張安理，李　智，豐　華

(1.太原衛(wèi)星發(fā)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(wèi)星威脅評估問題研究

張安理1，李智2，豐華1

(1.太原衛(wèi)星發(fā)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(wèi)星威脅評估是導彈作戰(zhàn)指揮輔助決策的重要環(huán)節(jié)。首先描述了美國新一代預警衛(wèi)星系統(tǒng)現(xiàn)狀，然后闡釋了預警衛(wèi)星威脅評估的基本內(nèi)涵，并分析了目前預警衛(wèi)星威脅評估中存在的不足。針對高低軌預警衛(wèi)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(shù)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(nèi)容，可以為預警衛(wèi)星威脅評估提供思路和借鑒。

威脅評估；預警衛(wèi)星；基本內(nèi)涵；多指標綜合法；威脅度函數(shù)

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(lián)席理事會提出的JDL模型，隨后國內(nèi)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(zhàn)場態(tài)勢對己方意圖造成的影響來開展威脅評估。國內(nèi)對于威脅評估的研究也已經(jīng)涉及到電子偵察、空戰(zhàn)、防空反導、反裝甲作戰(zhàn)、網(wǎng)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(zhàn)領域內(nèi)的研究還屈指可數(shù)。目前主要有劉進軍[3]、周立新[4]等人對太空戰(zhàn)場威脅進行過研究，張翼[5]、劉承承[6]對光學成像偵察衛(wèi)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(wèi)星、海洋監(jiān)視衛(wèi)星威脅評估研究等。

預警衛(wèi)星作為太空中地位極其特殊的遙感類衛(wèi)星，利用其自身監(jiān)視區(qū)域大、反應靈敏等優(yōu)勢探測跟蹤導彈，并為武器攔截系統(tǒng)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(fā)展、衛(wèi)星性能的提升以及部署數(shù)量的增加，未來必然逐步實現(xiàn)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(wèi)星的威脅，已經(jīng)成為制約導彈作戰(zhàn)效能的亟待解決的瓶頸。對太空中數(shù)量眾多的預警衛(wèi)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(wèi)星描述

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

預警衛(wèi)星系統(tǒng)功能是通過高低軌衛(wèi)星的協(xié)作以及地面站的支持來實現(xiàn)的，其中，高軌衛(wèi)星利用其覆蓋范圍廣的優(yōu)勢來快速發(fā)現(xiàn)目標，低軌衛(wèi)星利用其分辨率高的優(yōu)勢來連續(xù)探測、跟蹤目標。換言之，高低軌衛(wèi)星構成了一個立體探測網(wǎng)絡，實現(xiàn)對導彈全程跟蹤。美國新一代預警衛(wèi)星系統(tǒng)工作流程圖[7]如圖1所示。

圖1　美國新一代預警衛(wèi)星系統(tǒng)工作流程

從圖1可以看出，通過SBIRS-High預警衛(wèi)星探測導彈發(fā)動機噴焰，發(fā)現(xiàn)導彈發(fā)射后進行助推段跟蹤，并將衛(wèi)星的跟蹤數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行處理、分類和目標識別，判斷紅外源的性質(zhì)，計算出導彈彈道，然后將跟蹤數(shù)據(jù)傳送給低軌STSS衛(wèi)星并引導其對導彈中段及末段的跟蹤測量，且低軌衛(wèi)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(wèi)星信息送往導彈防御系統(tǒng)的指揮控制、作戰(zhàn)管理與通信系統(tǒng)(C2BMC)，引導武器攔截系統(tǒng)對導彈實施攔截。

2　預警衛(wèi)星威脅評估分析

2.1內(nèi)涵闡釋

筆者借鑒前人認識，認為軍事對抗雙方要產(chǎn)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(nèi)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(tǒng)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(xiàn)出“相對性”之特點；系統(tǒng)性的含義是：由于威脅的產(chǎn)生是整個系統(tǒng)綜合作用的結果，故威脅是相對于系統(tǒng)與系統(tǒng)之間而非系統(tǒng)內(nèi)部成員而言的，即呈現(xiàn)出“系統(tǒng)性”之特點。

威脅評估(TA)是一個有關對抗雙方以及作戰(zhàn)環(huán)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(zhàn)環(huán)境以及威脅方的威脅意圖等事實或證據(jù)出發(fā)，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(nèi)涵

預警衛(wèi)星系統(tǒng)通過自身攜帶探測器采集彈道導彈的特征數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路傳輸至地面指揮控制系統(tǒng)及武器攔截系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)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(jīng)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(xiàn)有效防御敵方導彈攻擊的目的，另外，預警衛(wèi)星通常情況下是繞固定軌道運動的。由此可見，預警衛(wèi)星對導彈作戰(zhàn)的威脅呈現(xiàn)出間接性、被動性的特點。

依據(jù)威脅評估概念，預警衛(wèi)星威脅評估就是選取有關敵方預警衛(wèi)星、己方彈道導彈以及對抗環(huán)境等方面要素，并通過情報信息、仿真數(shù)據(jù)以及戰(zhàn)場事件提供數(shù)據(jù)輸入，然后利用所構建的威脅評估模型，對預警衛(wèi)星的威脅程度，即預警衛(wèi)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(zhàn)決策的過程，如圖3所示。

圖3　預警衛(wèi)星威脅評估過程

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

2.2存在的不足

預警衛(wèi)星作為一種特殊的遙感類偵察衛(wèi)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(wèi)星評估目前多側(cè)重于衛(wèi)星本身的效能評估，即采用某種算法將衛(wèi)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(zhàn)背景，從“威脅”的角度去開展評估尚不多見。

2)各預警衛(wèi)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(wèi)星系統(tǒng)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(yè)設施的承接者，商業(yè)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(yè)綜合體成功運營。

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

3　預警衛(wèi)星威脅評估方法研究

3.1SBIRS-High預警衛(wèi)星

SBIRS-High預警衛(wèi)星在預警衛(wèi)星系統(tǒng)中處于核心地位，它集探測發(fā)現(xiàn)、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(wèi)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(wèi)星相對地面靜止，監(jiān)視相應熱點區(qū)域；SBIRS-HEO衛(wèi)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(wèi)星主要功能為探測發(fā)現(xiàn)導彈目標，側(cè)重于對某個特定區(qū)域內(nèi)的威脅，其威脅要素多呈現(xiàn)為“狀態(tài)性”特點，因此這里采用“多指標綜合法”來開展SBIRS-High預警衛(wèi)星威脅評估。

3.1.1評估步驟

SBIRS-High衛(wèi)星威脅評估的具體步驟為：首先分析SBIRS-High衛(wèi)星的作戰(zhàn)流程，在此基礎上，依據(jù)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(wèi)星威脅度評估。其評估步驟如圖4所示。

圖4　SBIRS-High預警衛(wèi)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(zhàn)，選取的威脅要素要涵蓋預警衛(wèi)星、對抗環(huán)境以及導彈狀況等各個方面。依據(jù)SBIRS-High預警衛(wèi)星的作戰(zhàn)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(fā)現(xiàn)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(huán)境要素。

依據(jù)單向鏈法[8]確定出SBIRS-High預警衛(wèi)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(shù)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(fā)現(xiàn)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(wèi)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(fā)現(xiàn)目標時刻，N為凝視弧段，Rc為關機點測量精度，Es為國際環(huán)境,wi為各階段權重，wij為各威脅要素權重。

3.2STSS預警衛(wèi)星

STSS預警衛(wèi)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(fā)熱彈體和末段再入彈頭。相對SBIRS-High衛(wèi)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(tài)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(shù)構造法的STSS衛(wèi)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(wèi)星處于A位置，此時可通過威脅度函數(shù)計算出預警衛(wèi)星瞬時威脅度為X，當導彈飛行至位置2時，預警衛(wèi)星已處于B位置，同理可獲取此時預警衛(wèi)星的瞬時威脅度為Y，衛(wèi)星瞬時威脅度時刻在變化。但對于某次特定導彈作戰(zhàn)任務而言，STSS預警衛(wèi)星星座中各顆預警衛(wèi)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(wèi)星的瞬時威脅度進行聚合而獲取，進而實現(xiàn)各顆衛(wèi)星的威脅度排序，為導彈發(fā)射前對敵方衛(wèi)星采取干擾等反制措施提供目標選擇依據(jù)，進而為導彈輔助決策服務。

圖5　預警衛(wèi)星探測導彈飛行示意圖

3.2.2評估步驟

STSS預警衛(wèi)星威脅評估采用函數(shù)構造法開展評估，其核心在于函數(shù)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(wèi)星威脅評估步驟

首先分析STSS衛(wèi)星的作戰(zhàn)流程，并依據(jù)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(shù)構造總體思路，并就威脅度函數(shù)中所需的各要素函數(shù)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(shù)模型開展衛(wèi)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(qū)間[0,t1]內(nèi)，STSS預警衛(wèi)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(wèi)星開始探測到導彈，而t2時刻之后預警衛(wèi)星結束探測，即在時間區(qū)間[t1,t2]內(nèi)，預警衛(wèi)星對導彈產(chǎn)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(wèi)星的距離變化、探測價值、威脅環(huán)境以及彈頭識別概率等密切相關；tfw為攔截系統(tǒng)最晚發(fā)射攔截彈時刻，即tfw時刻之后武器攔截系統(tǒng)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(qū)間[t2,tfw]，雖然預警未能再探測到導彈，但由于預警衛(wèi)星先前產(chǎn)生的預警信息依然對武器攔截系統(tǒng)有價值，進而對彈道導彈產(chǎn)生不良影響，所以預警衛(wèi)星對彈道導彈突防產(chǎn)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(xiàn)出“連續(xù)下降”的趨勢，直至tfw時刻，攔截系統(tǒng)已不具備攔截能力為止，預警衛(wèi)星威脅度下降為0。

綜上所述，STSS預警衛(wèi)星威脅度函數(shù)T(t)可作如下假設：

式中，“～”表示“相關”，N(t)為凝視弧段，F(xiàn)(t)為衛(wèi)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(huán)境，η為彈頭識別概率。

這里，可將STSS預警衛(wèi)星對導彈作戰(zhàn)任務的威脅度定義為:衛(wèi)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(wèi)星威脅評估的基本內(nèi)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?？紤]到美國預警衛(wèi)星系統(tǒng)技術含量極高，技術發(fā)展日新月異，且威脅評估本身具有模糊性、繁雜性及現(xiàn)實性的特點，因而下一步可在威脅要素選取、要素評價函數(shù)模型構建等方面繼續(xù)開展研究工作?！?/p>

[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(zhàn)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(zhàn)態(tài)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(wèi)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(wèi)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(wèi)星軍事應用技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007:120.

[8]曹加勇.未來美國高軌衛(wèi)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(zhàn)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(wèi)星威脅評估。

V474.2+7；TN97

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