一顆您從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)的間諜衛星幫助贏(yíng)得了冷戰

1970 年代初期，冷戰達到了一個(gè)特別寒冷的時(shí)刻，美國軍方和情報官員遇到了問(wèn)題。蘇聯(lián)海軍正在成為全球海上威脅，而美國沒(méi)有全球海洋監視能力。更令人擔憂(yōu)的是，一種新的基洛夫級核動(dòng)力導彈戰列巡洋艦的出現，這是迄今為止最大的蘇聯(lián)艦艇。對美國來(lái)說(shuō)，這種情況意味著(zhù)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(dòng)核打擊的 MAD，可能會(huì )向錯誤的方向傾斜。

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

“挑戰越來(lái)越明顯，”電氣工程師 Lee M. Hammarstrom 說(shuō)，他從 1960 年代開(kāi)始的 40 年里一直處于機密冷戰技術(shù)開(kāi)發(fā)的高峰期。他的工作包括可以填補監控空白的那種基于衛星的情報系統。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彈能力不斷增長(cháng)的之后?！拔覀儺敃r(shí)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(huì )考慮先發(fā)制人?！?/p>

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

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

這就是 Parcae 的用武之地。

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

即使是這些衛星的存在，這些衛星將由位于華盛頓特區的美國海軍研究實(shí)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(shí)，國家偵察局解密了一份關(guān)于 Parcae 的一頁(yè)致謝。自 1961 年成立以來(lái)，NRO 一直指導和監督該國的間諜衛星計劃，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(diǎn)名慶祝，其總體使命在當年 NRL 的百年慶典上揭曉。

多年來(lái)，一些有進(jìn)取心的記者在諸如航空周與空間技術(shù)和 空間評論等場(chǎng)合，被像戴這樣的歷史學(xué)家，甚至被一位俄羅斯軍事顧問(wèn) 非正式地披露了Parcae計劃的各個(gè)方面。在國防部的一份期刊上。本文基于這些來(lái)源，以及來(lái)自設計、建造、操作和管理 Parcae 及其前身衛星系統的海軍工程師的額外采訪(fǎng)和書(shū)面意見(jiàn)。它們證實(shí)了對那個(gè)時(shí)代美國的普遍持有但仍然深刻的理解。簡(jiǎn)而言之，沒(méi)有什么比冷戰的偏執狂和高風(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 這樣的監控系統。

一顆帶有宇宙封面名稱(chēng)的間諜衛星

盡管 NRO 授權并支付了 Parcae 的費用，但實(shí)際設計和制造它的責任落在 NRL 的冷戰工程師及其承包商合作伙伴身上，例如系統工程實(shí)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(gè)海軍衛星 ELINT 計劃。第一個(gè)是一個(gè)名為 GRAB 的衛星，大約有一個(gè)健身球那么大。GRAB 代表 Galactic Radiation and Background Experiment，這是衛星秘密有效載荷的幌子名稱(chēng);它還在同一個(gè)殼中安置了一個(gè)真正的太陽(yáng)科學(xué)有效載荷 [見(jiàn)側邊欄，“從石英晶體探測器到竊聽(tīng)衛星”]。1960 年 6 月 22 日，GRAB 進(jìn)入軌道，成為世界上第一顆間諜衛星，盡管沒(méi)有機會(huì )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，這兩顆衛星為國家安全局和戰略空軍司令部監視蘇聯(lián)雷達系統。美國國家安全局總部位于馬里蘭州米德堡，負責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，以及設計保護美國官方通信的機器和算法。直到 1992 年，SAC 一直負責該國的戰略轟炸機和洲際彈道導彈。

直徑為 61 厘米的 Poppy Block II 衛星配備了天線(xiàn)，用于接收來(lái)自蘇聯(lián)雷達的信號 [上]。信號被記錄并重新傳輸到地面站，例如這個(gè)于 1965 年拍攝的接收控制臺，命名為 A-GR-2800。NRO

GRAB 衛星跟蹤 散布在廣闊的俄羅斯大陸上的數千臺蘇聯(lián)防空雷達，接收雷達的脈沖并將其傳輸到世界各地友好國家的地面站?？赡苄枰獛讉€(gè)月的時(shí)間才能從數據中勉強獲得有用的情報，這些數據被人工提交給 NSA 和 SAC。在那里，分析師將檢查數據中的“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，并將結果打包到報告中。所有這些都需要幾天甚至幾周的時(shí)間，因此 GRAB 數據主要與整體態(tài)勢感知和長(cháng)期戰略規劃相關(guān)。

1962 年，GRAB 計劃圍繞更先進(jìn)的衛星進(jìn)行了改進(jìn)，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星，Poppy 可以對發(fā)射源進(jìn)行地理定位，至少是粗略的。

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

Parcae 如何啟發(fā)現代衛星信號情報

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(cháng)的生命周期中，該程序還有其他神秘的封面名稱(chēng)，其中包括 White Cloud 和 Classic Wizard。根據 NRO 的解密備忘錄，它已于 2008 年 5 月停止使用 Parcae 衛星。

Atlas F 最初設計為洲際彈道導彈 （ICBM），后來(lái)被重新用于發(fā)射衛星，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星，這對于它們的地理定位和跟蹤功能至關(guān)重要。（后來(lái)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(guò)由 Peter Wilhelm 領(lǐng)導的 NRL 團隊設計和制造的衛星分配器實(shí)現的。在 2015 年退休之前，Wilhelm 擔任 NRL 衛星制造工作的總工程師長(cháng)達 60 年之久，指導了 100 多顆衛星的開(kāi)發(fā)，其中一些衛星仍處于機密狀態(tài)。

Parcae 衛星的眾多技術(shù)突破之一是重力梯度穩定臂，這是一個(gè)長(cháng)長(cháng)的可伸縮臂，末端有重物。移動(dòng)重物會(huì )移動(dòng)衛星的質(zhì)心，使地面上的操作員能夠保持衛星天線(xiàn)朝向地球。

這些衛星通常以三顆為一組工作（Parcae 這個(gè)名字來(lái)自羅馬神話(huà)的三種命運），每顆衛星都探測蘇聯(lián)船只的雷達和無(wú)線(xiàn)電發(fā)射。為了精確定位一艘船，衛星配備了高精度的同步時(shí)鐘。然后，利用每顆衛星接收到飛船發(fā)射的雷達信號的時(shí)間的微小差異來(lái)確定飛船的位置。每次衛星經(jīng)過(guò)時(shí)，都會(huì )更新計算出的位置。

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

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

這些衛星收集了大量數據，并將其傳輸到世界各地的地面站。這些站點(diǎn)由海軍安全組司令部運營(yíng)，該司令部為海軍執行加密和數據安全功能。然后，數據通過(guò)通信衛星轉發(fā)到世界各地的海軍設施，在那里進(jìn)行關(guān)聯(lián)并轉化為情報。該情報以船舶發(fā)射器定位報告的形式傳出，以監視海上船舶上的軍官和指揮官以及其他用戶(hù)。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(lèi)型、頻率、脈沖、掃描速率和位置。

從單個(gè)位置同時(shí)檢測來(lái)自不同類(lèi)型發(fā)射器的信號，可以識別進(jìn)行發(fā)射的船舶類(lèi)別，甚至是特定的船舶。這種精細的海上偵察始于 1960 年代，當時(shí) NRL 開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為 HULTEC 的船舶監視能力，HULTEC 是船體與發(fā)射器相關(guān)性的縮寫(xiě)。

早期的小型計算機發(fā)現了感興趣的信號

為了從原本壓倒性的原始 ELINT 數據洪流中搜索感興趣的信號，Parcae 程序包括一個(gè)圍繞當時(shí)的高端計算機構建的情報分析數據處理系統。這些可能是由佛羅里達州勞德代爾堡的系統工程實(shí)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(shí)時(shí)中斷功能”，使計算機能夠停止數據處理以接受和存儲新數據，然后從中斷的地方恢復處理。該功能對于像 Parcae 這樣不斷收集數據的系統非常有用。對于找出重要信號來(lái)說(shuō)，數據處理軟件也至關(guān)重要，該軟件由身份仍處于機密狀態(tài)的供應商提供。

SEL-810 微型計算機是數據處理系統的核心，該系統旨在搜索來(lái)自 Poppy 衛星的原始數據洪流以查找感興趣的信號。 計算機歷史博物館

該分析系統能夠自動(dòng)篩選數百萬(wàn)個(gè)信號并識別哪些信號值得進(jìn)一步關(guān)注。此后的幾十年里，這種 ELINT 數據的自動(dòng)篩選變得更加復雜。

Parcae 系統最大膽的要求是“攔截到報告”間隔（從衛星檢測到感興趣信號到生成報告之間的時(shí)間）不超過(guò)幾分鐘，而不是當時(shí)最好的系統所能提供的小時(shí)或幾天。據退役海軍上尉 Arthur “Art” Collier 說(shuō)，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(shí)的軍事決策。Collier 擔任 Parcae 的 NRO 項目經(jīng)理已有六年時(shí)間。他指出，在一個(gè)相互確保毀滅的時(shí)代，如果從攔截到報告的延遲時(shí)間比煎雞蛋的時(shí)間還要長(cháng)，國家安全領(lǐng)導人就會(huì )將其視為可能關(guān)乎生存的脆弱性。

隨著(zhù)時(shí)間的推移，船舶發(fā)射器定位報告從從原始截獲數據得出的粗糙電傳打字打印輸出演變?yōu)楦佑脩?hù)友好的形式，例如自動(dòng)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(hù)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(shí)現，但甚至不是最發(fā)人深省的技術(shù)挑戰。更令人生畏的是，Parcae 要求在幾分鐘內提供“傳感器到射手”的情報——從衛星到艦船指揮官或武器控制站。

根據 NRO 運營(yíng)支持辦公室第一任主任海軍上尉 James “Mel” Stephenson 的說(shuō)法，要實(shí)現這一目標需要整個(gè)技術(shù)鏈的進(jìn)步。這包括衛星、計算機硬件、數據處理算法、通信和加密協(xié)議、廣播頻道和最終用戶(hù)終端。

從石英晶體探測器到竊聽(tīng)衛星

霍華德·洛倫岑  美國海軍研究實(shí)驗室

美國海軍整個(gè) ELINT 衛星故事的種子技術(shù)可以追溯到第二次世界大戰，當時(shí)海軍研究實(shí)驗室 （NRL） 成為當時(shí)電子戰和對抗新業(yè)務(wù)的領(lǐng)先開(kāi)發(fā)商。想想看，監視敵人的無(wú)線(xiàn)電控制信號，騙過(guò)它的電子偵察探針，躲避它的雷達探測系統。

NRL 涉足基于衛星的信號情報源于 NRL 工程師 Reid Mayo 設計的基于石英晶體的無(wú)線(xiàn)電波探測器，他有時(shí)會(huì )親自安裝在美國潛艇的潛望鏡上。該設備通過(guò)指定敵方雷達探測其船只的時(shí)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(zhù)太空時(shí)代的起飛，梅奧和他的老板霍華德·洛倫岑（Howard Lorenzen）（后來(lái)聘請了 Lee M. Hammarstrom）可能是第一個(gè)意識到，如果探測器可以放置在軌道上，相同的技術(shù)應該能夠“看到”更大的敵方雷達活動(dòng)景觀(guān)。Lorenzen 是一位有影響力的、具有傳奇色彩的技術(shù)遠見(jiàn)者，通常被稱(chēng)為電子戰之父。2008 年，美國以他的名字命名了一艘支持和跟蹤導彈發(fā)射的導彈射程儀表船。

Lorenzen 和 Mayo 為收集 ELINT 而“升起潛望鏡”的工程概念在第一顆 GRAB 衛星上得以實(shí)現。這顆衛星是一個(gè)秘密的有效載荷，搭載在公開(kāi)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(yáng)紫外線(xiàn)和 X 射線(xiàn)輻射的數據。

這些數據將被證明可用于建模和預測行星電離層的行為，這影響了海軍附近和珍視的遙遠無(wú)線(xiàn)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(wú)法吹噓 GRAB 任務(wù)，但它是世界上第一個(gè)成功的在軌間諜有效載荷，比中央情報局的首個(gè)天基照相偵察計劃Corona 的首次成功發(fā)射早了幾個(gè)月。

這些用戶(hù)終端開(kāi)發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵人物是 Ed Mashman，他是一名工程師，曾在 Parcae 擔任承包商。終端必須根據它們的使用地點(diǎn)和使用者進(jìn)行定制。一個(gè)早期的系列被稱(chēng)為原型分析顯示系統，盡管“原型”最終被部署為操作單元。

在這些顯示系統可用之前，Mashman 在接受 IEEE Spectrum 采訪(fǎng)時(shí)回憶道，“從 Classic Wizard 傳入的大部分數據都進(jìn)入了刻錄袋，因為它們無(wú)法跟上高容量。情報分析人員仍然依靠一個(gè)艱巨的過(guò)程來(lái)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(dòng)，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(dòng)攻擊。

為了做出這樣的評估，分析師必須篩選來(lái)自衛星的大量電傳打字報告，手動(dòng)在地圖上繪制數據，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(méi)有。Mashman 回憶說(shuō)，當“原型”顯示系統可用時(shí)，分析師可以“突然看到它自動(dòng)繪制在地圖上，并從中獲得有用的信息......當 Classic Wizard 傳來(lái)一些非常重要的東西時(shí)，它會(huì ) [提醒] 值班人員并顯示它在哪里以及它是什么。

數據過(guò)載在船上或現場(chǎng)更是一個(gè)問(wèn)題，因此 NRL 工程師開(kāi)發(fā)了將數據直接傳送到船上和現場(chǎng)計算機的能力。軟件會(huì )自動(dòng)將數據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(hù)和 Mashman 等工程師之間的肩并肩工作會(huì )議中開(kāi)發(fā)的。這些會(huì )議導致了一個(gè)迭代過(guò)程，通過(guò)該過(guò)程，ELINT 系統可以以用戶(hù)友好的方式和戰術(shù)上有用的快速交付和打包數據。

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

連接這些部分的通信網(wǎng)絡(luò )被稱(chēng)為戰術(shù)接收設備和相關(guān)應用程序廣播。就在最近的沙漠風(fēng)暴行動(dòng)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(shuō)。

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(shí)驗室

據 Hammarstrom 稱(chēng)，Parcae 的通信挑戰必須與管理大量原始數據并將其解析為有用情報的核心挑戰同時(shí)解決。應對這些數據洪流始于衛星本身，一些參與者將其視為“軌道外圍設備”。

該術(shù)語(yǔ)反映了這樣一個(gè)事實(shí)，即原始電子信號的收集只是一個(gè)復雜系統的復雜系統的開(kāi)始。即使在 1960 年代后期，當 Parcae 的前身 Poppy 投入運營(yíng)時(shí)，NRL 團隊及其承包商已經(jīng)為這項任務(wù)完全重新配置了衛星、數據收集系統、地面站、計算機和其他系統元件。

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

Collier 指出，除了支持軍事行動(dòng)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(yíng) Parcae 的人以及那些依賴(lài)它來(lái)保障國家安全的人強調，這個(gè)故事的更多內容仍然是機密和無(wú)法講述的。正如他們在尚未完全分享的采訪(fǎng)中回憶的那樣，使這個(gè)間諜衛星系統成為現實(shí)的工程師表示，他們在該計劃之前或之后都沒(méi)有更專(zhuān)業(yè)、更有創(chuàng )意地燃燒。Parcae 雖然是冷戰時(shí)期盛行的相互確保毀滅范式的一部分，但事實(shí)證明，這是一次讓這些工程師感到高興的技術(shù)冒險。