郭凱 胡旖旎
(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京 100094)
航天裝備試驗(yàn)鑒定是指通過(guò)規(guī)范化的組織形式和試驗(yàn)活動(dòng),對(duì)其技術(shù)性能和使用效能進(jìn)行全面考核并獨(dú)立作出評(píng)價(jià)結(jié)論的綜合性活動(dòng),貫穿于航天裝備發(fā)展的全壽命階段[1]。由于航天裝備屬于復(fù)雜大系統(tǒng)工程,包括航天器、運(yùn)載器、地面支持單元、各子系統(tǒng)接口等,具有規(guī)模龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)密集等特點(diǎn)。航天裝備天基部分在軌開(kāi)展試驗(yàn)鑒定成本高、難度大、風(fēng)險(xiǎn)多,為此,美軍在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)武器裝備試驗(yàn)鑒定程序剪裁的基礎(chǔ)上,建立了適用于“小子樣”航天裝備的試驗(yàn)鑒定方法,形成了具有航天裝備特點(diǎn)的試驗(yàn)鑒定程序[2-4],比如:美軍的天基紅外系統(tǒng)(Space-Based Infrared System Program,SBIRS)。
SBIRS是由美空軍空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心負(fù)責(zé)管理的新一代導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng),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(wèi)星和大橢圓軌道(Highly Elliptical Orbit,HEO)衛(wèi)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(dòng)式處理系統(tǒng)等。SBIRS主要承擔(dān)導(dǎo)彈預(yù)警、導(dǎo)彈防御、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知和提供技術(shù)情報(bào)四類(lèi)任務(wù),具體包括:提供更快、更準(zhǔn)確的戰(zhàn)略和戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈發(fā)射報(bào)告;為導(dǎo)彈防御系統(tǒng)作戰(zhàn)能力提供有效支持;分析各類(lèi)紅外信號(hào)的特征數(shù)據(jù)以進(jìn)行快速判別;更好地了解戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),為打擊任務(wù)規(guī)劃、作戰(zhàn)力量防護(hù)提供支持等。其中,GEO衛(wèi)星主要用于探測(cè)和發(fā)現(xiàn)處于助推段的彈道導(dǎo)彈,HEO衛(wèi)星則將該系統(tǒng)的導(dǎo)彈預(yù)警覆蓋范圍擴(kuò)展到北極[5-8]。
SBIRS的試驗(yàn)鑒定采用“計(jì)劃-預(yù)測(cè)-試驗(yàn)-對(duì)比”理論,針對(duì)每一采辦階段具體的試驗(yàn)展開(kāi)迭代活動(dòng)。具體可劃分為確定試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、試驗(yàn)前分析、試驗(yàn)、評(píng)估和報(bào)告、判斷試件是否滿(mǎn)足用戶(hù)要求、改進(jìn)或修正等6個(gè)步驟,如圖1所示。
圖1 SBIRS試驗(yàn)鑒定程序Fig.1 The Test & Evaluation Procedure of Space-based Infrared System Program
(1)確定試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)
確定試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的主要工作包括:組建一體化試驗(yàn)組(Integrated Test Team,ITT);明確試驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容;制定試驗(yàn)要求和試驗(yàn)保障要求。首先建立ITT,ITT必須由用戶(hù)、承包商、系統(tǒng)項(xiàng)目辦的項(xiàng)目經(jīng)理、研制試驗(yàn)鑒定主管部門(mén)的試驗(yàn)主任以及其他參與研制和作戰(zhàn)試驗(yàn)的組織機(jī)構(gòu)的代表等組成。
步驟1的輸入文件主要包括:任務(wù)需求書(shū)(Mission Needs Statement,MNS)、作戰(zhàn)要求文件(Operational Requirements Document,ORD)/需求相關(guān)矩陣(Requirements Correlation Matrix,RCM)、作戰(zhàn)企圖(Concept of Operations,CONOPS)、系統(tǒng)威脅評(píng)估報(bào)告(System Threat Assessment Report,STAR)、成本與作戰(zhàn)效能分析(Cost and Operational Effectiveness Analysis,COEA)、設(shè)計(jì)和性能規(guī)范、系統(tǒng)成熟度矩陣(Systems Maturity Matrix,SMM)、綜合后勤保障計(jì)劃(Integrated Logistics Support Plan,ILSP)等。通過(guò)這些輸入文件,支撐ITT的研制方、用戶(hù)以及研制和作戰(zhàn)試驗(yàn)組織人員為系統(tǒng)指定詳細(xì)的系統(tǒng)規(guī)范和試驗(yàn)要求。
步驟1的輸出內(nèi)容為:試驗(yàn)鑒定主計(jì)劃(Test and Evaluation Master Plan,TEMP)、綜合后勤保障計(jì)劃(Integrated Logistics Support Plan,ILSP)更新、建模與仿真(Modeling and Simulation,M&S)能力、數(shù)字化系統(tǒng)模型(Digital System Model,DSM)、試驗(yàn)鑒定記錄、用于建立詳細(xì)試驗(yàn)計(jì)劃的信息等。
(2)試驗(yàn)前分析
試驗(yàn)前分析的主要工作包括:系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)、解決試驗(yàn)技術(shù)問(wèn)題、試驗(yàn)鑒定資源能力與計(jì)劃分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能性能評(píng)估。試驗(yàn)前分析重點(diǎn)部署和明確試驗(yàn)概念,并且假定和選擇高效費(fèi)比和最可行的試驗(yàn)選項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)步驟1中的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)??尚行赃x項(xiàng)必須從技術(shù)角度可實(shí)現(xiàn)、可獲得,且必須認(rèn)可和遵守安全性、環(huán)境和協(xié)議要求。
試驗(yàn)前分析完成時(shí),試驗(yàn)人員應(yīng)獲得實(shí)際試驗(yàn)中需要的所有詳細(xì)信息。詳細(xì)的試驗(yàn)計(jì)劃是有序、高效進(jìn)行試驗(yàn)的必要條件。在用戶(hù)要求轉(zhuǎn)換為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)時(shí),步驟1已經(jīng)完成了真實(shí)的試驗(yàn)計(jì)劃。在步驟2中,試驗(yàn)前分析主要針對(duì)與步驟1形成的目標(biāo)中相互關(guān)聯(lián)的特定領(lǐng)域選擇試驗(yàn)方法。早期試驗(yàn)重點(diǎn)是識(shí)別不確定領(lǐng)域的問(wèn)題,從而盡早進(jìn)行改進(jìn)和保持較低成本。當(dāng)詳細(xì)試驗(yàn)活動(dòng)被確定、概念化和定價(jià)時(shí),將進(jìn)行最佳選擇和形成詳細(xì)的計(jì)劃文件。在試驗(yàn)執(zhí)行前還應(yīng)形成安全性、安全措施和環(huán)境文件。
(3)試驗(yàn)
試驗(yàn)工作的主要內(nèi)容包括試驗(yàn)準(zhǔn)備和試驗(yàn)執(zhí)行。試驗(yàn)執(zhí)行者必須在開(kāi)始執(zhí)行本步驟前確保一切準(zhǔn)備就緒。接下來(lái)就是計(jì)劃的試驗(yàn)進(jìn)度的項(xiàng)目清單。試驗(yàn)管理者應(yīng)對(duì)停止或推遲試驗(yàn)的條件有全面的了解。在決定是否開(kāi)始試驗(yàn)前,對(duì)這些條件進(jìn)行謹(jǐn)慎、頻繁地監(jiān)測(cè)。
一旦確定開(kāi)始試驗(yàn),試驗(yàn)執(zhí)行者應(yīng)仔細(xì)監(jiān)測(cè)事件并在緊急事件或沒(méi)有預(yù)測(cè)的研制中指揮參與方,試驗(yàn)主任能夠按要求指揮試驗(yàn)執(zhí)行者。在開(kāi)始試驗(yàn)前應(yīng)建立整個(gè)試驗(yàn)的“指揮鏈”且被理解。全部試驗(yàn)程序的預(yù)演將極大地增強(qiáng)決策者的決策。
(4)評(píng)估和報(bào)告
評(píng)估和報(bào)告的主要工作內(nèi)容是:試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)、故障辨識(shí)和報(bào)告、制定獨(dú)立試驗(yàn)報(bào)告、跟蹤和報(bào)告試驗(yàn)結(jié)果。在微觀層面,必須對(duì)單個(gè)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并對(duì)單個(gè)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。一旦發(fā)現(xiàn)不同,評(píng)估必須確定出不同之處是由于試驗(yàn)前分析誤差、試驗(yàn)設(shè)計(jì)缺陷或獲取系統(tǒng)性能失敗造成的。一個(gè)全面徹底的評(píng)估應(yīng)考慮試驗(yàn)項(xiàng)目或系統(tǒng)成熟度以及其與研制方期望的成熟度增長(zhǎng)之間的關(guān)系。
(5)判斷試件是否滿(mǎn)足用戶(hù)需求
判斷試件是否滿(mǎn)足用戶(hù)需求是基于試驗(yàn)者提供給決策者客觀信息的決策步驟,主要工作內(nèi)容就是決策是否可進(jìn)入下一試驗(yàn)階段。當(dāng)用戶(hù)、研制試驗(yàn)鑒定主管部門(mén)、政府(研制和作戰(zhàn))試驗(yàn)機(jī)構(gòu)、承包商和項(xiàng)目辦共同努力時(shí)就如同一個(gè)充分利用ITT的成員,關(guān)于試驗(yàn)鑒定中描述的系統(tǒng)成熟度等級(jí)在里程碑評(píng)審時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)任何意外。明確的用戶(hù)要求會(huì)被轉(zhuǎn)化為清晰的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和通過(guò)明確的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估的試驗(yàn)結(jié)果。
(6)改進(jìn)或修正
改進(jìn)或修正步驟是當(dāng)需要進(jìn)行修正時(shí)而開(kāi)展的迭代、循環(huán)過(guò)程,工作內(nèi)容主要包括:用戶(hù)要求的重新確認(rèn)與修改、問(wèn)題分析與反饋、糾正與改進(jìn)。如果試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期結(jié)果不同,原因可能來(lái)自系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)方法、未預(yù)料到的環(huán)境因素或有缺陷的預(yù)測(cè)。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定偏離的原因能夠?yàn)闆Q策者提供采取下一步行動(dòng)的所需信息。
為提高彈道導(dǎo)彈預(yù)警能力,美軍于1995年提出構(gòu)建一個(gè)由4顆GEO衛(wèi)星、2個(gè)HEO衛(wèi)星載荷和24顆低地球軌道(Low Earth Orbit,LEO)衛(wèi)星以及地面系統(tǒng)組成的SBIRS系統(tǒng)。1996年底美空軍和以洛克希德·馬丁公司導(dǎo)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(kāi)展SBIRS的研制工作。該承包商組成員及其負(fù)責(zé)的項(xiàng)目分別是:洛克希德·馬丁公司導(dǎo)彈與空間分公司負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)總體、空間飛行器和地面站以及軌道與地面運(yùn)行;該公司的聯(lián)邦分公司負(fù)責(zé)地面系統(tǒng);Aeorjet公司和Norhtorp Gurmman公司共同負(fù)責(zé)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(duì)SBIRS首顆地球同步軌道衛(wèi)星(GEO-1)的有效載荷進(jìn)行了熱真空試驗(yàn),驗(yàn)證其在真空條件下的功能與性能。試驗(yàn)的關(guān)鍵方面包括輻射測(cè)量性能、兩個(gè)傳感器同時(shí)監(jiān)視移動(dòng)紅外目標(biāo)的能力、雜亂背景中星上目標(biāo)處理能力、數(shù)據(jù)下行鏈路格式化操作以及衛(wèi)星接口校驗(yàn)。試驗(yàn)評(píng)估表明,GEO-1傳感器能夠與目前在軌的SBIRS項(xiàng)目的HEO載荷傳感器協(xié)同工作[11]。
2008年10月27日,GEO-1衛(wèi)星通過(guò)聲學(xué)和振動(dòng)試驗(yàn),檢測(cè)其工藝質(zhì)量和在發(fā)射與軌道運(yùn)行期間的生存能力[12]。
2010年6月30日,SBIRS項(xiàng)目成功完成所有地面設(shè)備與GEO-1衛(wèi)星之間的界面測(cè)試,并利用三頻天線/模塊式組件模式演示驗(yàn)證了GEO-1衛(wèi)星的指揮與控制能力,從而驗(yàn)證了地面系統(tǒng)與衛(wèi)星利用快速改變頻率(即跳頻),發(fā)送并接收信息的處理能力。
2010年12月,SBIRS項(xiàng)目從12個(gè)方面對(duì)GEO-1衛(wèi)星進(jìn)行了系統(tǒng)集成測(cè)試,以驗(yàn)證航天器的性能和功能,為交付發(fā)射場(chǎng)做準(zhǔn)備[13]。
2011年3月,SBIRS項(xiàng)目完成GEO-1發(fā)射前所需的主要試驗(yàn),驗(yàn)證了航天器與飛行控制設(shè)施間數(shù)據(jù)傳輸能力,并運(yùn)行了GEO-1綜合地面與太空系統(tǒng)的關(guān)鍵操作功能。完成在廠試驗(yàn)之后,GEO-1被運(yùn)送到卡納維拉爾角空軍基地進(jìn)行發(fā)射前準(zhǔn)備。該試驗(yàn)主要檢驗(yàn)衛(wèi)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(wèi)星(GEO-1)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到最終的目標(biāo)軌道,開(kāi)始交付用戶(hù)使用[15]。
2013年、2017年和2018年,美國(guó)空軍分別對(duì)GEO-2、GEO-3、GEO-4進(jìn)行了驗(yàn)收試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程中衛(wèi)星運(yùn)行良好,并成功將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送到任務(wù)控制中心。2014年,美國(guó)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(chǎn)GEO-5和GEO-6,作為GEO-1和GEO-2的后繼衛(wèi)星。HEO-1和HEO-2載荷分別安裝在NROL 22和NROL 28信號(hào)情報(bào)衛(wèi)星上,分別于2006年和2008年發(fā)射升空,在軌測(cè)試性能超過(guò)預(yù)期,并交付美國(guó)戰(zhàn)略司令部投入應(yīng)用。HEO-3有效載荷于2014年被集成至NROL 35衛(wèi)星上發(fā)射升空,目前處于有限的儲(chǔ)存/剩余運(yùn)行模式,HEO-4載荷于2015年交付美國(guó)空軍,該載荷有可能已集成到衛(wèi)星NROL 42上,并于2017年9月發(fā)射入軌[16]。
SBIRS的發(fā)展過(guò)程可分為兩個(gè)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(guó)防支援計(jì)劃(Defense Support Program,DSP)衛(wèi)星組成,以維持原有DSP的功能。1996年SBIRS系統(tǒng)進(jìn)入工程研制階段后發(fā)布了作戰(zhàn)需求文件(Operational Requirement Document,ORD),并于1998年發(fā)布了一個(gè)針對(duì)SBIRS體系級(jí)的試驗(yàn)鑒定主計(jì)劃(Test and Evaluation Master Plan,TEMP)。2001年經(jīng)美空軍試驗(yàn)鑒定中心(Air Force Operational Test and Evaluation Center,AFOTEC)評(píng)估,SBIRS的Increment1具備初始作戰(zhàn)能力,正式列裝。
2002年,由于成本和進(jìn)度問(wèn)題,美國(guó)防部對(duì)SBIRS進(jìn)行項(xiàng)目重構(gòu),分為高軌和低軌兩部分,并將低軌部分移交給導(dǎo)彈防御局管理,更名為“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)(Space Tracking & Surveillance System,STSS)”。高軌部分仍由美國(guó)空軍負(fù)責(zé),繼續(xù)沿用SBIRS的項(xiàng)目名稱(chēng)。
(2)Increment2階段
2003年開(kāi)始Increment2,主要包含一個(gè)由HEO有效載荷、GEO衛(wèi)星和DSP衛(wèi)星組成的空間部分,還包括一個(gè)具有整合處理所有傳感器數(shù)據(jù)功能的地面固定任務(wù)控制站(Mission Control Station,MCS)、備份MCS(MCS-B)以及一個(gè)替代原有移動(dòng)地面系統(tǒng)的可持續(xù)生存發(fā)展(Survivable Endurable Evolution,S2E2)具有移動(dòng)能力的SBIRS。
Increment2的體系架構(gòu)包括:4個(gè)可接收來(lái)自GEO和DSP衛(wèi)星數(shù)據(jù)的中繼地面站(Relay Ground Stations,RGS),并將數(shù)據(jù)傳送給MCS和MCS-B以及一個(gè)提供SBIRS HEO紅外數(shù)據(jù)處理的RGS。Increment2的功能被分解成多個(gè)不同的Block進(jìn)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(duì)DSP、HEO和GEO傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行集成處理。2016年8月,SBIRS Block 10地面系統(tǒng)在成功完成集成試驗(yàn)與鑒定后進(jìn)入作戰(zhàn)使用評(píng)估(Operational Utility Evaluation,OUE)階段,這是Block 10地面系統(tǒng)的專(zhuān)用運(yùn)行測(cè)試階段。為進(jìn)入這個(gè)專(zhuān)用的運(yùn)行測(cè)試,研制、運(yùn)行與試驗(yàn)人員精確地評(píng)估了Block 10地面系統(tǒng)能力就緒水平?;谠囼?yàn)人員的輸入,空軍作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定中心在6月12日開(kāi)始在伯克利空軍基地的任務(wù)控制站進(jìn)行專(zhuān)用運(yùn)行測(cè)試,并于7月16日開(kāi)始測(cè)試施里弗空軍基地的備份任務(wù)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(tǒng)集成了對(duì)美國(guó)導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的運(yùn)行指揮與控制能力,包括DSP衛(wèi)星、SBIRS地球靜止軌道衛(wèi)星和高橢圓軌道傳感器。其主任務(wù)控制站位于伯克利空軍基地。新的地面系統(tǒng)將顯著提高SBIRS系統(tǒng)在導(dǎo)彈預(yù)警、導(dǎo)彈防御、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知、技術(shù)情報(bào)等任務(wù)領(lǐng)域的能力。
SBIRS Block 20進(jìn)一步改進(jìn)了MCS和MCS-B的地面站軟件,優(yōu)化了傳感器數(shù)據(jù)、抑制了背景干擾,以改善對(duì)微光目標(biāo)的探測(cè)能力,并使GEO傳感器能夠提供更好的威脅目標(biāo)跟蹤和影響預(yù)測(cè)。2019年4月至7月,AFOTEC按照作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定局局長(zhǎng)批準(zhǔn)的試驗(yàn)計(jì)劃對(duì)SBIRS的Block 20進(jìn)行初始作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定。2019年8月29日,空軍對(duì)Block 20進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試。
當(dāng)前,SBIRS星座是由2個(gè)HEO有效載荷以及SBIRS GEO在軌衛(wèi)星組成的。因?yàn)橄乱淮^(guò)頂持久性紅外(Next Generation Overhead Persistent Infrared,Next Gen OPIR)項(xiàng)目的啟動(dòng),將對(duì)SBIRS進(jìn)行補(bǔ)充然后取代,所以空軍減少了對(duì)SBIRS空間部分全面作戰(zhàn)能力(Full Operational Capability,F(xiàn)OC)的試驗(yàn),并將在2022年之前發(fā)射完最后的GEO衛(wèi)星,完成星座構(gòu)建??哲娺€將使用Increment2來(lái)運(yùn)行原有的DSP衛(wèi)星直到退役[20-24]。
通過(guò)對(duì)SBIRS試驗(yàn)鑒定工作的梳理分析,不難看出,對(duì)于復(fù)雜程度較高的航天裝備試驗(yàn)鑒定按照一體化試驗(yàn)鑒定思想,采取“小子樣”試驗(yàn)鑒定方法,分階段、分系統(tǒng)迭代開(kāi)展工作,有助于降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn),節(jié)約各項(xiàng)成本,確保航天裝備保質(zhì)、按時(shí)建設(shè)。