熊小莉

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

航天偵察是從空間獲取信息的強(qiáng)有力手段,而且是目前唯一不受國界、地域限制的偵察手段,可為國家軍事斗爭、外交斗爭以及政治斗爭提供強(qiáng)有力的情報(bào)保障,起著其它偵察系統(tǒng)所不可替代的作用,是確保信息優(yōu)勢的重要環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)的陸基和空基偵察監(jiān)視相比,偵察衛(wèi)星的突出優(yōu)點(diǎn)是監(jiān)視點(diǎn)高、范圍大、速度快,不受國界、地理、時(shí)間和氣候條件的限制。采用衛(wèi)星星座,能實(shí)現(xiàn)全球范圍的近實(shí)時(shí)的偵察與監(jiān)視。通過航天偵察,可長期、連續(xù)不斷地對(duì)重點(diǎn)地區(qū)的軍事設(shè)施、兵力部署、作戰(zhàn)裝備等進(jìn)行監(jiān)視,使敵方或潛在對(duì)手始終處于己方監(jiān)視之下。現(xiàn)在,美國已經(jīng)建立了以衛(wèi)星作為獲取和傳遞信息的主要手段的軍事信息結(jié)構(gòu),在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要作用。世界各強(qiáng)國已充分認(rèn)識(shí)到天基信號(hào)情報(bào)裝備的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)與重要性,都在競相發(fā)展星載偵察接收技術(shù),采用多層、多領(lǐng)域、多手段的偵察部署,逐步構(gòu)成了衛(wèi)星、機(jī)載、艦載與地面系統(tǒng)相配合的高效立體交叉?zhèn)刹毂O(jiān)視網(wǎng)。

星載偵察接收設(shè)備受特殊的空間環(huán)境限制,除要求必須具有良好的偵收性能(即快速的信號(hào)截獲能力、高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、在密集信號(hào)環(huán)境中的信號(hào)分選能力、適應(yīng)不同體制輻射源信號(hào)、足夠的定位精度等)外,還要求星載偵察接收設(shè)備體積小、重量輕、功耗低和可靠性高。

本文介紹了信號(hào)情報(bào)偵察衛(wèi)星的分類、星載偵察接收設(shè)備的組成、主要性能要求和特點(diǎn),討論了其關(guān)鍵技術(shù)。

2 信號(hào)情報(bào)偵察衛(wèi)星的分類

信號(hào)情報(bào)偵察[1]衛(wèi)星是利用星上的電磁信號(hào)偵收系統(tǒng)偵收地面的雷達(dá)、通信、導(dǎo)航設(shè)備、敵我識(shí)別器、導(dǎo)彈制導(dǎo)設(shè)備和測控系統(tǒng)所輻射的電磁信號(hào),通過對(duì)信號(hào)參數(shù)的測量和分析,確定其特性參數(shù),并測定輻射源的地理位置的衛(wèi)星。信號(hào)情報(bào)偵察衛(wèi)星又可分為通信情報(bào)(COMINT)偵察衛(wèi)星和電子情報(bào)(ELINT)偵察衛(wèi)星。通信情報(bào)偵察衛(wèi)星用于破譯通信信號(hào)的信息內(nèi)容,電子情報(bào)偵察衛(wèi)星用于獲取非通信電磁輻射源信號(hào)的情報(bào)參數(shù)。

按偵察目的不同,信號(hào)情報(bào)偵察衛(wèi)星可分為普查型、詳查型。普查型衛(wèi)星能監(jiān)視大面積地區(qū),測定輻射源的位置,粗略測定電磁信號(hào)的工作頻率等參數(shù)。詳查型衛(wèi)星能全面測量電磁信號(hào)的各種參數(shù),并對(duì)輻射源定位。

按對(duì)輻射源定位體制的不同,信號(hào)情報(bào)偵察衛(wèi)星可分為可分為單星定位衛(wèi)星和多星定位衛(wèi)星。單星定位通過測向來對(duì)地面輻射源定位,測向方法有比幅測向、干涉儀測向、陣列測向、時(shí)差測向等,單星定位法可以快速定位,工作方式簡單,但是星上必須有測向設(shè)備,并且對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)測量精度有較高要求(常為0.1°～ 0.2°);多星定位通過提取時(shí)差、頻差等信息對(duì)輻射源精確定位,其定位誤差小、定位速度快,但對(duì)數(shù)據(jù)處理和衛(wèi)星的軌道控制精度要求高,需嚴(yán)格保持星間距離。

按運(yùn)行軌道的不同,信號(hào)情報(bào)偵察衛(wèi)星可分為低軌道型、大橢圓軌道型和靜止軌道型。低軌衛(wèi)星偵收的信號(hào)相對(duì)較強(qiáng),適于詳查。但在低軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星壽命較短;衛(wèi)星相對(duì)于地面是運(yùn)動(dòng)的,它能夠用于通信的時(shí)間短;衛(wèi)星天線覆蓋的區(qū)域小,并且地面天線必須隨時(shí)跟蹤衛(wèi)星?？赏ㄟ^多顆衛(wèi)星組網(wǎng),來擴(kuò)大覆蓋區(qū)域。大橢圓軌道和靜止軌道衛(wèi)星能連續(xù)覆蓋偵察區(qū)域,軌道高度36 000km的靜止軌道衛(wèi)星的運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間相同,特點(diǎn)是覆蓋照射面大,3顆衛(wèi)星就可以覆蓋地球的幾乎全部面積,可以進(jìn)行24 h的全天候偵察,但因距離遠(yuǎn)、信號(hào)傳輸衰減大,必須采用高靈敏度的接收機(jī)和高增益的大接收天線,如美國靜止軌道的第5代電子偵察衛(wèi)星的“大酒瓶”衛(wèi)星接收天線口徑達(dá)150 m。

3 星載偵察接收設(shè)備的組成、主要性能要求和特點(diǎn)

星載偵察接收設(shè)備用于截獲、分析和存儲(chǔ)敵方電子設(shè)備的電磁信號(hào),主要用于對(duì)雷達(dá)信號(hào)、通信信號(hào)、導(dǎo)彈衛(wèi)星測控信號(hào)的偵測,通常由天線、偵察接收機(jī)和控制處理終端組成。

偵察接收機(jī)[2]有模擬接收機(jī)和數(shù)字接收機(jī)兩種。模擬接收機(jī)技術(shù)相對(duì)較為成熟,常采用的技術(shù)體制有晶體視頻接收機(jī)、超外差接收機(jī)、瞬時(shí)測頻接收機(jī)(IFM)、信道化接收機(jī)、壓縮接收機(jī)、布拉格盒接收機(jī)。隨著數(shù)字化信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,常選擇超外差數(shù)字信道化接收機(jī)作為偵察接收機(jī)。

星載偵察接收設(shè)備根據(jù)其應(yīng)用的特定要求,主要性能要求和特點(diǎn)如下:

(1)具有對(duì)特定輻射源目標(biāo)高精度截獲能力

星載偵察接收設(shè)備要求在高密集的電磁環(huán)境中,能準(zhǔn)確地進(jìn)行信號(hào)的截獲、分析識(shí)別和分選,還要能夠識(shí)別出微弱信號(hào),這對(duì)星上的接收機(jī)和控制處理終端提出了很高的要求。當(dāng)信號(hào)的密度很高時(shí),如果仍要求保持較高的偵收概率,則需要采用高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、低相位噪聲和寬瞬時(shí)帶寬的偵收處理設(shè)備。

(2)具有對(duì)復(fù)雜環(huán)境和信號(hào)形式的適應(yīng)能力

復(fù)雜的電磁環(huán)境具有不同的調(diào)制方式和速率的電磁信號(hào),偵收設(shè)備要能保證在復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境下對(duì)各種類型的信號(hào)都能實(shí)現(xiàn)高截獲概率和高測向精度,常采用偵察、測向一體化的接收體制。

(3)具有一定的抗干擾、抗截獲、抗摧毀能力

電子對(duì)抗技術(shù)的迅猛發(fā)展,對(duì)在軌工作的偵察設(shè)備安全構(gòu)成了巨大的威脅,要求星載偵察接收設(shè)備必須具有一定的抗干擾、抗截獲和抗摧毀能力。

(4)具有空間工作環(huán)境的適應(yīng)能力

星載偵察設(shè)備除要求具有良好的偵收性能外,由于要經(jīng)歷衛(wèi)星發(fā)射階段所造成的聲、振動(dòng)、沖擊和加速度等嚴(yán)酷的動(dòng)力學(xué)環(huán)境,在軌工作時(shí)要適應(yīng)真空、空間帶電粒子輻射、地球電離層等各種惡劣的工作環(huán)境,因此還要求星載偵察接收設(shè)備具有空間環(huán)境適應(yīng)能力。

4 星載偵察接收設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

星載偵察設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)和要求主要有以下幾方面:

(1)大型天線及在軌展開技術(shù)

不同軌道的偵察衛(wèi)星采用不同的天線形式[3]。大橢圓軌道衛(wèi)星一般采用傘狀天線,技術(shù)難度在于肋條的展開精度。靜止軌道衛(wèi)星采用網(wǎng)格天線,在網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上裝微型電機(jī),保證天線的機(jī)械均勻性和表面精度。靜止軌道偵察衛(wèi)星所接收的地面信號(hào)電平比低軌衛(wèi)星強(qiáng)得多,必須采用高增益的大型接收天線,又稱為“大天線傘”,這種天線直徑高達(dá)100 m左右,天線的收攏、展開、變形處理等技術(shù)難度很大。

為了截獲微小功率的寬頻帶電磁信號(hào),高軌信號(hào)情報(bào)偵察衛(wèi)星的天線主要采用大型可展開空間天線,天線的口徑越來越大,從最初的9 m發(fā)展到現(xiàn)在的150 m,最大重量約達(dá)1 400 kg,使信號(hào)情報(bào)偵察衛(wèi)星的信號(hào)偵收能力不斷增強(qiáng)。為了降低發(fā)射成本和延長衛(wèi)星使用壽命,必須減輕天線重量,并縮小天線的收攏體積,隨著偵收頻段的不斷提高,對(duì)天線反射面的精度要求越來越高。對(duì)高軌道衛(wèi)星來說,信號(hào)情報(bào)偵察衛(wèi)星天線應(yīng)同時(shí)滿足口徑大、重量輕、收攏體積小和表面精度高等要求。

(2)寬頻段、高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍的一體化信道技術(shù)

偵察接收機(jī)要完成對(duì)接收到的輻射源信號(hào)的變頻、放大和濾波等處理[4-5]。偵察接收設(shè)備為了搜索、截獲、分析和處理各種電磁信號(hào),通常要求具有以下特點(diǎn):

1)頻段寬、頻段內(nèi)偵收頻率連續(xù)可調(diào)。為了偵察日益擴(kuò)展的的工作頻段和避免漏檢信號(hào),偵收設(shè)備的工作頻率必須連續(xù)可調(diào),且能自動(dòng)搜索以提高截獲信號(hào)的速度;

2)高靈敏度。由于被偵目標(biāo)信號(hào)位置常常距離較遠(yuǎn),功率較小,同時(shí)為了防止自己的信號(hào)被對(duì)方截獲,在保證正常通信的前提下常降低發(fā)射功率,因此需要偵察接收機(jī)具有較高的靈敏度;

3)大動(dòng)態(tài)范圍。被偵目標(biāo)的覆蓋區(qū)域廣,距離遠(yuǎn)近差異對(duì)偵察接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍提出了更高的要求;

4)非線性性能好。復(fù)雜的電磁環(huán)境和寬開接收設(shè)備的應(yīng)用,使兩個(gè)以上信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)成為必然。當(dāng)多個(gè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)時(shí),其迭加電平使接收機(jī)某些部件進(jìn)入非線性區(qū),產(chǎn)生交調(diào)、互調(diào)分量,使噪聲電平提高,輸出產(chǎn)生虛假信號(hào),導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度降低和產(chǎn)生錯(cuò)誤接收,弱信號(hào)漏檢,這對(duì)偵察接收機(jī)是致命的,因此要求偵察接收機(jī)的非線性性能要好。

寬帶接收機(jī)(一般頻率覆蓋范圍大于幾吉赫)常用信道化接收機(jī)解決寬帶問題,但在星上使用信道化接收機(jī)設(shè)備量大,會(huì)影響整機(jī)的可靠性。由于在一個(gè)偵察頻段內(nèi)強(qiáng)弱信號(hào)電平相差常為40～50 dB,最大達(dá)到80～90 dB,因此接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍要大、三階交調(diào)要小。對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求,限制了偵察時(shí)所能采用的最大瞬時(shí)帶寬。同時(shí),過窄的瞬時(shí)帶寬與越來越寬的頻率覆蓋要求相矛盾。為兼顧兩者,可以采用頻率分區(qū)覆蓋的多路接收技術(shù),或采用頻率搜索方式去覆蓋所需的頻率范圍,前者是以增加設(shè)備的復(fù)雜性為代價(jià)的,后者是以降低截獲概率為代價(jià)的。星載偵察接收機(jī)的靈敏度常要求大于-120 dBm。

雙音無虛假動(dòng)態(tài)是偵察接收機(jī)的重要指標(biāo),它是表征偵察接收機(jī)提取弱信號(hào)的能力。是指當(dāng)兩個(gè)同時(shí)到達(dá)信號(hào)處在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí),接收機(jī)不會(huì)產(chǎn)生任何虛假信號(hào)。其下限是最小可檢測信號(hào)輸入(輸出)功率,上限是以產(chǎn)生的三階互調(diào)產(chǎn)物功率剛好等于最小可檢測信號(hào)輸出功率的等幅雙音輸入(輸出)功率為上限的動(dòng)態(tài)范圍。一般要求偵察接收機(jī)的雙音無虛假動(dòng)態(tài)大于50 dB。

對(duì)寬帶接收,寬帶噪聲、干擾阻塞和虛假信號(hào)問題嚴(yán)重,可根據(jù)輻射源信號(hào)頻率分布特征進(jìn)行分段處理,避免由于放大鏈路非線性干擾所造成的虛假信號(hào),采用多次變頻加大對(duì)鏡頻和中頻抑制,精心設(shè)計(jì)頻率關(guān)系,合理分配各頻段的增益,避免交調(diào)、互調(diào)信號(hào)落入帶內(nèi)。為了保證偵收步進(jìn)和系統(tǒng)測頻精度的要求,頻綜本振的頻率精度要高,相噪要低,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的頻綜結(jié)構(gòu),全面兼顧寬頻段、小步進(jìn)、低相噪和捷變時(shí)間的綜合要求。因此,涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括寬頻段、高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍,快速調(diào)諧、低相位噪聲本振技術(shù)。

(3)星上信號(hào)處理技術(shù)

控制處理終端通常由信號(hào)處理機(jī)和載荷管理計(jì)算機(jī)組成。其主要功能有,完成對(duì)輻射源信號(hào)的參數(shù)測量、識(shí)別、采樣和定位,將處理結(jié)果送數(shù)傳分系統(tǒng);與衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)通信,完成對(duì)地面指令和任務(wù)的解譯與執(zhí)行、軟件上載等功能,還要對(duì)整個(gè)偵收系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理。

在星上進(jìn)行參數(shù)測量、信號(hào)識(shí)別、定位等處理因受到器件選擇的限制,尤其對(duì)低軌衛(wèi)星還要受可持續(xù)偵察時(shí)間的約束,不宜采用過于復(fù)雜的算法。

為滿足偵察任務(wù)多樣化的需求,針對(duì)不同的信號(hào)類型、任務(wù)模式和處理算法,可采用軟件重構(gòu)技術(shù)增加星載偵察設(shè)備的靈活性,提高偵收設(shè)備對(duì)偵察使命、偵察環(huán)境的適應(yīng)能力。軟件重構(gòu)的目標(biāo)是根據(jù)任務(wù)需求和最新技術(shù)發(fā)展實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星以及地面站的配置實(shí)時(shí)更新和通信模式切換控制。可采用FPGA作主體,DSP輔助處理的架構(gòu),針對(duì)中低軌衛(wèi)星在軌運(yùn)行特點(diǎn)和配置軟件上載功能要求,可重構(gòu)星地環(huán)路控制技術(shù)的可靠性設(shè)計(jì)是關(guān)鍵,低軌衛(wèi)星多普勒頻移大,以700 km軌道高度和天線120°俯仰角為例,當(dāng)目標(biāo)處于衛(wèi)星偵察范圍邊緣的時(shí)候,頻移最大,對(duì)于6 500 MHz的C頻段信號(hào),多譜勒頻移最大約為130 kHz以上,必須解決在大多普勒頻偏、衛(wèi)星過頂時(shí)間短等不利因素下,星地上下行鏈路的傳輸能力和可靠性技術(shù)。低軌衛(wèi)星過境時(shí)間只有幾分鐘,而FPGA的配置數(shù)據(jù)常常有幾兆比特,如何在有效通信時(shí)間內(nèi)高速無誤碼的傳輸配置信息,對(duì)信號(hào)傳輸技術(shù)提出了更高的要求。

(4)空間環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)

星載設(shè)備的特點(diǎn)是高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、高可靠,長壽命,產(chǎn)品需經(jīng)歷各種惡劣工作環(huán)境。衛(wèi)星是一次性產(chǎn)品,一旦發(fā)射入軌就不能進(jìn)行維修,同時(shí)為了降低發(fā)射成本,小體積,輕重量和低功耗是星載設(shè)備設(shè)計(jì)的重要原則。

衛(wèi)星在發(fā)射時(shí)要承受運(yùn)載火箭所造成的聲、振動(dòng)、沖擊和加速度等嚴(yán)酷的動(dòng)力學(xué)環(huán)境,入軌后又要承受真空、冷黑、空間帶電粒子輻射、低重力、太陽電磁輻射及微流星體與空間碎片等惡劣的外層空間環(huán)境。因此,星載設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

空間輻射環(huán)境對(duì)星載設(shè)備的影響主要包括電離總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)和單粒子效應(yīng)。電離總劑量效應(yīng)常造成集成電路漏電增加導(dǎo)致整個(gè)器件功耗急劇增加,器件失效,使邏輯電路邏輯功能出現(xiàn)錯(cuò)誤,功能失效;使模擬電路性能出現(xiàn)漂移。

星載設(shè)備可選擇有抗輻射加固指標(biāo)的器件,設(shè)計(jì)中采取局部屏蔽措施,對(duì)關(guān)鍵器件、抗輻射能力不足的器件進(jìn)行防護(hù),應(yīng)用容差設(shè)計(jì),容許器件特性在一定輻射退化情況下,不影響系統(tǒng)整體性能;對(duì)于單粒子效應(yīng)造成的軟錯(cuò)誤,優(yōu)先選擇具有抗單粒子加固指標(biāo)的器件;在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采取容錯(cuò)措施,保證系統(tǒng)在個(gè)別器件出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)時(shí),能夠自行恢復(fù)或由地面遙控加電/斷電指令實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)恢復(fù),針對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn),通過冗余電路設(shè)計(jì)、切機(jī)和斷電來解決,軟件采用看門狗控制技術(shù) ,對(duì)重要程序采取程序和指令重復(fù)執(zhí)行來確認(rèn),對(duì)重要參數(shù)按三取二進(jìn)行表決等。

衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)處于真空環(huán)境,大多數(shù)航天器為非氣密性結(jié)構(gòu),艙內(nèi)沒有空氣,因此對(duì)流的散熱方式不適用,常采用輻射和傳導(dǎo)的散熱方式,通過提高安裝面之間的表面光潔度,采用器件倒裝,在器件和安裝板的結(jié)合面,通過填充導(dǎo)熱填料,減少傳導(dǎo)熱阻,設(shè)備外表面利用黑色陽極氧化,提高整機(jī)表面輻射率。

星載設(shè)備可通過合理布局,有效地散發(fā)耗散功率,提高抗沖擊、振動(dòng)和電磁兼容能力,在電路設(shè)計(jì)中,要加強(qiáng)CMOS電路防鎖定、單粒子事件防護(hù)、電源母線的過流保護(hù)等電路可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用。

5 結(jié)束語

信號(hào)情報(bào)偵察衛(wèi)星的發(fā)展趨勢是部署由低軌向中高軌及靜止軌道發(fā)展,由單星工作向多星組網(wǎng)發(fā)展,信息處理從地面向星上發(fā)展,衛(wèi)星任務(wù)從單一型向綜合型發(fā)展,這些發(fā)展要求更高的信息處理、數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸能力和發(fā)展超大型天線技術(shù),對(duì)星載偵察設(shè)備的性能和技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn),需要我們積極探索,不懈努力。

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