高軌衛(wèi)星平臺被動防護(hù)體系及相關(guān)技術(shù)研究

馬曉兵，魏 強(qiáng)，周 江，韓慶虎

(中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，外層空間利用已逐漸成為各國關(guān)注和發(fā)展的重點方向，涉及國家安全、國家利益和科技水平的展開。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于具有覆蓋范圍廣、通信距離遠(yuǎn)、傳輸質(zhì)量好、部署迅速、組網(wǎng)方便、不受地理環(huán)境條件限制等特點，已成為現(xiàn)代高科技信息時代重要的組成部分。目前全球在軌通信衛(wèi)星已經(jīng)達(dá)到數(shù)百顆，部署在全球多種軌道，包括GEO、LEO和HEO軌道，可全面覆蓋地表各個位置；全面覆蓋UHF、SHF和EHF、Ku、Ka頻段，支持窄帶(移動)、寬帶和防護(hù)要求等各種通信需求的應(yīng)用。高軌衛(wèi)星平臺所承載的通信衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星等是實現(xiàn)衛(wèi)星通信和其他在軌服務(wù)的關(guān)鍵所在，具有附加值高、服務(wù)壽命時間長、任務(wù)連續(xù)性要求高等特點。

來自地基、天基以及空間的各種不同類型的威脅，包括激光、微波、空間碎片、動能等各種不同形式,將日益對衛(wèi)星通信及其他在軌服務(wù)構(gòu)成不同程度的影響，非常有必要進(jìn)行空間安全與防護(hù)技術(shù)的研究，并加以應(yīng)用到衛(wèi)星平臺中。

美國2010年啟用的“先進(jìn)極高頻”(AEHF)衛(wèi)星,是基于洛克希德·馬丁公司的A2100M平臺研制，該平臺的主要特點為：較高的自主生存能力(半年以上)；強(qiáng)抗干擾能力；抗激光告警和防護(hù)能力；采取了抗輻射加固設(shè)計；高的軌道機(jī)動性能，能躲避敵方反衛(wèi)武器的攻擊。

當(dāng)前國內(nèi)同步軌道衛(wèi)星平臺基本為“DFH系列衛(wèi)星平臺”，該平臺是實現(xiàn)軍用、民用高軌衛(wèi)星通信的重要平臺。該系列平臺基本上是基于民用技術(shù)體制建設(shè)，與美國等衛(wèi)星防護(hù)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用水平相比，安全防護(hù)技術(shù)在有關(guān)型號中只是得到初步應(yīng)用，衛(wèi)星平臺的防護(hù)能力尚存在較大差距，還不能滿足未來高軌高價值衛(wèi)星的應(yīng)用需求。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：通信衛(wèi)星僅在信息傳輸鏈路的安全與防護(hù)方面采取了一定的措施，對于自身受攻擊時的防護(hù)沒有加以考慮，無法適應(yīng)應(yīng)對未來空間威脅的要求；通信衛(wèi)星毀傷與防護(hù)技術(shù)的研究工作的重點集中于對于空間環(huán)境的防護(hù)方面，對于人為攻擊活動的防護(hù)研究非常少。

本文主要通過對高軌衛(wèi)星空間系統(tǒng)所面臨的主要威脅進(jìn)行調(diào)研和分析，提出高軌衛(wèi)星的被動防護(hù)體系和框架，結(jié)合相關(guān)單項防護(hù)技術(shù)的研究，給出后續(xù)所需要研究的關(guān)鍵技術(shù)。

1 空間主要威脅及防護(hù)需求分析

1.1 空間系統(tǒng)所面臨的主要威脅

通過對空間航天器目前所存在的主要威脅進(jìn)行調(diào)研和分析，空間系統(tǒng)所受到的攻擊主要可分為信息鏈路(星地、星星)的干擾和衛(wèi)星本身的攻擊。其中對系統(tǒng)鏈路的攻擊方式技術(shù)難度相對較小，而且對所攻擊系統(tǒng)不造成物理性破壞，具有較強(qiáng)的隱蔽性，主要包括干擾、侵?jǐn)_等。對衛(wèi)星本身的攻擊主要包括射彈武器、波束武器、強(qiáng)電磁脈沖(核磁暴)、空間地雷等等。

可能的主要攻擊方式如表1所示。

表 1 空間系統(tǒng)可能的受攻擊方式

因此，目前空間主要外來威脅可歸結(jié)為以下幾類：激光攻擊、電磁脈沖攻擊、動能武器攻擊、通信鏈路干擾等。

1.2 衛(wèi)星的防護(hù)需求

鑒于上述的各種空間系統(tǒng)所面臨的威脅和潛在攻擊，重要的衛(wèi)星系統(tǒng)需要從多種方面來進(jìn)行有效的防護(hù)，確保衛(wèi)星正常使用。

衛(wèi)星防護(hù)分為兩個方面：衛(wèi)星本身的防護(hù)與信息鏈路的防護(hù)。前者針對航天器自身，通過各種手段保證航天器的完整與正常發(fā)揮功效；后者針對星間及星地的信息傳輸鏈路，采用各種措施保證信息傳輸?shù)捻槙场踩?/p>

從安全防護(hù)方式上一般分為兩種，即被動式和主動式。所謂被動式防護(hù)，即通過增強(qiáng)己方衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性和所提供信息的存活能力來抵御敵方的攻擊。被動式防護(hù)中可能采取的措施包括提高衛(wèi)星器件的存活能力和衛(wèi)星機(jī)動能力，采取電磁輻射屏蔽以及偽裝等。

目前,衛(wèi)星和鏈路的主要安全防護(hù)措施如表2所示。

表2 衛(wèi)星及鏈路的主要防護(hù)技術(shù)

以美國為代表的發(fā)達(dá)國家在這方面的研究主要側(cè)重于主動式和被動式相結(jié)合。提出了一個“專用空間對抗防護(hù)器”(DDCV)的概念，它是主動式和被動式防護(hù)技術(shù)的綜合。在主動式方面，要求它具備探測、跟蹤、識別、攔截和破壞對方攻擊力量的能力。它所采用的被動式技術(shù)包括在波束武器的防護(hù)中要充當(dāng)衛(wèi)星的保護(hù)屏障,還要能采取偽裝等措施來迷惑敵方的探測、跟蹤、識別和攔截等等。

2 高軌衛(wèi)星被動防護(hù)總體框架

1)高軌衛(wèi)星的特點分析

高軌衛(wèi)星一般由平臺和載荷兩部分構(gòu)成，衛(wèi)星平臺包括供電、熱控、姿軌控、推進(jìn)、遙測遙控及數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)，為衛(wèi)星有效載荷和衛(wèi)星在軌控制提供必要的保障服務(wù)。

一般高軌衛(wèi)星配置大推力的發(fā)動機(jī)從而具有較強(qiáng)的軌道機(jī)動能力，配置有較強(qiáng)的綜合電子管理系統(tǒng)和姿軌控系統(tǒng)從而可以使衛(wèi)星具有自主運算和自主工作的能力，具有較多的太陽能能源供給和較大的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)承載能力,允許在高價值目標(biāo)衛(wèi)星上增加被動防護(hù)所需的資源。因此在高軌衛(wèi)星上結(jié)合通用的衛(wèi)星平臺配置有針對性地增加防護(hù)項目是可行的。

2)被動防護(hù)總體思路與框架

在充分調(diào)研同步軌道衛(wèi)星面臨的主要威脅和國外衛(wèi)星防護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出被動防護(hù)總體思路是：

①充分利用現(xiàn)有衛(wèi)星平臺的資源；

②在軌了解和探測威脅，即需要配置目標(biāo)感知和識別系統(tǒng)；

③在威脅源識別后，通過星上防護(hù)決策系統(tǒng)(可在地面系統(tǒng)配合下)進(jìn)行防護(hù)方案選擇，針對威脅發(fā)出指令，啟動防護(hù)措施；

④根據(jù)星上的防護(hù)指令，防護(hù)執(zhí)行系統(tǒng)啟動，對相應(yīng)的威脅進(jìn)行處理，如通過啟動大推力發(fā)動機(jī)在姿軌控系統(tǒng)的配合下進(jìn)行在軌高機(jī)動以進(jìn)行規(guī)避，或通過短時啟動敏感器防護(hù)罩以規(guī)避激光的攻擊和干擾。

根據(jù)以上的防護(hù)思路，提出高軌衛(wèi)星平臺被動防護(hù)總體框架如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星平臺被動防護(hù)總體方案框架

總體框架由“通用平臺”、目標(biāo)識別系統(tǒng)、防護(hù)決策系統(tǒng)、防護(hù)執(zhí)行系統(tǒng)和純被動防護(hù)系統(tǒng)等五大系統(tǒng)組成。對于防護(hù)體系來說，核心是在通用平臺的基礎(chǔ)上，融合目標(biāo)識別、決策及執(zhí)行等幾大系統(tǒng)的協(xié)同工作。

3)目標(biāo)識別系統(tǒng)

目標(biāo)識別系統(tǒng)包括監(jiān)視與感知子系統(tǒng)、激光告警子系統(tǒng)、強(qiáng)電磁探測子系統(tǒng)等。其主要功能和任務(wù)是：

① 針對在平臺周圍空間一段時間駐留、伴飛監(jiān)視、隱蔽接近攻擊或交會攻擊的這一類非合作目標(biāo)進(jìn)行探測和識別。

② 快速探測敵方激光威脅的存在。為采取相應(yīng)反制措施清除或規(guī)避威脅，提供信息支援，有效保障設(shè)備免遭干擾或毀傷。

③ 電磁脈沖探測航天內(nèi)部空間電磁脈沖、航天器表面瞬態(tài)脈沖事件及其強(qiáng)度。為航天器在軌提供異常事件記錄并參與防護(hù)決策，電磁脈沖探測可以分為兩個部分：探測星表電磁脈沖以及微波載荷入口處電磁脈沖。

4)防護(hù)決策系統(tǒng)

防護(hù)決策系統(tǒng)實時監(jiān)測目標(biāo)識別系統(tǒng)的報警信息以及地面引導(dǎo)信號，當(dāng)出現(xiàn)報警信號后專家知識庫判讀干擾類型并排除虛警信息后，提交防護(hù)任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)進(jìn)行最佳防護(hù)策略設(shè)計，根據(jù)規(guī)劃結(jié)果啟動主動防護(hù)執(zhí)行系統(tǒng)或被動防護(hù)系統(tǒng)，待威脅解除后重新恢復(fù)正常平臺工作狀態(tài)。防護(hù)決策系統(tǒng)重點是對目標(biāo)識別系統(tǒng)的感知結(jié)果進(jìn)行有效的信息融合，并制定最佳防護(hù)策略確保整星影響最小。

5)防護(hù)執(zhí)行系統(tǒng)

包括激光防護(hù)執(zhí)行子系統(tǒng)、軌道機(jī)動執(zhí)行子系統(tǒng)、其他防護(hù)執(zhí)行子系統(tǒng)等。在目標(biāo)識別系統(tǒng)和防護(hù)決策系統(tǒng)的支持下，對衛(wèi)星遭受或即將遭受的各種威脅采用防激光、防強(qiáng)電磁干擾或軌道機(jī)動等方式進(jìn)行防護(hù)和規(guī)避，保障衛(wèi)星的安全。未來裝備正在研制和論證，在軌服務(wù)裝備正朝著體系化方向邁進(jìn)。因此，當(dāng)前正是在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)建設(shè)的最佳時機(jī)，在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的建設(shè)刻不容緩，未來也必將發(fā)揮重要作用。當(dāng)前，在系統(tǒng)建設(shè)過程中還有很多有待論證解決的具體問題，需要隨著裝備的發(fā)展不斷探索和完善。■

3 高軌衛(wèi)星被動防護(hù)體系關(guān)鍵技術(shù)規(guī)劃

被動防護(hù)方案的實現(xiàn)需要攻克諸多的關(guān)鍵技術(shù)，在單項關(guān)鍵技術(shù)成熟的情況下與衛(wèi)星平臺進(jìn)行有效的融合，成為平臺系統(tǒng)的一部分，才能實現(xiàn)真正的防護(hù)目的，衛(wèi)星被動防護(hù)體系的關(guān)鍵技術(shù)包括：

1)監(jiān)視與感知技術(shù);

2)激光告警與防護(hù)技術(shù)；

3)抗強(qiáng)電磁脈沖生存技術(shù)；

4)在軌高機(jī)動規(guī)避技術(shù)；

5)基于被動防護(hù)材料的綜合防護(hù)技術(shù)；

6)關(guān)鍵防護(hù)項目與衛(wèi)星平臺的融合技術(shù)；

7)平臺防護(hù)決策及任務(wù)規(guī)劃技術(shù)。

4 結(jié)束語

本文通過對高軌衛(wèi)星在軌所面臨潛在威脅分析，探討了高軌衛(wèi)星迫切的防護(hù)需求。在單項技術(shù)初步研究的基礎(chǔ)上，提出了高軌衛(wèi)星被動防護(hù)體系的總體框架，并對防護(hù)體系中需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)提出了初步規(guī)劃，為后續(xù)高軌衛(wèi)星平臺的防護(hù)研究奠定基礎(chǔ)?！?/p>