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美国卫星系统安全防护综述
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美国卫星系统安全防护综述
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一、美国系统安全防护的发展历程
　　美国卫星系统安全防护建设的发展历程大致可以分为三个阶段。
　　1．初始阶段
　　年为美国卫星系统安全防护的初创时期。在这一时期，美国为了对付前苏联反卫星武器的威胁，主要进行被动防护，也就是采取抗核爆加固措施。1979年，美国参联会还为所有的军事卫星建立了加固标准。&军事星&就是这一时期的产物，它具有强抗干扰性、抗核爆炸及高保密性等特点，能够在核攻击后自主地工作。
　　2．过渡与调整阶段
　　年是美国卫星系统安全防护的过渡与调整阶段。1983年，里根政府提出&战略防御计划&，标志着美国开始系统地建设空间力量体系。1986年，美国开始研究卫星系统的主动防护措施，即&星载攻击报告系统&，之后又启动了&微型攻击报告系统&和&轻型攻击报告系统&的概念研究工作。另外，空军还在1987年开始了&自主卫星运行技术&计划，当时的防御局也于1991年开始进行&卫星攻击告警与评估飞行试验&，用来测试对预定环境中模拟威胁的告警能力。
　　3．全面建设阶段
　　从2002年至今，美国进入卫星系统安全防护的全面建设时期。美国国防部于2002年提出实现空间控制的三大支柱能力，即空间态势感知、防御性空间对抗和进攻性空间对抗。美军认为，近期(2010年以前)发展防御性空间对抗能力要比发展进攻性空间对抗能力的优先级更高、更重要、更迫切。实现防御性空间对抗就是要发展卫星系统的全面防护能力，也就是需要发挥主动防护与被动防护的协调效应，取长补短，这样才能使卫星系统防护获得最佳效果。
　　二、美国卫星系统安全防护的技术手段
　　美军认为其卫星系统近期和远期的威胁可能来自于以下几个方面：能够干扰卫星系统链路的射频干扰；能够暂时或永久性削弱或摧毁卫星子系统并进而达到干扰卫星整星任务性能的激光系统；能够削弱或摧毁卫星或地面系统电子装置的电磁脉冲武器；能够摧毁器或削弱其完成任务能力的动能反卫星武器。
　　由于存在上述的安全威胁，美国卫星系统安全防护通常采用以下的技术手段：卫星抗干扰技术；卫星激光防护技术；卫星加固技术；卫星轨道机动技术；卫星在轨修复技术；卫星隐形技术和卫星威胁预警技术。
　　1．卫星抗干扰技术
　　针对卫星系统面临的射频干扰，美国采用天线抗干扰、扩频抗干扰、星上处理和扩展频段等技术进行防护。
　　(1)天线抗干扰技术
　　天线抗干扰技术是卫星通信中最常用的抗干扰措施，主要包括自适应调零和多波束天线等技术。自适应调零技术能够针对正在变化着的信号环境自动调节调整天线波束的零点位置，使之对准干扰信号来向，并通过降低天线波束旁瓣电平实现干扰信号的有效抑制，同时保证天线主瓣波束(指向有用信号方向)输出始终处于最佳状态。多波束天线可根据战场形势的变化控制星上发射天线指向，使其波束覆盖范围随用户运动作相应变化，还可恰当选择卫星天线波束形状来提高的抗干扰能力。当某一波束受到干扰时，关闭这一波束，而其他波束不受影响，这样既阻止了干扰，也不影响卫星接收地面信号。
　　美国的&国防卫星通信系统&3的多波束天线(含19个发射波束和61个接收波束)能够根据敏感器探测到的干扰源位置，通过波束形成网络，控制每个波束的相对幅度和相位，使天线在干扰方向上的增益为零。&军事星&2有8副可控点波束天线和两副调零点波束天线(能针对上行链路干扰自动调零)，还有6副分布式用户覆盖天线。
　　(2)扩频抗干扰技术
　　扩频抗干扰技术是卫星通信中最基本的抗干扰技术，包括直接序列扩频和跳频两种基本技术及其组合。
　　采用直接序列扩频，接收端解扩后有用信号变成了窄带信号，而原来频带较窄的干扰却被展宽为宽带信号，以至于大部分能量被窄带滤波器滤除，从而有效地提高信噪比。直接序列扩频抗干扰技术由于提出较早，理论较成熟且易于实现，因此在卫星通信抗干扰初级系统中广泛采用。早在1966年，美国的第一颗军事通信卫星&国防卫星通信系统&1就使用了扩频多址技术。美军目前正在使用的&军事星&、&租赁卫星&和&舰队卫星通信系统&也采用了直接扩频和星上解扩技术。
　　跳频采用多个载波频率并在这些频率间随机跳变，由于载频切换需要时间，故又工作在突发传输状态，所以具有很强的抗干扰能力。对扩频带宽较宽的情况，跳频比直接序列扩频更为实用。美军目前正在使用的&军事星&和&空军卫星通信系统&就采用了跳频技术，其中&军事星&2的跳频范围达2GHz带宽。美国新一代军用卫星通信的两个方案，&弯管卫星／中心主站系统&和&多用户透明&跳频解跳系统&均采用了跳频技术，跳频速率为4000跳／秒。
　　直扩／跳频混合扩频技术在直接序列扩频的基础上增加了载波频率跳变的功能，综合了直扩和跳频两种扩频方式的优点，因而能更有效地对抗干扰。美国的&军事星&和&舰队卫星通信系统&采用了该项技术。
　　(3)星上处理技术
　　星上处理可以使上、下行链路之间去耦，使上行干扰不再对下行链路产生作用，同时设法避免转发器被推向饱和。美国的&先进通信技术卫星&、&国防卫星通信系统&3、&军事星&和&铱&卫星都采用了星上处理技术。美国新一代军用卫星通信的两个方案，&弯管卫星／中心主站系统&和&多用户透明－跳频解跳系统&，星上均有解跳／再跳的处理装置。
　　(4)扩展频段、发展光通信
　　美国的&国防通信卫星系统&最初工作在SHF频段，频率约为8GHz。上世纪90年代，&国防卫星通信系统&3为了适应移动通信的需要，增加了用于提高抗干扰性的UHF频段。美国海军的&特高频后续卫星&系列从第4颗卫星开始，星上增加了一个与&军事星&兼容的EHF通信分系统，而且其舰队广播上行链路使用SHF频段。目前正在研制的&军事星&3，对高频技术进行了改进，采用60GHz星际链路技术。
　　当卫星采用光通信时，与电波之间不存在干扰问题，而且光通信能实现1Gbit/s以上的大容量卫星通信。美国航宇局正在大力研究光通信技术。
　　2．卫星激光防护技术
　　卫星的激光防护技术是卫星生存技术中的一个重要组成部分，其相关技术的研究是针对反卫星激光武器的研制而进行的。美国在开展激光武器研制的同时，就己开展了激光的防护研究。早在1989年，美国政府就对所有装备部队和正在研制的武器系统做出了必须具备抗激光防护能力的明确规定。
　　美陆军纳蒂克研究中心研制了一种组合式层状结构防护镜。它利用多层介质膜对特定波长的激光进行反射衰减，以达到激光防护：效果，据报道可防护532nm、694nm和1064nm三种波长的激光。
　　根据美国国防部的计划，西屋电气公司研制成功氧化钒防激光涂层，用来保护卫星上的红外探测器免受激光武器的破坏。当强激光照射到卫星上镀有氧化钒膜的红外敏感窗时，具有光开关特性的薄膜立即防止激光通过，保护光电传感器。据称，这种薄膜由二氧化钒和三氧化二钒组成，厚度达1&m，可正常工作25年。
　　3．卫星加固技术
　　卫星加固技术是为了防止高空核爆炸对卫星及星上电子设备造成高压击穿、器件烧毁、电磁加热、浪涌冲击和瞬时干扰等破坏。
　　目前只有第一代&军事星&采用了抗核加固措施。&军事星&计划是20世纪80年代初冷战时期美国针对前苏联制定的一项庞大研制计划，旨在建立一个在核战中和核战后均能生存、三军通用、抗干扰能力强、具有可靠性和高保密性的军用通信卫星系统，原计划耗资400亿美元，研制10颗&军事星&，于20世纪90年代开始部署。为了确保在核战条件下的生存能力，这些卫星采用先进的抗核加固和抗干扰技术。
　　在1991年的海湾战争之后，美国对&军事星&计划进行了&大手术&，使它不仅能用于核战情况下的战略通信，也可广泛用于常规战争期间的战术通信。他们把总经费由400亿削减到170亿美元，将卫星数目从10颗减为6颗，并且分为两代。第一代两颗&军事星&仍按冷战要求研制，分别于1994年和1995年发射成功，第两代4颗&军事星&放弃了抗核加固能力。
　　4．卫星轨道机动技术
　　卫星运行轨道相对固定，易于被敌方空间目标监视系统捕获、定位和跟踪。如果卫星利用轨道机动技术不定期地改变运行轨道，则可以有效降低被敌方空间目标监视系统捕获、定位和跟踪的几率，以保障卫星的正常工作。
　　美国在轨运行的高级光电成像侦察卫星&锁眼&12具有极强的机动变轨能力，燃料用完后可由航天对其进行在轨加注，因而可随时调整卫星轨道。美国国防高级研究计划局正在发展的轨道快车项目，计划利用自主空间运输和(ASTRO)从补给星中取出燃料，通过自主交会接近目标卫星，然后由ASTRO上的机械臂捕获目标卫星，并将其拉近；当ASTRO与目标卫星间的距离不足10cm时，由ASTRO上的对接机构固定住目标卫星上的目标部位，完成&软对接&。接着，在ASTRO与目标卫星之间建立传输数据的链路，两者的燃料口实现对接，形成密封的管路，对目标卫星进行在轨加注。
　　5．卫星在轨修复技术
　　卫星在轨修复是指利用航天飞行器对空间轨道上发生故障但尚且可以维修的卫星进行修复，使其恢复正常工作。战时，一旦己方的重要卫星系统遭到攻击受损，在轨修复技术是快速恢复空间系统效能的首选方案。
　　美国已进行的卫星在轨修复工作均需要航天员的参与。美国于1984年和1992年在航天飞机上，通过航天员对轨道上出现故障的卫星进行了在轨修复的试验。美国航天员曾在1991年、1993年、1997年和2002年分别前往哈勃太空望远镜执行了在轨维修工作。但从空间作战的需要，由无人航天器自主或在地面参与下以半自主方式对在轨卫星进行修复将更加快速、更加安全。因此，美国目前正在大力发展服务于在轨卫星的自动服务卫星。&轨道快车&计划中的ASTRO即是这类卫星。ASTRO不仅可以将燃料输送给目标星，还可以输送轨道更换单元，对目标星进行电池更换、部件升级等维修工作。
　　6．卫星隐形技术
　　隐形技术又叫做&低可探测技术&，即运用各种技术手段，降低武器装备的信号特征，使敌方难以发现、识别、跟踪和攻击。通常的侦察卫星会暴露行踪，并且会被对方预测出轨道，而隐形侦察卫星在太空中不会被发现，可以悄无声息地对地面目标进行拍照和侦察。美国目前正在研制具备隐形能力的侦察卫星。这项计划已经秘密实施了十几年，主要由美国著名的军工企业洛马公司负责研发，目前已经进入最后的第三阶段。按照计划，美国有望在未来5年内将第三代隐形侦察卫星投入使用。
　　7．卫星威胁预警技术
　　卫星上携带光学或探测器，用于对敌方反卫星手段和反卫星武器进行识别、探测和报告，对己方卫星系统受到的威胁进行预警，并进一步评估和定位，确认其威胁的类型以及危险程度，然后再决定采取哪些措施进行防御。卫星威胁预警技术是对卫星进行主动防御的前提。
　　1986年，美国开始研究卫星系统的主动防护措施，即&星载攻击报告系统&，之后又启动了&微型攻击报告系统&和&轻型攻击报告系统&的概念研究工作。另外，当时的弹道防御局也于1991年开始进行&卫星攻击告警与评估飞行试验&，用来测试传感器对预定环境中模拟威胁的告警能力。
　　1999年，美国空军空间司令部倡议实施&卫星威胁预警与攻击告警&计划，其目标是探测、识别对卫星的射频和激光干扰及大功率微波和激光攻击，描述威胁特征和攻击类型，评估卫星系统受影响程度，警示卫星及地面站注意并做出反应。
　　据2003版的美国《空军转型飞行计划》透露，美军防御性空间对抗方面近期的重点研制项目是空军的&快速攻击识别、探测与报告系统&(RAIDRS)。该系统将成为美国航天部队强有力的系统，在美国卫星受到袭击时，能够使美军对情况有一个全面的了解。RAIDRS首个面向计算机的软件部分计划于2008年嵌入卫星地面控制站。这样，地面站能够更好地操作和解读从卫星上下载的数据，并由此做出决策，确定卫星是被袭击还是受太空环境的影响。RAIDRS软件将在卫星发射前就嵌入卫星。对于那些已经在轨的卫星，将通过地面的计算机进行，编程并发送指令，将RAIDRS软件发送到星载计算机。
　　三、美国卫星系统安全防护的发展趋势
　　1.研发专用装置与利用和改进现有对抗技术
　　美国一方面研发专用于卫星的自防护设备，如干扰机、信号特征修改系统和卫星机动装置，以及切断威胁卫星的武器与其控制站之间信息链路的手段等；另一方面对目前用于飞机上的预警传感器等自防护装置加以改进、加固，使之适应空间环境、能经受空间辐射，并要在2&3年内实现小型化，以尽快为卫星提供基本的电子战设备。
　　2．加强系统的防御性和进攻性对抗能力
　　第二代GPS系统将先前的军用P码加上反欺骗(AS)的防御措施，发展为P(Y)码。以有效降低接收机受假信号欺骗和干扰的可能性。同时，第二代GPS系统还将加装星载干扰机，以进攻促进防御。第三代GPS系统将在应用M码的同时发展点波束和区域波束能力，以及将辐射功率和信号集中定向到某一战区内指定区域的能力，并在作战时对该战区内特定区域发射点波束的大功率M码导航信号，从而进一步增强抗干扰能力。据称，这样可以彻底解决敌方干扰的威胁。
　　3．研制保密卫星通信终端
　　美空军&先进视距外终端&(FAB-T)计划开始研制一系列用于飞机、地面固定和机动指挥平台的宽带保密卫星通信终端。这些终端实际上是装有特殊天线的无线，在重要平台和卫星通信系统之间提供能满足高度保密要求的通信链路。
　　4．发展天基防御性空间对抗武器
　　美国空军在2002年提出天基防御性空间对抗武器技术概念，即用以保护大型重要卫星的专用微卫星技术。微卫星装有空间监视装置、攻击告警装置和针对威胁的对抗装置。这种保护大型卫星的微卫星概念将局部空间区域的态势感知，针对攻击的诱骗、阻挡或拦截等主动防御功能集于一体，是一种主动型的防御性空间对抗武器技术。它的提出、研制和以后的实际使用，对空间对抗的作战样式和空间对抗武器技术的发展都可能有重要的意义和影响。
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卫星遥感监测火点 烧树叶也要处罚
21日，成都平原地区（包括成都、德阳、绵阳、眉山、资阳5市）秸秆禁烧工作推进暨联防联控联席会在绵阳召开，这标志着今年秸秆禁烧联防联控正式启动。成都等市相关负责人各抒己见，部署今年秸秆焚烧方案和区域联防举措。
卫星出动找“黑斑”
会上，四川省环保厅副厅长杨雪鸿拿油菜花做了个引子，“秸秆焚烧起来都是空气杀手，特别是PM10。”
省农业厅总经济师肖小余说，“四川每年可利用秸秆总量高达4250吨。”如果都焚烧，遭遇“霾伏”的将不是某一地。
　　今年的秸秆禁烧督查，分成4级网格。“包括市、县、镇、村，层层都有负责人。就成都来说，成都市农委和环保局牵头，各部门参与，细分督查每一个负责的区（市）县”，成都市环保局相关负责人介绍。
参与督查的，还有卫星“帮手”，“通过卫星遥感监测火点，今年比去年更严格，只要发现‘黑斑’，不管是焚烧秸秆还是树叶，都要受到处罚”。该负责人说，“小春全面禁烧时期，督查人员和卫星每天都会监察，形成日报，每天向市里汇报。”
为秸秆找新“出路”
　　“秸秆禁烧采用疏堵结合，关键在于疏，为秸秆找新出路”。肖小余说。
　　在绵阳一家生物质能源工厂，记者看到了秸秆“神奇”的妙用。通过秸秆粉碎后，经成型机高温、高压、塑化成型等工艺处理，最后变成了蚊香、木炭，甚至是鸵鸟的饲料。
“我们每吨秸秆收购价是260，加上机器、电等费用，每吨成本价在1300元左右，加工成品出售，每吨还有近200元的利润空间”，该工厂负责人秦代明说。
“对从事秸秆能源化、饲料化、原料利用等的企业、合作社，年消耗本市秸秆量1000吨以上的，市级财政按照每吨20元的标准给予补贴”。成都市副市长谢瑞武说，为了在2017年实现全成都市秸秆综合利用率达到96%以上的目标，成都还将实行秸秆粉碎、打捆机械补贴等举措。
为秸秆禁烧立法
　　“以前地区交界地域是老大难”，成都市环保局相关负责人表示，“联防联控解决了这个难题。”
　　她回忆起去年一次深夜监查，“当时已经是凌晨2点过，我们发现了火点，在彭州和什邡的交界处，那块田一半属于彭州、一半属于什邡，我根据大家共用的通信录，找到了什邡秸秆办牵头人，层层通知下去，不一会儿，那个村里的负责人就来处置了火点，进行了相关处罚。”
　　会上，相关地区负责人还提出了召开“大春秸秆焚烧联防联控会”等建议。谢瑞武提出，建议四川省出台有关秸秆禁烧的条例，得到了大家的赞同。“四川省今年要出台有关大气污染防治的条例，秸秆禁烧可以成为其中一个重要组成部分”，杨雪鸿说。
　　华西都市报记者张路延摄影报道
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