美國天基空間目標監視系統概況

崔瀟瀟（北京跟蹤與通信技術研究所）

□□隨著美軍對天基空間目標監視研究的高度重視，近幾年美國將重點研制和部署一些新型天基空間目標監視系統，以確保美國在近期內獲得滿足空間對抗需求的空間態勢感知能力。

1 引言

空間目標監視系統是利用地基或天基探測設備對航天器進入空間、在空間運行及離開空間的過程進行探測和跟蹤，以及對軌道碎片和自然天體的運行情況進行觀測，經綜合處理，分析目標信息，并進行編目，以掌握空間態勢，向民用和軍用航天活動提供空間目標信息支援的國家戰略信息獲取系統。作為空間態勢感知系統最終的組成部分，空間目標監視系統在今后的發展中被賦予更多的軍事應用任務。盡管美軍的“空間監視網”（SSN）擁有目前世界上最強大的空間監視能力，但其現有能力還不能滿足美軍利用空間和控制空間的戰略需求。因此美軍非常重視空間目標監視的研究，尤其是天基空間目標監視的研究。美國近幾年將重點研制和部署一些新型天基空間目標監視系統，這將有效彌補美軍現有空間監視網在能力上的缺陷，從而確保美國在近期內獲得滿足空間對抗需求的空間態勢感知能力。

2 系統研制進展

美國空軍在其發布的《空軍轉型飛行計劃》文件中，明確提到研制和部署“天基空間監視”（SBSS）系統和“軌道深空成像儀”（ODSI）系統。2010年發射的首顆SBSS衛星已在2011春季投入運行，它是美國為提高空間目標和活動監視能力，完全掌握空間戰場態勢研制的天基武器系統；而作為中期目標的ODSI最早在2015年部署。值得關注的是，美國除研制SBSS和ODSI這樣具有全面覆蓋空間能力的監視系統外，還在尋求對空間小區域范圍、某一特定空間目標，或對本國空間資產周圍環境進行監視的能力，為此，美國正積極研制可用于空間監視的微小衛星。

SBSS系統體系結構圖JSp OC為聯合太空運行中心，AFSCN為空軍衛星控制網

SBSS系統

SBSS系統是美國空軍在近期實現部署的空間對抗裝備系統，其功能是跟蹤和確認空間力量，為實施進攻和防御性空間對抗服務。該系統的概念研究于2002年啟動，其目的是研制和部署能用于發現、識別和跟蹤空間目標的光學傳感器衛星星座。SBSS系統能搜索整個空間，主要用于深空目標的搜索，也可執行近地目標的搜索任務。由SBSS衛星發現的近地目標，可由大孔徑地基系統繼續探測和跟蹤。其特點是不用考慮復雜大氣的影響，覆蓋范圍廣，能夠在任意時間、任何天氣完成空間監視任務，其最終目的是完全取代地基空間監視系統。

根據美國空軍目前的規劃，SBSS系統是一個低地球軌道光學遙感衛星星座，具有軌道觀測能力強、重復觀測周期短、可全天候觀測的特點，可大幅度提高美國深空物體的探測能力。據稱，SBSS系統將使美國對地球靜止軌道衛星的跟蹤能力提高50%，同時美國空間目標編目信息的更新周期由現在的5天左右縮短到2天，從而大大提高美軍的空間態勢感知能力。SBSS系統能探測和跟蹤諸如衛星和軌道碎片之類的空間目標，及時探測深空中的微小目標，區分對空間系統造成破壞的人為因素和空間環境非人為因素，比不能監視深空小目標的地基空間監視系統具有更大的優越性。

SBSS衛星由鮑爾宇航公司負責開發，使用該公司的BCP－2000衛星平臺，采用三軸穩定設計，衛星設計壽命7年，平均任務持續時間5.5年。衛星發射質量1031kg，將運行在630km的太陽同步軌道。太陽電池翼功率約1100W，壽命末期功率840W。

SBSS的發展將分為兩個階段進行：第一個階段的目標是研制和部署SBSS－1[又名“探路者”（Pathfind er）]衛星，該衛星已于2010年9月25日由人牛怪－4新型軍用運載火箭從范登堡空軍基地發射，提供一種過渡的空間監視能力，監視近地軌道物體；第二個階段將部署由4顆SBSS衛星組成的衛星星座，并將應用更為先進的全球空間監視技術。

SBSS－1衛星的主要任務是驗證空間通信、情報、監視和測量技術。目前，美國空軍采購了SBSS－2衛星，并計劃于2014年年底發射升空。預計2015年SBSS系統成功部署后，美國將形成天地一體化的新的空間監視網。

SBSS系統實時的空間態勢感知能力可極大地加強運行在中軌道的GPS星座和地球靜止軌道通信衛星的安全性，提高美軍太空戰能力。可以預料，隨著SBSS系統的逐步建設，美國將在太空中率先建立其他航天國家并不具備的非對稱優勢。此外，SBSS系統也能加強美國太空監視網對中低軌道的監視能力，縮短了目標更新周期，這是監視和規避低軌道偵察衛星的關鍵環節。美國航空航天局（NASA）也將利用SBSS系統強大的空間態勢感知能力，為包括各種民用衛星、“國際空間站”和未來的載人飛船在內的各種航天器避開軌道碎片提供技術支持。具體來說，SBSS系統的優勢主要體現在以下幾個方面。

（1）SBSS衛星成像能力顯著提高

SBSS衛星上攜帶高靈敏度可見光探測器(SBV)，質量約227kg，口徑為30cm，被安裝在可高速轉動的雙軸萬向常平架上，這種常平架可在不改變衛星姿態的條件下快速轉移遙感器的視野，靈活探測跟蹤太空目標。星上還配有一個光學望遠鏡，能夠探測距地3.6×104km的地球靜止軌道衛星。半導體技術聯合公司（STA）為SBSS衛星提供的CCD達到240萬像素，具有更高的靈敏度和更好的成像能力。星上載荷的電子器件噪聲也非常低，降低了對探測能力的干擾。

SBSS能監視近地軌道到地球靜止軌道空間內航天器和軌道碎片

（2）SBSS系統具有更高的定軌精度

目前，陸基雷達對近地軌道空間目標定軌誤差高達數百米，地球靜止軌道上目標的定軌誤差更大，而SBSS系統具有更高的定軌精度，對近地軌道空間目標定軌誤差約10m，對高軌道空間目標定軌誤差在500m左右，這對于規避軌道碎片和太空作戰都能提供更大的幫助。

（3）SBSS可完整觀測地球靜止軌道

SBSS系統作為“空間中段試驗”（MSX）衛星的后繼者，將用于探測和跟蹤衛星及軌道碎片等目標，它在設計之初就比MSX衛星多探測80% 的深空目標。而且SBSS能提供全時段和全天候的空間監視能力，尤其是對深空目標的監視能力有極大加強，這使得美國具備及時探測跟蹤幾乎任何太空目標尤其是敵方威脅的能力。SBSS系統正式建成后可以保證任意時刻都有1顆衛星能完整的觀測到整個地球靜止軌道，這是更高靈敏度的“陸基電子光學深空監測系統”（GEODSS）永遠無法實現的能力。

鮑爾宇航公司研制的SBSS－1衛星

（4）SBSS地面系統具有快速的任務規劃能力

SBSS地面系統由波音公司開發并負責維護，衛星操作中心位于科羅拉多州的施里弗空軍基地，第50太空聯隊的第一太空作戰中隊負責最終的操作工作。地面站負責衛星的通信與控制，對回傳的數據進行分析處理，并分發處理后的太空目標數據。該地面系統具有快速的任務規劃能力，可以迅速地上傳指令執行任務，并將處理后的數據及時移交給作戰人員。

ODSI系統

根據《空軍轉型飛行計劃》，美國空軍發展和完善空間態勢感知系統的中期計劃是發展ODSI系統。設想中的ODSI系統將是一個由運行在地球靜止軌道的成像衛星組成的衛星星座, 其主要功能是提供地球靜止軌道上三軸穩定衛星的圖像。這不僅可大大改善美國目前空間目標監視系統的跟蹤能力，還能獲取空間目標的特征信息，進行空間目標識別。

按照2003年2月美國空軍空間跟蹤系統研究、研制、試驗和評價（RDT&E）預算申請中的任務描述，ODSI的首要任務是執行空間目標識別，拍攝地球靜止軌道空間目標的高分辨率圖像，并近實時或定期地提供相關信息，以支持整個空間戰場感知和防御性空間對抗作戰。

ODSI衛星采集目標衛星圖像經過星上處理下發給用戶，并利用其運行軌道與目標運行的地球靜止軌道的周期差，從而產生相對運動，衛星在“飛越”過程中對目標進行高分辨率成像，幫助美國軍方獲取地球靜止軌道衛星的相關信息，以識別和確認衛星屬性。由于ODSI衛星以星座方式工作，能提高監視實效性。

2005年1月，波音、洛馬和諾格3家公司通過競標成為ODSI概念研究的合同商，預計ODSI衛星將于2015年進行首次發射。

微衛星空間監視系統

美國正在研制的微衛星也將成為空間監視的力量之一。微衛星星座由多顆微衛星編隊飛行，每顆微衛星可裝備不同類型的探測器，如可見光、紅外、微波探測器等。這些微衛星組成一個觀測系統，同時觀測監視特定區域或特定目標，這樣可以實現全方位、高精度的目標觀測、監視和識別。這種用于空間監視的微衛星能有效滿足美軍未來空間對抗的需求，它與其他具有廣域空間監視能力的系統配合使用，相互補充，可極大地提升美軍空間監視能力，從而更為有效地支持美軍空間攻防。

ANGELS衛星

設想的美軍未來空間監視中微衛星應用方案包括：①針對突然出現的可能有敵意的空間目標，首先由其他空間監視探測器發現目標，并進行跟蹤和識別。當其他天基、地基空間監視探測器無法獲取所需的關于目標更為詳細的信息時，用于空間監視的微衛星（包括在軌駐留和及時響應發射的微衛星）可靠近目標，對目標進行近距離觀測和拍攝，獲取更為詳細的目標特征數據。②針對需要特別保護的美國空間資產，美軍可以在其附近部署微衛星，監視受保護航天器周圍環境，對威脅進行預警，并判斷是自然破壞還是人為破壞。

目前美國可能用于空間監視的微衛星項目主要有ANGELS計劃和XSS計劃。

（1）ANGELS計劃

2005年11月，美國空軍研究實驗室提出ANGELS研制計劃，該方案是利用質量小于15kg的納衛星對在軌空間資產進行監視，作為其他空間監視手段的有力補充。ANGELS衛星計劃于2011年和主衛星一起發射，被送入地球靜止軌道，而后與主衛星分離，并在主衛星附近做貼近飛行，監視主衛星周圍的空間環境。這顆小衛星將驗證監視地球靜止軌道較大衛星的能力。ANGELS將攜帶12kg的望遠鏡監視其他衛星，主要執行監視空間天氣情況、探測反衛星武器和診斷主衛星技術問題等操作。ANGELS計劃中的空間態勢感知系統能對地球靜止軌道上衛星附近區域提供連續的監視，并詳細探測進入這一區域內的目標及確定該目標的特征，這是其他地基和天基空間監視系統難以做到的。這一能力對有效地保護空間資產至關重要。

（2）XSS系列衛星

XSS系列衛星是一項空軍研究項目，該項目將利用多顆小衛星執行近距離軍事行動，即圍繞其他衛星機動，以便執行監視、服務或攻擊等任務。美國空軍的XSS微衛星已經進行了一系列的飛行試驗，演示了對空間目標的監視能力。

由波音衛星系統公司研制的第一顆微衛星—XSS－10質量為28kg ，已于2003年1 月由德爾他－2火箭發射入軌。該衛星在800km的軌道上3次逼近德爾他－2火箭第2級，分別在200m、100m、35m 的距離上對火箭第2級進行了拍照，演示了半自主運行和近距離監視空間目標的能力。

XSS－11 微衛星

XSS－11是美國空軍研究實驗室研制的新一代XSS系列微衛星，質量為100kg。作為先進的空間試驗平臺，XSS－11主要試驗對空間目標的監視能力及演示先進的軌道機動與位置保持能力。2004年發射的XSS－11對空間目標的監視能力進行了試驗。2005年XSS－11微衛星又成功進行了針對國防支援計劃－23（DSP－23）導彈預警衛星的逼近、繞飛等試驗。

從美國空軍的XSS系列微衛星進行的飛行試驗不難看出，美軍已經掌握了空間微衛星近距離定點監視的最為關鍵的技術。

其他天基計劃

美國空軍研究實驗室計劃研制一臺試驗型天基光學望遠鏡，并將其安裝在一顆較大的衛星上，用來監測空間遠距離的物體。此外，美國為導彈防御系統研制的“天基紅外系統”（SBIRS）和“空間跟蹤與監視系統”（STSS）衛星也具有很強的天基空間監視能力。

STSS衛星

2009年5月5日，“空間跟蹤與監視系統-先進技術風險降低”（STSS-ATRR）衛星由德爾他－2火箭從范登堡空軍基地發射升空。目前，其運行和控制已經正式移交給美國空軍航天司令部。STSS-ATRR是一顆小型試驗衛星，該任務耗資4億美元，旨在驗證原型遙感器技術、星箭集成、發射點處理程序及安全規劃，為導彈防御局彈道導彈防御系統新技術降低風險奠定基礎。STSS-ATRR演示驗證的技術將用于STSS。除了為原型遙感器技術成功演示驗證所需要的在軌系統性能參數外，STSS-ATRR還一直在已具備能力的基礎上進行空間態勢感知及相關操作。

STSS-ATRR發射之后，2009年德爾他－2火箭又先后發射了兩顆STSS試驗演示衛星。這兩次STSS測試任務展示了其空間技術性能，并測定了產生的數據質量。這兩顆STSS試驗演示衛星的軌道被設計成允許衛星在太平洋試驗區上空飛行盡可能長的時間。衛星入軌后，導彈防御局進行了一系列試驗以驗證衛星探測及跟蹤戰術和戰略彈道導彈的能力，以及兩顆衛星彼此之間及其與彈道導彈防御系統作戰管理部門之間的通信能力。這兩顆衛星雖然主要用于試驗，但也具有應急作戰能力。

SBIRS項目是美國空軍耗資115億美元研制的導彈預警系統，將為軍隊官員提供敵方導彈發射預警。SBIRS星座包括大橢圓軌道衛星和地球靜止軌道衛星。兩顆大橢圓軌道衛星已分別于2006年和2008年發射升空，而4顆地球靜止衛星在研發、制造和試驗方面面臨諸多問題。目前，衛星的研制比預期推遲了9年時間，成本超支75億美元。2011年5月17日宇宙神－5火箭發射了首顆SBIRS地球靜止軌道衛星。即將發射的第2顆SBIRS地球靜止軌道衛星能提供導彈預警快速響應信息和導彈防御數據，以便摧毀導彈和發射器。SBIRS還能為技術情報分析人員提供寬帶數據，為作戰人員提供戰場空間特征化信息。

3 美國天基空間目標監視系統特點和發展趨勢

美國天基空間目標監視系統具有以下特點：

1）在監視星座及衛星數量的選擇上，SBSS、ODSI和SBIRS等系統都是由多顆監視衛星組成的星座。每個系統能夠最大范圍內的監視到目標衛星，并且一顆監視衛星上裝載多種遙感器，能夠覆蓋多個頻譜段，實現多種監視功能。

2）在監視系統的性能要求上，著重突出了實時跟蹤、廣空域、長時域、寬頻譜的要求。

3）在系統的建設上，有著比較明確的階段性目標。但系統的戰術技術指標沒有明確規定，對于系統建設階段和作戰使用階段的技術及其他方面存在的風險評估不足，且從一開始，資金方面就存在不足和不穩定的問題。盡管如此，但美國仍然走在其他國家之前。

美國天基空間目標監視系統的發展趨勢表現在以下幾個方面。

（1）積極研制和部署天基空間目標監視系統

天基空間目標監視探測器可有效增強美國空間監視網對深空目標的監視能力，實現對空間的全面覆蓋，尤其能提供深空微小目標的詳細信息。目前美國部署天基空間目標監視系統的計劃正在穩步推進，預計到2015年左右，美國將建成天地一體化的空間監視網。

（2）增強對深空軌道目標的空間監視能力

增強對深空軌道目標的空間監視能力，是美軍未來天基空間監視系統的發展方向之一。SBSS、ODSI和ANGELS等天基監視系統計劃都將增強對地球靜止軌道目標的探測、跟蹤和識別能力。由此可以看出，針對地球靜止軌道衛星的空間態勢感知能力不斷增強的重要性。

（3）利用微小衛星進行空間目標探測和監視

針對特定空間目標或特定小范圍區域進行目標特性識別和環境監視，也是美軍正在積極尋求的一種空間態勢感知能力。微衛星作為提供相關能力的平臺將有效增強美軍空間目標監視系統獲取詳細目標特征的能力及對威脅特征的判斷能力，從而有力支持美軍遂行進攻性和防御性空間對抗。■

SBIRS地球靜止軌道衛星