美国预警卫星威胁评估问题研究

张安理，李　智，丰　华

(1.太原卫星发射中心技术部，山西 太原 030027；2.装备学院航天指挥系，北京101416)



·试验与评估·

美国预警卫星威胁评估问题研究

张安理1，李智2，丰华1

(1.太原卫星发射中心技术部，山西 太原 030027；2.装备学院航天指挥系，北京101416)

预警卫星威胁评估是导弹作战指挥辅助决策的重要环节。首先描述了美国新一代预警卫星系统现状，然后阐释了预警卫星威胁评估的基本内涵，并分析了目前预警卫星威胁评估中存在的不足。针对高低轨预警卫星的不同功能和特点，分别提出了采用多指标综合法和威胁度函数法的威胁评估方法，并论述了各评估方法中涉及到的评估思路、评估步骤以及评估模型等内容，可以为预警卫星威胁评估提供思路和借鉴。

威胁评估；预警卫星；基本内涵；多指标综合法；威胁度函数

0　引言

威胁评估起源于20世纪80年代，最有影响的是美国实验室联席理事会提出的JDL模型，随后国内外多位专家学者从不同角度开展了研究，如Antony[1]从威胁能力的角度开展威胁评估，Lambert[2]通过评估战场态势对己方意图造成的影响来开展威胁评估。国内对于威胁评估的研究也已经涉及到电子侦察、空战、防空反导、反装甲作战、网络安全等各个领域。虽然威胁评估研究历时已久，涉及领域较广，但在太空作战领域内的研究还屈指可数。目前主要有刘进军[3]、周立新[4]等人对太空战场威胁进行过研究，张翼[5]、刘承承[6]对光学成像侦察卫星威胁评估进行过探索，相关单位目前正在开展雷达成像侦察卫星、海洋监视卫星威胁评估研究等。

预警卫星作为太空中地位极其特殊的遥感类卫星，利用其自身监视区域大、反应灵敏等优势探测跟踪导弹，并为武器拦截系统提供精确引导信息，大幅增加对弹道导弹的预警时间，且随着航天技术的飞速发展、卫星性能的提升以及部署数量的增加，未来必然逐步实现全球覆盖，严重影响导弹突防能力。因此，如何应对来自太空的预警卫星的威胁，已经成为制约导弹作战效能的亟待解决的瓶颈。对太空中数量众多的预警卫星进行威胁评估并排序，将成为不容回避的关键问题。

1　美国预警卫星描述

美国空军研制的新一代预警卫星系统是目前最为先进的具有实战型的天基预警系统，它可提供全球弹道导弹预警监视、国家弹道导弹防御、战场情报支持以及战场态势评判等，主要由SBIRS-High卫星系统、STSS卫星系统以及相关地面系统等部分组成。其中，SBIRS-High卫星中的GEO卫星主要用于探测跟踪弹道导弹的助推段飞行，HEO卫星主要用于覆盖北半球高纬度地区，对弹道导弹进行探测发现与跟踪定位。STSS卫星则主要用于捕获跟踪导弹中段及再入段飞行。

预警卫星系统功能是通过高低轨卫星的协作以及地面站的支持来实现的，其中，高轨卫星利用其覆盖范围广的优势来快速发现目标，低轨卫星利用其分辨率高的优势来连续探测、跟踪目标。换言之，高低轨卫星构成了一个立体探测网络，实现对导弹全程跟踪。美国新一代预警卫星系统工作流程图[7]如图1所示。

图1　美国新一代预警卫星系统工作流程

从图1可以看出，通过SBIRS-High预警卫星探测导弹发动机喷焰，发现导弹发射后进行助推段跟踪，并将卫星的跟踪数据进行初步处理后传送到地面任务控制站(MCS)，任务控制站对数据进行处理、分类和目标识别，判断红外源的性质，计算出导弹弹道，然后将跟踪数据传送给低轨STSS卫星并引导其对导弹中段及末段的跟踪测量，且低轨卫星具有识别假目标以及“接力跟踪”的能力，同时任务控制站将卫星信息送往导弹防御系统的指挥控制、作战管理与通信系统(C2BMC)，引导武器拦截系统对导弹实施拦截。

2　预警卫星威胁评估分析

2.1内涵阐释

笔者借鉴前人认识，认为军事对抗双方要产生威胁，前提条件是施者与受者之间必须具有相关性。威胁的基本内涵即为一方对另一方施加的不良之影响，它具有“两性”的特征，一为“相对性”，二为“系统性”。相对性的含义是：由于威胁描述的是施者与受者之间的相互关系，其会随二者之间属性的不同或变化而呈现出“相对性”之特点；系统性的含义是：由于威胁的产生是整个系统综合作用的结果，故威胁是相对于系统与系统之间而非系统内部成员而言的，即呈现出“系统性”之特点。

威胁评估(TA)是一个有关对抗双方以及作战环境等多方因素的评估过程。从可获取的诸如威胁双方的武器装备效能、作战环境以及威胁方的威胁意图等事实或证据出发，选用某种合适的威胁评估方法，逐步推出近似合理的可量化的威胁程度的思维过程，进而用于辅助军事决策活动。换言之，威胁评估其实就是一种特殊的“影响”评估，如图2所示。

图2　威胁评估基本内涵

预警卫星系统通过自身携带探测器采集弹道导弹的特征数据，并通过数据传输链路传输至地面指挥控制系统及武器拦截系统，对数据进行自动化处理、目标识别、威胁分析之后提供给指挥官最及时的情报资料，指挥官结合自身经验，通过下达拦截指令，使用拦截弹对空中来袭导弹实施追踪与拦截，从而实现有效防御敌方导弹攻击的目的，另外，预警卫星通常情况下是绕固定轨道运动的。由此可见，预警卫星对导弹作战的威胁呈现出间接性、被动性的特点。

依据威胁评估概念，预警卫星威胁评估就是选取有关敌方预警卫星、己方弹道导弹以及对抗环境等方面要素，并通过情报信息、仿真数据以及战场事件提供数据输入，然后利用所构建的威胁评估模型，对预警卫星的威胁程度，即预警卫星对己方弹道导弹造成的不良影响进行评估和排序，并用于辅助导弹作战决策的过程，如图3所示。

图3　预警卫星威胁评估过程

另外考虑到威胁是系统间的相对性概念，因此开展预警卫星威胁评估和排序，必须在假设卫星地面站、传输链路以及武器拦截系统均能正常工作的情况下进行。

2.2存在的不足

预警卫星作为一种特殊的遥感类侦察卫星，工作流程复杂，从已开展的评估研究来看，其存在的不足之处有：

1)预警卫星评估目前多侧重于卫星本身的效能评估，即采用某种算法将卫星的各种能力，例如探测范围、探测距离、预警时间、虚警概率等进行聚合，而结合导弹作战背景，从“威胁”的角度去开展评估尚不多见。

2)各预警卫星轨道类型不同，承担功能不同，威胁特征不同，以及对抗措施不同，但目前并没有针对各类预警卫星系统所具有的不同特点去开展评估，威胁评估方法比较单一。

城市交通是顾客和商业设施的承接者，商业设施主要选址在交通便捷的地方[9]。交通的便利影响着居民的出行，选址在交通便利的地方，比如在地铁站边、主干线旁、公交站台附近，这样可以增加周边居民的客流量，从而使商业综合体成功运营。

3)预警卫星威胁评估模型是开展评估的依据和基础，目前在模型构建方面尚需探讨和完善。

3　预警卫星威胁评估方法研究

3.1SBIRS-High预警卫星

SBIRS-High预警卫星在预警卫星系统中处于核心地位，它集探测发现、目标识别、跟踪定位、预估引导等多种功能于一身，采用解析法描述往往不够精确。SBIRS-High预警卫星通过自身携带的红外探测器捕获弹道导弹尾焰的红外辐射，探测与跟踪导弹助推段飞行。SBIRS-GEO卫星相对地面静止，监视相应热点区域；SBIRS-HEO卫星远地点在北半球，主要用于俄罗斯等高纬度国家导弹的探测预警，即SBIRS-High卫星主要功能为探测发现导弹目标，侧重于对某个特定区域内的威胁，其威胁要素多呈现为“状态性”特点，因此这里采用“多指标综合法”来开展SBIRS-High预警卫星威胁评估。

3.1.1评估步骤

SBIRS-High卫星威胁评估的具体步骤为：首先分析SBIRS-High卫星的作战流程，在此基础上，依据要素选取准则选取威胁要素，然后建立各要素获取模型，定量要素采用软件仿真、模型计算或者直接赋值法；定性要素则通过分等级描述并赋值来获取，接着确定各要素权重，最后采用聚合模型开展卫星威胁度评估。其评估步骤如图4所示。

图4　SBIRS-High预警卫星威胁评估步骤

3.1.2评估模型

威胁评估要立足于具体导弹作战，选取的威胁要素要涵盖预警卫星、对抗环境以及导弹状况等各个方面。依据SBIRS-High预警卫星的作战流程、工作模式以及威胁要素提取准则，从扫描探测、凝视跟踪以及外部等三个方面选取了关键性威胁要素。其中，扫描探测方面包括探测概率、首次发现目标时刻要素；凝视跟踪方面包括凝视弧段、关机点测量精度要素；外部包括国际环境要素。

依据单向链法[8]确定出SBIRS-High预警卫星威胁评估要素权重，然后还必须对各威胁要素进行聚合，聚合模型通常情况下有如下两种[9]：加权积模型(幂函数法)与加权和模型。在模型聚合时，扫描探测、凝视跟踪以及外部之间关系并非特别密切，可以采用加权和聚合模型；探测概率、首次发现目标时刻之间，以及凝视相机凝视弧段、关机点测量精度之间任一要素很差均会影响上层要素，且都是缺一不可的，因此可以采用加权积聚合模型。即SBIRS-High预警卫星威胁度TSBIRS为：

式中，Jscan为扫描探测，Jstare为凝视跟踪，Jw b为外部，Pd为探测概率，Td为首次发现目标时刻，N为凝视弧段，Rc为关机点测量精度，Es为国际环境,wi为各阶段权重，wij为各威胁要素权重。

3.2STSS预警卫星

STSS预警卫星可对导弹飞行全程进行探测跟踪，主要用于捕获跟踪导弹中段的发热弹体和末段再入弹头。相对SBIRS-High卫星而言，其距离地面高度较低，运行速度较快，几何关系复杂，与弹道导弹相对态势随时间变化的特征较为明显，且功能较为单一。鉴于此，这里提出一种基于函数构造法的STSS卫星威胁评估方法。

3.2.1评估思路

如图5所示，导弹飞行过程中，当飞行至位置1时，预警卫星处于A位置，此时可通过威胁度函数计算出预警卫星瞬时威胁度为X，当导弹飞行至位置2时，预警卫星已处于B位置，同理可获取此时预警卫星的瞬时威胁度为Y，卫星瞬时威胁度时刻在变化。但对于某次特定导弹作战任务而言，STSS预警卫星星座中各颗预警卫星的总威胁度应为“恒定”的，且可通过某种聚合方法，将导弹飞行全程中STSS预警卫星的瞬时威胁度进行聚合而获取，进而实现各颗卫星的威胁度排序，为导弹发射前对敌方卫星采取干扰等反制措施提供目标选择依据，进而为导弹辅助决策服务。

图5　预警卫星探测导弹飞行示意图

3.2.2评估步骤

STSS预警卫星威胁评估采用函数构造法开展评估，其核心在于函数构造思路及构造过程，其评估步骤如图6所示。

图6　STSS预警卫星威胁评估步骤

首先分析STSS卫星的作战流程，并依据威胁要素选取准则选取威胁要素，然后通过分析研究明确威胁度函数构造总体思路，并就威胁度函数中所需的各要素函数进行构造，然后通过软件仿真、模型仿真以及定性要素赋值等方法获取各要素输入值，最后利用所构建的威胁度函数模型开展卫星威胁度评估。

3.2.3评估模型

自弹道导弹起飞后，在时间区间[0,t1]内，STSS预警卫星尚未探测到导弹，此时其威胁度自然为0；自t1时刻起始预警卫星开始探测到导弹，而t2时刻之后预警卫星结束探测，即在时间区间[t1,t2]内，预警卫星对导弹产生威胁，且其威胁度与所选取的威胁要素，即凝视弧段、导弹与卫星的距离变化、探测价值、威胁环境以及弹头识别概率等密切相关；tfw为拦截系统最晚发射拦截弹时刻，即tfw时刻之后武器拦截系统已无足够拦截时间实施拦截，因此tfw时刻之后威胁度亦为0，而在时间区间[t2,tfw]，虽然预警未能再探测到导弹，但由于预警卫星先前产生的预警信息依然对武器拦截系统有价值，进而对弹道导弹产生不良影响，所以预警卫星对弹道导弹突防产生的威胁度不为0，而是会随着时间t的推移，预警误差逐步增大，其威胁度呈现出“连续下降”的趋势，直至tfw时刻，拦截系统已不具备拦截能力为止，预警卫星威胁度下降为0。

综上所述，STSS预警卫星威胁度函数T(t)可作如下假设：

式中，“～”表示“相关”，N(t)为凝视弧段，F(t)为卫星与导弹之间的相对空间距离，ψ(t)为探测价值，ET为威胁环境，η为弹头识别概率。

这里，可将STSS预警卫星对导弹作战任务的威胁度定义为:卫星瞬时威胁度曲线下包络的面积与导弹飞行全程中且瞬时威胁度恒为1时所围成的矩形面积之比，即：

式中，tm为导弹全程飞行时间。

4　结束语

本文对美国新一代预警卫星威胁评估的基本内涵以及评估方法等相关问题进行了探索性研究，开拓了新的威胁评估解决思路，为进一步丰富威胁评估理论及推进实践应用提供借鉴。考虑到美国预警卫星系统技术含量极高，技术发展日新月异，且威胁评估本身具有模糊性、繁杂性及现实性的特点，因而下一步可在威胁要素选取、要素评价函数模型构建等方面继续开展研究工作。■

[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]刘进军.空间战场威胁评估方法研究[D].长沙:国防科技大学，2008.

[4]周立新.空间作战态势图关键技术研究[D].北京:装备学院，2011.

[5]张翼，梁彦刚，陈磊，等.光学成像侦察卫星威胁评估方法[J].国防科技大学学报，2012，34(5)：32-35.

[6]刘承承，李少凯，张中华.光学侦察卫星对迷彩伪装目标的威胁评估研究[J].舰船电子工程，2010，30(11)：162-165，175.

[7]文江平.卫星军事应用技术[M].北京：国防工业出版社，2007:120.

[8]曹加勇.未来美国高轨卫星效能评估研究[D].北京:装备学院，2010.

[9]贺波，刘晓东，靳小超.空军武器装备体系作战能力聚合模型[J].火力与指挥控制，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。

张安理(1979-)，男，工程师，硕士，主要研究方向为预警卫星威胁评估。

V474.2+7；TN97

A