一顆您從未聽說過的間諜衛(wèi)星幫助贏得了冷戰(zhàn)

1970 年代初期，冷戰(zhàn)達到了一個特別寒冷的時刻，美國軍方和情報官員遇到了問題。蘇聯(lián)海軍正在成為全球海上威脅，而美國沒有全球海洋監(jiān)視能力。更令人擔(dān)憂的是，一種新的基洛夫級核動力導(dǎo)彈戰(zhàn)列巡洋艦的出現(xiàn)，這是迄今為止最大的蘇聯(lián)艦艇。對美國來說，這種情況意味著相互確保毀滅的危險平衡，即迄今為止一直勸阻任何一方發(fā)動核打擊的 MAD，可能會向錯誤的方向傾斜。

這將取決于一個名為 Parcae 的絕密衛(wèi)星計劃，以幫助防止冷戰(zhàn)突然轉(zhuǎn)向白熱化。在 Parcae 上工作的工程師將不得不建造有史以來最強大的軌道電子智能系統(tǒng)。

“挑戰(zhàn)越來越明顯，”電氣工程師 Lee M. Hammarstrom 說，他從 1960 年代開始的 40 年里一直處于機密冷戰(zhàn)技術(shù)開發(fā)的高峰期。他的工作包括可以填補監(jiān)控空白的那種基于衛(wèi)星的情報系統(tǒng)。他指出，蘇聯(lián)在 1970 年代不斷擴大的海軍存在是在其防空和反彈道導(dǎo)彈能力不斷增長的之后?！拔覀儺?dāng)時處于 MAD 之下，所以如果蘇聯(lián)有辦法抵消我們的打擊，他們可能會考慮先發(fā)制人?！?/p>

Parcae 衛(wèi)星只有幾米長，但它有四塊太陽能電池板，從衛(wèi)星主體伸出幾米。從衛(wèi)星中伸出的桿是一個重力臂，它使軌道飛行器的信號天線保持朝向地球。NRO

可靠、持續(xù)和全球范圍的海洋監(jiān)測成為美國的首要任務(wù)?，F(xiàn)有的代號為 Poppy 的 ELINT（電子情報）衛(wèi)星計劃能夠檢測和定位蘇聯(lián)船只和陸基系統(tǒng)的雷達發(fā)射，但直到該計劃的最后階段，可能需要數(shù)周或更長時間才能理解其數(shù)據(jù)。根據(jù)美國國家科學(xué)院空間技術(shù)歷史學(xué)家德韋恩·戴 （Dwayne Day） 的說法，美國在 1971 年進行了大型海軍演習(xí)，美國船只廣播信號，幾種類型的 ELINT 衛(wèi)星試圖探測它們。這些測試揭示了該國情報收集衛(wèi)星系統(tǒng)令人擔(dān)憂的弱點。

這就是 Parcae 的用武之地。

Parcae 計劃的一大進步是三顆衛(wèi)星的分配器，它可以放樣三顆衛(wèi)星，然后它們作為一個組在軌道上一起運行。這里看到的是分配器上的三顆 Parcae 衛(wèi)星。亞瑟·科利爾

即使是這些衛(wèi)星的存在，這些衛(wèi)星將由位于華盛頓特區(qū)的美國海軍研究實驗室 （NRL） 的一群資深工程師建造，在 2023 年 7 月之前也將保持官方機密。就在那時，國家偵察局解密了一份關(guān)于 Parcae 的一頁致謝。自 1961 年成立以來，NRO 一直指導(dǎo)和監(jiān)督該國的間諜衛(wèi)星計劃，包括照片偵察、通信攔截、信號情報和雷達計劃。由于這種很少的解密，Parcae 計劃至少可以被點名慶祝，其總體使命在當(dāng)年 NRL 的百年慶典上揭曉。

多年來，一些有進取心的記者在諸如航空周與空間技術(shù)和 空間評論等場合，被像戴這樣的歷史學(xué)家，甚至被一位俄羅斯軍事顧問 非正式地披露了Parcae計劃的各個方面。在國防部的一份期刊上。本文基于這些來源，以及來自設(shè)計、建造、操作和管理 Parcae 及其前身衛(wèi)星系統(tǒng)的海軍工程師的額外采訪和書面意見。它們證實了對那個時代美國的普遍持有但仍然深刻的理解。簡而言之，沒有什么比冷戰(zhàn)的偏執(zhí)狂和高風(fēng)險更能刺激工程師們的創(chuàng)造性狂潮，這些技術(shù)迅速產(chǎn)生了出色的國家安全技術(shù)，包括像 Parcae 這樣的監(jiān)控系統(tǒng)。

一顆帶有宇宙封面名稱的間諜衛(wèi)星

盡管 NRO 授權(quán)并支付了 Parcae 的費用，但實際設(shè)計和制造它的責(zé)任落在 NRL 的冷戰(zhàn)工程師及其承包商合作伙伴身上，例如系統(tǒng)工程實驗室和賓夕法尼亞州州立大學(xué)的信號分析和處理公司 HRB Singer。

Parcae 是 NRO 資助的第三個海軍衛(wèi)星 ELINT 計劃。第一個是一個名為 GRAB 的衛(wèi)星，大約有一個健身球那么大。GRAB 代表 Galactic Radiation and Background Experiment，這是衛(wèi)星秘密有效載荷的幌子名稱;它還在同一個殼中安置了一個真正的太陽科學(xué)有效載荷 [見側(cè)邊欄，“從石英晶體探測器到竊聽衛(wèi)星”]。1960 年 6 月 22 日，GRAB 進入軌道，成為世界上第一顆間諜衛(wèi)星，盡管沒有機會吹噓它。直到 1998 年，GRAB 的機密任務(wù)的存在一直是官方機密。

第二顆 GRAB 于 1961 年發(fā)射，這兩顆衛(wèi)星為國家安全局和戰(zhàn)略空軍司令部監(jiān)視蘇聯(lián)雷達系統(tǒng)。美國國家安全局總部位于馬里蘭州米德堡，負責(zé)美國信號情報的許多方面，特別是攔截和解密世界各地的敏感通信，以及設(shè)計保護美國官方通信的機器和算法。直到 1992 年，SAC 一直負責(zé)該國的戰(zhàn)略轟炸機和洲際彈道導(dǎo)彈。

直徑為 61 厘米的 Poppy Block II 衛(wèi)星配備了天線，用于接收來自蘇聯(lián)雷達的信號 [上]。信號被記錄并重新傳輸?shù)降孛嬲?，例如這個于 1965 年拍攝的接收控制臺，命名為 A-GR-2800。NRO

GRAB 衛(wèi)星跟蹤 散布在廣闊的俄羅斯大陸上的數(shù)千臺蘇聯(lián)防空雷達，接收雷達的脈沖并將其傳輸?shù)绞澜绺鞯赜押脟业牡孛嬲?。可能需要幾個月的時間才能從數(shù)據(jù)中勉強獲得有用的情報，這些數(shù)據(jù)被人工提交給 NSA 和 SAC。在那里，分析師將檢查數(shù)據(jù)中的“感興趣信號”，就像眾所周知的大海撈針一樣，解釋它們的重要性，并將結(jié)果打包到報告中。所有這些都需要幾天甚至幾周的時間，因此 GRAB 數(shù)據(jù)主要與整體態(tài)勢感知和長期戰(zhàn)略規(guī)劃相關(guān)。

1962 年，GRAB 計劃圍繞更先進的衛(wèi)星進行了改進，并重新命名為 Poppy。該計劃一直運行到 1977 年，并于 2004 年部分解密。由于軌道上有多顆衛(wèi)星，Poppy 可以對發(fā)射源進行地理定位，至少是粗略的。

在 Poppy 計劃接近尾聲時，NRL 衛(wèi)星團隊表明，原則上，通過將這些信息直接中繼到地面站，而不是先記錄數(shù)據(jù)，甚至可以在幾小時甚至更短的時間內(nèi)將這些信息提供給最終用戶。這些快速傳遞情報的第一批實例激發(fā)了美國國家安全領(lǐng)導(dǎo)人的想象力和期望，并讓我們看到了他們希望 Parcae 提供的海洋監(jiān)視能力。

Parcae 如何啟發(fā)現(xiàn)代衛(wèi)星信號情報

1976 年發(fā)射的 12 次 Parcae 任務(wù)中的第一次，20 年后最后一次發(fā)射。在其漫長的生命周期中，該程序還有其他神秘的封面名稱，其中包括 White Cloud 和 Classic Wizard。根據(jù) NRO 的解密備忘錄，它已于 2008 年 5 月停止使用 Parcae 衛(wèi)星。

Atlas F 最初設(shè)計為洲際彈道導(dǎo)彈 （ICBM），后來被重新用于發(fā)射衛(wèi)星，包括 Parcae。 Peter Hunter 照片集

最初，Parcae 發(fā)射依靠 Atlas F 火箭以精確的軌道編隊運送三顆衛(wèi)星，這對于它們的地理定位和跟蹤功能至關(guān)重要。（后來的發(fā)射使用了更大的 Titan IV-A 火箭。這種三重發(fā)射能力是通過由 Peter Wilhelm 領(lǐng)導(dǎo)的 NRL 團隊設(shè)計和制造的衛(wèi)星分配器實現(xiàn)的。在 2015 年退休之前，Wilhelm 擔(dān)任 NRL 衛(wèi)星制造工作的總工程師長達 60 年之久，指導(dǎo)了 100 多顆衛(wèi)星的開發(fā)，其中一些衛(wèi)星仍處于機密狀態(tài)。

Parcae 衛(wèi)星的眾多技術(shù)突破之一是重力梯度穩(wěn)定臂，這是一個長長的可伸縮臂，末端有重物。移動重物會移動衛(wèi)星的質(zhì)心，使地面上的操作員能夠保持衛(wèi)星天線朝向地球。

這些衛(wèi)星通常以三顆為一組工作（Parcae 這個名字來自羅馬神話的三種命運），每顆衛(wèi)星都探測蘇聯(lián)船只的雷達和無線電發(fā)射。為了精確定位一艘船，衛(wèi)星配備了高精度的同步時鐘。然后，利用每顆衛(wèi)星接收到飛船發(fā)射的雷達信號的時間的微小差異來確定飛船的位置。每次衛(wèi)星經(jīng)過時，都會更新計算出的位置。

一顆 GRAB 衛(wèi)星準(zhǔn)備于 1960 年發(fā)射。Peter Wilhelm 站在右邊，身穿帶圖案的襯衫。NRO

來自 GRAB 衛(wèi)星的傳輸是在“小屋”[左]中接收的，可能在蘇聯(lián)邊界之外的一個國家。在這張照片中，兩組接收器之間是用于手動控制天線的輪子。這些八木天線 [右] 是線性極化的。NRO

這些衛(wèi)星收集了大量數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)绞澜绺鞯氐牡孛嬲?。這些站點由海軍安全組司令部運營，該司令部為海軍執(zhí)行加密和數(shù)據(jù)安全功能。然后，數(shù)據(jù)通過通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到世界各地的海軍設(shè)施，在那里進行關(guān)聯(lián)并轉(zhuǎn)化為情報。該情報以船舶發(fā)射器定位報告的形式傳出，以監(jiān)視海上船舶上的軍官和指揮官以及其他用戶。例如，報告可能包括有關(guān)新檢測到的雷達信號的信息 - 雷達類型、頻率、脈沖、掃描速率和位置。

從單個位置同時檢測來自不同類型發(fā)射器的信號，可以識別進行發(fā)射的船舶類別，甚至是特定的船舶。這種精細的海上偵察始于 1960 年代，當(dāng)時 NRL 開發(fā)了一種稱為 HULTEC 的船舶監(jiān)視能力，HULTEC 是船體與發(fā)射器相關(guān)性的縮寫。

早期的小型計算機發(fā)現(xiàn)了感興趣的信號

為了從原本壓倒性的原始 ELINT 數(shù)據(jù)洪流中搜索感興趣的信號，Parcae 程序包括一個圍繞當(dāng)時的高端計算機構(gòu)建的情報分析數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。這些可能是由佛羅里達州勞德代爾堡的系統(tǒng)工程實驗室生產(chǎn)的。SEL 生產(chǎn)了用于 Poppy 計劃的 SEL-810 和 SEL-86 微型計算機。

這些機器包括“實時中斷功能”，使計算機能夠停止數(shù)據(jù)處理以接受和存儲新數(shù)據(jù)，然后從中斷的地方恢復(fù)處理。該功能對于像 Parcae 這樣不斷收集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)非常有用。對于找出重要信號來說，數(shù)據(jù)處理軟件也至關(guān)重要，該軟件由身份仍處于機密狀態(tài)的供應(yīng)商提供。

SEL-810 微型計算機是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)旨在搜索來自 Poppy 衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)洪流以查找感興趣的信號。 計算機歷史博物館

該分析系統(tǒng)能夠自動篩選數(shù)百萬個信號并識別哪些信號值得進一步關(guān)注。此后的幾十年里，這種 ELINT 數(shù)據(jù)的自動篩選變得更加復(fù)雜。

Parcae 系統(tǒng)最大膽的要求是“攔截到報告”間隔（從衛(wèi)星檢測到感興趣信號到生成報告之間的時間）不超過幾分鐘，而不是當(dāng)時最好的系統(tǒng)所能提供的小時或幾天。據(jù)退役海軍上尉 Arthur “Art” Collier 說，最終，要求是生成報告的速度足夠快，以便用于日常甚至每小時的軍事決策。Collier 擔(dān)任 Parcae 的 NRO 項目經(jīng)理已有六年時間。他指出，在一個相互確保毀滅的時代，如果從攔截到報告的延遲時間比煎雞蛋的時間還要長，國家安全領(lǐng)導(dǎo)人就會將其視為可能關(guān)乎生存的脆弱性。

隨著時間的推移，船舶發(fā)射器定位報告從從原始截獲數(shù)據(jù)得出的粗糙電傳打字打印輸出演變?yōu)楦佑脩粲押玫男问?，例如自動顯示的地圖。這些報告以海軍指揮官和地面和空中的其他最終用戶可以快速掌握并投入使用的格式提供攔截的情報、安全或軍事意義。

Parcae Tech 和 2 分鐘警告

收集和精確定位雷達特征雖然很難實現(xiàn)，但甚至不是最發(fā)人深省的技術(shù)挑戰(zhàn)。更令人生畏的是，Parcae 要求在幾分鐘內(nèi)提供“傳感器到射手”的情報——從衛(wèi)星到艦船指揮官或武器控制站。

根據(jù) NRO 運營支持辦公室第一任主任海軍上尉 James “Mel” Stephenson 的說法，要實現(xiàn)這一目標(biāo)需要整個技術(shù)鏈的進步。這包括衛(wèi)星、計算機硬件、數(shù)據(jù)處理算法、通信和加密協(xié)議、廣播頻道和最終用戶終端。

從石英晶體探測器到竊聽衛(wèi)星

霍華德·洛倫岑  美國海軍研究實驗室

美國海軍整個 ELINT 衛(wèi)星故事的種子技術(shù)可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)，當(dāng)時海軍研究實驗室 （NRL） 成為當(dāng)時電子戰(zhàn)和對抗新業(yè)務(wù)的領(lǐng)先開發(fā)商。想想看，監(jiān)視敵人的無線電控制信號，騙過它的電子偵察探針，躲避它的雷達探測系統(tǒng)。

NRL 涉足基于衛(wèi)星的信號情報源于 NRL 工程師 Reid Mayo 設(shè)計的基于石英晶體的無線電波探測器，他有時會親自安裝在美國潛艇的潛望鏡上。該設(shè)備通過指定敵方雷達探測其船只的時間和方向，幫助指揮官挽救了他們的潛艇和船上人員的生命。

在 1950 年代后期，隨著太空時代的起飛，梅奧和他的老板霍華德·洛倫岑（Howard Lorenzen）（后來聘請了 Lee M. Hammarstrom）可能是第一個意識到，如果探測器可以放置在軌道上，相同的技術(shù)應(yīng)該能夠“看到”更大的敵方雷達活動景觀。Lorenzen 是一位有影響力的、具有傳奇色彩的技術(shù)遠見者，通常被稱為電子戰(zhàn)之父。2008 年，美國以他的名字命名了一艘支持和跟蹤導(dǎo)彈發(fā)射的導(dǎo)彈射程儀表船。

Lorenzen 和 Mayo 為收集 ELINT 而“升起潛望鏡”的工程概念在第一顆 GRAB 衛(wèi)星上得以實現(xiàn)。這顆衛(wèi)星是一個秘密的有效載荷，搭載在公開宣布的科學(xué)有效載荷 Solrad 上，該有效載荷首次收集了有關(guān)太陽紫外線和 X 射線輻射的數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)將被證明可用于建模和預(yù)測行星電離層的行為，這影響了海軍附近和珍視的遙遠無線電通信。盡管蘇聯(lián)在太空競賽中一次又一次地獲得第一名，但美國無法吹噓 GRAB 任務(wù)，但它是世界上第一個成功的在軌間諜有效載荷，比中央情報局的首個天基照相偵察計劃Corona 的首次成功發(fā)射早了幾個月。

這些用戶終端開發(fā)的一個關(guān)鍵人物是 Ed Mashman，他是一名工程師，曾在 Parcae 擔(dān)任承包商。終端必須根據(jù)它們的使用地點和使用者進行定制。一個早期的系列被稱為原型分析顯示系統(tǒng)，盡管“原型”最終被部署為操作單元。

在這些顯示系統(tǒng)可用之前，Mashman 在接受 IEEE Spectrum 采訪時回憶道，“從 Classic Wizard 傳入的大部分?jǐn)?shù)據(jù)都進入了刻錄袋，因為它們無法跟上高容量。情報分析人員仍然依靠一個艱巨的過程來確定報告中的信息是否足夠令人震驚，以至于需要采取某種行動，例如將美國海軍艦艇部署在離蘇聯(lián)船只足夠近的地方以發(fā)動攻擊。

為了做出這樣的評估，分析師必須篩選來自衛(wèi)星的大量電傳打字報告，手動在地圖上繪制數(shù)據(jù)，以辨別哪些可能表明高優(yōu)先級威脅，哪些可能表明高優(yōu)先級威脅，哪些則沒有。Mashman 回憶說，當(dāng)“原型”顯示系統(tǒng)可用時，分析師可以“突然看到它自動繪制在地圖上，并從中獲得有用的信息......當(dāng) Classic Wizard 傳來一些非常重要的東西時，它會 [提醒] 值班人員并顯示它在哪里以及它是什么。

數(shù)據(jù)過載在船上或現(xiàn)場更是一個問題，因此 NRL 工程師開發(fā)了將數(shù)據(jù)直接傳送到船上和現(xiàn)場計算機的能力。軟件會自動將數(shù)據(jù)繪制在地理顯示器上，其形式是值班人員可以快速理解和評估的。

這些功能是在最終用戶和 Mashman 等工程師之間的肩并肩工作會議中開發(fā)的。這些會議導(dǎo)致了一個迭代過程，通過該過程，ELINT 系統(tǒng)可以以用戶友好的方式和戰(zhàn)術(shù)上有用的快速交付和打包數(shù)據(jù)。

Parcae 的快速傳播模式在項目結(jié)束后蓬勃發(fā)展，是 Parcae 最持久的遺產(chǎn)之一。例如，為了在全球范圍內(nèi)快速分發(fā)情報，Parcae 的工程團隊基于協(xié)議、數(shù)據(jù)處理算法和定制傳輸波形等的復(fù)雜組合構(gòu)建了一個安全的通信通道。

連接這些部分的通信網(wǎng)絡(luò)被稱為戰(zhàn)術(shù)接收設(shè)備和相關(guān)應(yīng)用程序廣播。就在最近的沙漠風(fēng)暴行動中，它仍在被使用?！霸?Desert Storm 期間，我們向...廣播，使其能夠在生成后立即到達 Forces，“Stephenson 說。

在國家安全技術(shù)領(lǐng)域 40 年的職業(yè)生涯中，Lee M. Hammarstrom 升任國家偵察局首席科學(xué)家。 美國海軍研究實驗室

據(jù) Hammarstrom 稱，Parcae 的通信挑戰(zhàn)必須與管理大量原始數(shù)據(jù)并將其解析為有用情報的核心挑戰(zhàn)同時解決。應(yīng)對這些數(shù)據(jù)洪流始于衛(wèi)星本身，一些參與者將其視為“軌道外圍設(shè)備”。

該術(shù)語反映了這樣一個事實，即原始電子信號的收集只是一個復(fù)雜系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)的開始。即使在 1960 年代后期，當(dāng) Parcae 的前身 Poppy 投入運營時，NRL 團隊及其承包商已經(jīng)為這項任務(wù)完全重新配置了衛(wèi)星、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、地面站、計算機和其他系統(tǒng)元件。

即使在 1960 年的 GRAB 1 中，這種“數(shù)據(jù)密度”問題也變得很明顯。那些看到第一批數(shù)據(jù)收集的人對蘇聯(lián)建立的如此多的雷達基礎(chǔ)設(shè)施感到驚訝。尋找處理數(shù)據(jù)的方法成為 Hammarstrom 和從事這些高度機密程序的新興電子、數(shù)據(jù)和計算機工程師的主要關(guān)注點。

Collier 指出，除了支持軍事行動外，Parcae “還可以幫助提供海事領(lǐng)域意識，以追蹤毒品、武器和人口販運以及一般商業(yè)航運”。

那些建造和運營 Parcae 的人以及那些依賴它來保障國家安全的人強調(diào)，這個故事的更多內(nèi)容仍然是機密和無法講述的。正如他們在尚未完全分享的采訪中回憶的那樣，使這個間諜衛(wèi)星系統(tǒng)成為現(xiàn)實的工程師表示，他們在該計劃之前或之后都沒有更專業(yè)、更有創(chuàng)意地燃燒。Parcae 雖然是冷戰(zhàn)時期盛行的相互確保毀滅范式的一部分，但事實證明，這是一次讓這些工程師感到高興的技術(shù)冒險。