美國預警衛星威脅評估問題研究

張安理，李　智，豐　華

(1.太原衛星發射中心技術部，山西 太原 030027；2.裝備學院航天指揮系，北京101416)

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·試驗與評估·

美國預警衛星威脅評估問題研究

張安理1，李智2，豐華1

(1.太原衛星發射中心技術部，山西 太原 030027；2.裝備學院航天指揮系，北京101416)

預警衛星威脅評估是導彈作戰指揮輔助決策的重要環節。首先描述了美國新一代預警衛星系統現狀，然后闡釋了預警衛星威脅評估的基本內涵，并分析了目前預警衛星威脅評估中存在的不足。針對高低軌預警衛星的不同功能和特點，分別提出了采用多指標綜合法和威脅度函數法的威脅評估方法，并論述了各評估方法中涉及到的評估思路、評估步驟以及評估模型等內容，可以為預警衛星威脅評估提供思路和借鑒。

威脅評估；預警衛星；基本內涵；多指標綜合法；威脅度函數

0　引言

威脅評估起源于20世紀80年代，最有影響的是美國實驗室聯席理事會提出的JDL模型，隨后國內外多位專家學者從不同角度開展了研究，如Antony[1]從威脅能力的角度開展威脅評估，Lambert[2]通過評估戰場態勢對己方意圖造成的影響來開展威脅評估。國內對于威脅評估的研究也已經涉及到電子偵察、空戰、防空反導、反裝甲作戰、網絡安全等各個領域。雖然威脅評估研究歷時已久，涉及領域較廣，但在太空作戰領域內的研究還屈指可數。目前主要有劉進軍[3]、周立新[4]等人對太空戰場威脅進行過研究，張翼[5]、劉承承[6]對光學成像偵察衛星威脅評估進行過探索，相關單位目前正在開展雷達成像偵察衛星、海洋監視衛星威脅評估研究等。

預警衛星作為太空中地位極其特殊的遙感類衛星，利用其自身監視區域大、反應靈敏等優勢探測跟蹤導彈，并為武器攔截系統提供精確引導信息，大幅增加對彈道導彈的預警時間，且隨著航天技術的飛速發展、衛星性能的提升以及部署數量的增加，未來必然逐步實現全球覆蓋，嚴重影響導彈突防能力。因此，如何應對來自太空的預警衛星的威脅，已經成為制約導彈作戰效能的亟待解決的瓶頸。對太空中數量眾多的預警衛星進行威脅評估并排序，將成為不容回避的關鍵問題。

1　美國預警衛星描述

美國空軍研制的新一代預警衛星系統是目前最為先進的具有實戰型的天基預警系統，它可提供全球彈道導彈預警監視、國家彈道導彈防御、戰場情報支持以及戰場態勢評判等，主要由SBIRS-High衛星系統、STSS衛星系統以及相關地面系統等部分組成。其中，SBIRS-High衛星中的GEO衛星主要用于探測跟蹤彈道導彈的助推段飛行，HEO衛星主要用于覆蓋北半球高緯度地區，對彈道導彈進行探測發現與跟蹤定位。STSS衛星則主要用于捕獲跟蹤導彈中段及再入段飛行。

預警衛星系統功能是通過高低軌衛星的協作以及地面站的支持來實現的，其中，高軌衛星利用其覆蓋范圍廣的優勢來快速發現目標，低軌衛星利用其分辨率高的優勢來連續探測、跟蹤目標。換言之，高低軌衛星構成了一個立體探測網絡，實現對導彈全程跟蹤。美國新一代預警衛星系統工作流程圖[7]如圖1所示。

圖1　美國新一代預警衛星系統工作流程

從圖1可以看出，通過SBIRS-High預警衛星探測導彈發動機噴焰，發現導彈發射后進行助推段跟蹤，并將衛星的跟蹤數據進行初步處理后傳送到地面任務控制站(MCS)，任務控制站對數據進行處理、分類和目標識別，判斷紅外源的性質，計算出導彈彈道，然后將跟蹤數據傳送給低軌STSS衛星并引導其對導彈中段及末段的跟蹤測量，且低軌衛星具有識別假目標以及“接力跟蹤”的能力，同時任務控制站將衛星信息送往導彈防御系統的指揮控制、作戰管理與通信系統(C2BMC)，引導武器攔截系統對導彈實施攔截。

2　預警衛星威脅評估分析

2.1內涵闡釋

筆者借鑒前人認識，認為軍事對抗雙方要產生威脅，前提條件是施者與受者之間必須具有相關性。威脅的基本內涵即為一方對另一方施加的不良之影響，它具有“兩性”的特征，一為“相對性”，二為“系統性”。相對性的含義是：由于威脅描述的是施者與受者之間的相互關系，其會隨二者之間屬性的不同或變化而呈現出“相對性”之特點；系統性的含義是：由于威脅的產生是整個系統綜合作用的結果，故威脅是相對于系統與系統之間而非系統內部成員而言的，即呈現出“系統性”之特點。

威脅評估(TA)是一個有關對抗雙方以及作戰環境等多方因素的評估過程。從可獲取的諸如威脅雙方的武器裝備效能、作戰環境以及威脅方的威脅意圖等事實或證據出發，選用某種合適的威脅評估方法，逐步推出近似合理的可量化的威脅程度的思維過程，進而用于輔助軍事決策活動。換言之，威脅評估其實就是一種特殊的“影響”評估，如圖2所示。

圖2　威脅評估基本內涵

預警衛星系統通過自身攜帶探測器采集彈道導彈的特征數據，并通過數據傳輸鏈路傳輸至地面指揮控制系統及武器攔截系統，對數據進行自動化處理、目標識別、威脅分析之后提供給指揮官最及時的情報資料，指揮官結合自身經驗，通過下達攔截指令，使用攔截彈對空中來襲導彈實施追蹤與攔截，從而實現有效防御敵方導彈攻擊的目的，另外，預警衛星通常情況下是繞固定軌道運動的。由此可見，預警衛星對導彈作戰的威脅呈現出間接性、被動性的特點。

依據威脅評估概念，預警衛星威脅評估就是選取有關敵方預警衛星、己方彈道導彈以及對抗環境等方面要素，并通過情報信息、仿真數據以及戰場事件提供數據輸入，然后利用所構建的威脅評估模型，對預警衛星的威脅程度，即預警衛星對己方彈道導彈造成的不良影響進行評估和排序，并用于輔助導彈作戰決策的過程，如圖3所示。

圖3　預警衛星威脅評估過程

另外考慮到威脅是系統間的相對性概念，因此開展預警衛星威脅評估和排序，必須在假設衛星地面站、傳輸鏈路以及武器攔截系統均能正常工作的情況下進行。

2.2存在的不足

預警衛星作為一種特殊的遙感類偵察衛星，工作流程復雜，從已開展的評估研究來看，其存在的不足之處有：

1)預警衛星評估目前多側重于衛星本身的效能評估，即采用某種算法將衛星的各種能力，例如探測范圍、探測距離、預警時間、虛警概率等進行聚合，而結合導彈作戰背景，從“威脅”的角度去開展評估尚不多見。

2)各預警衛星軌道類型不同，承擔功能不同，威脅特征不同，以及對抗措施不同，但目前并沒有針對各類預警衛星系統所具有的不同特點去開展評估，威脅評估方法比較單一。

城市交通是顧客和商業設施的承接者，商業設施主要選址在交通便捷的地方[9]。交通的便利影響著居民的出行，選址在交通便利的地方，比如在地鐵站邊、主干線旁、公交站臺附近，這樣可以增加周邊居民的客流量，從而使商業綜合體成功運營。

3)預警衛星威脅評估模型是開展評估的依據和基礎，目前在模型構建方面尚需探討和完善。

3　預警衛星威脅評估方法研究

3.1SBIRS-High預警衛星

SBIRS-High預警衛星在預警衛星系統中處于核心地位，它集探測發現、目標識別、跟蹤定位、預估引導等多種功能于一身，采用解析法描述往往不夠精確。SBIRS-High預警衛星通過自身攜帶的紅外探測器捕獲彈道導彈尾焰的紅外輻射，探測與跟蹤導彈助推段飛行。SBIRS-GEO衛星相對地面靜止，監視相應熱點區域；SBIRS-HEO衛星遠地點在北半球，主要用于俄羅斯等高緯度國家導彈的探測預警，即SBIRS-High衛星主要功能為探測發現導彈目標，側重于對某個特定區域內的威脅，其威脅要素多呈現為“狀態性”特點，因此這里采用“多指標綜合法”來開展SBIRS-High預警衛星威脅評估。

3.1.1評估步驟

SBIRS-High衛星威脅評估的具體步驟為：首先分析SBIRS-High衛星的作戰流程，在此基礎上，依據要素選取準則選取威脅要素，然后建立各要素獲取模型，定量要素采用軟件仿真、模型計算或者直接賦值法；定性要素則通過分等級描述并賦值來獲取，接著確定各要素權重，最后采用聚合模型開展衛星威脅度評估。其評估步驟如圖4所示。

圖4　SBIRS-High預警衛星威脅評估步驟

3.1.2評估模型

威脅評估要立足于具體導彈作戰，選取的威脅要素要涵蓋預警衛星、對抗環境以及導彈狀況等各個方面。依據SBIRS-High預警衛星的作戰流程、工作模式以及威脅要素提取準則，從掃描探測、凝視跟蹤以及外部等三個方面選取了關鍵性威脅要素。其中，掃描探測方面包括探測概率、首次發現目標時刻要素；凝視跟蹤方面包括凝視弧段、關機點測量精度要素；外部包括國際環境要素。

依據單向鏈法[8]確定出SBIRS-High預警衛星威脅評估要素權重，然后還必須對各威脅要素進行聚合，聚合模型通常情況下有如下兩種[9]：加權積模型(冪函數法)與加權和模型。在模型聚合時，掃描探測、凝視跟蹤以及外部之間關系并非特別密切，可以采用加權和聚合模型；探測概率、首次發現目標時刻之間，以及凝視相機凝視弧段、關機點測量精度之間任一要素很差均會影響上層要素，且都是缺一不可的，因此可以采用加權積聚合模型。即SBIRS-High預警衛星威脅度TSBIRS為：

式中，Jscan為掃描探測，Jstare為凝視跟蹤，Jw b為外部，Pd為探測概率，Td為首次發現目標時刻，N為凝視弧段，Rc為關機點測量精度，Es為國際環境,wi為各階段權重，wij為各威脅要素權重。

3.2STSS預警衛星

STSS預警衛星可對導彈飛行全程進行探測跟蹤，主要用于捕獲跟蹤導彈中段的發熱彈體和末段再入彈頭。相對SBIRS-High衛星而言，其距離地面高度較低，運行速度較快，幾何關系復雜，與彈道導彈相對態勢隨時間變化的特征較為明顯，且功能較為單一。鑒于此，這里提出一種基于函數構造法的STSS衛星威脅評估方法。

3.2.1評估思路

如圖5所示，導彈飛行過程中，當飛行至位置1時，預警衛星處于A位置，此時可通過威脅度函數計算出預警衛星瞬時威脅度為X，當導彈飛行至位置2時，預警衛星已處于B位置，同理可獲取此時預警衛星的瞬時威脅度為Y，衛星瞬時威脅度時刻在變化。但對于某次特定導彈作戰任務而言，STSS預警衛星星座中各顆預警衛星的總威脅度應為“恒定”的，且可通過某種聚合方法，將導彈飛行全程中STSS預警衛星的瞬時威脅度進行聚合而獲取，進而實現各顆衛星的威脅度排序，為導彈發射前對敵方衛星采取干擾等反制措施提供目標選擇依據，進而為導彈輔助決策服務。

圖5　預警衛星探測導彈飛行示意圖

3.2.2評估步驟

STSS預警衛星威脅評估采用函數構造法開展評估，其核心在于函數構造思路及構造過程，其評估步驟如圖6所示。

圖6　STSS預警衛星威脅評估步驟

首先分析STSS衛星的作戰流程，并依據威脅要素選取準則選取威脅要素，然后通過分析研究明確威脅度函數構造總體思路，并就威脅度函數中所需的各要素函數進行構造，然后通過軟件仿真、模型仿真以及定性要素賦值等方法獲取各要素輸入值，最后利用所構建的威脅度函數模型開展衛星威脅度評估。

3.2.3評估模型

自彈道導彈起飛后，在時間區間[0,t1]內，STSS預警衛星尚未探測到導彈，此時其威脅度自然為0；自t1時刻起始預警衛星開始探測到導彈，而t2時刻之后預警衛星結束探測，即在時間區間[t1,t2]內，預警衛星對導彈產生威脅，且其威脅度與所選取的威脅要素，即凝視弧段、導彈與衛星的距離變化、探測價值、威脅環境以及彈頭識別概率等密切相關；tfw為攔截系統最晚發射攔截彈時刻，即tfw時刻之后武器攔截系統已無足夠攔截時間實施攔截，因此tfw時刻之后威脅度亦為0，而在時間區間[t2,tfw]，雖然預警未能再探測到導彈，但由于預警衛星先前產生的預警信息依然對武器攔截系統有價值，進而對彈道導彈產生不良影響，所以預警衛星對彈道導彈突防產生的威脅度不為0，而是會隨著時間t的推移，預警誤差逐步增大，其威脅度呈現出“連續下降”的趨勢，直至tfw時刻，攔截系統已不具備攔截能力為止，預警衛星威脅度下降為0。

綜上所述，STSS預警衛星威脅度函數T(t)可作如下假設：

式中，“～”表示“相關”，N(t)為凝視弧段，F(t)為衛星與導彈之間的相對空間距離，ψ(t)為探測價值，ET為威脅環境，η為彈頭識別概率。

這里，可將STSS預警衛星對導彈作戰任務的威脅度定義為:衛星瞬時威脅度曲線下包絡的面積與導彈飛行全程中且瞬時威脅度恒為1時所圍成的矩形面積之比，即：

式中，tm為導彈全程飛行時間。

4　結束語

本文對美國新一代預警衛星威脅評估的基本內涵以及評估方法等相關問題進行了探索性研究，開拓了新的威脅評估解決思路，為進一步豐富威脅評估理論及推進實踐應用提供借鑒。考慮到美國預警衛星系統技術含量極高，技術發展日新月異，且威脅評估本身具有模糊性、繁雜性及現實性的特點，因而下一步可在威脅要素選取、要素評價函數模型構建等方面繼續開展研究工作。■

[1]Antony RT.Principles of data fusion automation [M].Norwood: Artech House Publishers,1995.[2]Lambert DA.Situation for situation awareness[C]∥Canada：The Proceedings of the 4thInternational Conference on Information Fusion(FUSION 2001)，2001.

[3]劉進軍.空間戰場威脅評估方法研究[D].長沙:國防科技大學，2008.

[4]周立新.空間作戰態勢圖關鍵技術研究[D].北京:裝備學院，2011.

[5]張翼，梁彥剛，陳磊，等.光學成像偵察衛星威脅評估方法[J].國防科技大學學報，2012，34(5)：32-35.

[6]劉承承，李少凱，張中華.光學偵察衛星對迷彩偽裝目標的威脅評估研究[J].艦船電子工程，2010，30(11)：162-165，175.

[7]文江平.衛星軍事應用技術[M].北京：國防工業出版社，2007:120.

[8]曹加勇.未來美國高軌衛星效能評估研究[D].北京:裝備學院，2010.

[9]賀波，劉曉東，靳小超.空軍武器裝備體系作戰能力聚合模型[J].火力與指揮控制，2009(7):93-94.

Research on the threat assessment of American early warning satellites

Zhang Anli1, Li Zhi2, Feng Hua1

(1.Technical Department of Taiyuan Satellite Launch Center, Taiyuan 030027，Shanxi，China; 2.Space Command Department of Academy of Equipment, Beijing 101416，China)

The threat assessment of early warning satellites is an important part of the assistant decision of the missile operational command.The current situation of American new generation early warning satellite system is described, the basic connotation of the early warning satellites threat assessment is explained, and the deficiency of the current assessment is analyzed.According to the different functions and characteristics of high and low orbit satellites, multi-index comprehensive method and threat function method are proposed respectively for the threat assessment.The evaluation thinking, evaluation procedure and evaluation model for each assessment method is discussed.The methods provide thinking and reference for early warning satellites threat assessment in future.

threat assessment；early warning satellite；basic connotation；multi-index comprehensive method；threat function

2016-01-29；2016-03-14修回。

張安理(1979-)，男，工程師，碩士，主要研究方向為預警衛星威脅評估。

V474.2+7；TN97

A