來源：《現(xiàn)代防御技術(shù)》作者：王久龍等

關(guān)鍵詞： 預(yù)警衛(wèi)星 ; 天基紅外系統(tǒng) ; 過頂持續(xù)紅外 ; 傳感器有效載荷 ; 地面系統(tǒng) ; 數(shù)據(jù)標準  

摘 要   

美國天基預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)是導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的重要組成部分,對其發(fā)展現(xiàn)狀和能力的研究具有重要意義。為了支撐我國天基光學(xué)預(yù)警相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和工程研制，在分析了美國國防支援計劃（defense support program，DSP）和天基紅外系統(tǒng)（space-based infrared system，SBIRS） 2代天基預(yù)警衛(wèi)星的發(fā)展歷程、系統(tǒng)構(gòu)成以及主要問題的基礎(chǔ)上，綜述了美國“下一代過頂持續(xù)紅外”（overhead persistent infrared，OPIR）預(yù)警衛(wèi)星的若干研究進展和成果，詳細總結(jié)了其在星座規(guī)劃、傳感器有效載荷研制、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)標準規(guī)范4個方面的研究現(xiàn)狀，并建議從構(gòu)建目標紅外圖像數(shù)據(jù)集、研制寬視場任務(wù)數(shù)據(jù)處理算法、發(fā)展搜索跟蹤一體化大面陣載荷技術(shù)、加強衛(wèi)星近場感知防御等方面給予重點研究。

0 引言

      由靜止軌道、大橢圓高軌道、低軌道衛(wèi)星以及組成的天基預(yù)警平臺，因理論上具備覆蓋全球范圍的目標探測能力，成為美國、俄羅斯和中國等競相發(fā)展的新一代預(yù)警技術(shù)［1-3］。預(yù)警衛(wèi)星作為監(jiān)視、探測、發(fā)現(xiàn)和跟蹤敵方戰(zhàn)略導(dǎo)彈的重要手段，在戰(zhàn)略防御系統(tǒng)中起到重要的作用［4］。美國預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)研制開始于20世紀50年代，為了能夠探測到蘇聯(lián)彈道導(dǎo)彈的發(fā)射，美國研制并部署了國防支援計劃（defense support program， DSP）預(yù)警衛(wèi)星［5］，即美國的第1代天基預(yù)警衛(wèi)星，衛(wèi)星部署在地球同步軌道。截止到2007年，DSP衛(wèi)星經(jīng)歷了5個發(fā)展階段，先后發(fā)射23顆衛(wèi)星，目前仍有2顆在軌服役。DSP主要問題包括：①不能跟蹤中段飛行的導(dǎo)彈；②衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理對國外設(shè)站的依賴性大；③星上的紅外探測器掃描速率低、頻段少、虛警率高；④掃描速度慢，對戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈無法有效預(yù)警；⑤探測器的靈敏度和分辨率較低；⑥沒有凝視相機，無法對彈道導(dǎo)彈目標進行高精度跟蹤。為解決DSP暴露的問題，美國于1992年開始了天基紅外系統(tǒng)（space-based infrared system， SBIRS）［6］的研制。SBIRS衛(wèi)星裝有掃描型和凝視型2種探測器，掃描型探測器負責快速搜索衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)特定紅外特征目標，發(fā)現(xiàn)目標后，掃描型探測器與凝視型探測器進行任務(wù)交接，由凝視型探測器進行紅外目標的精跟蹤，獲取詳細信息［7］。SBIRS系統(tǒng)問題包括：①系統(tǒng)彈性和抗毀能力不足，不具備對各種軟硬殺傷手段的防御能力；②不適應(yīng)新型空天威脅目標的發(fā)展，不能滿足未來導(dǎo)彈防御作戰(zhàn)的需要；③系統(tǒng)昂貴，建造耗時，轉(zhuǎn)型困難；④采用“線陣掃描+小面陣跟蹤”的技術(shù)，不能有效適應(yīng)實現(xiàn)多域多目標預(yù)警跟蹤。

      為瞄準未來太空作戰(zhàn)，以應(yīng)對新出現(xiàn)的和預(yù)期的威脅，美國空軍提出了“下一代過頂持續(xù)紅外”（next-generation overhead persistent infrared，NG-OPIR）預(yù)警衛(wèi)星計劃，通過“采用成熟的衛(wèi)星平臺+重點關(guān)注傳感器技術(shù)”的方式，有效降低導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的作戰(zhàn)目標價值，從而獲得更高的生存概率［8］。此外，“相對簡單廉價”的預(yù)警衛(wèi)星，在戰(zhàn)時也能夠大量制造和快速部署，補充和維持天基導(dǎo)彈預(yù)警能力，增強導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的體系彈性。

1 OPIR概述

1.1 星座構(gòu)成

    美國空軍在2018年啟動了“下一代過頂持續(xù)紅外”預(yù)警衛(wèi)星項目，是美國在繼DSP，SBIRS之后規(guī)劃的新一代高軌預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)，由美國情報機構(gòu)和國防部共同負責運營，其主要作用是為美國及其盟國提供洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)射、潛射彈道發(fā)射和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射的預(yù)警能力，并通過改進導(dǎo)彈預(yù)警能力，實現(xiàn)對新出現(xiàn)威脅的探測和跟蹤。OPIR由天基傳感器和地面數(shù)據(jù)處理站組成，它們協(xié)同組網(wǎng)工作，可持續(xù)或近乎連續(xù)地收集來自太空的可見光、近紅外、短波紅外和中波紅外的能量，并將之處理后產(chǎn)生紅外圖像，支持導(dǎo)彈預(yù)警、導(dǎo)彈防御、技術(shù)情報和戰(zhàn)場空間感知等領(lǐng)域任務(wù)［9］。

   2019財年預(yù)算提案要求取消SBIRS-GEO7和GEO8的研制計劃，并將相關(guān)經(jīng)費投入到OPIR星座建設(shè)中，星座規(guī)劃了5顆衛(wèi)星，3顆在地球同步軌道上，2顆在極地軌道，如表1所示。

1.2 研制計劃 

    2018年美國空軍選擇洛克希德·馬丁公司和諾斯羅普·格魯曼公司作為OPIR項目的主要承包商［10］。其中，洛克希德·馬丁公司獲得了超過30億美元的獨家承包合同，用于研發(fā)和生產(chǎn)3顆GEO衛(wèi)星，首顆衛(wèi)星預(yù)計2025年發(fā)射；諾斯羅普·格魯曼獲得23億美元合同，用于研發(fā)和生產(chǎn)2顆HEO衛(wèi)星，首顆衛(wèi)星預(yù)計2027年發(fā)射。2029年完成5顆衛(wèi)星組網(wǎng)，補充現(xiàn)役SBIRS系統(tǒng)，為美國及其盟友提供彈道導(dǎo)彈及戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的早期預(yù)警功能。OPIR預(yù)警系統(tǒng)由高軌衛(wèi)星、極軌衛(wèi)星以及地面系統(tǒng)共同組成，如圖1所示。

圖1   OPIR預(yù)警系統(tǒng)示意圖

Fig.1   OPIR early warning system schematic diagram

    在OPIR的Block-1階段，美國積極尋求基于創(chuàng)新技術(shù)構(gòu)建新體系，旨在提升體系抗毀能力，并力爭2030年完成業(yè)務(wù)星部署。OPIR主要在以下幾個方面增強系統(tǒng)能力：①利用大面陣技術(shù)實現(xiàn)多域多目標預(yù)警跟蹤能力；②將預(yù)警對象擴展到高超武器；③增強全球紅外事件的感知能力；④利用軌道設(shè)計增加燃料攜帶，增強系統(tǒng)的機動能力。OPIR完成部署并投入實戰(zhàn)應(yīng)用中后（如圖2所示），將直接在戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)層面支持反導(dǎo)作戰(zhàn)，將對“導(dǎo)彈中心戰(zhàn)”帶來極大的影響。

圖2   OPIR完整的體系架構(gòu)

Fig.2   OPIR complete system architecture

2 有效載荷研制

2.1 整體進展

    OPIR采用超大面陣多波段紅外陣焦平面探測器，不僅能探測跟蹤大型彈道導(dǎo)彈的發(fā)射，還能探測和跟蹤小型地空導(dǎo)彈、助推滑翔及吸氣式高超聲速武器，甚至空空導(dǎo)彈的發(fā)射。美國空軍要求洛克希德·馬丁公司和諾斯羅普·格魯曼公司競爭性地研制下一代OPIR衛(wèi)星傳感器載荷，以減輕2025年首次發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星面臨的時間表問題。在Block 0階段NGG衛(wèi)星的有效載荷研制由Raytheon Intelligence & Space和Northrop Grumman-Ball Aerospace 2家公司承包［11］，分別設(shè)計、制造、組裝、集成和交付1臺任務(wù)載荷，用于前2顆地球同步軌道預(yù)警衛(wèi)星。截止到2020年5月，2個候選載荷已經(jīng)完成初步設(shè)計審查，并到達空軍的指標要求，預(yù)計2023年研制完成。2021年5月，美國太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心（space and missile systems center，SMC）與雷神公司、千禧空間系統(tǒng)公司（millennium space systems）簽訂了導(dǎo)彈跟蹤托管原型（MTCP）設(shè)計數(shù)字模型的合同，使政府能夠在數(shù)字環(huán)境中自動化整合和連接多個承包商的模型，從而在建造下一代OPIR預(yù)警衛(wèi)星之前，用數(shù)字模型測試傳感器載荷的設(shè)計是否滿足導(dǎo)彈預(yù)警的需求［12］。

2.2 WFOV項目

      為了保障OPIR預(yù)警衛(wèi)星星座的建設(shè)，太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心啟動了WFOV（wide-field of view）［13］衛(wèi)星的研制。WFOV只是一顆試驗衛(wèi)星，不屬于導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星星座的一部分，主要任務(wù)是評估OPIR廣域6°凝視傳感器的技術(shù)狀態(tài)，為空軍太空司令部降低下一代導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的研制風險。傳感器載荷由L3哈里斯（L3 Harris technologies）公司根據(jù)單獨合同研制，安裝在千禧空間系統(tǒng)公司提供的衛(wèi)星總線上，WFOV重約1 000 kg，大概相當于SBIRS衛(wèi)星的1/4，原計劃2021年通過美國空軍USSF-12任務(wù)發(fā)射至地球同步軌道，但據(jù)最新資料表明，執(zhí)行USSF-12任務(wù)的Atlas-5型運載火箭將于2022年第1季度發(fā)射。

2.3 SBIR項目

     2016年，美國國防部在SBIR網(wǎng)站發(fā)布WFOV任務(wù)數(shù)據(jù)處理算法研發(fā)項目［14］，旨在開發(fā)和測試用于“下一代過頂持續(xù)紅外”的WFOV任務(wù)數(shù)據(jù)處理算法，實時處理來自GEO軌道上的幀率低于10 Hz的4 k×4 k的大面陣數(shù)據(jù)。該項目分為3個階段實施：第1階段完成算法原型設(shè)計，進行算法平鋪和加窗、噪聲抑制、抖動抑制、雜波抑制、閾值和緩沖設(shè)計；第2階段基于載荷的實時WFOV數(shù)據(jù)進行測試，并根據(jù)結(jié)果更改和調(diào)整算法；第3階段是2021年完成算法認證，并將其轉(zhuǎn)換到WFOV任務(wù)控制系統(tǒng)中。同時，早在2011年第1個用于過頂持續(xù)紅外的商業(yè)載荷［15-16］搭載演示驗證星發(fā)射到地球同步軌道，用于驗證基于商業(yè)載荷構(gòu)建和集成大視場傳感器的能力，并以此了解WFOV凝視載荷紅外原理及量化WFOV的性能水平。

3 地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

   SBIRS團隊和雷神公司針對OPIR地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的建設(shè)分別提出了不同的方案。

3.1 SBIRS團隊方案 

    為了適應(yīng)戰(zhàn)場空間態(tài)勢感知快速變化的挑戰(zhàn)，2016年，SBIRS團隊提出了一種基于開放系統(tǒng)架構(gòu)（open system architecture，OSA）的模塊化、層次化、自適應(yīng)的OPIR地面應(yīng)用開發(fā)框架［17］，支撐多任務(wù)、多傳感器的戰(zhàn)場態(tài)勢感知任務(wù)。SBIRS團隊認為OPIR的任務(wù)領(lǐng)域不斷擴大，對OPIR數(shù)據(jù)的擴張性需求和戰(zhàn)場空間態(tài)勢感知任務(wù)的動態(tài)特性正在推動地面處理系統(tǒng)進行重大變革，圖3展示了OPIR支持的導(dǎo)彈警告和不斷演變的任務(wù)域。

圖3   OPIR任務(wù)領(lǐng)域

Fig.3   OPIR mission area

    傳統(tǒng)框架下，不同的組件之間需要設(shè)計特定的接口，通過開發(fā)、測試后再集成到大系統(tǒng)中；而OSA框架采用開放的、標準的統(tǒng)一編程接口，不需要開發(fā)特定組件接口，具有可移植性和可剪裁性特點，可便于快速部署新業(yè)務(wù)。基于OSA的框架不僅能夠加強導(dǎo)彈防御和預(yù)警，還能夠快速響應(yīng)作戰(zhàn)需求的變化，可高效部署業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。

3.2 雷神公司方案

      2020年1月28日，雷神公司獲得美國空軍為期5年的1.97億美元合同，用于設(shè)計OPIR地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該項目被稱為“未來作戰(zhàn)彈性地面演進計劃”（future operationally resilient ground evolution，F(xiàn)ORGE）［18］，取代SBIRS地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，計劃在2024財年投入運營。FORGE本質(zhì)上是一個開放的架構(gòu)，具有可擴展、可伸縮以及靈活的特點，可基于該平臺開發(fā)特定的應(yīng)用程序，其主要任務(wù)是向五角大樓和國家指揮機構(gòu)發(fā)出導(dǎo)彈警告，也支持民用應(yīng)用開發(fā)，如圖 4所示。

圖4   FORGE開放的任務(wù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

Fig.4   ORGE open task data processing system

   FORGE分為指揮與控制、任務(wù)數(shù)據(jù)處理和中繼地面站3部分，原型系統(tǒng)包括非機密數(shù)據(jù)處理平臺、機密數(shù)據(jù)處理平臺、可擴展性測試平臺。美國太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心（SMC）表示將采用“敏捷方式”開發(fā)FORGE地面系統(tǒng)，以迭代、循序漸進的方式跟蹤進度，可對開發(fā)過程中出現(xiàn)的任務(wù)問題進行調(diào)整和處理，降低項目失敗的風險，確保FORGE成為未來以及下一代OPIR地面處理系統(tǒng)的最佳解決方案［19］。SMC正在使用2個開放框架架構(gòu)改進國防部的OPIR數(shù)據(jù)處理，分別是系統(tǒng)框架（system architecture）和任務(wù)框架（misson architecture），開放架構(gòu)使SMC能夠：①更加高效地增加載荷和航天器；②快速且低成本地集成新功能；③支持作戰(zhàn)人員不斷變化的需求，確保作戰(zhàn)的連續(xù)性。圖5是FORGE原型系統(tǒng)架構(gòu)。

圖5   FORGE原型系統(tǒng)架構(gòu)

Fig.5   FORGE prototype system architecture

4 數(shù)據(jù)標準規(guī)范

   為制定預(yù)警衛(wèi)星數(shù)據(jù)標準規(guī)范，美國戰(zhàn)略司令部、聯(lián)合部隊太空組成部隊指揮官和國家地理空間情報局聯(lián)合成立“過頂持續(xù)紅外專業(yè)組”，負責制定開放的OPIR數(shù)據(jù)標準［20］，以支持導(dǎo)彈預(yù)警、導(dǎo)彈防御、作戰(zhàn)環(huán)境感知、技術(shù)情報以及民用/環(huán)境任務(wù)等領(lǐng)域。OPIR數(shù)據(jù)處理級別分為5級，0級表示原始傳感器數(shù)據(jù)，5級表示技術(shù)情報產(chǎn)品。其中，3級數(shù)據(jù)（圖6）。表示原始OPIR數(shù)據(jù)被部分處理，但不是最終情報產(chǎn)品或二次可利用的產(chǎn)品。3級數(shù)據(jù)典型返回值（rep return）包含概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模型和相關(guān)數(shù)據(jù)字典定義。邏輯數(shù)據(jù)模型有許多實體，用于描述OPIR平臺和傳感器屬性，包括視場、視軸以及從傳感器收集和處理的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)字典描述了每個實體中包含的屬性和值的單位。

圖6   OPIR概念數(shù)據(jù)模型

Fig.6   OPIR conceptual data model

   圖6描述了OPIR 3級數(shù)據(jù)的概念模型，圖7描述了OPIR 3級數(shù)據(jù)的邏輯模型，包括實體、屬性和關(guān)系，用以完整描述典型返回值的標準規(guī)范，該模型正在擴展以支持1級和4級數(shù)據(jù)，稱為聯(lián)合OPIR數(shù)據(jù)模型。

圖7   OPIR邏輯數(shù)據(jù)模型

Fig.7   OPIR logical data model

5 總結(jié)與建議

    美國“下一代過頂持續(xù)紅外”預(yù)警衛(wèi)星強化了高軌紅外探測能力，將導(dǎo)彈預(yù)警擴展到全域的導(dǎo)彈、高超武器等“從生到死”的探測、跟蹤和威脅評估，可快速應(yīng)對全世界各地出現(xiàn)的新威脅。軌道由最初的地球靜止軌道到結(jié)合大橢圓軌道再到高低軌組網(wǎng)配合的方向發(fā)展；探測方式也由單一的“線陣掃描”向“掃描+凝視”以及未來的“超大面陣凝視”方向發(fā)展；研制方式也由最初的費用高、研制周期長的單個大衛(wèi)星方式轉(zhuǎn)向低成本、模塊化的小衛(wèi)星研制方式發(fā)展。

     對未來我國導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的研制與規(guī)劃來說，首先，必須構(gòu)建彈性和分散化的太空體系結(jié)構(gòu)，采用高、低軌結(jié)合的部署方式，在GEO和HEO高軌道部署大型衛(wèi)星，低軌方面充分利用商業(yè)衛(wèi)星發(fā)展成果，構(gòu)建大規(guī)模、低成本的小衛(wèi)星星座；其次，重點發(fā)展搜索、跟蹤一體化大面陣載荷技術(shù)，研究寬視場任務(wù)數(shù)據(jù)高性能處理算法，構(gòu)建高質(zhì)量、可擴展的目標紅外圖像數(shù)據(jù)集，提高強對抗條件下星上數(shù)據(jù)處理的時效性，實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)即跟蹤，應(yīng)對新的威脅；最后，為提升高軌預(yù)警衛(wèi)星戰(zhàn)時生存能力，應(yīng)積極發(fā)展衛(wèi)星近場感知與機動規(guī)避等防御技術(shù)。總之，在建設(shè)預(yù)警系統(tǒng)時應(yīng)該著眼于具體需求，力圖構(gòu)建兼顧戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)要求，以戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用為主的天基預(yù)警系統(tǒng)。