【深度】天基预警控制系统总体构架研究

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【深度】天基预警控制系统总体构架研究

From 张晓波学术plus 2019-03-28

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今日荐文

今日荐文的作者为中国电子科学研究院专家张晓波。本篇节选自论文《天基预警控制系统总体构架研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第13卷第1期。

摘要：相比于空基预警机装备，天基平台具有飞行高度高，不受国界限制，可长时期对重点区域监视的特点。提出了一种天基预警控制系统总体架构，具有信息多手段获取、处理、识别、分发、指挥控制的快速应用能力，可直接支持作战。以航天飞机配以伴星的方式作为载荷的平台，以多功能综合、多传感器融合、在轨信息处理为基本特征，设计了七项基本功能、六项综合功能、综合化的载荷硬件平台，提出了系统的六项关键技术。该天基预警控制系统可以与空基信息装备、地面控制系统天空地一体的执行作战任务。

关键词: 天基预警控制系统; 数字阵列技术; 卫星数据链; 软件定义功能

引言

无线电探测与侦察是利用电磁波的直线传播，要想让探测与侦察得更远，就必须增高平台距离地面的高度，空中预警机随之诞生。现代预警机装备有先进的监视雷达、电子侦察、敌我识别、通信、导航、指挥控制和电子/通信对抗等多种电子系统，不仅能及早发现和监视空中和海面目标，还能对武器进行引导和控制。

现有的空基预警机装备，由于受视距的影响和活动范围的限制，难以实现远海监测。而天基平台飞行高度高，活动范围广，不受国界限制，可长时期对重点区域监视。航天飞机轨道器长37米，翼展24米，飞行时间为7到30天。充分利用航天飞机的空间尺度和飞行时间，设想将航天飞机作为天基预警控制系统的飞行器平台，不仅可用于对全球热点区域的态势感知，还可与空基预警机、战斗机、无人机形成空天一体的作战体系，提升体系作战能力。

国外针对单平台多功能综合的天基预警控制系统鲜有报道，主要是发展单传感器卫星。美国正研制第5代电子侦察卫星，增强星上的信号处理能力，提高抗干扰能力是未来的发展趋势。美国天基红外预警系统（SBIRS）技术特点是多卫星组网，采用了多色多传感器多种探测手段结合、多种轨道卫星组网，并与其他系统联合，以扩展红外预警卫星系统能力。

本文以多功能综合、多传感器融合、在轨信息处理为天基预警控制系统的基本特征，形成信息获取、处理、识别、分发、指挥的快速应用能力，加强战术应用，直接支持作战。本文从天基预警控制系统的基本功能、综合功能、实现架构、关键技术等方面介绍。

1. 基本功能

综合应用需求和工程可行性，天基预警控制系统需要具有多手段探测、侦察、识别、指挥的能力。天基预警控制系统的任务功能为全球范围遂行雷达辐射源侦察、通信情报侦察、微波成像侦察、光学成像侦察、雷达探测、目标识别、指挥控制、在轨快速处理等任务，获取地面目标、空中目标、海上舰船目标特征参数、位置信息、影像，进行目标身份的识别，通过长期积累掌握地面、空中、海战场目标活动态势。

1.1合成孔径雷达

合成孔径雷达以其高分辨力和全天候、全天时、大面积数据获取能力而成为世界各国普遍重视的成像侦察手段，尤其对传统光学传感器成像困难的地区有特别的意义。使用数字波束形成的合成孔径雷达在每次扫描中可以同时形成不同的子孔径结构，从而具有同时形成不同波束以及在波束间快速切换的能力，可根据需求实现条带、聚束、扫描、马赛克、GMTI、干涉等多种模式或同时实现多种模式工作，并可同时实现对地观测、通信、电子对抗等多种任务，在多功能载荷方面具有很好的兼容性。

1.2天基监视雷达

对地球进行大范围的监视，完成对多目标的探测和跟踪。目前隐身飞机的隐身设计集中在中下部，使得雷达的入射波不能返回到入射方向来达到隐身目的，而它的上部考虑得很少，因此这些飞机对于天基预警雷达的隐身效果非常有限，目标的雷达散射面积可大幅增加，进而减少对功率孔径的需求，减小工程难度。工作方式为地面动目标显示（GMTI）和空中动目标显示（AMTI）。其实现体制有单基地体制和双基地体制两种。

单基地体制属于传统雷达探测技术体制，具有理论丰富、技术研究全面等优点，其不足是雷达对功率孔径积的需求巨大，载荷对平台重量、功耗、体积等资源需求都很大，大型轻型可折叠展开的薄膜有源相控阵天线研究难度很高。

双基地是指收发装置分置的雷达系统，发射装置位于空间，接收装置位于机载或地面，以此来减少雷达对功率孔径积的需求巨大，可执行区域部分战术功能。有星－空双基地（卫星发射、机载设备接收）和星－地双基地（卫星发射、地面设备接收）两种方式。双基系统的优越性在于减小了天基平台的功率孔径需求和提升了抗干扰能力，但也给系统的实现带来了困难，如收发必须要有统一的时间标准，必须同时照射同一区域，必须保证跨平台的信号相位相参。

1.3可见光、红外成像雷达

通过红外与可见光的配合进行空中目标的广域搜索探测与连续跟踪监视。红外波段获取空中目标红外辐射信息，根据目标辐射特性，判断空中目标的类型，实现对空中目标实施全天时搜索探测和跟踪。可见光利用其高分辨的成像能力，识别空中目标的外形轮廓信息，可以实现对战斗机的目标识别任务。

1.4雷达辐射源侦察

由于雷达的广泛应用，许多作战飞机、舰艇、战车和作战单位都配有一定数量的雷达。雷达辐射源侦察系统是利用侦察、侦收和测向定位设备，搜索与截获敌方的雷达辐射源信号，分析其技术参数和特征，获取电磁目标情报，包括辐射源及载体的类型、用途、分布状态、配置变化与活动状态等情况，一方面为电子战和战场频谱管理提供情报支持，另一方面为各级作战部队提供战略与战术情报。

1.5通信情报侦察

通信情报侦察系统是以敌方通信电台为侦收目标，以电台信号为侦测对象，通过信号搜索与截获等方式，实现对敌方通信信号的检测、识别、信息提取和解译等，以获取敌方通信信号的内涵信息，查明敌方通信网络电台的分布和活动规律，掌握敌方军事、政治、经济动态和企图。

1.6目标识别器

该系统由询问机发出一个无线电询问信号，目标应答机接收询问信号。船只自动识别系统（AIS），能够实现船只识别、跟踪、防碰撞功能，支持高效海事交通管理，将AIS询问就安装到天基预警控制系统上，可实现对全球船只的跟踪识别。广播式自动相关监视技术（ADS-B）是一种基于卫星定位，实现对空中飞行器进行监视和追踪的空管新技术，将ADS-B 收发信机安装到天基预警控制系统上，通过其ADS-B设备接收飞机发送的ADS-B报告，再下传给地面相关实体，从而实现对飞机的全球飞行追踪和实时监控。

1.7卫星数据链分发

卫星数据链是利用通信卫星所特有的广播特性，采用特殊的通信协议和消息格式，实时传递指挥、控制、情报、战场态势等信息，提供面向指挥所、作战部队和武器平台之间广域链接的数据链系统。天基预警控制系统采用两种方式将获取处理的信息分发，一是星-星-地数据链，天基预警控制系统广播数据，通过同步轨道的通信/中继卫星传送到地面或空中用户，实现24h不间断的侦察情报的传输；二是星-地数据链，天基预警控制系统广播数据，直接分发给地面或空中用户，实现过顶时间的侦察情报的传输。

2. 综合功能

2.1天基预警控制系统综合探测

协同探测是对多传感器资源进行优化分配是传感器管理核心问题之一。基于天基预警控制系统的光学成像、微波成像、监视雷达、电子侦察、询问识别等多传感器协同管理框架，通过协同管理任务效果的预估计，计算确定协同的策略，得到各种具体特性的最优度量值。传感器之间彼此调度完成信息整合和反馈，实现从协同机会的发现到协同过程的管理，得到各种具体特性的最优度量值，提高系统探测概率和探测精度。在现有芯片计算能力下，利用多传感器在轨融合识别目标的时间可在秒级或分钟级（不同类型传感器有所不同）完成，随着硬件能力的提升，时间还可进一步缩短。

2.2空天一体协同感知

1）大范围战场态势感知

提供更大范围（沿飞行轨道5000km）的战略战术情报，扩大空基预警机等信息装备的时域空域态势感知范围。

2）远程打击效果评估

空基预警机或打击武器提供被打击目标的位置信息，牵引天基预警控制系统上的成像传感器过顶成像，进行打击效果评估。

3）空天一体联合抗干扰

空基预警机等信息装备的侦察情报牵引天基预警控制系统的成像传感器确认，可用于对抗欺骗干扰，剔除假目标。

4）空天一体联合探测隐身目标技术

空基预警机等信息装备将先验侦察的情报送给天基预警控制系统，指引其过顶时的扇区搜索跟踪，从顶部探测隐身目标，提高对隐身目标的探测能力。

2.3复杂电磁环境感知

复杂电磁环境是指在一定的空间内，由空域、时域、频域、能量上分布的多类型、全频谱、高密度、动态交迭的电磁辐射信号构成的电磁环境。天基预警控制系统利用已有的宽频带阵面天线，监测陆海空天的电磁环境状况、用频情况、电磁变化、能量强度，不仅可实现区域电磁频谱感知，而且能够提升装备在复杂电磁环境下的适应能力。

2.4网络信息攻防

利用网络攻击技术、安全防护与检测技术、网络安全仿真技术、网络隔离技术、网络评估技术、密码攻防技术、隐身攻防技术等，天基预警控制系统接入敌方的通信网络系统，形成网络攻击、网络防御和信息内容安全的能力。

2.5人在回路的指挥控制

现代作战是体系与体系之间的对抗，将指挥所设在天基预警控制系统上，指挥员在轨指挥，将各作战单元组织成一个有机的整体，形成一个有序的作战体系，实现战斗力的倍增。可以发挥天基预警控制系统的实时处理能力，对战场信息实时进行分析处理，根据威胁目标的性质，从中确定重点攻击目标，提供攻击建议方案，并通过天基数据链传送到作战单元，实现作战力量向体系力量的跨越，提高各作战平台的整体作战能力。

3. 实现架构

3.1航天器选择

选用低轨飞行的航天飞机，配以伴星的方式作为载荷的平台，与空基信息系统、地面控制系统天地一体的执行作战任务。

3.2载荷系统

图2是综合化载荷系统，将硬件进行了综合孔径、综合传输、综合信号数据处理、综合监控与调度等四个方面的综合。综合化载荷系统有6个方面的特点，一是前端宽开化，“宽开”意味能在足够宽的频段工作，能够根据功能要求，切换到使用频段。二是中频宽带化，适应各种不同带宽无线电信号。三是硬件通用化，硬件的通用化是功能软件与硬件平台解耦合的基础。四是功能软件化，功能通过软件来实现，功能软件与硬件平台是一种“动态绑定”的关系。五是软件构件化，构件可以随技术的发展进行在线升级和动态重构。六是动态可重构，硬件资源可以根据功能需求灵活进行分配调度。

4. 关键技术

4.1数字阵列技术

数字阵列技术是一种以数字技术来实现波束形成的技术，保留了天线阵列单元信号的全部信息，用先进的数字信号处理技术对阵列信号进行处理，以获得优良的波束形成性能，根据需要既可实现任意指向的高增益窄波束，也可实现全区域覆盖的宽波束，也可形成同时多波束。结合灵活的时间与功率管理优点，为实现孔径综合、雷达、对抗、通信等功能的一体化提供了基础。将先进的数字阵列技术运用在天基预警控制系统中，需要解决在空间应用环境下，二维有源数字阵列天线的宽带化、小型化以及轻量化设计等技术难题，实现多功能、小型化、高效率、高集成、高可靠的有源天线。

4.2软件定义功能技术

航天领域传统的载荷通常以各个独立设备为基本单元构建“联合式”系统，由于该系统的功能与物理设备高度耦合，很难增加新的功能，不具备功能扩展与升级能力。而“软件定义功能”技术，通过在可扩展、可升级，即插即用的硬件平台上加载不同的功能软件，实现不同的应用任务，使系统具备功能升级、扩展、重构的能力，逐步实现天基预警控制系统的多传感器融合和多功能综合，需要解决各个功能的软件构件化设计、可视化动态部署与重构技术。

4.3海量数据星上处理技术

宽带数字阵列波束形成的数据量是惊人的，总的数据率正比于通道数目、信号带宽和观测带宽度。将数据全部下传到地面再进行处理，在一定的时期内难以实现，数据处理子系统在星上完成实时处理过程是必要的。

多源信息融合处理与协同工作，需要多源信息配准，选择模型属性参数、相关目标的属性、传感器特性、背景特性等，完成融合处理，驱动相应的传感器执行相应的对地观测。

4.4多传感器协同融合技术

天基预警控制系统需要整合多种侦察探测能力，在统一的时空基准下，通过多种信息融合开展多手段协同探测与识别，提高战场态势感知能力，提高战场情报信息实时获取能力，具有时效性强、确认概率高、数据在轨全自动处理的特点。通过对多传感器协同探测获得的数据的结构特征（目标二维投影的长度、宽度、周长和面积等）、统计特征（均值和均方偏差等）、空间特征（方向、位置、速度和距离等）和辐射参数信号特征进行相关分类、特征匹配等综合分析来确定目标的属性，得到识别结果。

4.5抗干扰技术

天基预警控制系统工作时，必然会受到敌方有意的各类有源、无源、欺骗、假目标和组合式干扰。因此要从空域、频域、时域考虑抗干扰措施。空域抗干扰方面，旁瓣对消技术调整波束零点对准干扰源方向，旁瓣匿隐借助全向辅助天线和通道通过与主通道信号的幅度比较实施干扰抑制。频域抗干扰方面，包括频率捷变、射频掩护、频率分集和多频段合成。时域抗干扰方面，工作时避开干扰信号，或者让干扰系统不能准确判断工作时序，包括各种变重频参差、重频抖动等。

4.6自卫技术

传统卫星轨道相对固定，容易遭敌方反卫星武器攻击。天基预警控制系统的飞行器需要提升自卫能力，一方面是安装告警系统和干扰系统，告警系统根据自身安装的告警传感器获取信息进行告警，给出的威胁告警信息，按照设置做出相应的自动干扰决策，如快速投放诱饵小卫星，欺骗敌方反卫星武器错误命中；另一方面，飞行器需要具有空间机动飞行的能力，具备可重复使用、在轨机动、自主导航的能力，必要时可迅速离轨返回地面。

5. 结论

本文提出了一种以多功能综合、多传感器融合、在轨信息处理为基本特征的天基预警控制系统，形成具有信息获取、识别、处理、分发的全链路能力的七项基本功能，具有综合探测、空天一体协同感知、复杂电磁环境感知、网络信息攻防、人在回路的指挥控制等五项综合功能，具有资源集约型软硬件架构的天基预警控制系统总体架构，给出了系统实现的六项关键技术。

（参考文献略）

拓展阅读 美国国土安全部《网络空间安全战略》

美国空军如何应对赛博竞争（长文）