不為的操作，尤其改變傾角的變軌飛行非常耗費燃料，一旦燃料耗盡這個衛星的壽命就終結了，這些都必須在衛星設計者的考慮中。燃料計算非常重要，它直接決定衛星的壽命，通常衛星管理工程師必須預留部分燃料作為衛星在壽命終結前脫離軌道之用（英文稱做de-orbit），把寶貴的特定軌道留給後來者。

衛星都是向東發射的，因為地球的自轉是從西向東，我們要利用地球自轉的水平速度將衛星送入軌道。地球自轉在赤道上形成的水平速度最大，緯度越高所得到的水平速度就越小，到了南北極地球自轉的水平速度就是０了，所以高緯度的國家發射地球同步衛星是吃大虧的，必須用更大推力的火箭來彌補。這就是為什麼每個國家都把衛星發射場盡量設在國土最靠近赤道的地方。

也就是這個原因中國大陸決定在海南島的文昌建一個規模宏大的航天中心，主要考慮的因素有下列幾點：

a. 海南文昌是中國國土緯度最低的地方，在海南文昌發射比在四川西昌發射以現有的火箭而言相當於推力提升10~15％。想想看，同樣的火箭搬到文昌，衛星上的酬載可以增加多少，10~15％的推力提升是不得了的效益。

b. 如果發射的是同步衛星，根據大陸專家的報導在海南文昌發射要比在四川西昌發射衛星變軌運作進入同步軌道所耗費的燃料要節省100公斤，相當於延長兩年以上的壽命。

c. 酒泉與西昌都深處內陸，交通不便，全靠火車運輸，所以衛星與運載火箭在體積和重量上都受到鐵路的限制，譬如火箭的直徑不能超過3.35米。文昌在海邊，用船運輸非常方便，體積和重量都不成問題。

d. 火箭發射後，分離的火箭殘骸掉到海裏，回收容易，也不會傷人。

e. 中國當初把發射場設在甘肅、山西和四川主要是基於國防考慮，擔心如果打起仗來基地會不保或遭到破壞，現在的國防力量已足夠強大自然沒有這種顧慮。

新華社在2007年09月23日報導，建設海南文昌發射場是為了我國航天事業可持續發展的戰略，滿足新一代無毒、無污染運載火箭和新型航天器發射的任務需求。海南文昌的航天發射基地佔地20平方公里，包括航天發射港、太空主題公園、火箭組裝廠以及指揮中心等一系列項目。

文昌航天基地規模宏大，設備先進，建成後將成為中國同步衛星、探月飛船和永久性太空站的發射場。

文昌航天基地的各種優勢已經引起美、俄、法的擔憂，他們在商業衛星發射上的生意可能會被搶走。

丁. 衛星的酬載

衛星的應用全靠上面裝置的各種光學和電子設備，這些設備隨應用的不同而改變，譬如偵察衛星有紅外線探測器、高解析度照相機、雷達、光學感應器，通訊衛星有轉發器、導航衛星有特殊的發射器和極精確的原子鐘、科學衛星有各種不同的科學儀器．．．．等等，這些衛星上的儀器與設備統稱為酬載（payload）。

由於衛星上的空間、重量、電力都非常有限，不可能帶太多的儀器，有的偵察衛星只有照相機，有的衛星只有紅外線成像儀，有的衛星只有雷達，當然只要各種條件許可也有衛星攜帶多種探測器。不論是哪一種衛星酬載的選擇非常重要，一個衛星的能力全在酬載性能的高低。

戊. 偵察衛星的酬載

偵查衛星攜帶的感應器無非是下列四種：

a. 光學儀器：

光學儀器包括電視和照相機，後者可以是數字照相機，也可以是傳統的膠卷照相機。

光學儀器最大的缺點是只能在白天使用。

b. 紅外線成像儀：

不同的物體在空間的溫度不同，紅外線成像儀就是感應溫度的差別而成像，所以又稱為「熱成像儀」，在「漫談坦克」的系列文章中我們曾詳細解說。

紅外線成像儀的優點是可以日夜使用、解析度高而且探測距離非常遠。

紅外線成像儀的缺點是無法穿透雲霧，其次的缺點是只能定方向而不能定距離，不過對海面船隻測定距離不是問題。

c. 雷達：

雷達是發射電波訊號然後接受反射回來的電波來測定目標的方位和距離，是二十世紀人類發明的最偉大的遙測儀器。

雷達的優點是全天候工作，無論白天還是晚上、天氣清朗還是有風雨雲霧都照常工作，而且精確地測定目標的方向、距離和速度。

雷達的缺點是設備重、耗能大、目標辨別能力差。

d. 無線電：

軍艦航行是很難保持無線電靜默的，從收聽到的無線電訊號加以分析來判斷海面目標在哪裏和它們的型號。

己. 偵察衛星的應用

偵察衛星無論是用那一種感應器都存在一定的角度，只有在這個角度內才能感應到前面的目標。我們可以想像偵察衛星的感應器就像一隻手電筒射出一道圓錐形的光芒照射到地面上，只有在這道光照到的範圍內才能看到地球表面的物體。

a. 大面積搜索

所以當衛星飛過地球表面的時候，我們就可以想像衛星感應器掃過一條等寬的帶子，衛星飛得越高則這條帶子就越寬，通常至少都有數百公里。更進一步說，雖然衛星的軌道不變，但是地球是會自轉的，所以第二圈飛過的地方跟第一圈不一樣，第三圈飛過的地方跟第二圈也不一樣，這樣經過幾次掃瞄就可以覆蓋廣大的海洋了。

不過衛星掃瞄地面不是想像中這麼簡單，如何達到無縫隙的掃瞄需要在運行軌道的傾角與高度和感應器的視角做出精細的設計和安排。

b. 衛星變軌

另外值得一提的是衛星感應器的解析度（resolution）都是以角度為單位的，所以目標成像的解析度就跟衛星的高度成反比了。也就是說，衛星飛得越高雖然觀察的面積越大但是解析度就越低，因此對目標的判斷就會越困難，特別是使用照相機的偵察衛星。

高解析度的照相機是偵察衛星非常重要的選擇，由於相片的解析度和拍攝的距離成反比，也就是說距離越近解析度越高，所以通常這種衛星都採用非常橢圓的軌道，所謂非常橢圓就是近地點（只有一、兩百公里）和遠地點（高達數千公里）差別很大。偵察衛星軌道的設計就是在近地點的時候進行拍照。

根據凱普勒定律，單位時間內衛星運行所覆蓋的扇形面積是一個常數，所以衛星在近地點的時候飛行速度比遠地點快很多，衛星飛快地拍完照片後便上升到安全的高度，避免受到敵人的攻擊，特別是激光照射。有時候為了得到更清楚的照片，衛星會特別（在遠地點減速）進行變軌使近地點非常低（低於一百公里）。這種情況在拍照完成後必須升高近地點（在遠地點加速），否則每次空氣的摩擦會逐漸降低衛星的高度最後導致衛星跌落大氣層而燒毀。

c. 小衛星

戰爭不會無故發生，都有跡象可尋。當情勢緊張時相關國家通常都會臨時發射多枚小衛星對熱點進行密集觀察，這些小衛星重量都很輕，100~500公斤，可以一次發射多個來縮短觀察週期。由於小衛星攜帶的燃料很少，所以小衛星的壽命不長，通常只有幾個月，不過對戰爭的準備已經足夠了。

但是運載火箭的生產、運輸與發射前的準備可不是一件簡單的事，真正的困難就在是否能夠及時發射，所以快速發射衛星的能力對任何大國都非常重要。

附帶要說的是，中國大陸快速發射衛星的能力相當出色，這個能力已經被美國發覺，美國一度曾經考慮想與大陸政府商量在太空站有緊急情況時大陸能出手相助，後來也只是說說而已，不了了之。美國對中國心存嚴重的忌憚，當初成立太空站時廣邀數十個國家參加，這是一種大國炫耀的姿態，有政治利益，也有經濟利益，因為參加國是要負擔部分經費而絕大多數的國家不會得到技術，尤其不可能得到關鍵技術。但是美國的邀請就特別排除中國。現在美國雖然承認中國能對太空站做出實際的、重大又無可替代的貢獻，YST 個人認為美國還是不會邀中國參加，道理很簡單，美國始終把中國當成戰略對手，對於科技資料防範非常嚴，美國如果要求中國擔負緊急狀況下的救難任務就必須提供太空站一些敏感的資料，美國是不肯的。

（未完待續）

虎年談天下大勢：彈道導彈攻擊大型海面船隻（III）