天基海洋监视系统的技术分析与发展研究

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纵观近几十年来的高科技局部战争,军事力量的部署与军事打击行动往往都是通过庞大的航母作战编队来完成,如海湾战争、科索沃战争、伊拉克战争等。“料敌先知,方能制敌为先”,通过对舰艇等海洋移动目标的探测和跟踪,可以威慑潜在对手,取得战场先机,对打赢信息化战争、维护国土安全有着重要的意义。

由于地球曲率的影响,广阔的海洋面积(约占地球表面积的71%),以及探测距离和活动范围限制,陆基、海基、空基侦察探测设备存在着探测范围小、发现概率低、虚警率高等缺点,往往不能及时和有效地发现与跟踪海洋移动目标。而天基探测相较于陆、海、空基探测手段而言,具有覆盖范围广、速度快、效率高、不受国界和地理限制等优点。正是由于这种得天独厚的优势,天基海洋监视成为了各军事大国竞相研究的热点和海洋移动目标探测的重要发展方向。

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一、海洋移动目标可探测性分析

⒈海洋移动目标特征

海洋移动目标通常是指在大范围海洋环境中低速运动的目标,主要是指水面舰艇、潜艇、航母编队等。这类目标具有如下三个特征:

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⑴几何特征明显。海洋移动目标几何尺寸较大,长度往往在百米以上,宽度也在数十米量级上;几何外形相对单一,往往呈现纺锥型或者矩形结构;空间分布稀疏,即使在编队行进中也保持着较大的间隔距离。

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⑵运动特征规律。海洋移动目标除在港口停靠外,通常处于低速运动状态。运动方式上,目标运动不是简单的随机无规则运动,而是考虑作战环境、地理限制以及气候条件等进行的有规律有计划的航线运动方式。

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⑶信号特征显著。海洋移动目标往往搭载有多种电子设备,正常工作时会辐射大量的电磁信号,同时目标本身为金属结构,对可见光、雷达波、无线电波的反射特征明显。

⒉海洋环境特点

海洋环境与陆地环境有着显著的区别,主要体现在:

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⑴背景信息相对简单。海洋监视的背景为海平面,在一定的区域和时间内,海水温度、浪高等特征信息变化不大,相对陆地复杂的地貌环境,易于将目标提取并识别出来。

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⑵电磁干扰相对较少。海洋环境范围广阔,除在港口、近海岸等区域外,目标密度比较稀疏,电磁信号环境不像陆地上那样复杂,电磁干扰较少,目标在这样的环境背景下,信号特征显著,易于侦察。

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⑶天气变化相对复杂。海洋是地球气候的调节器,海平面上层空间水汽丰富,云层较多,区域内降水量大且频繁,天气变化很快,风暴较多,对可见光侦察有一定的影响。

⒊可探测性分析

天基海洋监视的主要任务是利用卫星平台对海面舰艇和水下潜艇等目标进行动态监视,实现对目标的发现、定位、识别和跟踪。根据目标自身所处的工作状态,可以将其分为静默和非静默两种模式。结合海洋移动目标特征与海洋监视环境特点分析,以及现有航天器侦察载荷能力,对海洋移动目标的可探测性做出如下分析:

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⑴非静默模式下,目标本身雷达、通讯等电子设备处于工作状态,可以利用电子侦察载荷截获目标发出的电磁信号,对目标进行定位。同时利用信号特征,结合先验信息,还可以对目标进行初步的识别。根据获取的定位信息,结合海面气象信息,可以利用可见光、红外、SAR等成像载荷进行进一步的识别和确认。

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⑵静默模式下,目标本身雷达、通讯等电子设备处于关闭状态,或者辐射电磁信号的能量级、频率等处于侦测能力之外,可以根据位置预测等信息,利用普查型成像载荷进行网格化搜索,发现定位之后再利用高分辨率可见光、红外、SAR等成像载荷进行进一步的定位、识别和确认。

二、天基海洋监视系统关键技术

想要构建完整的天基海洋监视体系,实现有效的天基海洋监视,不仅需要在卫星先进侦察载荷方面进行研究和突破,在卫星运控以及信息处理等应用技术方面也需要进一步的深入研究,下面主要从应用技术角度对实现天基海洋监视的关键技术进行分析。

⒈卫星组网技术

天基海洋监视任务需要多颗多组多类卫星来配合完成,如何设计卫星的轨道以达到更好的覆盖效果,保持稳定的编队构型等这些问题就涉及到一项关键技术——卫星组网技术。

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“天链一号”卫星三星组网示意图

卫星组网设计主要分为三类:星群、星座和编队飞行。星群是最简单的一种组网方式,运行期间不需要进行轨道操作,卫星轨道变化也不影响飞行任务的完成。星座需要通过轨道位置调整来抵消摄动带来的影响,以保持星座结构的稳定。编队飞行需要利用星间闭路控制系统来保持卫星运行的间距和队形。在海洋监视卫星组网设计中主要应用并研究的是星座与编队飞行。通过设计星间闭环控制方法,保持精确编队或者实现知识编队,完成目标定位、测速以及确定航向等工作;通过优化设计卫星的轨道,实现最佳覆盖,最大地发挥系统的侦察监视能力,提高情报的准确性和时效性。

⒉卫星任务规划技术

面对日益增长的侦察任务需求,如何合理管理和分配卫星资源,最大限度地完成天基海洋监视任务就涉及到另一项关键技术———卫星任务规划技术。

卫星任务规划是任务规划理论与卫星应用技术相结合的一门技术。近十几年来,随着卫星任务的复杂化、观测手段的多样化以及观测资源需求的快速发展,卫星任务规划问题逐渐引起了重视,成为了研究的热点。对海洋监视卫星系统而言,其包含多颗多类型载荷的卫星,需要在多星协同任务规划方面展开深入的研究,以实现最大概率、最高效地发现和跟踪目标。同时,由于海洋移动目标的时敏特性以及卫星资源状态、天气任务环境等不确定性因素的影响,需要在动态任务规划方面展开深入的研究,增强规划方案的鲁棒性,更好更快更大地实现任务收益。

⒊目标检测与识别技术

卫星传感器获取到海洋中的电磁信号和海面的图像数据后,如何快速准确地从海量数据中自动提取并识别出舰船等目标就涉及到天基海洋监视的另一项关键技术———目标检测与识别技术。

对于电子侦察载荷截获的电磁信号,通过计算其时差与频差可以对目标进行粗定位,通过分析其电磁信号特征,并与目标数据库信息对比,可以确定目标类型甚至所处平台等信息。对于光学遥感和雷达遥感获取的图像信息,在海洋背景或者海陆背景下,利用灰度阈值法和恒虚警率(CFAR)法等方法,将目标从背景中提取出来,再利用特征提取方法对于目标进行分类识别,最终确定目标的型号。随着信息融合技术的发展,衍生出了多种多源信息综合检测与识别算法,可以更充分地利用侦察载荷能力的互补性,对目标进行更有效的识别。

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长光吉林一号卫星智能化处理后的卫星图像

三、国外天基海洋监视系统发展现状

海洋监视卫星是指用于探测和监视海上舰船、潜艇活动,确定其位置、航向和速度等信息的侦察卫星。海洋监视卫星作为一类特殊的侦察卫星,主要面向的对象为海面上的移动目标,具有为作战指挥提供海洋方向预警、为武器系统提供超视距目标指示以及为海洋目标打击效果提供评估支持等作用,在现代信息化战争中具有不可替代的作用。目前国外只有美国和俄罗斯/前苏联建成了海洋监视卫星系统,其他国家正在积极探索建设。

⒈美国海洋监视卫星系统

美国海洋监视卫星的典型代表为“白云”(White Cloud)系列海洋监视卫星。“白云”系列海洋监视卫星来源于20世纪60年代设立的“海军海洋监视系统”(NOSS)计划,至今为止共发展出了三代“白云”系列卫星。

第一代“白云”(NOSS-1)为电子型海洋监视卫星,又称被动型海洋监视卫星,主要通过使用星载电子侦察设备对海上和水下目标发出的无线电通信与雷达信号进行截获,以测定目标的位置、类型等信息。该型卫星的典型特征是由4颗卫星组成一套天基侦察系统,其中1颗为主卫星,3颗为副卫星,利用多点定位的原理,通过测量卫星接收信号的时间差来计算卫星与信号源的距离,最终定位目标。

第二代“白云”(NOSS-2)又名“海军天基广域监视系统”(SBWASS-Navy),来源于1990年美国提出的“天基广域监视系统”(SBWASS)计划。该计划由于空海军对卫星载荷的极大分歧(空军建议星载雷达,海军建议红外成像传感器)而被拆分成为海军天基广域监视系统(SBWASS-Navy)和空军天基广域监视系统(SBWASS-Air Force)2个部分。第二代“白云”维持了第一代一主三副的卫星簇结构,但已不是单一的电子侦察系统,区别在于主卫星采用了装载有高分辨率光学成像和雷达成像设备的卫星,增强了全天时全天候的侦察能力。第二代卫星还提升了侦收频率的上限,改进了星载仪器间的干扰情况,扩大了目标监视范围。

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美国“海军天基广域监视系统”示意图

由于SBWASS要实现全球覆盖所需的卫星较多,耗资巨大,因此从2000年起,美国国防部将海军和空军的2个独立计划合并为一个系统,即“联合天基广域监视系统”(SBWASS-Consolidated)。新计划强化了卫星的总体侦察能力,兼顾了空海军对战略防空和海洋监视的需求,这也就是第三代“白云”(NOSS-3)卫星系统。与之前两代不同的是卫星改变了原先一主三副的结构,采用了双星组网的方式,运行在高度1100km、倾角63.4°的近圆轨道上,采用时差和频差相结合的定位体制,对海上舰船目标定位精度优于2km。星上除电子侦察设备外,还搭载了雷达和红外成像等多种侦察载荷,集成了海军海洋监视和空军战略防空的侦察需求,具有全天时全天候的全球侦察监视能力。2001年9月8日,该系列发射了第一组试验卫星,之后几乎保持每2年补充发射一组的频率,2017年3月1日,NOSS-3-8A/B卫星成功发射并入轨,截止目前NOSS-3已成功部署了8对16颗,正常在轨工作6对12颗。

三代“白云”海洋监视卫星系统自服役后就成为了美国海军海洋监视的主力军,在多场局部战争和地区冲突中为美军提供了大量珍贵情报。在海湾战争期间,共有4组“白云”海洋监视卫星在轨运行,为美军提供了大量海湾地区海上和陆上信号情报,为“战斧”巡航导弹提供了大量的目标位置信息。在科索沃战争期间,担负了监视南联盟和俄罗斯的舰艇活动的任务。在伊拉克战争期间,与“军号”、“水星”、“顾问”等电子侦察卫星配合,作为长期值守平台,对战场进行侦察监视。在叙利亚战争期间,随着俄罗斯海军舰艇的密集调动以及在叙利亚近海的大量集结,“白云”卫星担负了监视俄海军舰艇的重大职责。

⒉俄罗斯/前苏联海洋监视卫星系统

前苏联海军最早于1959年便提出了海洋监视卫星的需求,1961年3月在苏共中央与苏联部长会议上得到了正式批准。该卫星计划被命名为US,系俄语“可控卫星”的缩写。US卫星有2种:主动式雷达型US-A/RORSAT和被动式电子型US-P/EORSAT。

US-A型卫星运行在平均225km、倾角65°的轨道上,采用双星组网的方式,利用星载大功率X波段雷达对海面目标进行主动式探测搜索。由于星上采用小型核反应堆作为供电来源,存在泄漏隐患,且发生过坠毁污染事故,迫于国际压力,前苏联放弃了US-A的后续发射计划,于1988年终止了该项目。

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US-A型侦察卫星

US-P是电子型侦察卫星,能截获海面舰船发出的无线电信号和雷达信号,采用单星基线干涉相位比较法对目标进行定位。US-P卫星可以单独使用,更多情况下是和US-A型配对使用,发挥互补作用,实现对静默和非静默状态下目标的有效侦察,并为武器系统提供目标打击数据。英阿马岛战争期间,前苏联密集地发射了几颗海洋监视卫星,有资料显示这些卫星可能参与了观测马岛战争,并将获取的情报信息提供给阿根廷军队,在阿军击沉“谢菲尔德”号驱逐舰的作战行动中发挥了重要作用。但自苏联解体后,俄罗斯受制于经济状况,无法维持庞大的军费开支,目前仅保持有被动型US-P在役。

⒊其他国家海洋监视卫星

鉴于海洋监视卫星在军事领域的巨大应用价值,许多军事强国都开展了相关的技术研究,努力建设自己的天基海洋监视系统。

日本作为一个岛国,海洋权益是其国家根本利益之一,加上其与周边诸国多有领土领海权益之争,因此十分重视海洋监视卫星的发展。自20世纪80年代起,日本就开始研发天基海洋遥感技术,并于1987年发射了第一颗海洋观测卫星MOS-1a,之后又陆续发射了多颗海洋观测卫星,甚至计划发射9颗卫星专门“应对他国船只侵入日本领海”,构建24小时监控海洋的能力。

除了日本之外,韩国、印度、加拿大、欧盟等国家和地区也在发展了多种海洋观测卫星,但这些卫星主要应用在商业和民用范围,没有形成卫星系统,与军事应用的技术指标差距较大,还不能有效地监视舰艇等海洋移动目标。

四、天基海洋监视系统发展趋势

美国在太空中不仅部署有海洋监视卫星系统,还有高分辨率成像侦察卫星系统和高灵敏度电子侦察卫星系统,其对海洋移动目标的监视不是仅仅依赖于海洋监视卫星系统,而是通过其强大天基侦察监视能力,利用多类卫星系统协同完成海洋目标的监视任务。俄罗斯由于经济发展不景气,海洋监视卫星的发展停滞不前,已呈现逐年下降的趋势,但仍然保有以电子侦察为主体的一定的海洋监视力量。纵观美俄等国的天基海洋监视系统发展历史,可以发现随着各项关键技术的突破,天基海洋监视系统有如下发展趋势:

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⑴向多载荷、多功能卫星平台发展。

从美国的海洋监视卫星发展历程来看,卫星由单一的电子信号侦察卫星逐渐向载有可见光、红外、微波等多类型载荷的多功能卫星转变,以求获取更精确更全面的情报信息。

同时,美国还研制了诸如“8X增强型成像系统”、第五代电子侦察卫星“入侵者”系列卫星等多载荷多功能卫星,能以强大的成像、电子侦察能力有效支援海洋监视任务。

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⑵向分布式、模块化的微小侦察卫星平台发展。

微小卫星平台作为一种灵活的太空资源,具有快速响应、高可靠性、低成本等多种优势。通过多颗不同载荷的微小卫星组成星座,可以大幅缩短目标重访周期,完成复杂侦察任务,满足对战场、甚至全球的高时效侦察。海洋移动目标作为时敏目标,对侦察时效性要求极高,大规模的微小卫星组网在战时能快速发现目标并进行实时监视侦察,可以有效缩短打击时间,提升打击精度。目前美军正在实施的“未来成像体系结构”和“战术星”计划就属于此类,在组成星座后,这些微小卫星系统可直接向战区提供战术情报,向战场指挥员提供战场态势图像,实现“从传感器到射手”的快速计划与精确打击。

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俄罗斯将发射秃鹰-FKA雷达小卫星示意图

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⑶深入与民用商用卫星合作,获取高分辨率侦察信息。

对比未来的军事航天侦察需求,即使处在世界领先地位的美军,目前的能力也与之存在很大的差距。商业遥感卫星技术水平的提升,为满足军事需求提供了新的选择和补充能力。美国行星公司的“鸽群”(Flock)卫星在轨数量超过190颗,能以“永远在线”的方式提供3~5m分辨率的卫星遥感图像。数字地球公司的商业成像卫星系统“世界观测”(World View)全色分辨率甚至达到了0.31m,逼近美国最先进的军事成像卫星的水平,目前美国国防部已与这些公司建立了深入的合作关系,利用商业卫星来满足不断增长的军事需求。

五、结束语

构建天基海洋侦察监视系统,完善海洋侦察监视能力已成为亟需研究和发展的热点。在发展过程中,应充分借鉴国外天基海洋监视系统发展经验,结合应用需求,找准发展方向,对关键技术进行攻关,取长补短、固强补弱,建设强大的天基海洋监视系统。

原文始发于微信公众号(溪流之海洋人生):科技动态▏天基海洋监视系统的技术分析与发展研究

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