美國“太空籬笆”計劃概述

汪 洋，韓長喜

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

隨著全球政治和技術的變革，近地空間來自人類活動的碎片殘骸越來越多，比如:火箭殘骸和飛行器碎片。根據NASA在軌碎片項目辦公布的報告，截至2012年3月，地球軌道上直徑10 cm以上的碎片超過21 000個，1 cm～10 cm的約為50萬個，小于1 cm的超過1億個。這些碎片以7 km/s～8 km/s的速度高速運行，而平均碰撞速度約為10 km/s。這意味著厘米級或更小的碎片也能對衛星或人造航天器造成嚴重損害。為了保護空間基礎設施，空間態勢感知系統需要完成太空垃圾和外國衛星或火箭擴增的探測和軌道估測、威脅分析、太空任務支持(包括機動過程中的軌道、運動和方向檢測，也包括損毀評估和脫軌觀測)。為了完成這些任務，空間態勢感知系統必須建立一個太空垃圾及其軌道的全目錄，及時地發現并登記新的空間目標，并刪除返回地球的目標，自動檢測運動和破碎目標，預報可能的碰撞。

1 太空監視系統現狀

當前，空間態勢感知數據主要由美國空軍太空監視系統提供，當前的空軍太空監視系統也被稱為“籬笆”，這是因為數部發射機和接收機在空間域建立了一個狹窄的、大洲寬度的平面能量場，穿越能量場或“籬笆”的衛星可被探測到。當前，空軍太空監視系統共有9個站點(3個發射站，6個接收站)，工作頻率為217 MHz，利用雙多基地雷達原理，干涉測量法定位［1］。沿北緯33°沿線部署，橫跨美國南部，從喬治亞州的塔特納爾延伸到加利福尼亞州的圣地亞哥，如圖1所示。發射站發射的能量在南北方向形成一個固定的、非常窄的扇形波束，在東西方向沿美國本土延伸。一個或多個接收站接收穿過該波束的物體反射的能量。該系統每月記錄超過500萬次空間目標的觀測，大約占美國空軍空間監視網監視量的40%，可判定目標特征、位置和運動情況，具有較強的解體和軌道移動發現能力。

圖1 美空軍太空監視系統雷達站點部署

然而，在役的美國空軍太空監視系統只能在空間目標穿過波束時才能被探測到，如果目標在其他時間變軌，就可能出現探測空白，美空軍太空監視系統雷達覆蓋如圖2所示。而且，美國空軍空間監視系統對一般空間目標重復監視的時間間隔長達5 d，遠遠不能滿足美軍的需求。同時，該系統中的深空探測雷達數量不足、性能也不高，使得美空軍對深空目標的探測能力存在很大缺陷。針對這些情況，美空軍提出研制新一代“太空籬笆”的計劃，期望通過該項目大幅提升空軍跟蹤太空垃圾和其他較小物體的能力。

圖2 美空軍太空監視系統雷達覆蓋示意圖

2 “太空籬笆”計劃

2.1 系統組成及功能

“太空籬笆”計劃由監視雷達和聯合太空作戰中心任務系統(JMS)所組成。監視雷達使用比甚高頻頻率更高的S波段雷達，取代空軍空間監視系統中用于完成在軌空間目標探測的甚高頻波段雷達。更高的頻率可提供更好的精度和分辨率［2］，將使系統的目標跟蹤能力從籃球大小提高到高爾夫球大小的量級，這種對微衛星和碎片的探測能力是當前系統所不具備的?！疤栈h笆”系統雷達站點將減少至2個或3個，而根據美國政府問責署2013年3月提交給美國國會委員會的報告，“太空籬笆”將由兩部位于不同位置的雷達構成，其中一部部署于夸賈林環礁，另一部部署于澳大利亞。“太空籬笆”的分開部署是為了提供更好的空域覆蓋，特別是在南半球。

“太空籬笆”中的大型S波段雷達會與其他傳感器一起加入到空間監視網絡(SSN)中，為美國空軍提供態勢感知能力。“太空籬笆”數據將被饋送到加利福尼亞州的范登堡空軍基地聯合空間作戰中心(JSpOC)，與空間監視網的其他數據整合，以提供更加綜合的一體化空間圖像，如圖3所示。

圖3 太空籬笆系統的組成

在更大的層面上，美國政府問責署將空間態勢感知的特征歸納為四個方面，這是一個總稱并不限定于跟蹤空間碎片:

(1)探測、跟蹤和識別。發現、跟蹤和區分空間物體?！疤栈h笆”具備該功能，但并不是完成此功能的唯一裝備。

(2)威脅預警和評估。在潛在攻擊、實際攻擊、空間氣象環境效應以及空間系統異常中做出預測和區分。“太空籬笆”能夠幫助完成該任務，但屬于其次要任務。

(3)情報特征。確定當前和未來的國外空間和空間攻擊系統能力的性能和特征，以及外國不利意圖。更好地空間監視可以幫助情報搜集，但這屬于第三位任務。

(4)數據集成。能夠將多源數據關聯并集成到單一共同作戰圖像中，并能夠進行動態決策。

2.2 關鍵技術/風險

“太空籬笆”夸賈林環礁靶場點雷達系統包括七項關鍵技術，這也是主要的風險點，分別是評估軌道的軟件算法、高效率的氮化鎵(GaN)功率放大器、低成本分布式接收器、單片微波集成電路、規模可調數字波束形成器、雷達陣列的大規模集成和校準，以及信息安全認證標準的開發。

這七項關鍵技術都有成熟的備用技術，但是這些備用技術會降低系統性能并增加能量需求。計劃辦公室認為不會用到這些備用技術，這是因為所有關鍵技術已通過初步設計評審。

除了以上七項關鍵技術外，還要求聯合太空作戰中心任務系統與監視雷達系統同步建成，且必須具有更強大的數據處理能力。聯合太空作戰中心任務系統需要處理來自“太空籬笆”和其他空間態勢感知系統的探測數據?！疤栈h笆”系統建成后，獲取的數據量會顯著增加，聯合太空作戰中心任務系統的目標跟蹤能力也要從10 000個增加到100 000個，超出現有指揮控制系統的處理極限。另外，聯合太空作戰中心任務系統還需要升級系統軟件和增強集成。聯合太空作戰中心任務系統計劃辦計劃在2015年末使聯合太空作戰中心任務系統具備可操作性，能夠輸入和處理來自“太空籬笆”的數據。然而，關于聯合太空作戰中心任務系統初始能力的2011年測試報告指出該系統的許多設備能力有限或沒有作業能力，并且一些設備的能力還不如原來的舊設備，其原因包括設備設計、軟件故障、數據不一致，以及開發不充分。

2.3 實施階段及項目進展

如圖4所示，“太空籬笆”計劃被分解為初步設計評估、系統開發、部署及后續支持。第一個“太空籬笆”雷達站點將于2017財年提供初始作戰能力，最后一個則要等到2020年后。

圖4 “太空籬笆”項目進度

2007年5月1日，美國政府發布了“太空籬笆”系統性能規格和設施需求文檔草案供工業界評估。

2010年11月2日，雷聲公司對外宣布成功完成了“太空籬笆”計劃的系統設計評估，系統設計評估包括系統關鍵單元的原型機設計，用以驗證提升的技術和制造就緒等級。

2010年11月18日，洛·馬公司宣布提交了其“太空籬笆”標書。

2012年2月，該計劃完成了初步設計評估，驗證了相關環境中所有關鍵技術的可行性。

2012年3月8日，洛·馬公司宣布“太空籬笆”雷達原型機正在跟蹤在軌空間目標。

2012年11月14日，雷聲公司和洛·馬公司都宣布他們已經提交了完成美國新“太空籬笆”項目開發和建設的標書。標書意在完成“太空籬笆”操作中心站點1及可選站點2的開發和建設。

2013年4月24日，美國國防部已與澳大利亞國防部簽訂了一份空間態勢感知數據國際共享協議，所簽署的這份政府間備忘錄是首份允許空間態勢感知數據高級交換的協議。

2013年12月，美國空軍與洛·馬公司和雷聲公司簽署了兩份總價值約1 000萬美元的合同，督促兩家公司進一步驗證“太空籬笆”如何應對各種太空活動，并重點監視不同軌道的目標(如中地球軌道、大橢圓軌道和地球同步軌道)，以及展示“太空籬笆”對地球軌道目標編目的能力。

2.4 項目管理

“太空籬笆”項目由美空軍裝備司令部(AFMC)電子系統中心(ESC)主導。無論中標單位是雷聲公司還是洛·馬公司，林肯實驗室和MITRE公司都在項目進展中扮演至關重要的角色。

美空軍采用了以下六項措施來推進“太空籬笆”項目:

(1)關注系統級性能要求，而不是設計要求，以給工業界留出盡可能多的靈活性。

(2)采用現代化網絡中心架構，提供一體化的決策支持。

(3)在設計階段考慮與相關老系統以及未來系統之間的融合。

(4)在站點選擇上注意合理布局，充分利用海外盟友的地理資源，強化對南半球的探測缺口，同時加強國外合作，分散項目資金開支。例如，2013年4月，美國與澳大利亞簽署了《太空態勢感知數據國際共享協議》。

(5)采用遞增式、分批次的方法采購“太空籬笆”設施，持續改進系統功能。第二部雷達站雷達的配置可能會與第一部雷達站的雷達配置不同，然而，其基本設計構成模塊，如部件和子系統，將是相同的。

(6)引入競爭機制，同時培養了相關工業基礎。項目在階段A有諾·格、洛·馬和雷聲3家公司在2009年6月獲得系統設計合同。2011年2月，空軍從這三家中挑選了洛·馬和雷聲兩家公司，讓其各開發了一個具有完全工作能力的樣機，降低了項目風險。2012年11月14日，雷聲和洛·馬同時宣布已經各自提交了“太空籬笆”項目開發和建設的投標方案。美國空軍計劃于2014年4月從上述兩家公司中選取一個作為項目的總承包商。

3 結束語

2013年9月，美國空軍關閉了老化的空軍太空監視系統，加強了國防部和國會投資下一代系統的壓力。第一部“太空籬笆”將于2018年下半年部署，“太空籬笆”將與未來的其他系統，如天基空間監視衛星、地基快速識別探測和報告系統、電磁干擾檢測系統、地基空間監視望遠鏡等一起提供空間目標監視服務。這些項目將提升現有空間監視網絡、通信網絡，以及用于數據處理的主操作中心以及替代性操作中心的工作效能，使空間態勢感知能力實現質的飛躍。

［1］ 金 林，王曉紅.國外空間目標監視系統發展現狀與趨勢分析［J］.先進雷達探測技術，2013(4):8-21.Jin Lin，Wang Xiaohong.Current status and trend of the development of foreign space target surveillance system［J］.Advanced Radar Detection Technology，2013(4):8-21.

［2］ 張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術［M］.北京:電子工業出版社，2006.Zhang Guangyi，Zhao Yujie.Technology of phased array radar［M］.Beijing:Publishing House of Elelctronics Technology，2006.