天基目標探測與監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展研究

李雁斌， 江利中， 黃 勇

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

空間目標泛指離地球表面150 km以外空間（又稱外層空間）的所有目標，在天文學科領域多指恒星、行星、流星等自然天體，在傳統(tǒng)航天領域則為大氣層外圍繞地球飛行的人造軌道飛行器［1］。

一個國家空間控制和空間作戰(zhàn)能力的體現(xiàn)主要在于三點：空間監(jiān)視和預警能力、空間部署能力和空間攻防能力。其中，空間監(jiān)視和預警致力于提供實時的全空域全譜態(tài)勢感知，為空間部署和攻防對抗提供必要的信息支援，因此在整個體系中具有基礎性作用。為較好地實現(xiàn)對空間目標的探測、跟蹤或識別，空間監(jiān)視系統(tǒng)在信息獲取上多采用雷達、可見光、紅外或其它無線電信號傳感器，以求寬頻譜覆蓋，而在監(jiān)視手段上主要運用地基和天基兩種方式，達到廣時空覆蓋。

1 需求分析

近年來，隨著硬件性能和軟件計算水平的不斷提高，天基雷達、紅外、可見光等傳感器的探測能力取得了長足的進步，天基目標探測與監(jiān)視技術在系統(tǒng)可靠性、執(zhí)行自主性、跟蹤精確度等方面隨之得到了迅猛發(fā)展。由于該技術在空間資源開發(fā)、空間攻防以及重大民用領域中具有關鍵作用，故而各國對其應用高度重視，投入了大量的資金，科技人員進行了廣泛深入的研究。以該技術為基礎面向各種復雜背景應用的空間監(jiān)視和空間自主操作任務隨即大量涌現(xiàn)，其中相當一部分目前已經(jīng)或者正得到具體實施。

1．1 目標監(jiān)視

空間目標監(jiān)視系統(tǒng)是利用多星定位，運用部署完畢的空間監(jiān)視網(wǎng)直接獲取目標狀態(tài)信息，對所有人造天體向空間的進入、在空間的運行及離開空間的過程進行探測，并結合情報資料，綜合處理分析出目標軌道、功能、使用等信息，以掌握空間態(tài)勢，向空間攻防與航天活動等提供空間目標信息的國家戰(zhàn)略信息獲取系統(tǒng)。跟蹤的目標包括軌道上現(xiàn)役、待用和廢棄的人造航天器、空間碎片以及其他自然物體。

1．2 自主交會

空間自主交會直接面向對接、捕獲、裝配、維護、對抗等功能，是有人參與的空間活動中的一項基本操作。其所包括的轉移、調相、尋的、逼近等各個階段均需要目標跟蹤環(huán)節(jié)的支撐。對于遠距離的調相轉移段，往往需要地面測控站或導航衛(wèi)星對目標實行不間斷的跟蹤，為交會航天器提供準確的目標狀態(tài)，引導交會航天器以一定的時間和空間精度接近目標。在近距離尋的接近段，目標跟蹤則可由星載交會設備來完成，實時性提升，跟蹤結果能直接用于構成閉環(huán)導引律和控制律。近年來，人們提出了幾乎無人值守的自主交會模式，這對跟蹤可靠性、精確性和實時性提出了更高的要求，使得空間目標跟蹤變得更為關鍵。

1．3 防撞預警

空間碎片的存在嚴重地威脅著在軌運行航天器的安全，它們和航天器的碰撞能直接改變航天器的表面性能，造成表面器件損傷，導致航天器系統(tǒng)故障，危害航天器正常運行。同時空間碎片的不斷產(chǎn)生對有限的軌道資源也構成了嚴重威脅，尤其是當某一軌道的空間碎片密度達到一個臨界值時，碎片之間的鏈式碰撞過程將會造成軌道資源的永久性破壞。因此，為了安全、持續(xù)地開發(fā)和利用空間資源，就必須不斷提高對空間碎片的跟蹤監(jiān)視技術，增強對空間碎片環(huán)境的防撞預警能力。

1．4 深空探測

深空探測是人類在新世紀的三大航天活動之一。一方面，深空探測器在空間運行，地面站同它建立通信鏈路、保證通信質量都需要知道探測器在相應坐標系中的位置和速度，使得天線主瓣方向能夠對準探測器并接收信號，這種方式受到地域、氣候條件和大氣限制的制約。而利用天基目標監(jiān)視系統(tǒng)可以全天候、全方位、實時、連續(xù)、精確地觀測深空探測器；另一方面，星載深空雷達裝在發(fā)往太空的飛行器上，采用高功率發(fā)射器和大孔徑天線完成對深空目標的觀測，用來研究深空目標的物理特性如表面特征、密度、軌道、旋轉等。

1．5 編隊飛行

衛(wèi)星編隊在成本、功能、靈活性和覆蓋范圍上具有單顆衛(wèi)星所無法比擬的優(yōu)勢，在空間技術領域中擁有十分重要的地位。其實施的關鍵在于軌道構型的設計、保持和重構。然而，隊形保持和重構的執(zhí)行離不開空間目標跟蹤環(huán)節(jié)的支持。在衛(wèi)星編隊飛行中，主星往往會受到密切的監(jiān)視和人工干預，而輔星則需要自主或半自主跟蹤監(jiān)視主星狀態(tài)，從而能夠按照既定的指標對相對運動軌道進行必要的修正。如果脫離了空間目標跟蹤信息，編隊衛(wèi)星就等于失去了其間邏輯聯(lián)系的紐帶，編隊飛行也就失去了必要的動力學保障及其固有的系統(tǒng)功能。

1．6 在軌服務

在軌服務如捕獲、維護、裝配、燃料加注等，是未來航天器所需具備的重要功能，飛行任務大體包括遠距離軌道轉移和近距離空間操作兩個階段。較之于空間交會，最大區(qū)別在于其服務對象通常是故障衛(wèi)星、失效航天器、空間碎片等空間非合作目標。然而，這并不意味著空間目標跟蹤重要性的降低，相反，目標主動性的缺失對空間目標跟蹤提出了更為苛刻的要求。尤其在近距離操作階段，目標狀態(tài)幾乎要完全依賴服務航天器自身的跟蹤模塊來獲取，此時，針對具有非合作性質的空間目標的監(jiān)視和跟蹤顯得尤為重要。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

2．1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

2．1．1 目標監(jiān)視

美國的空間監(jiān)視系統(tǒng)是從20世紀50年代末逐漸發(fā)展起來的，由分布在全球16個不同地點的20多種不同類型的30多臺（套）無線電探測器、光學探測器、天基探測器以及2個控制中心（1個主控，1個備份）組成，如圖1所示。美國目前監(jiān)視能力以地基空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）為主［2］。

觀測設備由于不受體積重量等限制，可采用大口徑天線來獲取高空間分辨率，并可提高發(fā)射功率來達到較遠的探測距離。但是地面設備在觀測過程中要受到大氣傳播抖動、蒙氣差、電離閃爍等因素影響，以及地球曲率和天光背景等條件限制，并且地基雷達監(jiān)視網(wǎng)用于低軌目標監(jiān)視雖有效，但不能解決深空目標監(jiān)視問題。為彌補地基監(jiān)視網(wǎng)對深空目標跟蹤能力和覆蓋范圍的缺陷，以及在東半球地球同步帶存在的監(jiān)視空白區(qū)，空間目標監(jiān)視網(wǎng)逐漸由地基向天基過渡，以達到減少布站、擴大覆蓋率和提高時效性等目的。

圖1 美國空間目標監(jiān)視網(wǎng)（SSN）

（1）天基可視計劃（Space－Based Visible Program，SBV）

1996年，美國空軍在范登堡基地發(fā)射了“中段空間試驗”衛(wèi)星（MSX，Midcourse Space eX－periment），該衛(wèi)星屬彈道導彈防御技術發(fā)展計劃項目。除用于探測和跟蹤來襲導彈的紅外傳感器之外，該衛(wèi)星還搭載了林肯實驗室設計的天基可見光傳感器，對天基空間監(jiān)視的技術和功能進行驗證。SBV探測器可覆蓋整個地球同步帶，所以其設計重點側重深空監(jiān)視。

SBV的主要任務是采集各種駐留空間目標（Resident Space Object，RSO）的測軌和光度信息，其在軌運行的前18個月主要用于確認天基空間監(jiān)視的概念和評估SBV探測器的性能。期間進行的一系列實驗證明天基空間監(jiān)視不僅可行而且效率高，SBV探測器可用作空間監(jiān)視網(wǎng)的實用手段。

1997年10月，SBV探測器開始從空間監(jiān)視網(wǎng)的實驗探測器向關鍵探測器過渡，2000年10月，正式轉為美國空間監(jiān)視網(wǎng)一部分，可使美空間司令部對重點目標重訪率增加50%，并使得衛(wèi)星跟蹤丟失數(shù)目減少80%。從搜集觀測次數(shù)方面已證實SBV的探測效率與一個地基GEODSS站相當，且能夠提供比GEODSS探測器更為精確的觀測量。

（2）天基空間監(jiān)視系統(tǒng)（Space－Based Space Surveillance，SBSS）

SBSS系統(tǒng)是美國為提高對空間目標的監(jiān)視、跟蹤和識別能力，增強對空間戰(zhàn)場態(tài)勢的實時感知能力而研制的支持空間作戰(zhàn)的武器裝備。SBSS系統(tǒng)的開發(fā)對于美國空間目標監(jiān)視能力將是很大提高，有助于美軍真正識別空間目標。

SBSS項目由空軍空間和導彈系統(tǒng)中心負責，由5顆衛(wèi)星組成，分兩個階段建設。第一階段，發(fā)射一顆衛(wèi)星替代原來的MSX衛(wèi)星，該衛(wèi)星已于2010年9月發(fā)射，它是整個系統(tǒng)的先導星，稱為“探路者”，每天能收集40多萬條衛(wèi)星信息；第二階段，發(fā)射4顆衛(wèi)星，完成整個系統(tǒng)建設，第二顆衛(wèi)星計劃于2014年年底發(fā)射，后三顆分別于2017～2022年發(fā)射。SBSS星座部署完畢后，將能夠覆蓋太空中每一個目標，使美國對地球靜止軌道（GEO）目標的跟蹤能力提高50%。

（3）軌道深空成像系統(tǒng)（Orbit Deep Space Imager，ODSI）

ODSI是美空軍空間和導彈系統(tǒng)中心開展的一項用于空間目標監(jiān)視的全新項目，由運行在地球同步軌道上的成像衛(wèi)星組成，衛(wèi)星成像系統(tǒng)采用望遠鏡并可在空間機動。ODSI不僅能探測和跟蹤目標，其更主要的任務是對目標進行描述和分析，提供目標的高分辨率圖像，并實時或定期提供相關信息以支持整個戰(zhàn)場空間感知和防御性空間對抗作戰(zhàn)［3］。

（4）天基紅外低軌預警系統(tǒng)（Space Based Infrared System，SBRIS－Low）

SBRIS－Low為美國第二代天基紅外導彈預警系統(tǒng)的低軌星座部分，2002年起五角大樓將其稱為“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”（Space Tracking and Surveillance System，STSS）。該系統(tǒng)內(nèi)衛(wèi)星在多個軌道面上成對工作以提供立體監(jiān)視和探測，整個星座利用衛(wèi)星內(nèi)部交叉鏈路連接在一起，實現(xiàn)對中段彈道目標的接力跟蹤。

2011年5月7日，美國首顆“天基紅外系統(tǒng)”地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO－1）從卡納維拉爾角空軍基地由宇宙神－5火箭成功發(fā)射升空。它將顯著提升美國的導彈預警能力和對其他重要國家安全任務的同步支持能力。如圖2所示，STSS是為導彈防御而研發(fā)部署，其第一位任務仍是導彈防御，它將替換導彈預警能力較弱的“國防支援計劃”（DSP）衛(wèi)星，具備空前的、穩(wěn)固的全球紅外監(jiān)視能力。除了可提供導彈發(fā)射預警外，它還支持導彈防御、技術情報和戰(zhàn)場空間感。STSS衛(wèi)星有效載荷包括一個寬視場短波紅外捕獲探測器、一個窄視場多光譜（中波、中長波、長波紅外以及可見光）跟蹤探測器和一個數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，可實現(xiàn)對彈道導彈助推段、中段和再入段的連續(xù)觀測。也有學者提出利用其多光譜傳感器實現(xiàn)對空間目標的監(jiān)視跟蹤，可大大提高空間目標編目測軌能力。

圖2 STSS在軌飛行示意圖

表1列出了上述幾個系統(tǒng)的基本信息，可以看出，美國已經(jīng)部署的和正在計劃中的天基監(jiān)視系統(tǒng)所使用的探測手段都是采用可見光或者紅外等無源方式。

（5）其他天基監(jiān)視系統(tǒng)

除上述用于廣域空間監(jiān)視的大型系統(tǒng)外，美國還在重點研究進行局部空間監(jiān)視的微小衛(wèi)星平臺技術，例如用于評估局部空間的自主納衛(wèi)星護衛(wèi) 者 （Autonomous Nano－satellite Guardian for Evaluating Local Space，ANGELS）計劃，以及自感知空間態(tài)勢感知（Self Awareness Space Situation Awareness，SASSA）計劃，期望形成通用的星載空間態(tài)勢感知產(chǎn)品，使空間目標監(jiān)視與跟蹤成為關鍵航天器能夠普遍具備的一項功能。

天基探測和監(jiān)視技術對于提升本國的軍事能力至關重要，除了美國，其他國家也都非常重視研究相關技術和發(fā)展相關基礎設施。今年3月，歐洲防務局指導委員會批準一項新一代歐洲軍用地球觀測衛(wèi)星項目——多國天基成像系統(tǒng)（MUSIS）。該項目由比利時、德國、希臘、法國、意大利和西班牙六個歐盟成員國共同發(fā)起。旨在建立一個多國天基成像系統(tǒng)，進行監(jiān)視、偵察和觀測，以確保目前的法國“太陽神”II系統(tǒng)、德國SAR LUPE系統(tǒng)、意大利Cosmo－Skymed系統(tǒng)和昴宿星系統(tǒng)的服務延續(xù)到2015年～2017年以后［4］，如圖3所示。

表1 美國SBSS、MSX、ODSI和SBIRS的基本信息

加拿大軍方也積極開展空間目標探測技術研究，2003年5月30日發(fā)射了MOST空間探測小衛(wèi)星。在MOST基礎上，加拿大宇航局（Canadian space agency，CSA）和Dynacon公司等正在開展近地目標探測衛(wèi)星（Near Earth Space Surveil－lance，NESS）研制計劃。加拿大國防部也啟動了空間目標監(jiān)視（Surveillance of Space，SOS）計劃，主要用于跟蹤地球同步軌道上通信衛(wèi)星和其他高軌衛(wèi)星。

圖3 “太陽神”Ⅱ系列

2．1．2 自主交會

（1）聯(lián)盟號飛船交會對接微波雷達

1969年，蘇聯(lián)聯(lián)盟4和5飛船實現(xiàn)交會對接。交會對接測量敏感器全部采用多部微波雷達以及目標器中的應答機。由于搜索全方位空域，目標器和跟蹤器共用9部天線，測量系統(tǒng)復雜、質量重、功耗大。聯(lián)盟號飛船可以稱為世界上實現(xiàn)交會對接次數(shù)最多的飛船，它先后與蘇聯(lián)禮炮號、和平號空間站實現(xiàn)交會對接，粗略估計在100多次以上。這種聯(lián)盟號飛船的交會對接微波雷達至今還在應用，它是俄羅斯最經(jīng)典、最可靠的交會對接微波雷達，如圖4所示。

（2）“阿波羅”載人登月飛船交會對接微波雷達

圖4 聯(lián)盟號飛船交會對接微波雷達

從1969年7月美國成功發(fā)射阿波羅11飛船到1972年為止，成功實現(xiàn)多次交會對接。“阿波羅”飛船交會階段依靠X波段連續(xù)波雷達，接近和對接階段依靠宇航員目視目標，由手控操作來完成。如圖5所示，X波段連續(xù)波雷達由安裝在登月艙的交會雷達和安裝在指揮服務艙的應答機組成。交會雷達能測量從登月艙到指揮服務艙的距離、距離變化率、角度和角度變化率。交會雷達使用單脈沖比幅技術實現(xiàn)角跟蹤，以獲得最大的角靈敏度和視線瞄準精度，測量應答機回波信號的雙程多普勒來確定距離變化率，測量發(fā)射信號調制波形和接收信號的波形之間的時間延遲來確定距離。雷達還包含天線伺服系統(tǒng)實現(xiàn)目標角跟蹤。

圖5 “阿波羅”載人登月飛船交會對接微波雷達

（3）航天飛機Ku波段交會雷達

美國上世紀80年代成功發(fā)射航天飛機經(jīng)過多次在軌飛行演示，到了上世紀90年代，航天飛機已經(jīng)具備空間交會、捕獲和對接的能力。例如航天飛機用機械臂捕獲哈勃空間望遠鏡回艙內(nèi)進行修理，然后再釋放返回空間。

如圖6所示，1995年航天飛機與和平號空間站開始實現(xiàn)交會對接，經(jīng)過多次飛行試驗，掌握了大型空間站交會對接技術，積累了寶貴操作經(jīng)驗。航天飛機Ku頻段交會雷達是美國休斯公司為空間運輸系統(tǒng)（STS）的軌道航天器研制的雷達通信集成子系統(tǒng)（IRACS），它為STS提供雷達和通信功能，是一部相干、距離選通、脈沖多普勒和頻率跳變雷達，提供快速會合所需要的空間測量數(shù)據(jù)［5］。在通信功能方面，IRACS搜索、截獲、跟蹤數(shù)據(jù)中繼與跟蹤衛(wèi)星系統(tǒng)，以提供航天飛機與地面跟蹤站之間的雙向通信。航天飛機Ku頻段交會雷達采用高增益拋物面單脈沖天線，對裝有應答機的目標可以實現(xiàn)556 km的作用距離，機構隨動系統(tǒng)覆蓋范圍為360°×120°。

圖6 航天飛機Ku波段交會雷達

（4）OMV系統(tǒng)交會對接雷達

OMV系統(tǒng)交會對接雷達是摩托羅拉公司替湯普遜公司研制的會合雷達裝置，它是一個相干、距離選通、脈沖多普勒和跳頻雷達，支持OMV系統(tǒng)和會合功能。OMV系統(tǒng)交會對接雷達采用平板裂縫天線，二維驅動機構驅動，工作在X頻段如圖7所示。

圖7 OMV系統(tǒng)交匯對接雷達

（5）日本HTV貨運飛船與國際空間站（ISS）交會對接

日本從1997年開始研制HTV，它由H－IIA增強型運載火箭發(fā)射，因此得名HTV。

如圖8所示，HTV－ISS接口包括近程通信系統(tǒng)、GPS接收器和雷達反射器。HTV靠近ISS期間，ISS上的GPS接收器通過GPS測定ISS的位置，并通過近程通信系統(tǒng)將相對導航數(shù)據(jù)傳送給HTV。HTV在軌飛行時，ISS GPS接收器測得的絕對導航數(shù)據(jù)則通過數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星傳送給地面，用于HTV機動。

圖8 HTV貨運飛船

近程通信系統(tǒng)安裝在ISS上的日本實驗艙中。HTV接近或離開ISS時，相互間的通信采用近程通信系統(tǒng)來實現(xiàn)。近程通信系統(tǒng)內(nèi)部裝有異頻雷達接收機，接收機可以測量ISS同HTV之間的相對距離和速度。

交會對接過程中，HTV首先利用相對GPS制導自動到達ISS下方500 m。在到達目標點前，啟動交會傳感器并開始搜索從ISS的日本實驗艙上發(fā)回來的激光雷達反射信號。當搜索到激光雷達反射信號后，HTV將利用激光雷達交會傳感器制導。最后，HTV在10 m處的地方停止運行，該處被稱為“停泊位置”。在這里，ISS上的遙控系統(tǒng)開始抓捕HTV。

（6）歐空局ATV貨運飛船與國際空間站（ISS）交會對接

2007年，歐洲從庫魯發(fā)射場用阿里安－5火箭發(fā)射新型貨運飛船“自動轉移飛行器”（ATV），這將是歐洲履行ISS義務的重要里程碑。首飛的“自動轉移飛行器”以法國著名科幻小說家凡爾納的名字命名。如圖9所示，ATV與ISS的對接接口主要包括以下部分：

圖9 歐空局ATV貨運飛船

a）無線電：利用無線電在ATV和ISS之間進行數(shù)據(jù)交換或指令傳輸，也用于ISS向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)和指令；

b）交會傳感器：利用交會傳感器（主動部分、ATV機載部分）和目標圖形進行ATV／ISS的最終相對導航；

c）可視界面：包括安裝在ATV上的測距信號（用于空間站航天員監(jiān)視即將到來的飛行器情況），以及由安裝在服務艙后部的照相機和位于ATV前錐體上的視頻目標組成的視頻系統(tǒng)；

d）對接系統(tǒng)（包括艙口）由俄羅斯提供。

2．1．3 防撞預警

美國使用“電磁籬笆（NAVSPASUR）”雷達系統(tǒng)來監(jiān)視近地軌道目標。歐洲使用的是“GRAVES”的雷達系統(tǒng)。NAVSPASUR雷達系統(tǒng)是一個VHF雷達網(wǎng)，橫穿美國南部，總部在弗吉尼亞州的達爾格倫，1961年投入使用，它通過交叉干涉儀獲得目標。

在天基觀測方面，雷達探測起步較晚。Texas A＆M University從1987年開始對探測需求和方法進行研究，1989年提出了對空間碎片跟蹤的毫米波雷達的可行性報告，1991年針對高精度跟蹤定位的相控陣雷達進行了小型化，以適應天基應用的要求。該系統(tǒng)用于對國際太空站附近25 km范圍內(nèi)的4 mm～80 mm的空間物體跟蹤測量，提供沖撞警告以及為空間碎片的數(shù)據(jù)庫提供更新數(shù)據(jù)。在雷達設計方面，該系統(tǒng)采用了當時最先進的單片集成的大規(guī)模相控陣天線、單脈沖跟蹤技術、低噪聲放大器以及脈沖壓縮技術。天基雷達的探測范圍在空間站的軌道面上，探測參數(shù)包括空間站與碎片的相遇時間、碎片的距離、徑向速度以及俯仰角等。

Johnson Space Center與洛克希勒工程科學公司合作的天基雷達探測系統(tǒng)綜合考慮了探測需求和當時的技術水平以及微波器件的能力以后，工作頻率選在Ku波段，天線采用了微帶線形式的相控陣天線。研究人員在1989年利用實驗室現(xiàn)成的設備研制了地面實驗樣機，對系統(tǒng)設計中提出的概念、技術和總體性能進行驗證，主要是驗證對通過雷達視場的高速小目標測速的精度。為了減小體積、功耗和成本，并在幾分鐘的處理時間內(nèi)獲得準確的預報結果，該探測系統(tǒng)需要與多個地面雷達站聯(lián)合探測，并與地面大型計算機聯(lián)合處理，還需要已知的空間碎片數(shù)據(jù)庫的支持。天基雷達對該目標進行精確探測，再將結果傳回地面，由地面處理系統(tǒng)得到該碎片的精確軌道數(shù)據(jù)，判斷沖突的可能性，然后給空間站發(fā)送機動規(guī)避的信息，包括是否必要規(guī)避、規(guī)避時間、規(guī)避類型等［6］。

俄羅斯在1998年提出了采用毫米波天基雷達系統(tǒng)觀測1 mm～3 mm的空間碎片。該系統(tǒng)搭載于宇宙飛船上。工作頻率選在 W波段，95 GHz。天線采用7單元天線組成的相控陣列天線，每個掃描扇區(qū)由4個天線探測單元組成。天線探測單元的波束寬度為1．6 mrad，一個掃描扇區(qū)的波束寬度為4 mrad，天線掃描扇區(qū)與平臺軌道垂直。整個天線口徑2 m，由7個380 mm的大口徑輻射單元組成，成軸對稱結構。雷達采用脈沖工作體制，脈沖寬度0．6 us，重復頻率30 k Hz，峰值功率1 400 W。利用相位相干檢波進行速度測量。信號檢測采用恒虛警，設兩個檢測門限，則目標檢測的角度均方根誤差不超過0．6′，距離誤差不超過9 m，有效散射截面誤差不超過1 dB～2 d B，測速誤差不超過1 km／s。整個雷達系統(tǒng)的總質量不超過100 kg，功耗不超過2．5 k W。

法國空間局于1998年提出研制小衛(wèi)星平臺搭載的天基空間碎片觀測雷達。利用多個小衛(wèi)星分布在觀測區(qū)域，就可以減小每個雷達的測量范圍以及雷達的整體指標。例如對于太陽同步軌道區(qū)域的觀測，采用2～3個小衛(wèi)星就可以覆蓋了。這種方式的優(yōu)點是對單個衛(wèi)星的要求低，整個探測任務周期短，可以盡快實現(xiàn)［7］。

我國關于空間碎片的研究于2000年正式啟動，其中天基觀測危險碎片的研究工作也同期展開，提出了空間多波束測量雷達的思想。在國家財政的大力支持下，中國空間碎片工作從無到有，取得了跨越式發(fā)展。作為世界上主要的航天國家，中國為保護空間環(huán)境、保障航天器在軌安全，于1995年6月加入“機構空間碎片協(xié)調委員會”（IADC），并于2000年啟動“空間碎片行動計劃”，全面規(guī)劃了十五期間我國空間碎片研究的總目標，即初步具備空間碎片觀測能力。

但國內(nèi)由于空間飛行器發(fā)展起步較晚，有效載荷數(shù)量及種類不及國外齊備，因此在空間預警系統(tǒng)上的發(fā)展尚處于論證階段，雖有部分衛(wèi)星已經(jīng)裝備有防撞雷達，但是在測量精度、測量效能上不具備技術優(yōu)勢，無法為未來高價值航天器提供有效的、有價值的防護能力，而且此類產(chǎn)品的安裝維護不靈活，不適合大量使用。

2．1．4 深空探測

雷達在深空探測領域的應用主要有以下幾種方面：

a）對深空探測器進行實時、連續(xù)、精確地遠距離觀測，確定其運行軌道，輔助地面站完成對深空探測器的測控通信任務；

b）利用多頻、寬帶、超寬帶、多極化微波信號，對目標進行照射，根據(jù)目標的反射信號特征及特征的變化，進行目標識別；

c）利用寬帶、超寬帶技術，提高距離測量分辨率，結合ISAR技術，對空間目標成像。

目前，對深空探測器的測控通信主要還是依靠地基目標監(jiān)視系統(tǒng)，如美國的赫斯臺克雷達、赫斯臺克附屬雷達、GLOBUSⅡ雷達和AN／FPS－85相控陣雷達。

而星載深空雷達一般是多模式雷達，通過不同的設置可以完成不同的功能。如Cassini星載深空雷達有四種功能：作為散射測量儀，測量后向散射系數(shù)；作為高度計，測量地表輪廓信息；作為合成孔徑雷達，得到微波圖像；作為射線探測儀，感知物體的輻射。表2列出了歐洲宇航局發(fā)展的幾種主要星載深空雷達及其特性。

表2 幾種星載深空探測雷達的特性比較

2．1．5 編隊飛行

小衛(wèi)星編隊飛行分布式衛(wèi)星系統(tǒng)具有很強的適應能力，主要表現(xiàn)在以下方面：星群編隊飛行的幾何形狀和衛(wèi)星的數(shù)目可以根據(jù)任務需求來設計和配置，從而具有“可增長性”和“可重構性”，既可以通過階段性配置逐步提高和擴充星群性能，也可以通過“剪裁”方式來適應逐步惡化的外界條件，還可以通過有限變軌機動修改基線或星群間衛(wèi)星的相對位置來適應變化了的飛行任務。

為了完成不同的飛行任務，小衛(wèi)星的編隊可能采用不同的模式，如圖10所示。就目前對國外技術文獻的分析與研究來看，主要有以下幾種應用模式的研究：

a）對地面目標的立體成像編隊飛行；

b）對地面或空間目標的精確定位編隊飛行；

c）編隊飛行衛(wèi)星星座；

d）合成孔徑雷達編隊飛行；

e）高分辨率合成孔徑光學干涉技術編隊飛行。

圖10 小衛(wèi)星鐘擺式編隊飛行

而高精度的軌道控制和定位是小衛(wèi)星編隊飛行的關鍵技術，利用微波雷達、激光雷達和光學成像系統(tǒng)等敏感器，可對編隊衛(wèi)星軌道進行測量。微波（激光）雷達等具有窄波束、小天線、高精度、空間傳輸基本不受大氣影響等優(yōu)點，在航天器跟蹤和目標航天器中近距離測量方面有很大優(yōu)勢。微波（激光）測量儀可容易地測出伴星與空間實驗室間的相對位置，但較難直接測出其相對速度。因此，通常用伴星與實驗室相對運動的動力學方程及Kalman濾波理論構造相對軌道估計器，根據(jù)微波（激光）儀已測出的相對位置信息，用相對軌道估計器確定相對速度信息。當距離小于1 km時，激光測距精度優(yōu)于0．5 m～1 m。

目前國際上對小衛(wèi)星的編隊飛行已進行了很多研究，其中相當大的一部分尚處于技術驗證探索階段。雖然也有一些進入商業(yè)運營，但是相對于需求蓬勃的軍事、民用市場而言，小衛(wèi)星編隊應用飛行的實施力度還不夠。所以，在未來幾年中，如何加快小衛(wèi)星編隊飛行系統(tǒng)的應用速度，拓展小衛(wèi)星編隊飛行的應用市場是國際空間技術領域所面臨的主要問題。同時，盡快彌補目前小衛(wèi)星編隊飛行試驗探索中所發(fā)現(xiàn)的缺陷與不足，也是亟待攻關的技術問題。

2．1．6 在軌服務

隨著小衛(wèi)星技術的日益成熟，美國空軍研究實 驗 室 （Air Force Research Laboratory，AFRL）、太空與導彈系統(tǒng)中心（Space and Missile Systems Center，SMC）、海軍研究實驗室（Naval Research Laboratory，NRL）等機構聯(lián)合開展了試驗衛(wèi)星系列（Experimental Satellite System，XSS）研究計劃。其目的在于研制一種具有自主控制能力的微小衛(wèi)星，能夠在對空間目標自主跟蹤的基礎上進行在軌檢查、交會對接以及近距離機動，完成維修、加裝和其它特殊任務。該項目的第一顆衛(wèi)星XSS－10于2003年發(fā)射，它實現(xiàn)了對低軌道航天器近距離拍照，并演示驗證了半自主運行狀態(tài)下對近距離空間目標的跟蹤、監(jiān)視、接近、位置保持等能力。在2005年發(fā)射的XSS－11衛(wèi)星則對高精度的空間目標自主跟蹤、監(jiān)視、交會與位置保持進行了在軌驗證。

2．2 發(fā)展趨勢

當前，地基空間目標監(jiān)視技術較為成熟，世界各國包括美國主要的監(jiān)視手段也是依靠地基系統(tǒng)。然而，地基系統(tǒng)易受地域、時間和天氣等多種因素的制約，而且觀測視場較小，分辨率不高。而通過衛(wèi)星平臺上的探測設備，即天基系統(tǒng)進行觀測則不受上述因素制約，尤其適宜觀測中小尺度空間目標和高軌空間目標。

從天基在軌跟蹤測量手段來看，目前主要為以天基雷達（Space－Based Radar，SBR）為代表的有源方式和以天基光學（Space－Based Visible，SBV）為代表的無源方式。其中，SBR能夠不受日照和天氣條件的限制，全天候、全天時的對地、對空進行探測，具有可見光和紅外遙感系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點，目前在空間碎片觀測、天基預警與地面動目標檢測方面有大量研究，美國與法國等一些國家計劃在數(shù)年之內(nèi)部署相應系統(tǒng)。然而，從美國系統(tǒng)的開發(fā)設計來看，存在費用過高和技術難度較大的問題，因此距離真正實用還有一段較長的時間。相對而言，SBV已經(jīng)處于試驗階段，與SBR相比具有探測范圍大、分辨率高、信號傳輸損失小和功耗低等多個優(yōu)點。表3是二者性能參數(shù)的簡單對比。

表3 SBV與SBR的性能參數(shù)對比

由上表可以看出，SBV與SBR相比，具有如下獨特優(yōu)點：

a）從在軌平臺監(jiān)視空間目標，可以充分利用自然光作為信息載體；

b）探測波長短，目標提取精度高；

c）凝視成像，幀信息量大，具備多目標實時識別跟蹤能力；

d）空間小型化問題易于解決；

e）系統(tǒng)能源消耗低，易于空間應用。

綜合以上分析，可以預見未來的空間目標監(jiān)視將從目前的以地基監(jiān)視為主向天地基聯(lián)合監(jiān)視過渡，并可能最終發(fā)展到以天基監(jiān)視為主。同時，基于SBV的上述優(yōu)點以及當前大量的相關研究和空間試驗，SBV將可能在今后相當長的時間內(nèi)成為主要的天基觀測手段。

3 結論

天基觀測設備包括光學望遠鏡、微波雷達以及激光雷達等。對于光學望遠鏡，其觀測能力與目標距離的平方成反比，對于有源的微波雷達和激光雷達，則是與目標距離的4次方成反比。可見，光學望遠鏡在作用距離方面有優(yōu)勢。

因此，目前的天基傳感器主要是光傳感器，但是光學設備受觀測時間段的限制，觀測效率低，在實際應用中有其局限性。激光雷達近年來發(fā)展較快，在對地觀測中應用受到阻礙是由于激光在大氣中衰減嚴重，在太空中則可以發(fā)揮作用。由于受到激光技術的限制，天基激光雷達目前主要用于近距離空間目標的探測。

對于遠距離、大范圍的空間目標的觀測，有效的手段首推微波雷達。由于天基雷達在觀測過程中不受地球大氣的影響，可以工作在較高的信號頻率上，使得雷達可以采用比地面設備小得多的天線口徑和發(fā)射功率，就能夠探測到距離較遠、尺度較小的空間目標。雷達技術發(fā)展時間長，理論完備、技術成熟、手段多樣，因此天基雷達探測成為目前空間目標探測的發(fā)展方向，尤其是探測目前無法觀測的中小尺度的危險碎片的主要手段。隨著毫米波雷達技術的突破，為天基雷達的小型化、高精度、高效率提供了技術支持。

目前，我國在空間目標監(jiān)視上與美俄等國存在較大差距，尤其是我國還沒有自己的天基監(jiān)視系統(tǒng)，這與我國航天大國的地位極不相稱。天基空間目標監(jiān)視雖然處于試驗驗證階段，但是已經(jīng)展現(xiàn)了其優(yōu)越的探測性能。可以預見，對空間目標，特別是對深空目標的監(jiān)視，必將轉變?yōu)橐蕴旎O(jiān)視為主體，地基為輔的體系結構，未來的空間信息支持將由天地一體化的監(jiān)視系統(tǒng)構成。

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