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美国天基空间态势感知系统发展

时间:2016年02月26日 信息来源:国际太空 点击: 【字体:



 随着全球空间优势争夺加剧、空间碎片增长以及空间对抗技术发展,空间安全日益成为全球关注的焦点。空间态势感知包括对空间目标的探测、跟踪、识别、编目、表征,对空间事件的评估、核实,以及对空间环境的监测预报等,是了解与应对空间威胁、确保空间安全的基础,近年来受到航天国家高度重视。美国作为拥有最多空间资产、对空间依赖最强的国家,大力发展空间态势感知能力,重点发展具有全天时、全天候探测优势的天基系统,实施了一系列天基空间态势感知装备部署和技术研发计划,构建全维空间态势感知能力。

 天基空间态势感知系统包括专用空间目标监视卫星、具有空间监视能力的导弹预警卫星、具有空间目标监视能力的技术试验卫星,以及空间环境监测卫星。本文重点关注专用空间目标监视卫星和有关技术试验卫星。


一、发展思路与举措


 顶层谋划,优先发展


 全球空间安全形势变化引发美国高度担忧,深刻意识到空间态势感知的重要性,将其视为保障空间安全、保持空间优势的基石,予以优先发展和重点保障。2001年,美国空军就提出在控制空间领域重点发展空间态势感知技术;2006年,《美国空军主导规划》制定了未来20年空间态势感知能力发展路线,提出建设重点和发展目标;2010年,新版《国家航天政策》指出空间态势感知的重要性,提出通过维护和整合空间监视、情报及其他信息,发展准确、及时的空间态势感知能力,为保持美国航天领导地位、维护空间利益、推动各国采取负责任空间行为,以及建立以美国为核心的空间新秩序提供关键能力支撑。2011年发布的《国家安全空间战略》再次强调应增强空间态势感知能力,确保空间态势对美单向透明,同时支持构建国际空间行为规范。


 天地一体,全维感知


 天基、地基空间态势感知系统各具特点,天基系统具有全天时、全天候探测的优势,但是起步较晚,首颗专用空间态势感知卫星发射入轨至今仅有5年时间,在较长的时间内难以替代地基系统。因此,“天地一体”仍是当前美国发展空间态势感知系统的主要思路,近年来启动了地基“空间篱笆”雷达系统换代升级、发射高轨巡视卫星、升级联合空间作战中心任务系统等一系列工作,积极构建天地一体空间态势感知体系,发展全维空间态势感知能力。


 加大投入,突出重点

 

 为支持新系统研制部署和技术研发,美国近年来明显增加了空间态势感知领域的投入。据美国航天新闻网站报道,美国政府问责署报告“太空态势工作及计划预算”称,2016—2020年美国政府计划在空间态势感知领域投入60亿美元,这笔资金将主要拔付给国防部。根据美国国防部公开发布的2016财年预算文件,2016—2020年国防部的空间态势感知领域预算共约18亿美元,由此推测大部分投入资金将用于军方的保密项目。

 据美国国防部预算情况初步分析,美国当前空间态势感知能力建设主要集中在三个方面:一是空间态势感知系统研发,包括研制新型探测器、提升信息集成能力,以及针对未来任务需要制定发展规划和进行技术需求预测;二是空间态势感知运行,包括空间态势感知网络中各类探测器和信息集成能力的部署、升级和运行维护;三是联合空间作战中心(JSpOC)任务系统项目,通过对系统进行升级改造,提升空间目标和空间活动的侦察监视、空间数据融合、合作方空间设施感知以及支持美国战略司令部对空间力量的指挥控制能力。



 扩大合作,增强弹性

 

 美国利用各国对空间安全问题的关切,积极推行空间态势感知外交,有选择的向盟友国家共享空间态势感知数据,一方面通过集成多国空间监视资源提升自身空间态势感知能力和体系弹性,另一方面寄希望于以此作为筹码,推动构建以其为主导的空间军事同盟。2015年1月9日,美国战略司令部与德国签订了共享空间态势感知服务与信息的技术协议,在空间态势感知领域开展合作。而此前,美国已经与英、韩、法、加、意、日、澳7国,欧洲航天局、欧洲气象卫星应用组织2个国际组织,以及16个国家的46个商业实体签署了空间态势感知数据共享协议,简化数据申请流程,推动数据共享向实质性的可操作层面发展。2015年3月9日,美国与印度开展首次太空安全合作对话,表达了就空间态势感知领域双方开展合作的意向,试图进一步扩大合作范围。


二、系统部署与能力现状


 从20世纪90年代到21世纪初,美国实施了多项空间目标监视卫星技术试验项目,包括“中段空间试验卫星”(MSX)、试验卫星系统-10和11(XSS-10和11)、微卫星技术试验-A和B(MiTEx-A和B)等,演示验证了相关关键技术。目前,美军在轨运行的空间态势感知卫星共6颗,包括3颗专用型业务卫星和3颗技术试验卫星。业务卫星采用高低轨组合配置,由1颗低轨天基空间监视系统-1(SBSS-1)和2颗高轨“地球同步轨道空间态势感知计划”(GSSAP)卫星组成,跟踪监视与巡视侦察手段结合,对高价值航天器集中的地球同步轨道目标进行重点侦察监视。技术试验卫星包括1颗高轨“评估局部空间自主守卫纳卫星”(ANGELS)和2颗低轨“可操作精化星历表天基望远镜”(STARE)卫星,在轨演示验证高轨抵近侦察技术和低成本空间监视技术。

 美国空间态势感知能力全球领先,具备对进入空间、在空间,涵盖高、低轨空间区域,针对多种空间活动的态势感知能力,低轨目标分辨率5cm、静止轨道目标分辨率50cm,跟踪编目所有在轨卫星和直径数厘米以上的空间碎片等共计23000余个空间目标,对所有在轨工作卫星进行轨道预测和碰撞预警。


“天基空间监视系统”卫星


 低轨天基空间监视系统-1卫星是美军天基空间态势感知的骨干系统,卫星研制历经8年,耗资近10亿美元,于2010年9月发射,是美军部署的首颗专用型空间态势感知卫星,卫星入轨后开展了一系列试验,于2013年进入业务运营阶段。



 “天基空间监视系统”卫星质量1031kg,运行在630km高的太阳同步轨道上,带有一台安装在可旋转的万向架上的30cm口径光学系统,采用三反消色散望远镜和面阵电荷耦合器件(CCD)技术,焦面像元数量240万,可以兼顾测量精度和宽视场搜索能力的性能指标要求。探测器还采用了7色滤光盘,提升了空间目标识别能力。卫星具有全天时持续工作能力,平均每天观测12000个目标,可以快速扫描、发现、识别、跟踪低轨至高轨目标,特别是静止轨道的卫星、机动飞行器和空间碎片等目标,可在24h完成对整个静止轨道区域的扫描探测。

 “天基空间监视系统”卫星配备了星上任务数据任务处理器(OBMDP),可实现星上图像数据初步处理,减少下行链路数据传输量。卫星采用可再编程(在线编程)的星上软件,支持卫星在轨系统性能升级,如探测更小的目标、自动跟踪感兴趣目标以及提高系统使用效率等,还可降低卫星运行风险。

 

 “地球同步轨道空间态势感知计划”卫星


 “地球同步轨道空间态势感知计划”卫星是美国空军发展的高轨巡视卫星。2颗“地球同步轨道空间态势感知计划”卫星于2014年7月28日从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场发射入轨。

 根据美国空军在官方网站公布的信息,2颗“地球同步轨道空间态势感知计划”卫星部署在近地球同步轨道,通过与地球同步轨道目标的相对漂移实现同步轨道全轨道巡视探测。“地球同步轨道空间态势感知计划”卫星采用光电探测载荷,可提供准确的目标轨道和特征数据,观测结果汇入空间监视网(SSN)。

 “地球同步轨道空间态势感知计划”卫星由美国轨道科学公司研制,由位于科罗拉多州的施里弗空军基地负责运行。卫星发射后接受了一系列在轨测试,于2015年9月结束测试,具备初始运行能力。美军计划2016年再发射2颗“地球同步轨道空间态势感知计划”卫星。

 “地球同步轨道空间态势感知计划”卫星技术途径与载荷参数等核心信息被美军严格保密。根据美国官方和主流航天媒体发布的卫星公开信息,结合美军已完成的微卫星技术试验高轨巡视技术试验卫星的情况初步分析,“地球同步轨道空间态势感知计划”卫星质量约900~1000kg,2颗卫星可能分别运行在地球静止轨道(GEO)附近的高低2条轨道上,通过与GEO目标反方向的相对运动进行全轨道覆盖,周期约30天。卫星具有地球同步轨道巡视探测和抵近详查能力。日常运行在近地球同步轨道,利用与地球同步轨道的相对漂移对GEO目标进行探测、编目和侦察,还能通过转动的万向架对特定目标进行多角度立体观测,获取目标全向视图;必要时还能通过轨道机动,抵近地球同步轨道目标进行详细侦察,获取目标高清视图。另外,“地球同步轨道空间态势感知计划”卫星作为地球同步轨道机动平台,还可能具备空间进攻能力。



 “评估局部空间自主守卫纳卫星”


 “评估局部空间自主守卫纳卫星”由美国空军历时10年研制,于2014年9月与“地球同步轨道空间态势感知计划”双星一同以“一箭三星”方式发射入轨。“评估局部空间自主守卫纳卫星”是继美军低轨试验卫星系统-10和11卫星飞行试验后的首颗高轨非合作目标自主抵近技术试验卫星。



 该卫星质量约100kg,设计寿命1年。卫星进入预定的地球同步轨道后,从德尔他-4火箭上面级上释放,并以上面级为目标进行逼近、绕飞、悬停等操作,测试星上导航系统和态势感知载荷性能,评估卫星自主探测、跟踪、监视空间目标,掌握目标特性和活动意图的能力。

 美国空军研究实验室公布的任务简报声称,此次发射的“评估局部空间自主守卫纳卫星”仅围绕执行发射任务的德尔他-4火箭上面级展开试验,并不针对在轨运行的卫星。但值得注意的是,“评估局部空间自主守卫纳卫星”任务及其演示验证的技术都特别强调卫星自主任务规划和自主操作能力,尽可能保持无线电静默,说明该项演示验证任务针对实战场景设计,可能不仅仅是简单的技术飞行试验,还包括作战模式和战术战法的演练。另外,“评估局部空间自主守卫纳卫星”设计寿命长达1年,有充裕的时间针对其他非合作目标开展试验。

 未来,美军可能在“评估局部空间自主守卫纳卫星”技术基础上发展能够自主伴飞在己方高轨卫星周围的护卫小卫星,提供实时连续的侦察监视、威胁告警、异常检查和受损评估能力。


三、未来发展计划


 “天基空间监视系统”后续星计划


 2015年1月,美国空军宣布启动“天基空间监视系统”后续星研制项目,计划用一个3星星座接替现有的天基空间监视系统-1卫星,以增大覆盖面积,缩短目标重访周期。“天基空间监视系统”后续星仍将运行在LEO轨道,用于监视地球同步轨道目标,尺寸较天基空间监视系统-1小,单星成本约5.2亿美元,比天基空间监视系统-1降低近50%。与天基空间监视系统-1和“地球同步轨道空间态势感知计划”卫星一样,“天基空间监视系统”后续星项目也是美国军方的保密项目,卫星的设计方案、技术参数等信息均未公开,有待进一步跟踪研究。

 美军预估首颗“天基空间监视系统”后续星有望在2021年发射,而天基空间监视系统-1卫星按设计寿命将于2017年退役,其间可能存在能力空档期。为解决这一问题,美军委托麻省理工学院的林肯实验室在“快速响应”计划下研制作战响应空间-5(ORS-5)空间目标监视小卫星。作战响应空间-5质量100kg左右,采用延时积分技术,工作模式与“天基空间监视系统”卫星类似,可从近地轨道快速扫描地球同步轨道。2015年2月,作战响应空间-5完成初步设计评审,计划于2017年发射,在天基空间监视系统-1卫星退役后提供过渡性空间监视能力。作战响应空间-5开发的技术将用于“天基空间监视系统”后续星上。


 微纳空间监视卫星系统论证与演示试验


 在当前空间监视需求快速增长、经费收缩,以及空间技术发展等多重因素作用下,美国航天界近年来掀起了一轮关于未来空间监视体系发展的研究、讨论和实践。其中,微纳卫星平台和载荷技术的快速发展逐步成熟使微小型低成本空间监视卫星系统成为可能,这为保持和提升美军的空间监视能力提供了一个高性价比选项,航天界将其视为未来天基空间态势感知发展的重要方向,美国军方、美国航空航天局、工业界和学术界均已开展基于微小卫星平台的空间监视卫星概念和技术研究。


 (1)“可操作精化星历表天基望远镜”低轨纳卫星星座计划

 当前,过高的碰撞虚警率使实际操作中的碰撞预警提示意义大打折扣,提升空间目标探测频率和定位精度,提供高参考价值的碰撞预警信息已成为必须尽快解决的问题。为降低成本,美国正在开展采用纳卫星星座进行高低轨空间目标精确定轨的可行性和有效性研究。采用纳卫星星座探测具有很多优势,如观测距离较近,观测所需的光学系统孔径小,因此系统设计复杂程度低,研发成本低,部署周期短。

 “可操作精化星历表天基望远镜”正是在这一背景下由美国国家侦察局(NRO)开展的低成本空间态势感知纳卫星星座项目,计划发展由12~18颗卫星组成、分布在轨道高度700km的3个轨道面上的星座系统,与地面设施协同对空间目标进行高精度定轨,改善目前在轨碰撞虚警率过高的情况。

 “可操作精化星历表天基望远镜”卫星采用3U立方体架构,卫星平台为波音公司建造的集群-2(Colony-2),该平台使用了反作用轮,以保证成像所需的较高指向精度。卫星有效载荷为劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)研制的改进型光学成像系统,尺寸约为1.5U,由一台修正反光卡塞格林望远镜及互补性金属氧化物半导体(CMOS)探测器组成,用于捕获小型空间目标的图像。在狭小空间内,该卫星光学成像载荷可获得最小畸变的宽视场(2.08°×1.67°),可探测轨道高度200~1000km、尺寸大于10cm的空间目标。探测器采用视频级Cypress IBIS5-B-1300 CMOS探测器,像元数量1024×1024,像元尺寸6.7μm,成像曝光时间1s,可探测近地轨道上尺寸大于10cm的空间目标,目标定轨精度提升到100m,比当前地基空间监视系统提高2个数量级。

 “可操作精化星历表天基望远镜”卫星将使用与美国中程空间实验(MSX)任务中“天基可见光”(SBV)望远镜和“天基空间监视系统”卫星望远镜相同的恒星跟踪模式,即卫星固定指向恒星,以之为参照点。恒星则在探测图像上显示为亮点,卫星和空间碎片则由于快速相对运动而显示为亮的迹线。“可操作精化星历表天基望远镜”卫星将在星上对目标轨道数据进行预处理后发往地面站。

目前美国已分别于2012、2013年发射了可操作精化星历表天基望远镜-1和2技术试验卫星,演示验证了适用于空间监视的微小光学成像系统和先进平台技术。

 “可操作精化星历表天基望远镜”项目采用螺旋发展策略,首先将依次发射3颗“探路者”技术试验卫星。首颗可操作精化星历表天基望远镜-A技术试验卫星已于2012年9月发射升空,演示验证微小光学成像系统和先进平台技术;可操作精化星历表天基望远镜-B用于验证升级型载荷的性能;原计划于2014年第3季度发射的第3颗,也是最后一颗“可操作精化星历表天基望远镜”技术试验卫星未能按时发射,推迟到2015年11月以后实施,将采用改进的探测载荷和升级型集群-2平台,全面演示验证“纳卫星在精确确定选定目标轨道参数以避免空间碰撞”方面的技术可行性。此后,“可操作精化星历表天基望远镜”项目将进入任务演示验证阶段,将再发射5颗卫星进行任务验证。最后,项目进入星座部署和业务运行阶段,潜在用户可能是军方、政府或私营部门。这些“太空交通摄像头”将提供关于地球轨道内卫星和碎片的精细轨道信息,大大降低碰撞虚警率,使卫星运营商在其资产处于真正危险时能够采取措施。

 “可操作精化星历表天基望远镜”卫星在轨试验结果显示,卫星对空间目标轨位预测的精度得到了很大改善。该卫星测算的目标轨位误差与空间监视网相比大大降低(误差圆半径大幅减小),并且预测目标轨位与空间监视网预测结果相比也在很大程度上得到改善,十分接近实际测量结果。

 


 (2)美国洛马公司GEO空间目标监视纳卫星星座计划

 美国洛马公司提出的GEO空间目标监视纳卫星星座系统由运行在GEO轨道以上500km处的多颗立方体卫星组成,各卫星位于同一轨道面上,等间距部署,每天漂移6°,对GEO目标进行环绕探测和监视,单星每60天可环绕观测GEO轨道1周。



 卫星采用批量搭载方式,搭载在GEO或地球同步转移轨道(GTO)卫星发射任务上发射,由上面级将其送入GEO轨道以上500km左右的运行轨道。星上配备小型推进系统,用于轨道调整和保持,支持星座中的各卫星以接近平均分布的轨位运行。由于立方体卫星寿命较短,后续将以搭载方式补充发射接替卫星。

 卫星前后侧分别配备18°宽视场可见光相机,可在不转动星体的条件下观测GEO轨道东西两侧的空间目标。卫星还可以通过转动星体对重要目标或区域进行多次观测,以提升探测结果可靠性,或增大未知目标发现概率。

 卫星采用3U立方体卫星平台,关键组件包括可见光相机、小型推进系统和反作用轮。当前有多种可见光相机满足立体卫星的尺寸、质量和功率(SWAP)要求,可供选择。但相机由于卫星平台供电能力限制,要求低功耗工作,因此可能采用间歇性工作方式,而不像当前在轨的“天基空间监视系统”卫星那样全天时不间断工作。在卫星不执行空间目标成像任务时,相机将作为星跟踪器使用。小型推进系统用于卫星定轨和星座构形保持,以提供最大覆盖和重访能力。反作用轮用于控制卫星姿态,可通过推进系统配合实现饱和缷载,在必要时转动星体,改变卫星姿态和指向。反作用轮还能在无需推进系统支持条件下通过转动星体实现对大倾角地球同步轨道目标的观测。



 此外,卫星采用标准的S频段通信系统与美国空军卫星控制网(AFSCN)通信。卫星数传速率因供电能力限制低于1kbit/s,因此卫星设计有星上图像处理能力,在去除恒星背景信息后将目标亮度数据下传,以减小对地数据传输量。数据将快速汇入空间监视网。

 洛马公司分别对9星、18星、27星3种规模的星座配置进行了初步的系统效能分析。采用STK和Matlab软件进行系统仿真的结果显示:对直径5m以上的大型GEO目标,采用9星的星座配置,每日可对61%的目标进行至少1次观测(目标探测率),每日平均目标重访时间间隔16h,平均覆盖率约2%,单个目标每日平均探测次数为0.3,每10日目标探测率升至96%,平均覆盖率20%,单个目标每10日平均探测次数为6次;若采用18星星座,每日可对82%的目标进行至少1次观测,平均覆盖率约4%,单个目标每日平均探测次数为1。采用27星星座时,对直径2m以上的GEO目标,每日可对79.2%的目标进行至少1次观测,平均覆盖率为38.5%。

 该计划目前仍处于可行性研究阶段,尚未进入研制流程,洛马公司正在对不同卫星数量和多轨道部署(包括GEO+500km、大椭圆轨道等)的任务效能和成本进行综合分析评估,星座方案和研制计划尚未最终确定,有待进一步跟踪研究。

 另外,美国空军航天司令部前司令谢尔顿曾在2014年的一次内部讲话中透露,未来可能在每颗卫星,特别是GEO卫星的前后面各安装一个微型相机,用于观测卫星东西两侧靠近的物体,感知安全威胁。


 “轨道展望”计划


 美国国防高级研究计划局(DARPA)正在实施“轨道展望”计划,旨在将政府、军方、商业组织、高校的空间目标监视设施的观测数据和无线电遥测数据通过统一的平台集中起来,通过数据融合,弥补单一信息不完整、不精确或不确定所造成的缺陷,实现空间监视数据的全面、高效利用,改善目标探测跟踪精度和信息可信度,提升威胁研判的实时性和准确度,生成一致的空间态势视图。

 

 美国国防高级研究计划局还在该计划下开展了新型空间探测技术研究,于2013年底对外发布了“低地球轨道低倾角目标”[指轨道高度小于1000km、轨道倾角在0°±20°或180°±20°(逆行轨道)范围的空间目标]监视项目招标书,计划开发可在无提升条件下,即没有目标位置或轨迹先验作息的条件下,可探测直径10cm以上低地球轨道(LEO)低倾角目标的新型空间探测器,测量精度优于6 ″,定时精度优于10ms,并要求在10min窗口内可进行不少于3次独立探测。美国国防高级研究计划局还将演示验证利用新型或改进型传感器快速补充空间监视网的能力,目前已完成招标书遴选,研究工作正在开展。


四、结束语


 

 空间态势感知已成为构建空间优势、维护空间安全的重要基础能力,美国大力发展高低轨复合空间态势感知卫星系统,将空间态势感知能力从简单的目标探测编目提升到对空间目标功能特性、活动目的和意图的全面掌控,支持及时、准确的空间态势研判、威胁评估和快速决策,空间优势进一步增强,应引起我们高度重视。


 上文选自《国际太空》,如有需要请查阅该期刊。



 

 

(作者:宋博)
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