航天装备试验鉴定案例分析
——天基红外系统

2021-06-13 17:30郭凯胡旖旎

航天返回与遥感 2021年2期

郭凯胡旖旎

（北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094）

0 引言

航天装备试验鉴定是指通过规范化的组织形式和试验活动，对其技术性能和使用效能进行全面考核并独立作出评价结论的综合性活动，贯穿于航天装备发展的全寿命阶段[1]。由于航天装备属于复杂大系统工程，包括航天器、运载器、地面支持单元、各子系统接口等，具有规模庞大、系统复杂、技术密集等特点。航天装备天基部分在轨开展试验鉴定成本高、难度大、风险多，为此，美军在对标准武器装备试验鉴定程序剪裁的基础上，建立了适用于“小子样”航天装备的试验鉴定方法，形成了具有航天装备特点的试验鉴定程序[2-4]，比如：美军的天基红外系统（Space-Based Infrared System Program，SBIRS）。

1 SBIRS试验鉴定程序

SBIRS是由美空军空间与导弹系统中心负责管理的新一代导弹预警卫星系统，分为空间和地面两部分：空间部分包括地球同步轨道（Geosynchronous Earth Orbit，GEO）卫星和大椭圆轨道（Highly Elliptical Orbit，HEO）卫星；地面部分包括主用和备用控制站、主用和备用中继站、固定式和移动式处理系统等。SBIRS主要承担导弹预警、导弹防御、战场态势感知和提供技术情报四类任务，具体包括：提供更快、更准确的战略和战区导弹发射报告；为导弹防御系统作战能力提供有效支持；分析各类红外信号的特征数据以进行快速判别；更好地了解战场态势，为打击任务规划、作战力量防护提供支持等。其中，GEO卫星主要用于探测和发现处于助推段的弹道导弹，HEO卫星则将该系统的导弹预警覆盖范围扩展到北极[5-8]。

SBIRS的试验鉴定采用“计划-预测-试验-对比”理论，针对每一采办阶段具体的试验展开迭代活动。具体可划分为确定试验目标、试验前分析、试验、评估和报告、判断试件是否满足用户要求、改进或修正等6个步骤，如图1所示。

图1 SBIRS试验鉴定程序Fig.1 The Test & Evaluation Procedure of Space-based Infrared System Program

（1）确定试验目标

确定试验目标的主要工作包括：组建一体化试验组（Integrated Test Team，ITT）；明确试验项目内容；制定试验要求和试验保障要求。首先建立ITT，ITT必须由用户、承包商、系统项目办的项目经理、研制试验鉴定主管部门的试验主任以及其他参与研制和作战试验的组织机构的代表等组成。

步骤1的输入文件主要包括：任务需求书（Mission Needs Statement，MNS）、作战要求文件（Operational Requirements Document，ORD）/需求相关矩阵（Requirements Correlation Matrix，RCM）、作战企图（Concept of Operations，CONOPS）、系统威胁评估报告（System Threat Assessment Report，STAR）、成本与作战效能分析（Cost and Operational Effectiveness Analysis，COEA）、设计和性能规范、系统成熟度矩阵（Systems Maturity Matrix，SMM）、综合后勤保障计划（Integrated Logistics Support Plan，ILSP）等。通过这些输入文件，支撑ITT的研制方、用户以及研制和作战试验组织人员为系统指定详细的系统规范和试验要求。

步骤1的输出内容为：试验鉴定主计划（Test and Evaluation Master Plan，TEMP）、综合后勤保障计划（Integrated Logistics Support Plan，ILSP）更新、建模与仿真（Modeling and Simulation，M&S）能力、数字化系统模型（Digital System Model，DSM）、试验鉴定记录、用于建立详细试验计划的信息等。

（2）试验前分析

试验前分析的主要工作包括：系统性能预测、解决试验技术问题、试验鉴定资源能力与计划分析、系统设计功能性能评估。试验前分析重点部署和明确试验概念，并且假定和选择高效费比和最可行的试验选项来实现步骤1中的试验目标。可行性选项必须从技术角度可实现、可获得，且必须认可和遵守安全性、环境和协议要求。

试验前分析完成时，试验人员应获得实际试验中需要的所有详细信息。详细的试验计划是有序、高效进行试验的必要条件。在用户要求转换为试验目标时，步骤1已经完成了真实的试验计划。在步骤2中，试验前分析主要针对与步骤1形成的目标中相互关联的特定领域选择试验方法。早期试验重点是识别不确定领域的问题，从而尽早进行改进和保持较低成本。当详细试验活动被确定、概念化和定价时，将进行最佳选择和形成详细的计划文件。在试验执行前还应形成安全性、安全措施和环境文件。

（3）试验

试验工作的主要内容包括试验准备和试验执行。试验执行者必须在开始执行本步骤前确保一切准备就绪。接下来就是计划的试验进度的项目清单。试验管理者应对停止或推迟试验的条件有全面的了解。在决定是否开始试验前，对这些条件进行谨慎、频繁地监测。

一旦确定开始试验，试验执行者应仔细监测事件并在紧急事件或没有预测的研制中指挥参与方，试验主任能够按要求指挥试验执行者。在开始试验前应建立整个试验的“指挥链”且被理解。全部试验程序的预演将极大地增强决策者的决策。

（4）评估和报告

评估和报告的主要工作内容是：试验结果与预测结果进行比对、故障辨识和报告、制定独立试验报告、跟踪和报告试验结果。在微观层面，必须对单个试验的数据进行分析，并对单个试验目标的结果进行评估。一旦发现不同，评估必须确定出不同之处是由于试验前分析误差、试验设计缺陷或获取系统性能失败造成的。一个全面彻底的评估应考虑试验项目或系统成熟度以及其与研制方期望的成熟度增长之间的关系。

（5）判断试件是否满足用户需求

判断试件是否满足用户需求是基于试验者提供给决策者客观信息的决策步骤，主要工作内容就是决策是否可进入下一试验阶段。当用户、研制试验鉴定主管部门、政府（研制和作战）试验机构、承包商和项目办共同努力时就如同一个充分利用ITT的成员，关于试验鉴定中描述的系统成熟度等级在里程碑评审时就不会出现任何意外。明确的用户要求会被转化为清晰的试验目标和通过明确的评估标准进行评估的试验结果。

（6）改进或修正

改进或修正步骤是当需要进行修正时而开展的迭代、循环过程，工作内容主要包括：用户要求的重新确认与修改、问题分析与反馈、纠正与改进。如果试验结果与预期结果不同，原因可能来自系统设计、试验方法、未预料到的环境因素或有缺陷的预测。分析试验数据来确定偏离的原因能够为决策者提供采取下一步行动的所需信息。

2 SBIRS研制鉴定试验

为提高弹道导弹预警能力，美军于1995年提出构建一个由4颗GEO卫星、2个HEO卫星载荷和24颗低地球轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星以及地面系统组成的SBIRS系统。1996年底美空军和以洛克希德·马丁公司导弹与空间分公司为首的承包商组签订了18亿美元的合同，开展SBIRS的研制工作。该承包商组成员及其负责的项目分别是：洛克希德·马丁公司导弹与空间分公司负责整个系统总体、空间飞行器和地面站以及轨道与地面运行；该公司的联邦分公司负责地面系统；Aeorjet公司和Norhtorp Gurmman公司共同负责主要的红外传感器载荷；Honey-well公司提供空间飞行器和星载载荷上使用的处理器[9-10]。

2007年3月-6月，Norhtorp Gurmman公司对SBIRS首颗地球同步轨道卫星（GEO-1）的有效载荷进行了热真空试验，验证其在真空条件下的功能与性能。试验的关键方面包括辐射测量性能、两个传感器同时监视移动红外目标的能力、杂乱背景中星上目标处理能力、数据下行链路格式化操作以及卫星接口校验。试验评估表明，GEO-1传感器能够与目前在轨的SBIRS项目的HEO载荷传感器协同工作[11]。

2008年10月27日，GEO-1卫星通过声学和振动试验，检测其工艺质量和在发射与轨道运行期间的生存能力[12]。

2010年6月30日，SBIRS项目成功完成所有地面设备与GEO-1卫星之间的界面测试，并利用三频天线/模块式组件模式演示验证了GEO-1卫星的指挥与控制能力，从而验证了地面系统与卫星利用快速改变频率（即跳频），发送并接收信息的处理能力。

2010年12月，SBIRS项目从12个方面对GEO-1卫星进行了系统集成测试，以验证航天器的性能和功能，为交付发射场做准备[13]。

2011年3月，SBIRS项目完成GEO-1发射前所需的主要试验，验证了航天器与飞行控制设施间数据传输能力，并运行了GEO-1综合地面与太空系统的关键操作功能。完成在厂试验之后，GEO-1被运送到卡纳维拉尔角空军基地进行发射前准备。该试验主要检验卫星与在轨指控中心之间的通讯能力[14]。

2012年2月13日，洛克希德·马丁公司宣布SBIRS的首颗地球同步轨道卫星（GEO-1）已经转移到最终的目标轨道，开始交付用户使用[15]。

2013年、2017年和2018年，美国空军分别对GEO-2、GEO-3、GEO-4进行了验收试验，试验过程中卫星运行良好，并成功将测试数据发送到任务控制中心。2014年，美国空军向洛克希德·马丁公司授出18.6亿美元的修订合同，用于生产GEO-5和GEO-6，作为GEO-1和GEO-2的后继卫星。HEO-1和HEO-2载荷分别安装在NROL 22和NROL 28信号情报卫星上，分别于2006年和2008年发射升空，在轨测试性能超过预期，并交付美国战略司令部投入应用。HEO-3有效载荷于2014年被集成至NROL 35卫星上发射升空，目前处于有限的储存/剩余运行模式，HEO-4载荷于2015年交付美国空军，该载荷有可能已集成到卫星NROL 42上，并于2017年9月发射入轨[16]。

3 SBIRS作战鉴定试验[17-19]

SBIRS的发展过程可分为两个阶段：Increment1（1996年-2001年）和Increment2（2002年-至今）。

（1）Increment1阶段

Increment1由SBIRS固定地面控制段和国防支援计划（Defense Support Program，DSP）卫星组成，以维持原有DSP的功能。1996年SBIRS系统进入工程研制阶段后发布了作战需求文件（Operational Requirement Document，ORD），并于1998年发布了一个针对SBIRS体系级的试验鉴定主计划（Test and Evaluation Master Plan，TEMP）。2001年经美空军试验鉴定中心（Air Force Operational Test and Evaluation Center，AFOTEC）评估，SBIRS的Increment1具备初始作战能力，正式列装。

2002年，由于成本和进度问题，美国防部对SBIRS进行项目重构，分为高轨和低轨两部分，并将低轨部分移交给导弹防御局管理，更名为“空间跟踪与监视系统（Space Tracking & Surveillance System，STSS）”。高轨部分仍由美国空军负责，继续沿用SBIRS的项目名称。

（2）Increment2阶段

2003年开始Increment2，主要包含一个由HEO有效载荷、GEO卫星和DSP卫星组成的空间部分，还包括一个具有整合处理所有传感器数据功能的地面固定任务控制站（Mission Control Station，MCS）、备份MCS（MCS-B）以及一个替代原有移动地面系统的可持续生存发展（Survivable Endurable Evolution，S2E2）具有移动能力的SBIRS。

Increment2的体系架构包括：4个可接收来自GEO和DSP卫星数据的中继地面站（Relay Ground Stations，RGS），并将数据传送给MCS和MCS-B以及一个提供SBIRS HEO红外数据处理的RGS。Increment2的功能被分解成多个不同的Block进行交付。

其中，Block 10引入了新的地面工作站软件和硬件，可在MCS和MCS-B上对DSP、HEO和GEO传感器数据进行集成处理。2016年8月，SBIRS Block 10地面系统在成功完成集成试验与鉴定后进入作战使用评估（Operational Utility Evaluation，OUE）阶段，这是Block 10地面系统的专用运行测试阶段。为进入这个专用的运行测试，研制、运行与试验人员精确地评估了Block 10地面系统能力就绪水平。基于试验人员的输入，空军作战试验鉴定中心在6月12日开始在伯克利空军基地的任务控制站进行专用运行测试，并于7月16日开始测试施里弗空军基地的备份任务控制站。2016年12月，空军航天司令部接受Block 10并投入使用。新的Block 10地面系统集成了对美国导弹预警卫星的运行指挥与控制能力，包括DSP卫星、SBIRS地球静止轨道卫星和高椭圆轨道传感器。其主任务控制站位于伯克利空军基地。新的地面系统将显著提高SBIRS系统在导弹预警、导弹防御、战场态势感知、技术情报等任务领域的能力。

SBIRS Block 20进一步改进了MCS和MCS-B的地面站软件，优化了传感器数据、抑制了背景干扰，以改善对微光目标的探测能力，并使GEO传感器能够提供更好的威胁目标跟踪和影响预测。2019年4月至7月，AFOTEC按照作战试验鉴定局局长批准的试验计划对SBIRS的Block 20进行初始作战试验鉴定。2019年8月29日，空军对Block 20进行了运行测试。

当前，SBIRS星座是由2个HEO有效载荷以及SBIRS GEO在轨卫星组成的。因为下一代过顶持久性红外（Next Generation Overhead Persistent Infrared，Next Gen OPIR）项目的启动，将对SBIRS进行补充然后取代，所以空军减少了对SBIRS空间部分全面作战能力（Full Operational Capability，FOC）的试验，并将在2022年之前发射完最后的GEO卫星，完成星座构建。空军还将使用Increment2来运行原有的DSP卫星直到退役[20-24]。

4 结束语