高軌衛星平臺被動防護體系及相關技術研究

馬曉兵，魏 強，周 江，韓慶虎

(中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)

0 引言

隨著航天技術的發展，外層空間利用已逐漸成為各國關注和發展的重點方向，涉及國家安全、國家利益和科技水平的展開。衛星通信系統由于具有覆蓋范圍廣、通信距離遠、傳輸質量好、部署迅速、組網方便、不受地理環境條件限制等特點，已成為現代高科技信息時代重要的組成部分。目前全球在軌通信衛星已經達到數百顆，部署在全球多種軌道，包括GEO、LEO和HEO軌道，可全面覆蓋地表各個位置；全面覆蓋UHF、SHF和EHF、Ku、Ka頻段，支持窄帶(移動)、寬帶和防護要求等各種通信需求的應用。高軌衛星平臺所承載的通信衛星、中繼衛星等是實現衛星通信和其他在軌服務的關鍵所在，具有附加值高、服務壽命時間長、任務連續性要求高等特點。

來自地基、天基以及空間的各種不同類型的威脅，包括激光、微波、空間碎片、動能等各種不同形式,將日益對衛星通信及其他在軌服務構成不同程度的影響，非常有必要進行空間安全與防護技術的研究，并加以應用到衛星平臺中。

美國2010年啟用的“先進極高頻”(AEHF)衛星,是基于洛克希德·馬丁公司的A2100M平臺研制，該平臺的主要特點為：較高的自主生存能力(半年以上)；強抗干擾能力；抗激光告警和防護能力；采取了抗輻射加固設計；高的軌道機動性能，能躲避敵方反衛武器的攻擊。

當前國內同步軌道衛星平臺基本為“DFH系列衛星平臺”，該平臺是實現軍用、民用高軌衛星通信的重要平臺。該系列平臺基本上是基于民用技術體制建設，與美國等衛星防護技術的發展及應用水平相比，安全防護技術在有關型號中只是得到初步應用，衛星平臺的防護能力尚存在較大差距，還不能滿足未來高軌高價值衛星的應用需求。具體表現在以下幾個方面：通信衛星僅在信息傳輸鏈路的安全與防護方面采取了一定的措施，對于自身受攻擊時的防護沒有加以考慮，無法適應應對未來空間威脅的要求；通信衛星毀傷與防護技術的研究工作的重點集中于對于空間環境的防護方面，對于人為攻擊活動的防護研究非常少。

本文主要通過對高軌衛星空間系統所面臨的主要威脅進行調研和分析，提出高軌衛星的被動防護體系和框架，結合相關單項防護技術的研究，給出后續所需要研究的關鍵技術。

1 空間主要威脅及防護需求分析

1.1 空間系統所面臨的主要威脅

通過對空間航天器目前所存在的主要威脅進行調研和分析，空間系統所受到的攻擊主要可分為信息鏈路(星地、星星)的干擾和衛星本身的攻擊。其中對系統鏈路的攻擊方式技術難度相對較小，而且對所攻擊系統不造成物理性破壞，具有較強的隱蔽性，主要包括干擾、侵擾等。對衛星本身的攻擊主要包括射彈武器、波束武器、強電磁脈沖(核磁暴)、空間地雷等等。

可能的主要攻擊方式如表1所示。

表 1 空間系統可能的受攻擊方式

因此，目前空間主要外來威脅可歸結為以下幾類：激光攻擊、電磁脈沖攻擊、動能武器攻擊、通信鏈路干擾等。

1.2 衛星的防護需求

鑒于上述的各種空間系統所面臨的威脅和潛在攻擊，重要的衛星系統需要從多種方面來進行有效的防護，確保衛星正常使用。

衛星防護分為兩個方面：衛星本身的防護與信息鏈路的防護。前者針對航天器自身，通過各種手段保證航天器的完整與正常發揮功效；后者針對星間及星地的信息傳輸鏈路，采用各種措施保證信息傳輸的順暢、安全。

從安全防護方式上一般分為兩種，即被動式和主動式。所謂被動式防護，即通過增強己方衛星系統的可靠性和所提供信息的存活能力來抵御敵方的攻擊。被動式防護中可能采取的措施包括提高衛星器件的存活能力和衛星機動能力，采取電磁輻射屏蔽以及偽裝等。

目前,衛星和鏈路的主要安全防護措施如表2所示。

表2 衛星及鏈路的主要防護技術

以美國為代表的發達國家在這方面的研究主要側重于主動式和被動式相結合。提出了一個“專用空間對抗防護器”(DDCV)的概念，它是主動式和被動式防護技術的綜合。在主動式方面，要求它具備探測、跟蹤、識別、攔截和破壞對方攻擊力量的能力。它所采用的被動式技術包括在波束武器的防護中要充當衛星的保護屏障,還要能采取偽裝等措施來迷惑敵方的探測、跟蹤、識別和攔截等等。

2 高軌衛星被動防護總體框架

1)高軌衛星的特點分析

高軌衛星一般由平臺和載荷兩部分構成，衛星平臺包括供電、熱控、姿軌控、推進、遙測遙控及數據管理等系統，為衛星有效載荷和衛星在軌控制提供必要的保障服務。

一般高軌衛星配置大推力的發動機從而具有較強的軌道機動能力，配置有較強的綜合電子管理系統和姿軌控系統從而可以使衛星具有自主運算和自主工作的能力，具有較多的太陽能能源供給和較大的衛星結構承載能力,允許在高價值目標衛星上增加被動防護所需的資源。因此在高軌衛星上結合通用的衛星平臺配置有針對性地增加防護項目是可行的。

2)被動防護總體思路與框架

在充分調研同步軌道衛星面臨的主要威脅和國外衛星防護技術的基礎上，提出被動防護總體思路是：

①充分利用現有衛星平臺的資源；

②在軌了解和探測威脅，即需要配置目標感知和識別系統；

③在威脅源識別后，通過星上防護決策系統(可在地面系統配合下)進行防護方案選擇，針對威脅發出指令，啟動防護措施；

④根據星上的防護指令，防護執行系統啟動，對相應的威脅進行處理，如通過啟動大推力發動機在姿軌控系統的配合下進行在軌高機動以進行規避，或通過短時啟動敏感器防護罩以規避激光的攻擊和干擾。

根據以上的防護思路，提出高軌衛星平臺被動防護總體框架如圖1所示。

圖1 衛星平臺被動防護總體方案框架

總體框架由“通用平臺”、目標識別系統、防護決策系統、防護執行系統和純被動防護系統等五大系統組成。對于防護體系來說，核心是在通用平臺的基礎上，融合目標識別、決策及執行等幾大系統的協同工作。

3)目標識別系統

目標識別系統包括監視與感知子系統、激光告警子系統、強電磁探測子系統等。其主要功能和任務是：

① 針對在平臺周圍空間一段時間駐留、伴飛監視、隱蔽接近攻擊或交會攻擊的這一類非合作目標進行探測和識別。

② 快速探測敵方激光威脅的存在。為采取相應反制措施清除或規避威脅，提供信息支援，有效保障設備免遭干擾或毀傷。

③ 電磁脈沖探測航天內部空間電磁脈沖、航天器表面瞬態脈沖事件及其強度。為航天器在軌提供異常事件記錄并參與防護決策，電磁脈沖探測可以分為兩個部分：探測星表電磁脈沖以及微波載荷入口處電磁脈沖。

4)防護決策系統

防護決策系統實時監測目標識別系統的報警信息以及地面引導信號，當出現報警信號后專家知識庫判讀干擾類型并排除虛警信息后，提交防護任務規劃子系統進行最佳防護策略設計，根據規劃結果啟動主動防護執行系統或被動防護系統，待威脅解除后重新恢復正常平臺工作狀態。防護決策系統重點是對目標識別系統的感知結果進行有效的信息融合，并制定最佳防護策略確保整星影響最小。

5)防護執行系統

包括激光防護執行子系統、軌道機動執行子系統、其他防護執行子系統等。在目標識別系統和防護決策系統的支持下，對衛星遭受或即將遭受的各種威脅采用防激光、防強電磁干擾或軌道機動等方式進行防護和規避，保障衛星的安全。未來裝備正在研制和論證，在軌服務裝備正朝著體系化方向邁進。因此，當前正是在軌服務模擬訓練仿真系統建設的最佳時機，在軌服務模擬訓練仿真系統的建設刻不容緩，未來也必將發揮重要作用。當前，在系統建設過程中還有很多有待論證解決的具體問題，需要隨著裝備的發展不斷探索和完善。■

3 高軌衛星被動防護體系關鍵技術規劃

被動防護方案的實現需要攻克諸多的關鍵技術，在單項關鍵技術成熟的情況下與衛星平臺進行有效的融合，成為平臺系統的一部分，才能實現真正的防護目的，衛星被動防護體系的關鍵技術包括：

1)監視與感知技術;

2)激光告警與防護技術；

3)抗強電磁脈沖生存技術；

4)在軌高機動規避技術；

5)基于被動防護材料的綜合防護技術；

6)關鍵防護項目與衛星平臺的融合技術；

7)平臺防護決策及任務規劃技術。

4 結束語

本文通過對高軌衛星在軌所面臨潛在威脅分析，探討了高軌衛星迫切的防護需求。在單項技術初步研究的基礎上，提出了高軌衛星被動防護體系的總體框架，并對防護體系中需要攻克的關鍵技術提出了初步規劃，為后續高軌衛星平臺的防護研究奠定基礎。■