來源：《現代防御技術》作者：王久龍等

關鍵詞： 預警衛星 ; 天基紅外系統 ; 過頂持續紅外 ; 傳感器有效載荷 ; 地面系統 ; 數據標準  

摘 要   

美國天基預警衛星系統是導彈防御系統的重要組成部分,對其發展現狀和能力的研究具有重要意義。為了支撐我國天基光學預警相關領域的基礎研究和工程研制，在分析了美國國防支援計劃（defense support program，DSP）和天基紅外系統（space-based infrared system，SBIRS） 2代天基預警衛星的發展歷程、系統構成以及主要問題的基礎上，綜述了美國“下一代過頂持續紅外”（overhead persistent infrared，OPIR）預警衛星的若干研究進展和成果，詳細總結了其在星座規劃、傳感器有效載荷研制、地面數據處理系統以及數據標準規范4個方面的研究現狀，并建議從構建目標紅外圖像數據集、研制寬視場任務數據處理算法、發展搜索跟蹤一體化大面陣載荷技術、加強衛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、低軌道衛星以及組成的天基預警平臺，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展的新一代預警技術［1-3］。預警衛星作為監視、探測、發現和跟蹤敵方戰略導彈的重要手段，在戰略防御系統中起到重要的作用［4］。美國預警衛星系統研制開始于20世紀50年代，為了能夠探測到蘇聯彈道導彈的發射，美國研制并部署了國防支援計劃（defense support program， DSP）預警衛星［5］，即美國的第1代天基預警衛星，衛星部署在地球同步軌道。截止到2007年，DSP衛星經歷了5個發展階段，先后發射23顆衛星，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彈；②衛星的數據處理對國外設站的依賴性大；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，對戰區導彈無法有效預警；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（space-based infrared system， SBIRS）［6］的研制。SBIRS衛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星覆蓋區域內特定紅外特征目標，發現目標后，掃描型探測器與凝視型探測器進行任務交接，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系統問題包括：①系統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不適應新型空天威脅目標的發展，不能滿足未來導彈防御作戰的需要；③系統昂貴，建造耗時，轉型困難；④采用“線陣掃描+小面陣跟蹤”的技術，不能有效適應實現多域多目標預警跟蹤。

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

1 OPIR概述

1.1 星座構成

    美國空軍在2018年啟動了“下一代過頂持續紅外”預警衛星項目，是美國在繼DSP，SBIRS之后規劃的新一代高軌預警衛星系統，由美國情報機構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彈發射、潛射彈道發射和戰術導彈發射的預警能力，并通過改進導彈預警能力，實現對新出現威脅的探測和跟蹤。OPIR由天基傳感器和地面數據處理站組成，它們協同組網工作，可持續或近乎連續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，并將之處理后產生紅外圖像，支持導彈預警、導彈防御、技術情報和戰場空間感知等領域任務［9］。

   2019財年預算提案要求取消SBIRS-GEO7和GEO8的研制計劃，并將相關經費投入到OPIR星座建設中，星座規劃了5顆衛星，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，用于研發和生產3顆GEO衛星，首顆衛星預計2025年發射；諾斯羅普·格魯曼獲得23億美元合同，用于研發和生產2顆HEO衛星，首顆衛星預計2027年發射。2029年完成5顆衛星組網，補充現役SBIRS系統，為美國及其盟友提供彈道導彈及戰術導彈的早期預警功能。OPIR預警系統由高軌衛星、極軌衛星以及地面系統共同組成，如圖1所示。

圖1   OPIR預警系統示意圖

Fig.1   OPIR early warning system schematic diagram

    在OPIR的Block-1階段，美國積極尋求基于創新技術構建新體系，旨在提升體系抗毀能力，并力爭2030年完成業務星部署。OPIR主要在以下幾個方面增強系統能力：①利用大面陣技術實現多域多目標預警跟蹤能力；②將預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利用軌道設計增加燃料攜帶，增強系統的機動能力。OPIR完成部署并投入實戰應用中后（如圖2所示），將直接在戰略和戰術層面支持反導作戰，將對“導彈中心戰”帶來極大的影響。

圖2   OPIR完整的體系架構

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彈的發射，還能探測和跟蹤小型地空導彈、助推滑翔及吸氣式高超聲速武器，甚至空空導彈的發射。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衛星傳感器載荷，以減輕2025年首次發射地球同步軌道衛星面臨的時間表問題。在Block 0階段NGG衛星的有效載荷研制由Raytheon Intelligence & Space和Northrop Grumman-Ball Aerospace 2家公司承包［11］，分別設計、制造、組裝、集成和交付1臺任務載荷，用于前2顆地球同步軌道預警衛星。截止到2020年5月，2個候選載荷已經完成初步設計審查，并到達空軍的指標要求，預計2023年研制完成。2021年5月，美國太空與導彈系統中心（space and missile systems center，SMC）與雷神公司、千禧空間系統公司（millennium space systems）簽訂了導彈跟蹤托管原型（MTCP）設計數字模型的合同，使政府能夠在數字環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預警衛星之前，用數字模型測試傳感器載荷的設計是否滿足導彈預警的需求［12］。

2.2 WFOV項目

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

2.3 SBIR項目

     2016年，美國國防部在SBIR網站發布WFOV任務數據處理算法研發項目［14］，旨在開發和測試用于“下一代過頂持續紅外”的WFOV任務數據處理算法，實時處理來自GEO軌道上的幀率低于10 Hz的4 k×4 k的大面陣數據。該項目分為3個階段實施：第1階段完成算法原型設計，進行算法平鋪和加窗、噪聲抑制、抖動抑制、雜波抑制、閾值和緩沖設計；第2階段基于載荷的實時WFOV數據進行測試，并根據結果更改和調整算法；第3階段是2021年完成算法認證，并將其轉換到WFOV任務控制系統中。同時，早在2011年第1個用于過頂持續紅外的商業載荷［15-16］搭載演示驗證星發射到地球同步軌道，用于驗證基于商業載荷構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 地面數據處理系統

   SBIRS團隊和雷神公司針對OPIR地面數據處理系統的建設分別提出了不同的方案。

3.1 SBIRS團隊方案 

    為了適應戰場空間態勢感知快速變化的挑戰，2016年，SBIRS團隊提出了一種基于開放系統架構（open system architecture，OSA）的模塊化、層次化、自適應的OPIR地面應用開發框架［17］，支撐多任務、多傳感器的戰場態勢感知任務。SBIRS團隊認為OPIR的任務領域不斷擴大，對OPIR數據的擴張性需求和戰場空間態勢感知任務的動態特性正在推動地面處理系統進行重大變革，圖3展示了OPIR支持的導彈警告和不斷演變的任務域。

圖3   OPIR任務領域

Fig.3   OPIR mission area

    傳統框架下，不同的組件之間需要設計特定的接口，通過開發、測試后再集成到大系統中；而OSA框架采用開放的、標準的統一編程接口，不需要開發特定組件接口，具有可移植性和可剪裁性特點，可便于快速部署新業務。基于OSA的框架不僅能夠加強導彈防御和預警，還能夠快速響應作戰需求的變化，可高效部署業務系統進行數據處理。

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，用于設計OPIR地面數據處理系統，該項目被稱為“未來作戰彈性地面演進計劃”（future operationally resilient ground evolution，FORGE）［18］，取代SBIRS地面數據處理系統，計劃在2024財年投入運營。FORGE本質上是一個開放的架構，具有可擴展、可伸縮以及靈活的特點，可基于該平臺開發特定的應用程序，其主要任務是向五角大樓和國家指揮機構發出導彈警告，也支持民用應用開發，如圖 4所示。

圖4   FORGE開放的任務數據處理系統

Fig.4   ORGE open task data processing system

   FORGE分為指揮與控制、任務數據處理和中繼地面站3部分，原型系統包括非機密數據處理平臺、機密數據處理平臺、可擴展性測試平臺。美國太空與導彈系統中心（SMC）表示將采用“敏捷方式”開發FORGE地面系統，以迭代、循序漸進的方式跟蹤進度，可對開發過程中出現的任務問題進行調整和處理，降低項目失敗的風險，確保FORGE成為未來以及下一代OPIR地面處理系統的最佳解決方案［19］。SMC正在使用2個開放框架架構改進國防部的OPIR數據處理，分別是系統框架（system architecture）和任務框架（misson architecture），開放架構使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支持作戰人員不斷變化的需求，確保作戰的連續性。圖5是FORGE原型系統架構。

圖5   FORGE原型系統架構

Fig.5   FORGE prototype system architecture

4 數據標準規范

   為制定預警衛星數據標準規范，美國戰略司令部、聯合部隊太空組成部隊指揮官和國家地理空間情報局聯合成立“過頂持續紅外專業組”，負責制定開放的OPIR數據標準［20］，以支持導彈預警、導彈防御、作戰環境感知、技術情報以及民用/環境任務等領域。OPIR數據處理級別分為5級，0級表示原始傳感器數據，5級表示技術情報產品。其中，3級數據（圖6）。表示原始OPIR數據被部分處理，但不是最終情報產品或二次可利用的產品。3級數據典型返回值（rep return）包含概念數據模型、邏輯數據模型和相關數據字典定義。邏輯數據模型有許多實體，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據。數據字典描述了每個實體中包含的屬性和值的單位。

圖6   OPIR概念數據模型

Fig.6   OPIR conceptual data model

   圖6描述了OPIR 3級數據的概念模型，圖7描述了OPIR 3級數據的邏輯模型，包括實體、屬性和關系，用以完整描述典型返回值的標準規范，該模型正在擴展以支持1級和4級數據，稱為聯合OPIR數據模型。

圖7   OPIR邏輯數據模型

Fig.7   OPIR logical data model

5 總結與建議

    美國“下一代過頂持續紅外”預警衛星強化了高軌紅外探測能力，將導彈預警擴展到全域的導彈、高超武器等“從生到死”的探測、跟蹤和威脅評估，可快速應對全世界各地出現的新威脅。軌道由最初的地球靜止軌道到結合大橢圓軌道再到高低軌組網配合的方向發展；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”方向發展；研制方式也由最初的費用高、研制周期長的單個大衛星方式轉向低成本、模塊化的小衛星研制方式發展。

     對未來我國導彈預警衛星的研制與規劃來說，首先，必須構建彈性和分散化的太空體系結構，采用高、低軌結合的部署方式，在GEO和HEO高軌道部署大型衛星，低軌方面充分利用商業衛星發展成果，構建大規模、低成本的小衛星星座；其次，重點發展搜索、跟蹤一體化大面陣載荷技術，研究寬視場任務數據高性能處理算法，構建高質量、可擴展的目標紅外圖像數據集，提高強對抗條件下星上數據處理的時效性，實現發現即跟蹤，應對新的威脅；最后，為提升高軌預警衛星戰時生存能力，應積極發展衛星近場感知與機動規避等防御技術。總之，在建設預警系統時應該著眼于具體需求，力圖構建兼顧戰略戰術要求，以戰術應用為主的天基預警系統。