美國(guó)天基空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)發(fā)展

宋博 （北京空間科技信息研究所）

隨著全球空間優(yōu)勢(shì)爭(zhēng)奪加劇、空間碎片增長(zhǎng)以及空間對(duì)抗技術(shù)發(fā)展，空間安全日益成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)?？臻g態(tài)勢(shì)感知包括對(duì)空間目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤、識(shí)別、編目、表征，對(duì)空間事件的評(píng)估、核實(shí)，以及對(duì)空間環(huán)境的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)等，是了解與應(yīng)對(duì)空間威脅、確?？臻g安全的基礎(chǔ)，近年來(lái)受到航天國(guó)家高度重視。美國(guó)作為擁有最多空間資產(chǎn)、對(duì)空間依賴最強(qiáng)的國(guó)家，大力發(fā)展空間態(tài)勢(shì)感知能力，重點(diǎn)發(fā)展具有全天時(shí)、全天候探測(cè)優(yōu)勢(shì)的天基系統(tǒng)，實(shí)施了一系列天基空間態(tài)勢(shì)感知裝備部署和技術(shù)研發(fā)計(jì)劃，構(gòu)建全維空間態(tài)勢(shì)感知能力。

天基空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)包括專用空間目標(biāo)監(jiān)視衛(wèi)星、具有空間監(jiān)視能力的導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星、具有空間目標(biāo)監(jiān)視能力的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，以及空間環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星。本文重點(diǎn)關(guān)注專用空間目標(biāo)監(jiān)視衛(wèi)星和有關(guān)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。

1 發(fā)展思路與舉措

頂層謀劃，優(yōu)先發(fā)展

全球空間安全形勢(shì)變化引發(fā)美國(guó)高度擔(dān)憂，深刻意識(shí)到空間態(tài)勢(shì)感知的重要性，將其視為保障空間安全、保持空間優(yōu)勢(shì)的基石，予以優(yōu)先發(fā)展和重點(diǎn)保障。2001年，美國(guó)空軍就提出在控制空間領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展空間態(tài)勢(shì)感知技術(shù)；2006年，《美國(guó)空軍主

導(dǎo)規(guī)劃》制定了未來(lái)20年空間態(tài)勢(shì)感知能力發(fā)展路線，提出建設(shè)重點(diǎn)和發(fā)展目標(biāo)；2010年，新版《國(guó)家航天政策》指出空間態(tài)勢(shì)感知的重要性，提出通過(guò)維護(hù)和整合空間監(jiān)視、情報(bào)及其他信息，發(fā)展準(zhǔn)確、及時(shí)的空間態(tài)勢(shì)感知能力，為保持美國(guó)航天領(lǐng)導(dǎo)地位、維護(hù)空間利益、推動(dòng)各國(guó)采取負(fù)責(zé)任空間行為，以及建立以美國(guó)為核心的空間新秩序提供關(guān)鍵能力支撐。2011年發(fā)布的《國(guó)家安全空間戰(zhàn)略》再次強(qiáng)調(diào)應(yīng)增強(qiáng)空間態(tài)勢(shì)感知能力，確?？臻g態(tài)勢(shì)對(duì)美單向透明，同時(shí)支持構(gòu)建國(guó)際空間行為規(guī)范。

天地一體，全維感知

天基、地基空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)各具特點(diǎn)，天基系統(tǒng)具有全天時(shí)、全天候探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，但是起步較晚，首顆專用空間態(tài)勢(shì)感知衛(wèi)星發(fā)射入軌至今僅有5年時(shí)間，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)難以替代地基系統(tǒng)。因此，“天地一體”仍是當(dāng)前美國(guó)發(fā)展空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的主要思路，近年來(lái)啟動(dòng)了地基“太空籬笆”雷達(dá)系統(tǒng)換代升級(jí)、發(fā)射高軌巡視衛(wèi)星、升級(jí)聯(lián)合空間作戰(zhàn)中心任務(wù)系統(tǒng)等一系列工作，積極構(gòu)建天地一體空間態(tài)勢(shì)感知體系，發(fā)展全維空間態(tài)勢(shì)感知能力。

加大投入，突出重點(diǎn)

為支持新系統(tǒng)研制部署和技術(shù)研發(fā)，美國(guó)近年來(lái)明顯增加了空間態(tài)勢(shì)感知領(lǐng)域的投入。據(jù)美國(guó)航天新聞網(wǎng)站報(bào)道，美國(guó)政府問(wèn)責(zé)署報(bào)告“太空態(tài)勢(shì)工作及計(jì)劃預(yù)算”稱，2016-2020年美國(guó)政府計(jì)劃在空間態(tài)勢(shì)感知領(lǐng)域投入60億美元，這筆資金將主要拔付給國(guó)防部。根據(jù)美國(guó)國(guó)防部公開(kāi)發(fā)布的2016財(cái)年預(yù)算文件，2016-2020年國(guó)防部的空間態(tài)勢(shì)感知領(lǐng)域預(yù)算共約18億美元，由此推測(cè)大部分投入資金將用于軍方的保密項(xiàng)目。

據(jù)美國(guó)國(guó)防部預(yù)算情況初步分析，美國(guó)當(dāng)前空間態(tài)勢(shì)感知能力建設(shè)主要集中在三個(gè)方面：一是空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)研發(fā)，包括研制新型探測(cè)器、提升信息集成能力，以及針對(duì)未來(lái)任務(wù)需要制定發(fā)展規(guī)劃和進(jìn)行技術(shù)需求預(yù)測(cè)；二是空間態(tài)勢(shì)感知運(yùn)行，包括空間態(tài)勢(shì)感知網(wǎng)絡(luò)中各類探測(cè)器和信息集成能力的部署、升級(jí)和運(yùn)行維護(hù)；三是聯(lián)合空間作戰(zhàn)中心（JSpOC）任務(wù)系統(tǒng)項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，提升空間目標(biāo)和空間活動(dòng)的偵察監(jiān)視、空間數(shù)據(jù)融合、合作方空間設(shè)施感知以及支持美國(guó)戰(zhàn)略司令部對(duì)空間力量的指揮控制能力。

美國(guó)利用各國(guó)對(duì)空間安全問(wèn)題的關(guān)切，積極推行空間態(tài)勢(shì)感知外交，有選擇的向盟友國(guó)家共享空間態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)，一方面通過(guò)集成多國(guó)空間監(jiān)視資源提升自身空間態(tài)勢(shì)感知能力和體系彈性，另一方面寄希望于以此作為籌碼，推動(dòng)構(gòu)建以其為主導(dǎo)的空間軍事同盟。2015年1月9日，美國(guó)戰(zhàn)略司令部與德國(guó)簽訂了共享空間態(tài)勢(shì)感知服務(wù)與信息的技術(shù)協(xié)議，在空間態(tài)勢(shì)感知領(lǐng)域開(kāi)展合作。而此前，美國(guó)已經(jīng)與英、韓、法、加、意、日、澳7國(guó)，歐洲航天局、歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織2個(gè)國(guó)際組織，以及16個(gè)國(guó)家的46個(gè)商業(yè)實(shí)體簽署了空間態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)共享協(xié)議，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)申請(qǐng)流程，推動(dòng)數(shù)據(jù)共享向?qū)嵸|(zhì)性的可操作層面發(fā)展。2015年3月9日，美國(guó)與印度開(kāi)展首次太空安全合作對(duì)話，表達(dá)了就空間態(tài)勢(shì)感知領(lǐng)域雙方開(kāi)展合作的意向，試圖進(jìn)一步擴(kuò)大合作范圍。

2 系統(tǒng)部署與能力現(xiàn)狀

美國(guó)2016財(cái)年（左）和 2016－2020財(cái)年（右）空間態(tài)勢(shì)感知領(lǐng)域預(yù)算（單位：百萬(wàn)美元）

從20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，美國(guó)實(shí)施了多項(xiàng)空間目標(biāo)監(jiān)視衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目，包括“中段空間試驗(yàn)衛(wèi)星”（MSX）、試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)－10和11（XSS－10和11）、微衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)－A和B（MiTEx－A和B）等，演示驗(yàn)證了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。目前，美軍在軌運(yùn)行的空間態(tài)勢(shì)感知衛(wèi)星共6顆，包括3顆專用型業(yè)務(wù)衛(wèi)星和3顆技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。業(yè)務(wù)衛(wèi)星采用高低軌組合配置，由1顆低軌天基空間監(jiān)視系統(tǒng)－1（SBSS－1）和2顆高軌“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”（GSSAP）衛(wèi)星組成，跟蹤監(jiān)視與巡視偵察手段結(jié)合，對(duì)高價(jià)值航天器集中的地球同步軌道目標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)偵察監(jiān)視。技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星包括1顆高軌“評(píng)估局部空間自主守衛(wèi)納衛(wèi)星”（ANGELS）和2顆低軌“可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡”（STARE）衛(wèi)星，在軌演示驗(yàn)證高軌抵近偵察技術(shù)和低成本空間監(jiān)視技術(shù)。

美國(guó)空間態(tài)勢(shì)感知能力全球領(lǐng)先，具備對(duì)進(jìn)入空間、在空間，涵蓋高、低軌空間區(qū)域，針對(duì)多種空間活動(dòng)的態(tài)勢(shì)感知能力，低軌目標(biāo)分辨率5cm、靜止軌道目標(biāo)分辨率50cm，跟蹤編目所有在軌衛(wèi)星和直徑數(shù)厘米以上的空間碎片等共計(jì)23000余個(gè)空間目標(biāo)，對(duì)所有在軌工作衛(wèi)星進(jìn)行軌道預(yù)測(cè)和碰撞預(yù)警。

“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星

低軌天基空間監(jiān)視系統(tǒng)－1衛(wèi)星是美軍天基空間態(tài)勢(shì)感知的骨干系統(tǒng)，衛(wèi)星研制歷經(jīng)8年，耗資近10億美元，于2010年9月發(fā)射，是美軍部署的首顆專用型空間態(tài)勢(shì)感知衛(wèi)星，衛(wèi)星入軌后開(kāi)展了一系列試驗(yàn)，于2013年進(jìn)入業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)階段。

“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星質(zhì)量1031kg，運(yùn)行在630km高的太陽(yáng)同步軌道上，帶有一臺(tái)安裝在可旋轉(zhuǎn)的萬(wàn)向架上的30cm口徑光學(xué)系統(tǒng)，采用三反消色散望遠(yuǎn)鏡和面陣電荷耦合器件（CCD）技術(shù)，焦面像元數(shù)量240萬(wàn)，可以兼顧測(cè)量精度和寬視場(chǎng)搜索能力的性能指標(biāo)要求。探測(cè)器還采用了7色濾光盤，提升了空間目標(biāo)識(shí)別能力。衛(wèi)星具有全天時(shí)持續(xù)工作能力，平均每天觀測(cè)12000個(gè)目標(biāo)，可以快速掃描、發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、跟蹤低軌至高軌目標(biāo)，特別是靜止軌道的衛(wèi)星、機(jī)動(dòng)飛行器和空間碎片等目標(biāo)，可在24h完成對(duì)整個(gè)靜止軌道區(qū)域的掃描探測(cè)。

“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星配備了星上任務(wù)數(shù)據(jù)任務(wù)處理器（OBMDP），可實(shí)現(xiàn)星上圖像數(shù)據(jù)初步處理，減少下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸量。衛(wèi)星采用可再編程（在線編程）的星上軟件，支持衛(wèi)星在軌系統(tǒng)性能升級(jí)，如探測(cè)更小的目標(biāo)、自動(dòng)跟蹤感興趣目標(biāo)以及提高系統(tǒng)使用效率等，還可降低衛(wèi)星運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

美國(guó)在軌空間態(tài)勢(shì)感知衛(wèi)星基本情況

“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星監(jiān)視地球靜止軌道衛(wèi)星

“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)

“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”衛(wèi)星

“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”衛(wèi)星是美國(guó)空軍發(fā)展的高軌巡視衛(wèi)星。2顆“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”衛(wèi)星于2014年7月28日從美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射場(chǎng)發(fā)射入軌。

根據(jù)美國(guó)空軍在官方網(wǎng)站公布的信息，2顆“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”衛(wèi)星部署在近地球同步軌道，通過(guò)與地球同步軌道目標(biāo)的相對(duì)漂移實(shí)現(xiàn)同步軌道全軌道巡視探測(cè)。“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”衛(wèi)星采用光電探測(cè)載荷，可提供準(zhǔn)確的目標(biāo)軌道和特征數(shù)據(jù)，觀測(cè)結(jié)果匯入空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）。

“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”衛(wèi)星由美國(guó)軌道科學(xué)公司研制，由位于科羅拉多州的施里弗空軍基地負(fù)責(zé)運(yùn)行。衛(wèi)星發(fā)射后接受了一系列在軌測(cè)試，于2015年9月結(jié)束測(cè)試，具備初始運(yùn)行能力。美軍計(jì)劃2016年再發(fā)射2顆“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”衛(wèi)星。

“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”衛(wèi)星技術(shù)途徑與載荷參數(shù)等核心信息被美軍嚴(yán)格保密。根據(jù)美國(guó)官方和主流航天媒體發(fā)布的衛(wèi)星公開(kāi)信息，結(jié)合美軍已完成的微衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)高軌巡視技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的情況初步分析，“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”衛(wèi)星質(zhì)量約900～1000kg，2顆衛(wèi)星可能分別運(yùn)行在地球靜止軌道（GEO）附近的高低2條軌道上，通過(guò)與GEO目標(biāo)反方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行全軌道覆蓋，周期約30天。衛(wèi)星具有地球同步軌道巡視探測(cè)和抵近詳查能力。日常運(yùn)行在近地球同步軌道，利用與地球同步軌道的相對(duì)漂移對(duì)GEO目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、編目和偵察，還能通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)的萬(wàn)向架對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行多角度立體觀測(cè)，獲取目標(biāo)全向視圖；必要時(shí)還能通過(guò)軌道機(jī)動(dòng)，抵近地球同步軌道目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)偵察，獲取目標(biāo)高清視圖。另外，“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”衛(wèi)星作為地球同步軌道機(jī)動(dòng)平臺(tái)，還可能具備空間進(jìn)攻能力。

“評(píng)估局部空間自主守衛(wèi)納衛(wèi)星”

“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”雙星軌道配置方案示意圖

“評(píng)估局部空間自主守衛(wèi)納衛(wèi)星”

“評(píng)估局部空間自主守衛(wèi)納衛(wèi)星”由美國(guó)空軍歷時(shí)10年研制，于2014年9月與“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”雙星一同以“一箭三星”方式發(fā)射入軌?！霸u(píng)估局部空間自主守衛(wèi)納衛(wèi)星”是繼美軍低軌試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)－10和11衛(wèi)星飛行試驗(yàn)后的首顆高軌非合作目標(biāo)自主抵近技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。

該衛(wèi)星質(zhì)量約100kg，設(shè)計(jì)壽命1年。衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定的地球同步軌道后，從德?tīng)査?火箭上面級(jí)上釋放，并以上面級(jí)為目標(biāo)進(jìn)行逼近、繞飛、懸停等操作，測(cè)試星上導(dǎo)航系統(tǒng)和態(tài)勢(shì)感知載荷性能，評(píng)估衛(wèi)星自主探測(cè)、跟蹤、監(jiān)視空間目標(biāo)，掌握目標(biāo)特性和活動(dòng)意圖的能力。

美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室公布的任務(wù)簡(jiǎn)報(bào)聲稱，此次發(fā)射的“評(píng)估局部空間自主守衛(wèi)納衛(wèi)星”僅圍繞執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的德?tīng)査?火箭上面級(jí)展開(kāi)試驗(yàn)，并不針對(duì)在軌運(yùn)行的衛(wèi)星。但值得注意的是，“評(píng)估局部空間自主守衛(wèi)納衛(wèi)星”任務(wù)及其演示驗(yàn)證的技術(shù)都特別強(qiáng)調(diào)衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃和自主操作能力，盡可能保持無(wú)線電靜默，說(shuō)明該項(xiàng)演示驗(yàn)證任務(wù)針對(duì)實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)，可能不僅僅是簡(jiǎn)單的技術(shù)飛行試驗(yàn)，還包括作戰(zhàn)模式和戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法的演練。另外，“評(píng)估局部空間自主守衛(wèi)納衛(wèi)星”設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)1年，有充裕的時(shí)間針對(duì)其他非合作目標(biāo)開(kāi)展試驗(yàn)。

未來(lái)，美軍可能在“評(píng)估局部空間自主守衛(wèi)納衛(wèi)星”技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展能夠自主伴飛在己方高軌衛(wèi)星周圍的護(hù)衛(wèi)小衛(wèi)星，提供實(shí)時(shí)連續(xù)的偵察監(jiān)視、威脅告警、異常檢查和受損評(píng)估能力。

3 未來(lái)發(fā)展計(jì)劃

“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”后續(xù)星計(jì)劃

2015年1月，美國(guó)空軍宣布啟動(dòng)“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”后續(xù)星研制項(xiàng)目，計(jì)劃用一個(gè)3星星座接替現(xiàn)有的天基空間監(jiān)視系統(tǒng)－1衛(wèi)星，以增大覆蓋面積，縮短目標(biāo)重訪周期。“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”后續(xù)星仍將運(yùn)行在LEO軌道，用于監(jiān)視地球同步軌道目標(biāo)，尺寸較天基空間監(jiān)視系統(tǒng)－1小，單星成本約5.2億美元，比天基空間監(jiān)視系統(tǒng)－1降低近50%。與天基空間監(jiān)視系統(tǒng)－1和“地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”衛(wèi)星一樣，“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”后續(xù)星項(xiàng)目也是美國(guó)軍方的保密項(xiàng)目，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)參數(shù)等信息均未公開(kāi)，有待進(jìn)一步跟蹤研究。

美軍預(yù)估首顆“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”后續(xù)星有望在2021年發(fā)射，而天基空間監(jiān)視系統(tǒng)－1衛(wèi)星按設(shè)計(jì)壽命將于2017年退役，其間可能存在能力空檔期。為解決這一問(wèn)題，美軍委托麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室在“快速響應(yīng)”計(jì)劃下研制作戰(zhàn)響應(yīng)空間-5（ORS-5）空間目標(biāo)監(jiān)視小衛(wèi)星。作戰(zhàn)響應(yīng)空間－5質(zhì)量100kg左右，采用延時(shí)積分技術(shù)，工作模式與“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星類似，可從近地軌道快速掃描地球同步軌道。2015年2月，作戰(zhàn)響應(yīng)空間－5完成初步設(shè)計(jì)評(píng)審，計(jì)劃于2017年發(fā)射，在天基空間監(jiān)視系統(tǒng)－1衛(wèi)星退役后提供過(guò)渡性空間監(jiān)視能力。作戰(zhàn)響應(yīng)空間－5開(kāi)發(fā)的技術(shù)將用于“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”后續(xù)星上。

微納空間監(jiān)視衛(wèi)星系統(tǒng)論證與演示試驗(yàn)

在當(dāng)前空間監(jiān)視需求快速增長(zhǎng)、經(jīng)費(fèi)收縮，以及空間技術(shù)發(fā)展等多重因素作用下，美國(guó)航天界近年來(lái)掀起了一輪關(guān)于未來(lái)空間監(jiān)視體系發(fā)展的研究、討論和實(shí)踐。其中，微納衛(wèi)星平臺(tái)和載荷技術(shù)的快速發(fā)展逐步成熟使微小型低成本空間監(jiān)視衛(wèi)星系統(tǒng)成為可能，這為保持和提升美軍的空間監(jiān)視能力提供了一個(gè)高性價(jià)比選項(xiàng)，航天界將其視為未來(lái)天基空間態(tài)勢(shì)感知發(fā)展的重要方向，美國(guó)軍方、美國(guó)航空航天局、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界均已開(kāi)展基于微小衛(wèi)星平臺(tái)的空間監(jiān)視衛(wèi)星概念和技術(shù)研究。

（1）“可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡”低軌納衛(wèi)星星座計(jì)劃

當(dāng)前，過(guò)高的碰撞虛警率使實(shí)際操作中的碰撞預(yù)警提示意義大打折扣，提升空間目標(biāo)探測(cè)頻率和定位精度，提供高參考價(jià)值的碰撞預(yù)警信息已成為必須盡快解決的問(wèn)題。為降低成本，美國(guó)正在開(kāi)展采用納衛(wèi)星星座進(jìn)行高低軌空間目標(biāo)精確定軌的可行性和有效性研究。采用納衛(wèi)星星座探測(cè)具有很多優(yōu)勢(shì)，如觀測(cè)距離較近，觀測(cè)所需的光學(xué)系統(tǒng)孔徑小，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度低，研發(fā)成本低，部署周期短。

“可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡”正是在這一背景下由美國(guó)國(guó)家偵察局（NRO）開(kāi)展的低成本空間態(tài)勢(shì)感知納衛(wèi)星星座項(xiàng)目，計(jì)劃發(fā)展由12～18顆衛(wèi)星組成、分布在軌道高度700km的3個(gè)軌道面上的星座系統(tǒng)，與地面設(shè)施協(xié)同對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行高精度定軌，改善目前在軌碰撞虛警率過(guò)高的情況。

“可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡”衛(wèi)星采用3U立方體架構(gòu)，衛(wèi)星平臺(tái)為波音公司建造的集群－2（Colony－2），該平臺(tái)使用了反作用輪，以保證成像所需的較高指向精度。衛(wèi)星有效載荷為勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）研制的改進(jìn)型光學(xué)成像系統(tǒng)，尺寸約為1.5U，由一臺(tái)修正反光卡塞格林望遠(yuǎn)鏡及互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）探測(cè)器組成，用于捕獲小型空間目標(biāo)的圖像。在狹小空間內(nèi)，該衛(wèi)星光學(xué)成像載荷可獲得最小畸變的寬視場(chǎng)（2.08°×1.67°），可探測(cè)軌道高度200～1000km、尺寸大于10cm的空間目標(biāo)。探測(cè)器采用視頻級(jí)Cypress IBIS5-B-1300 CMOS探測(cè)器，像元數(shù)量1024×1024，像元尺寸6.7μm，成像曝光時(shí)間1s，可探測(cè)近地軌道上尺寸大于10cm的空間目標(biāo)，目標(biāo)定軌精度提升到100m，比當(dāng)前地基空間監(jiān)視系統(tǒng)提高2個(gè)數(shù)量級(jí)。

“可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡”衛(wèi)星將使用與美國(guó)中程空間實(shí)驗(yàn)（MSX）任務(wù)中“天基可見(jiàn)光”（SBV）望遠(yuǎn)鏡和“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡相同的恒星跟蹤模式，即衛(wèi)星固定指向恒星，以之為參照點(diǎn)。恒星則在探測(cè)圖像上顯示為亮點(diǎn)，衛(wèi)星和空間碎片則由于快速相對(duì)運(yùn)動(dòng)而顯示為亮的跡線?！翱刹僮骶菤v表天基望遠(yuǎn)鏡”衛(wèi)星將在星上對(duì)目標(biāo)軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后發(fā)往地面站。

目前美國(guó)已分別于2012、2013年發(fā)射了可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡－1和2技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，演示驗(yàn)證了適用于空間監(jiān)視的微小光學(xué)成像系統(tǒng)和先進(jìn)平臺(tái)技術(shù)。

“可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡”衛(wèi)星在軌試驗(yàn)結(jié)果

“可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目采用螺旋發(fā)展策略，首先將依次發(fā)射3顆“探路者”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。首顆可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡-A技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星已于2012年9月發(fā)射升空，演示驗(yàn)證微小光學(xué)成像系統(tǒng)和先進(jìn)平臺(tái)技術(shù)；可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡－B用于驗(yàn)證升級(jí)型載荷的性能；原計(jì)劃于2014年第3季度發(fā)射的第3顆，也是最后一顆“可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星未能按時(shí)發(fā)射，推遲到2015年11月以后實(shí)施，將采用改進(jìn)的探測(cè)載荷和升級(jí)型集群－2平臺(tái)，全面演示驗(yàn)證“納衛(wèi)星在精確確定選定目標(biāo)軌道參數(shù)以避免空間碰撞”方面的技術(shù)可行性。此后，“可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目將進(jìn)入任務(wù)演示驗(yàn)證階段，將再發(fā)射5顆衛(wèi)星進(jìn)行任務(wù)驗(yàn)證。最后，項(xiàng)目進(jìn)入星座部署和業(yè)務(wù)運(yùn)行階段，潛在用戶可能是軍方、政府或私營(yíng)部門。這些“太空交通攝像頭”將提供關(guān)于地球軌道內(nèi)衛(wèi)星和碎片的精細(xì)軌道信息，大大降低碰撞虛警率，使衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商在其資產(chǎn)處于真正危險(xiǎn)時(shí)能夠采取措施。

“可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡”衛(wèi)星在軌試驗(yàn)結(jié)果顯示，衛(wèi)星對(duì)空間目標(biāo)軌位預(yù)測(cè)的精度得到了很大改善。該衛(wèi)星測(cè)算的目標(biāo)軌位誤差與空間監(jiān)視網(wǎng)相比大大降低（誤差圓半徑大幅減?。?，并且預(yù)測(cè)目標(biāo)軌位與空間監(jiān)視網(wǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果相比也在很大程度上得到改善，十分接近實(shí)際測(cè)量結(jié)果。

（2）美國(guó)洛馬公司GEO空間目標(biāo)監(jiān)視納衛(wèi)星星座計(jì)劃

美國(guó)洛馬公司提出的GEO空間目標(biāo)監(jiān)視納衛(wèi)星星座系統(tǒng)由運(yùn)行在GEO軌道以上500km處的多顆立方體衛(wèi)星組成，各衛(wèi)星位于同一軌道面上，等間距部署，每天漂移6°，對(duì)GEO目標(biāo)進(jìn)行環(huán)繞探測(cè)和監(jiān)視，單星每60天可環(huán)繞觀測(cè)GEO軌道1周。

洛馬公司GEO空間目標(biāo)監(jiān)視納衛(wèi)星星座設(shè)想圖

衛(wèi)星采用批量搭載方式，搭載在GEO或地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)上發(fā)射，由上面級(jí)將其送入GEO軌道以上500km左右的運(yùn)行軌道。星上配備小型推進(jìn)系統(tǒng)，用于軌道調(diào)整和保持，支持星座中的各衛(wèi)星以接近平均分布的軌位運(yùn)行。由于立方體衛(wèi)星壽命較短，后續(xù)將以搭載方式補(bǔ)充發(fā)射接替衛(wèi)星。

衛(wèi)星前后側(cè)分別配備18°寬視場(chǎng)可見(jiàn)光相機(jī)，可在不轉(zhuǎn)動(dòng)星體的條件下觀測(cè)GEO軌道東西兩側(cè)的空間目標(biāo)。衛(wèi)星還可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)星體對(duì)重要目標(biāo)或區(qū)域進(jìn)行多次觀測(cè)，以提升探測(cè)結(jié)果可靠性，或增大未知目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率。

衛(wèi)星采用3U立方體衛(wèi)星平臺(tái)，關(guān)鍵組件包括可見(jiàn)光相機(jī)、小型推進(jìn)系統(tǒng)和反作用輪。當(dāng)前有多種可見(jiàn)光相機(jī)滿足立體衛(wèi)星的尺寸、質(zhì)量和功率（SWAP）要求，可供選擇。但相機(jī)由于衛(wèi)星平臺(tái)供電能力限制，要求低功耗工作，因此可能采用間歇性工作方式，而不像當(dāng)前在軌的“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星那樣全天時(shí)不間斷工作。在衛(wèi)星不執(zhí)行空間目標(biāo)成像任務(wù)時(shí)，相機(jī)將作為星跟蹤器使用。小型推進(jìn)系統(tǒng)用于衛(wèi)星定軌和星座構(gòu)形保持，以提供最大覆蓋和重訪能力。反作用輪用于控制衛(wèi)星姿態(tài)，可通過(guò)推進(jìn)系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)飽和卸載，在必要時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)星體，改變衛(wèi)星姿態(tài)和指向。反作用輪還能在無(wú)需推進(jìn)系統(tǒng)支持條件下通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)星體實(shí)現(xiàn)對(duì)大傾角地球同步軌道目標(biāo)的觀測(cè)。

洛馬公司GEO目標(biāo)監(jiān)視納衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)示意圖

此外，衛(wèi)星采用標(biāo)準(zhǔn)的S頻段通信系統(tǒng)與美國(guó)空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)（AFSCN）通信。衛(wèi)星數(shù)傳速率因供電能力限制低于1kbit/s，因此衛(wèi)星設(shè)計(jì)有星上圖像處理能力，在去除恒星背景信息后將目標(biāo)亮度數(shù)據(jù)下傳，以減小對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸量。數(shù)據(jù)將快速匯入空間監(jiān)視網(wǎng)。

洛馬公司分別對(duì)9星、18星、27星3種規(guī)模的星座配置進(jìn)行了初步的系統(tǒng)效能分析。采用STK和Matlab軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真的結(jié)果顯示：對(duì)直徑5m以上的大型GEO目標(biāo)，采用9星的星座配置，每日可對(duì)61%的目標(biāo)進(jìn)行至少1次觀測(cè)（目標(biāo)探測(cè)率），每日平均目標(biāo)重訪時(shí)間間隔16h，平均覆蓋率約2%，單個(gè)目標(biāo)每日平均探測(cè)次數(shù)為0.3，每10日目標(biāo)探測(cè)率升至96%，平均覆蓋率20%，單個(gè)目標(biāo)每10日平均探測(cè)次數(shù)為6次；若采用18星星座，每日可對(duì)82%的目標(biāo)進(jìn)行至少1次觀測(cè)，平均覆蓋率約4%，單個(gè)目標(biāo)每日平均探測(cè)次數(shù)為1。采用27星星座時(shí)，對(duì)直徑2m以上的GEO目標(biāo)，每日可對(duì)79.2%的目標(biāo)進(jìn)行至少1次觀測(cè)，平均覆蓋率為38.5%。

該計(jì)劃目前仍處于可行性研究階段，尚未進(jìn)入研制流程，洛馬公司正在對(duì)不同衛(wèi)星數(shù)量和多軌道部署（包括GEO+500km、大橢圓軌道等）的任務(wù)效能和成本進(jìn)行綜合分析評(píng)估，星座方案和研制計(jì)劃尚未最終確定，有待進(jìn)一步跟蹤研究。

另外，美國(guó)空軍航天司令部前司令謝爾頓曾在2014年的一次內(nèi)部講話中透露，未來(lái)可能在每顆衛(wèi)星，特別是GEO衛(wèi)星的前后面各安裝一個(gè)微型相機(jī)，用于觀測(cè)衛(wèi)星東西兩側(cè)靠近的物體，感知安全威脅。

“軌道展望”計(jì)劃

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）正在實(shí)施“軌道展望”計(jì)劃，旨在將政府、軍方、商業(yè)組織、高校的空間目標(biāo)監(jiān)視設(shè)施的觀測(cè)數(shù)據(jù)和無(wú)線電遙測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)一的平臺(tái)集中起來(lái)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合，彌補(bǔ)單一信息不完整、不精確或不確定所造成的缺陷，實(shí)現(xiàn)空間監(jiān)視數(shù)據(jù)的全面、高效利用，改善目標(biāo)探測(cè)跟蹤精度和信息可信度，提升威脅研判的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度，生成一致的空間態(tài)勢(shì)視圖。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局“軌道展望”計(jì)劃示意圖

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局還在該計(jì)劃下開(kāi)展了新型空間探測(cè)技術(shù)研究，于2013年底對(duì)外發(fā)布了“低地球軌道低傾角目標(biāo)”[指軌道高度小于1000km、軌道傾角在0°±20°或180°±20°（逆行軌道）范圍的空間目標(biāo)]監(jiān)視項(xiàng)目招標(biāo)書，計(jì)劃開(kāi)發(fā)可在無(wú)提升條件下，即沒(méi)有目標(biāo)位置或軌跡先驗(yàn)作息的條件下，可探測(cè)直徑10cm以上低地球軌道（LEO），低傾角目標(biāo)的新型空間探測(cè)器，測(cè)量精度優(yōu)于6″，定時(shí)精度優(yōu)于10ms，并要求在10min窗口內(nèi)可進(jìn)行不少于3次獨(dú)立探測(cè)。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局還將演示驗(yàn)證利用新型或改進(jìn)型傳感器快速補(bǔ)充空間監(jiān)視網(wǎng)的能力，目前已完成招標(biāo)書遴選，研究工作正在開(kāi)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

空間態(tài)勢(shì)感知已成為構(gòu)建空間優(yōu)勢(shì)、維護(hù)空間安全的重要基礎(chǔ)能力，美國(guó)大力發(fā)展高低軌復(fù)合空間態(tài)勢(shì)感知衛(wèi)星系統(tǒng)，將空間態(tài)勢(shì)感知能力從簡(jiǎn)單的目標(biāo)探測(cè)編目提升到對(duì)空間目標(biāo)功能特性、活動(dòng)目的和意圖的全面掌控，支持及時(shí)、準(zhǔn)確的空間態(tài)勢(shì)研判、威脅評(píng)估和快速?zèng)Q策，空間優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步增強(qiáng)，應(yīng)引起我們高度重視。