航天裝備試驗鑒定案例分析
——天基紅外系統

2021-06-13 17:30:44郭凱胡旖旎

航天返回與遙感 2021年2期

關鍵詞：系統

郭凱胡旖旎

（北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094）

0 引言

航天裝備試驗鑒定是指通過規范化的組織形式和試驗活動，對其技術性能和使用效能進行全面考核并獨立作出評價結論的綜合性活動，貫穿于航天裝備發展的全壽命階段[1]。由于航天裝備屬于復雜大系統工程，包括航天器、運載器、地面支持單元、各子系統接口等，具有規模龐大、系統復雜、技術密集等特點。航天裝備天基部分在軌開展試驗鑒定成本高、難度大、風險多，為此，美軍在對標準武器裝備試驗鑒定程序剪裁的基礎上，建立了適用于“小子樣”航天裝備的試驗鑒定方法，形成了具有航天裝備特點的試驗鑒定程序[2-4]，比如：美軍的天基紅外系統（Space-Based Infrared System Program，SBIRS）。

1 SBIRS試驗鑒定程序

SBIRS是由美空軍空間與導彈系統中心負責管理的新一代導彈預警衛星系統，分為空間和地面兩部分：空間部分包括地球同步軌道（Geosynchronous Earth Orbit，GEO）衛星和大橢圓軌道（Highly Elliptical Orbit，HEO）衛星；地面部分包括主用和備用控制站、主用和備用中繼站、固定式和移動式處理系統等。SBIRS主要承擔導彈預警、導彈防御、戰場態勢感知和提供技術情報四類任務，具體包括：提供更快、更準確的戰略和戰區導彈發射報告；為導彈防御系統作戰能力提供有效支持；分析各類紅外信號的特征數據以進行快速判別；更好地了解戰場態勢，為打擊任務規劃、作戰力量防護提供支持等。其中，GEO衛星主要用于探測和發現處于助推段的彈道導彈，HEO衛星則將該系統的導彈預警覆蓋范圍擴展到北極[5-8]。

SBIRS的試驗鑒定采用“計劃-預測-試驗-對比”理論，針對每一采辦階段具體的試驗展開迭代活動。具體可劃分為確定試驗目標、試驗前分析、試驗、評估和報告、判斷試件是否滿足用戶要求、改進或修正等6個步驟，如圖1所示。

圖1 SBIRS試驗鑒定程序Fig.1 The Test & Evaluation Procedure of Space-based Infrared System Program

（1）確定試驗目標

確定試驗目標的主要工作包括：組建一體化試驗組（Integrated Test Team，ITT）；明確試驗項目內容；制定試驗要求和試驗保障要求。首先建立ITT，ITT必須由用戶、承包商、系統項目辦的項目經理、研制試驗鑒定主管部門的試驗主任以及其他參與研制和作戰試驗的組織機構的代表等組成。

步驟1的輸入文件主要包括：任務需求書（Mission Needs Statement，MNS）、作戰要求文件（Operational Requirements Document，ORD）/需求相關矩陣（Requirements Correlation Matrix，RCM）、作戰企圖（Concept of Operations，CONOPS）、系統威脅評估報告（System Threat Assessment Report，STAR）、成本與作戰效能分析（Cost and Operational Effectiveness Analysis，COEA）、設計和性能規范、系統成熟度矩陣（Systems Maturity Matrix，SMM）、綜合后勤保障計劃（Integrated Logistics Support Plan，ILSP）等。通過這些輸入文件，支撐ITT的研制方、用戶以及研制和作戰試驗組織人員為系統指定詳細的系統規范和試驗要求。

步驟1的輸出內容為：試驗鑒定主計劃（Test and Evaluation Master Plan，TEMP）、綜合后勤保障計劃（Integrated Logistics Support Plan，ILSP）更新、建模與仿真（Modeling and Simulation，M&S）能力、數字化系統模型（Digital System Model，DSM）、試驗鑒定記錄、用于建立詳細試驗計劃的信息等。

（2）試驗前分析

試驗前分析的主要工作包括：系統性能預測、解決試驗技術問題、試驗鑒定資源能力與計劃分析、系統設計功能性能評估。試驗前分析重點部署和明確試驗概念，并且假定和選擇高效費比和最可行的試驗選項來實現步驟1中的試驗目標。可行性選項必須從技術角度可實現、可獲得，且必須認可和遵守安全性、環境和協議要求。

試驗前分析完成時，試驗人員應獲得實際試驗中需要的所有詳細信息。詳細的試驗計劃是有序、高效進行試驗的必要條件。在用戶要求轉換為試驗目標時，步驟1已經完成了真實的試驗計劃。在步驟2中，試驗前分析主要針對與步驟1形成的目標中相互關聯的特定領域選擇試驗方法。早期試驗重點是識別不確定領域的問題，從而盡早進行改進和保持較低成本。當詳細試驗活動被確定、概念化和定價時，將進行最佳選擇和形成詳細的計劃文件。在試驗執行前還應形成安全性、安全措施和環境文件。

（3）試驗

試驗工作的主要內容包括試驗準備和試驗執行。試驗執行者必須在開始執行本步驟前確保一切準備就緒。接下來就是計劃的試驗進度的項目清單。試驗管理者應對停止或推遲試驗的條件有全面的了解。在決定是否開始試驗前，對這些條件進行謹慎、頻繁地監測。

一旦確定開始試驗，試驗執行者應仔細監測事件并在緊急事件或沒有預測的研制中指揮參與方，試驗主任能夠按要求指揮試驗執行者。在開始試驗前應建立整個試驗的“指揮鏈”且被理解。全部試驗程序的預演將極大地增強決策者的決策。

（4）評估和報告

評估和報告的主要工作內容是：試驗結果與預測結果進行比對、故障辨識和報告、制定獨立試驗報告、跟蹤和報告試驗結果。在微觀層面，必須對單個試驗的數據進行分析，并對單個試驗目標的結果進行評估。一旦發現不同，評估必須確定出不同之處是由于試驗前分析誤差、試驗設計缺陷或獲取系統性能失敗造成的。一個全面徹底的評估應考慮試驗項目或系統成熟度以及其與研制方期望的成熟度增長之間的關系。

（5）判斷試件是否滿足用戶需求

判斷試件是否滿足用戶需求是基于試驗者提供給決策者客觀信息的決策步驟，主要工作內容就是決策是否可進入下一試驗階段。當用戶、研制試驗鑒定主管部門、政府（研制和作戰）試驗機構、承包商和項目辦共同努力時就如同一個充分利用ITT的成員，關于試驗鑒定中描述的系統成熟度等級在里程碑評審時就不會出現任何意外。明確的用戶要求會被轉化為清晰的試驗目標和通過明確的評估標準進行評估的試驗結果。

（6）改進或修正

改進或修正步驟是當需要進行修正時而開展的迭代、循環過程，工作內容主要包括：用戶要求的重新確認與修改、問題分析與反饋、糾正與改進。如果試驗結果與預期結果不同，原因可能來自系統設計、試驗方法、未預料到的環境因素或有缺陷的預測。分析試驗數據來確定偏離的原因能夠為決策者提供采取下一步行動的所需信息。

2 SBIRS研制鑒定試驗

為提高彈道導彈預警能力，美軍于1995年提出構建一個由4顆GEO衛星、2個HEO衛星載荷和24顆低地球軌道（Low Earth Orbit，LEO）衛星以及地面系統組成的SBIRS系統。1996年底美空軍和以洛克希德·馬丁公司導彈與空間分公司為首的承包商組簽訂了18億美元的合同，開展SBIRS的研制工作。該承包商組成員及其負責的項目分別是：洛克希德·馬丁公司導彈與空間分公司負責整個系統總體、空間飛行器和地面站以及軌道與地面運行；該公司的聯邦分公司負責地面系統；Aeorjet公司和Norhtorp Gurmman公司共同負責主要的紅外傳感器載荷；Honey-well公司提供空間飛行器和星載載荷上使用的處理器[9-10]。

2007年3月-6月，Norhtorp Gurmman公司對SBIRS首顆地球同步軌道衛星（GEO-1）的有效載荷進行了熱真空試驗，驗證其在真空條件下的功能與性能。試驗的關鍵方面包括輻射測量性能、兩個傳感器同時監視移動紅外目標的能力、雜亂背景中星上目標處理能力、數據下行鏈路格式化操作以及衛星接口校驗。試驗評估表明，GEO-1傳感器能夠與目前在軌的SBIRS項目的HEO載荷傳感器協同工作[11]。

2008年10月27日，GEO-1衛星通過聲學和振動試驗，檢測其工藝質量和在發射與軌道運行期間的生存能力[12]。

2010年6月30日，SBIRS項目成功完成所有地面設備與GEO-1衛星之間的界面測試，并利用三頻天線/模塊式組件模式演示驗證了GEO-1衛星的指揮與控制能力，從而驗證了地面系統與衛星利用快速改變頻率（即跳頻），發送并接收信息的處理能力。

2010年12月，SBIRS項目從12個方面對GEO-1衛星進行了系統集成測試，以驗證航天器的性能和功能，為交付發射場做準備[13]。

2011年3月，SBIRS項目完成GEO-1發射前所需的主要試驗，驗證了航天器與飛行控制設施間數據傳輸能力，并運行了GEO-1綜合地面與太空系統的關鍵操作功能。完成在廠試驗之后，GEO-1被運送到卡納維拉爾角空軍基地進行發射前準備。該試驗主要檢驗衛星與在軌指控中心之間的通訊能力[14]。

2012年2月13日，洛克希德·馬丁公司宣布SBIRS的首顆地球同步軌道衛星（GEO-1）已經轉移到最終的目標軌道，開始交付用戶使用[15]。

2013年、2017年和2018年，美國空軍分別對GEO-2、GEO-3、GEO-4進行了驗收試驗，試驗過程中衛星運行良好，并成功將測試數據發送到任務控制中心。2014年，美國空軍向洛克希德·馬丁公司授出18.6億美元的修訂合同，用于生產GEO-5和GEO-6，作為GEO-1和GEO-2的后繼衛星。HEO-1和HEO-2載荷分別安裝在NROL 22和NROL 28信號情報衛星上，分別于2006年和2008年發射升空，在軌測試性能超過預期，并交付美國戰略司令部投入應用。HEO-3有效載荷于2014年被集成至NROL 35衛星上發射升空，目前處于有限的儲存/剩余運行模式，HEO-4載荷于2015年交付美國空軍，該載荷有可能已集成到衛星NROL 42上，并于2017年9月發射入軌[16]。

3 SBIRS作戰鑒定試驗[17-19]

SBIRS的發展過程可分為兩個階段：Increment1（1996年-2001年）和Increment2（2002年-至今）。

（1）Increment1階段

Increment1由SBIRS固定地面控制段和國防支援計劃（Defense Support Program，DSP）衛星組成，以維持原有DSP的功能。1996年SBIRS系統進入工程研制階段后發布了作戰需求文件（Operational Requirement Document，ORD），并于1998年發布了一個針對SBIRS體系級的試驗鑒定主計劃（Test and Evaluation Master Plan，TEMP）。2001年經美空軍試驗鑒定中心（Air Force Operational Test and Evaluation Center，AFOTEC）評估，SBIRS的Increment1具備初始作戰能力，正式列裝。

2002年，由于成本和進度問題，美國防部對SBIRS進行項目重構，分為高軌和低軌兩部分，并將低軌部分移交給導彈防御局管理，更名為“空間跟蹤與監視系統（Space Tracking & Surveillance System，STSS）”。高軌部分仍由美國空軍負責，繼續沿用SBIRS的項目名稱。

（2）Increment2階段

2003年開始Increment2，主要包含一個由HEO有效載荷、GEO衛星和DSP衛星組成的空間部分，還包括一個具有整合處理所有傳感器數據功能的地面固定任務控制站（Mission Control Station，MCS）、備份MCS（MCS-B）以及一個替代原有移動地面系統的可持續生存發展（Survivable Endurable Evolution，S2E2）具有移動能力的SBIRS。

Increment2的體系架構包括：4個可接收來自GEO和DSP衛星數據的中繼地面站（Relay Ground Stations，RGS），并將數據傳送給MCS和MCS-B以及一個提供SBIRS HEO紅外數據處理的RGS。Increment2的功能被分解成多個不同的Block進行交付。

其中，Block 10引入了新的地面工作站軟件和硬件，可在MCS和MCS-B上對DSP、HEO和GEO傳感器數據進行集成處理。2016年8月，SBIRS Block 10地面系統在成功完成集成試驗與鑒定后進入作戰使用評估（Operational Utility Evaluation，OUE）階段，這是Block 10地面系統的專用運行測試階段。為進入這個專用的運行測試，研制、運行與試驗人員精確地評估了Block 10地面系統能力就緒水平。基于試驗人員的輸入，空軍作戰試驗鑒定中心在6月12日開始在伯克利空軍基地的任務控制站進行專用運行測試，并于7月16日開始測試施里弗空軍基地的備份任務控制站。2016年12月，空軍航天司令部接受Block 10并投入使用。新的Block 10地面系統集成了對美國導彈預警衛星的運行指揮與控制能力，包括DSP衛星、SBIRS地球靜止軌道衛星和高橢圓軌道傳感器。其主任務控制站位于伯克利空軍基地。新的地面系統將顯著提高SBIRS系統在導彈預警、導彈防御、戰場態勢感知、技術情報等任務領域的能力。

SBIRS Block 20進一步改進了MCS和MCS-B的地面站軟件，優化了傳感器數據、抑制了背景干擾，以改善對微光目標的探測能力，并使GEO傳感器能夠提供更好的威脅目標跟蹤和影響預測。2019年4月至7月，AFOTEC按照作戰試驗鑒定局局長批準的試驗計劃對SBIRS的Block 20進行初始作戰試驗鑒定。2019年8月29日，空軍對Block 20進行了運行測試。

當前，SBIRS星座是由2個HEO有效載荷以及SBIRS GEO在軌衛星組成的。因為下一代過頂持久性紅外（Next Generation Overhead Persistent Infrared，Next Gen OPIR）項目的啟動，將對SBIRS進行補充然后取代，所以空軍減少了對SBIRS空間部分全面作戰能力（Full Operational Capability，FOC）的試驗，并將在2022年之前發射完最后的GEO衛星，完成星座構建。空軍還將使用Increment2來運行原有的DSP衛星直到退役[20-24]。

4 結束語