天基海洋監視系統的技術分析與發展研究*

萬 敏，侯 妍

(航天工程大學，北京 101416)

0 引言

縱觀近幾十年來的高科技局部戰爭，軍事力量的部署與軍事打擊行動往往都是通過龐大的航母作戰編隊來完成，如海灣戰爭、科索沃戰爭、伊拉克戰爭等。“料敵先知，方能制敵為先”，通過對艦艇等海洋移動目標的探測和跟蹤，可以威懾潛在對手，取得戰場先機，對打贏信息化戰爭、維護國土安全有著重要的意義。由于地球曲率的影響，廣闊的海洋面積(約占地球表面積的71%)，以及探測距離和活動范圍限制，陸基、海基、空基偵察探測設備存在著探測范圍小、發現概率低、虛警率高等缺點，往往不能及時和有效地發現與跟蹤海洋移動目標[1]。而天基探測相較于陸、海、空基探測手段而言，具有覆蓋范圍廣、速度快、效率高、不受國界和地理限制等優點[2]。正是由于這種得天獨厚的優勢，天基海洋監視成為了各軍事大國競相研究的熱點和海洋移動目標探測的重要發展方向。

1 海洋移動目標可探測性分析

1.1 海洋移動目標特征

海洋移動目標通常是指在大范圍海洋環境中低速運動的目標，主要是指水面艦艇、潛艇、航母編隊等。這類目標具有如下三個特征[3-4]：

1)幾何特征明顯。海洋移動目標幾何尺寸較大，長度往往在百米以上，寬度也在數十米量級上；幾何外形相對單一，往往呈現紡錐型或者矩形結構；空間分布稀疏，即使在編隊行進中也保持著較大的間隔距離。

2)運動特征規律。海洋移動目標除在港口停靠外，通常處于低速運動狀態。運動方式上，目標運動不是簡單的隨機無規則運動，而是考慮作戰環境、地理限制以及氣候條件等進行的有規律有計劃的航線運動方式。

3)信號特征顯著。海洋移動目標往往搭載有多種電子設備，正常工作時會輻射大量的電磁信號，同時目標本身為金屬結構，對可見光、雷達波、無線電波的反射特征明顯。

1.2 海洋環境特點

海洋環境與陸地環境有著顯著的區別，主要體現在[5]：

1)背景信息相對簡單。海洋監視的背景為海平面，在一定的區域和時間內，海水溫度、浪高等特征信息變化不大，相對陸地復雜的地貌環境，易于將目標提取并識別出來。

2)電磁干擾相對較少。海洋環境范圍廣闊，除在港口、近海岸等區域外，目標密度比較稀疏，電磁信號環境不像陸地上那樣復雜，電磁干擾較少，目標在這樣的環境背景下，信號特征顯著，易于偵察。

3)天氣變化相對復雜。海洋是地球氣候的調節器，海平面上層空間水汽豐富，云層較多，區域內降水量大且頻繁，天氣變化很快，風暴較多，對可見光偵察有一定的影響。

1.3 可探測性分析

天基海洋監視的主要任務是利用衛星平臺對海面艦艇和水下潛艇等目標進行動態監視，實現對目標的發現、定位、識別和跟蹤。根據目標自身所處的工作狀態，可以將其分為靜默和非靜默兩種模式。結合海洋移動目標特征與海洋監視環境特點分析，以及現有航天器偵察載荷能力，對海洋移動目標的可探測性做出如下分析：

1)非靜默模式下，目標本身雷達、通訊等電子設備處于工作狀態，可以利用電子偵察載荷截獲目標發出的電磁信號，對目標進行定位。同時利用信號特征，結合先驗信息，還可以對目標進行初步的識別。根據獲取的定位信息，結合海面氣象信息，可以利用可見光、紅外、SAR等成像載荷進行進一步的識別和確認。

2)靜默模式下，目標本身雷達、通訊等電子設備處于關閉狀態，或者輻射電磁信號的能量級、頻率等處于偵測能力之外，可以根據位置預測等信息，利用普查型成像載荷進行網格化搜索，發現定位之后再利用高分辨率可見光、紅外、SAR等成像載荷進行進一步的定位、識別和確認。

2 天基海洋監視系統關鍵技術

想要構建完整的天基海洋監視體系，實現有效的天基海洋監視，不僅需要在衛星先進偵察載荷方面進行研究和突破，在衛星運控以及信息處理等應用技術方面也需要進一步的深入研究，下面主要從應用技術角度對實現天基海洋監視的關鍵技術進行分析。

2.1 衛星組網技術

天基海洋監視任務需要多顆多組多類衛星來配合完成，如何設計衛星的軌道以達到更好的覆蓋效果，保持穩定的編隊構型等這些問題就涉及到一項關鍵技術——衛星組網技術。

衛星組網設計主要分為三類：星群、星座和編隊飛行[6-7]。星群是最簡單的一種組網方式，運行期間不需要進行軌道操作，衛星軌道變化也不影響飛行任務的完成。星座需要通過軌道位置調整來抵消攝動帶來的影響，以保持星座結構的穩定。編隊飛行需要利用星間閉路控制系統來保持衛星運行的間距和隊形。在海洋監視衛星組網設計中主要應用并研究的是星座與編隊飛行。通過設計星間閉環控制方法，保持精確編隊或者實現知識編隊，完成目標定位、測速以及確定航向等工作；通過優化設計衛星的軌道，實現最佳覆蓋，最大地發揮系統的偵察監視能力，提高情報的準確性和時效性。

2.2 衛星任務規劃技術

面對日益增長的偵察任務需求，如何合理管理和分配衛星資源，最大限度地完成天基海洋監視任務就涉及到另一項關鍵技術——衛星任務規劃技術。

衛星任務規劃是任務規劃理論與衛星應用技術相結合的一門技術[8]。近十幾年來，隨著衛星任務的復雜化、觀測手段的多樣化以及觀測資源需求的快速發展，衛星任務規劃問題逐漸引起了重視，成為了研究的熱點。對海洋監視衛星系統而言，其包含多顆多類型載荷的衛星，需要在多星協同任務規劃[9-10]方面展開深入的研究，以實現最大概率、最高效地發現和跟蹤目標。同時，由于海洋移動目標的時敏特性以及衛星資源狀態、天氣任務環境等不確定性因素的影響，需要在動態任務規劃[11-12]方面展開深入的研究，增強規劃方案的魯棒性，更好更快更大地實現任務收益。

2.3 目標檢測與識別技術

衛星傳感器獲取到海洋中的電磁信號和海面的圖像數據后，如何快速準確地從海量數據中自動提取并識別出艦船等目標就涉及到天基海洋監視的另一項關鍵技術——目標檢測與識別技術。

對于電子偵察載荷截獲的電磁信號，通過計算其時差與頻差可以對目標進行粗定位，通過分析其電磁信號特征，并與目標數據庫信息對比，可以確定目標類型甚至所處平臺等信息[13]。對于光學遙感和雷達遙感獲取的圖像信息，在海洋背景或者海陸背景下，利用灰度閾值法[14]和恒虛警率(CFAR)法[15]等方法，將目標從背景中提取出來，再利用特征提取方法對于目標進行分類識別，最終確定目標的型號。隨著信息融合技術的發展，衍生出了多種多源信息綜合檢測與識別算法，可以更充分地利用偵察載荷能力的互補性，對目標進行更有效的識別[16]。

3 國外天基海洋監視系統發展現狀

海洋監視衛星是指用于探測和監視海上艦船、潛艇活動，確定其位置、航向和速度等信息的偵察衛星[17]。海洋監視衛星作為一類特殊的偵察衛星，主要面向的對象為海面上的移動目標，具有為作戰指揮提供海洋方向預警、為武器系統提供超視距目標指示以及為海洋目標打擊效果提供評估支持等作用，在現代信息化戰爭中具有不可替代的作用。目前國外只有美國和俄羅斯/前蘇聯建成了海洋監視衛星系統，其他國家正在積極探索建設。

3.1 美國海洋監視衛星系統

美國海洋監視衛星的典型代表為“白云”(White Cloud)系列海洋監視衛星。“白云”系列海洋監視衛星來源于20世紀60年代設立的“海軍海洋監視系統”(NOSS)計劃，至今為止共發展出了三代“白云”系列衛星[18]。

第一代“白云”(NOSS-1)為電子型海洋監視衛星，又稱被動型海洋監視衛星，主要通過使用星載電子偵察設備對海上和水下目標發出的無線電通信與雷達信號進行截獲，以測定目標的位置、類型等信息。該型衛星的典型特征是由4顆衛星組成一套天基偵察系統，其中1顆為主衛星，3顆為副衛星，利用多點定位的原理，通過測量衛星接收信號的時間差來計算衛星與信號源的距離，最終定位目標。

第二代“白云”(NOSS-2)又名“海軍天基廣域監視系統”(SBWASS-Navy)，來源于1990年美國提出的“天基廣域監視系統”(SBWASS)計劃。該計劃由于空海軍對衛星載荷的極大分歧(空軍建議星載雷達，海軍建議紅外成像傳感器)而被拆分成為海軍天基廣域監視系統(SBWASS-Navy)和空軍天基廣域監視系統(SBWASS-Air Force)2個部分。第二代“白云”維持了第一代一主三副的衛星簇結構，但已不是單一的電子偵察系統，區別在于主衛星采用了裝載有高分辨率光學成像和雷達成像設備的衛星，增強了全天時全天候的偵察能力。第二代衛星還提升了偵收頻率的上限，改進了星載儀器間的干擾情況，擴大了目標監視范圍[19]。

由于SBWASS要實現全球覆蓋所需的衛星較多，耗資巨大，因此從2000年起，美國國防部將海軍和空軍的2個獨立計劃合并為一個系統，即“聯合天基廣域監視系統”(SBWASS-Consolidated)。新計劃強化了衛星的總體偵察能力，兼顧了空海軍對戰略防空和海洋監視的需求，這也就是第三代“白云”(NOSS-3)衛星系統[20]。與之前兩代不同的是衛星改變了原先一主三副的結構，采用了雙星組網的方式，運行在高度1100 km、傾角63.4°的近圓軌道上，采用時差和頻差相結合的定位體制，對海上艦船目標定位精度優于2 km。星上除電子偵察設備外，還搭載了雷達和紅外成像等多種偵察載荷，集成了海軍海洋監視和空軍戰略防空的偵察需求，具有全天時全天候的全球偵察監視能力。2001年9月8日，該系列發射了第一組試驗衛星，之后幾乎保持每2年補充發射一組的頻率，2017年3月1日，NOSS-3-8A/B衛星成功發射并入軌，截止目前NOSS-3已成功部署了8對16顆，正常在軌工作6對12顆。

三代“白云”海洋監視衛星系統自服役后就成為了美國海軍海洋監視的主力軍，在多場局部戰爭和地區沖突中為美軍提供了大量珍貴情報[18]。在海灣戰爭期間，共有4組“白云”海洋監視衛星在軌運行，為美軍提供了大量海灣地區海上和陸上信號情報，為“戰斧”巡航導彈提供了大量的目標位置信息。在科索沃戰爭期間，擔負了監視南聯盟和俄羅斯的艦艇活動的任務。在伊拉克戰爭期間，與“軍號”、“水星”、“顧問”等電子偵察衛星配合，作為長期值守平臺，對戰場進行偵察監視。在敘利亞戰爭期間，隨著俄羅斯海軍艦艇的密集調動以及在敘利亞近海的大量集結，“白云”衛星擔負了監視俄海軍艦艇的重大職責。

3.2 俄羅斯/前蘇聯海洋監視衛星系統

前蘇聯海軍最早于1959年便提出了海洋監視衛星的需求，1961年3月在蘇共中央與蘇聯部長會議上得到了正式批準。該衛星計劃被命名為US，系俄語“可控衛星”的縮寫。US衛星有2種：主動式雷達型US-A/RORSAT和被動式電子型US-P/EORSAT。US-A型衛星運行在平均225 km、傾角65°的軌道上，采用雙星組網的方式，利用星載大功率X波段雷達對海面目標進行主動式探測搜索。由于星上采用小型核反應堆作為供電來源，存在泄漏隱患，且發生過墜毀污染事故[21]，迫于國際壓力，前蘇聯放棄了US-A的后續發射計劃，于1988年終止了該項目。US-P是電子型偵察衛星，能截獲海面艦船發出的無線電信號和雷達信號，采用單星基線干涉相位比較法對目標進行定位。US-P衛星可以單獨使用，更多情況下是和US-A型配對使用，發揮互補作用，實現對靜默和非靜默狀態下目標的有效偵察，并為武器系統提供目標打擊數據。

英阿馬島戰爭期間，前蘇聯密集地發射了幾顆海洋監視衛星，有資料顯示這些衛星可能參與了觀測馬島戰爭，并將獲取的情報信息提供給阿根廷軍隊，在阿軍擊沉“謝菲爾德”號驅逐艦的作戰行動中發揮了重要作用[18]。但自蘇聯解體后，俄羅斯受制于經濟狀況，無法維持龐大的軍費開支，目前僅保持有被動型US-P在役。

3.3 其他國家海洋監視衛星

鑒于海洋監視衛星在軍事領域的巨大應用價值，許多軍事強國都開展了相關的技術研究，努力建設自己的天基海洋監視系統。

日本作為一個島國，海洋權益是其國家根本利益之一，加上其與周邊諸國多有領土領海權益之爭，因此十分重視海洋監視衛星的發展。自20世紀80年代起，日本就開始研發天基海洋遙感技術，并于1987年發射了第一顆海洋觀測衛星MOS-1a，之后又陸續發射了多顆海洋觀測衛星，甚至計劃發射9顆衛星專門“應對他國船只侵入日本領海”，構建24小時監控海洋的能力[22]。

除了日本之外，韓國、印度、加拿大、歐盟等國家和地區也在發展了多種海洋觀測衛星，但這些衛星主要應用在商業和民用范圍，沒有形成衛星系統，與軍事應用的技術指標差距較大，還不能有效地監視艦艇等海洋移動目標。

4 天基海洋監視系統發展趨勢

美國在太空中不僅部署有海洋監視衛星系統，還有高分辨率成像偵察衛星系統和高靈敏度電子偵察衛星系統，其對海洋移動目標的監視不是僅僅依賴于海洋監視衛星系統，而是通過其強大天基偵察監視能力，利用多類衛星系統協同完成海洋目標的監視任務。俄羅斯由于經濟發展不景氣，海洋監視衛星的發展停滯不前，已呈現逐年下降的趨勢，但仍然保有以電子偵察為主體的一定的海洋監視力量。縱觀美俄等國的天基海洋監視系統發展歷史，可以發現隨著各項關鍵技術的突破，天基海洋監視系統有如下發展趨勢：

1)向多載荷、多功能衛星平臺發展。從美國的海洋監視衛星發展歷程來看，衛星由單一的電子信號偵察衛星逐漸向載有可見光、紅外、微波等多類型載荷的多功能衛星轉變，以求獲取更精確更全面的情報信息。同時，美國還研制了諸如“8X增強型成像系統”[23]、第五代電子偵察衛星“入侵者”系列衛星[24]等多載荷多功能衛星，能以強大的成像、電子偵察能力有效支援海洋監視任務。

2)向分布式、模塊化的微小偵察衛星平臺發展。微小衛星平臺作為一種靈活的太空資源，具有快速響應、高可靠性、低成本等多種優勢[25]。通過多顆不同載荷的微小衛星組成星座，可以大幅縮短目標重訪周期，完成復雜偵察任務，滿足對戰場、甚至全球的高時效偵察。海洋移動目標作為時敏目標，對偵察時效性要求極高，大規模的微小衛星組網在戰時能快速發現目標并進行實時監視偵察，可以有效縮短打擊時間，提升打擊精度。目前美軍正在實施的“未來成像體系結構”和“戰術星”計劃就屬于此類，在組成星座后，這些微小衛星系統可直接向戰區提供戰術情報，向戰場指揮員提供戰場態勢圖像[26]，實現“從傳感器到射手”的快速計劃與精確打擊。

3)深入與民用商用衛星合作，獲取高分辨率偵察信息。對比未來的軍事航天偵察需求，即使處在世界領先地位的美軍，目前的能力也與之存在很大的差距。商業遙感衛星技術水平的提升，為滿足軍事需求提供了新的選擇和補充能力。美國行星公司的“鴿群”(Flock)衛星在軌數量超過190顆，能以“永遠在線”的方式提供3～5 m分辨率的衛星遙感圖像。數字地球公司的商業成像衛星系統“世界觀測”(WorldView)全色分辨率甚至達到了0.31 m，逼近美國最先進的軍事成像衛星的水平[27]，目前美國國防部已與這些公司建立了深入的合作關系，利用商業衛星來滿足不斷增長的軍事需求。

5 結束語

構建天基海洋偵察監視系統，完善海洋偵察監視能力已成為亟需研究和發展的熱點。在發展過程中，應充分借鑒國外天基海洋監視系統發展經驗，結合應用需求，找準發展方向，對關鍵技術進行攻關，取長補短、固強補弱，建設強大的天基海洋監視系統。■