美國“一箭三星”發射同步軌道空間態勢感知衛星

宋博（北京空間科技信息研究所）

2014年7月28日，美國空軍從卡納維拉爾角發射場，用德爾他－4M+火箭以“一箭三星”方式成功將3顆高軌態勢感知衛星送入近地球同步軌道，即2顆業務型高軌巡視衛星“地球同步軌道空間態勢感知計劃”（GSSAP）衛星和1顆技術試驗衛星“評估局部空間自主守衛納衛星”（ANGELS）。此次發射任務的成功標志著美國高軌空間監視技術走向成熟，高軌目標探測、跟蹤和偵察能力快速提升，引起航天界高度關注。

1 項目背景

隨著空間擁擠、競爭、對抗（3C）趨勢日益加劇，空間安全問題已成為航天界關注的焦點。美國作為世界上擁有空間資產最多、對空間依賴性最強的國家，近年來的全球空間環境變化引發了其對空間安全的高度擔憂，主要表現在以下3個方面：一是全球空間力量格局由美國一超獨霸向多極化發展，美國的空間優勢受到削弱；二是常駐空間物體數量快速增加，除了可跟蹤編目的23000余個空間目標，還存在數十萬計難以探測跟蹤的空間碎片，對空間系統形成潛在威脅；三是空間準入門檻大幅降低，越來越多的國家已經擁有或正在發展空間系統和具有反衛星潛力的進入空間系統，使美國空間系統在面臨碎片撞擊等自然威脅之外，還面臨人為攻擊威脅。

空間態勢感知（SSA）作為了解和應對空間安全威脅的基礎能力受到高度重視。美國近年來發布的《國家航天政策》、《國家安全空間戰略》等頂層文件都明確提出要大力發展空間態勢感知能力，2013年美軍發布的新版《空間作戰條令》（JP 3-14）將空間態勢感知提升為空間作戰的一級任務領域，進一步強調空間態勢感知對空間作戰的重要性。在需求牽引和政策支持下，服務于軍、民的空間態勢感知成為美國當前空間能力發展的重要方向和優先領域。美國近年來啟動地基“空間籬笆”（Space Fence）雷達系統換代升級，發射首顆“天基空間監視”（SBSS）衛星，并開展空間監視微納衛星技術演示驗證等一系列工作，發展和完善空間態勢感知能力。

美國空間監視網跟蹤的空間目標示意圖

地球同步軌道是空間中的戰略要地，其上運行著各國的導彈預警衛星、軍事通信衛星等核心空間系統，因此對地球同步軌道目標的監視尤為重要。目前地球同步軌道空間目標監視主要依靠地基光學探測系統，但因其受部署位置、觀測時間和氣象條件等因素限制，美國逐漸將發展的重點轉向天基空間監視系統。美國曾于2006年秘密發射了2顆“微衛星技術試驗”（MiTEx）衛星，演示驗證了地球同步軌道巡視衛星技術，成功進行了目標抵近偵察和技術分析任務。GSSAP衛星正是在MiTEx衛星的基礎上發展的業務型高軌巡視衛星，與低軌SBSS衛星構成綜合天基空間目標監視體系，大幅提升了高軌空間態勢感知能力。

SBSS衛星在軌飛行示意圖

2 衛星概況

發射及入軌方式

此次任務采用“一箭三星”發射，2顆GSSAP衛星為主載荷，ANGELS衛星為次載荷，置于火箭次級載荷適配器（E S P A）上。火箭上面級多次點火，直接將3顆衛星送入地球同步軌道，到達預定軌道后，先行釋放2顆GSSAP衛星，之后再釋放ANGELS衛星。

GSSAP和ANGELS衛星發射任務

GSSAP衛星

G S S A P是美國空軍秘密發展的業務型高軌巡視衛星項目，又稱為空軍航天司令部任務－4（AFSPC－4）。GSSAP項目一直被美軍嚴格保密，直到2014年2月，美國空軍航天司令部司令謝爾頓在一次講話中高調宣布，美軍將在2014年發射2顆GSSAP衛星，外界才知曉其存在。但美軍并未公開衛星技術途徑與載荷參數等核心信息，仍處于保密狀態。

根據美國空軍在官方網站公布的信息，2顆GSSAP衛星將部署在比地球同步軌道略低或略高的軌道上，通過與地球同步軌道目標的相對漂移實現地球同步軌道全軌道巡視探測。GSSAP衛星采用光電探測載荷，可提供準確的目標軌道和特征數據，觀測結果匯入空間監視網（SSN）。衛星由位于施里弗空軍基地的美國第50航天聯隊第一空間操作中隊運行管理。

此次發射的2顆G S S A P衛星由軌道科學公司（OSC）擔任總承包商，美國空軍計劃在2016年再發射2顆替代衛星。

ANGELS衛星

即將入軌的GSSAP和ANGELS衛星示意圖

ANGELS衛星是美國空軍研究實驗室（AFRL）發展的高軌抵近巡視技術試驗衛星。軌道科學公司為ANGELS衛星主承包商。衛星質量約100kg，設計壽命1年。

ANGELS衛星進入預定的地球同步軌道后，從德爾他－4火箭上面級上釋放，并以上面級為目標進行逼近、繞飛、懸停等操作，測試星上導航系統和態勢感知載荷性能，評估衛星自主探測、跟蹤、監視空間目標，掌握目標特性和活動意圖的能力。

在演示驗證任務中，ANGELS衛星將在軌試驗自主任務規劃與執行技術和地球同步軌道GPS接收機結合高性能加速度計的測定軌技術。衛星采用了美國航空航天局（NASA）開發的先進算法，能夠利用GPS旁瓣信號進行連續導航定位。

ANGELS衛星在軌演示驗證任務完成后，美軍可能在其技術基礎上進一步發展能夠自主伴飛在己方高軌衛星周圍的護衛小衛星，提供實時連續的威脅告警、攻擊防御和受損評估等功能。

3 對GSSAP衛星的初步分析

ANGELS衛星在軌飛行示意圖

GSSAP衛星是美軍在MiTEx高軌巡視技術試驗衛星基礎上發展的業務型系統，標志著美軍高軌巡視技術已發展成熟，開始正式裝備部隊，形成實戰能力。以下將根據美國官方和權威航天網站發布的GSSAP衛星的公開信息，結合美軍已完成的MiTEx衛星的情況，對美軍未公開的GSSAP衛星的載荷設計和任務能力進行初步分析。

衛星質量

承擔此次“一箭三星”發射任務的德爾他－4 M+(4,2)火箭是由美國波音公司生產的中型運載火箭，根據美國聯合發射聯盟公司（ULA）公布數據，其地球同步軌道運載能力為2208 k g。ANGELS衛星、載荷適配器及其他附件總質量約為200～400kg，扣除后得到GSSAP雙星質量共1800～2000kg，即單星質量約900～1000kg，比MiTEx衛星（225kg）大幅增加。

衛星軌道

美國空軍發布的信息稱，2顆GSSAP衛星運行在近地球同步軌道，但未具體給出衛星軌道高度和兩星的相對位置分布。初步分析，GSSAP雙星可能采用3種軌道配置方案。方案一是雙星分別以180°相位角運行在比地球同步軌道（GEO）略高或略低的同一條軌道上，二者通過與GEO目標同方向的相對運動實現全軌道覆蓋，每顆衛星各負責50%GEO軌道弧段的探測，雙星完成GEO全軌道探測的周期最短。方案二與方案一的區別在于2顆GSSAP衛星以較近相位角分布，形成一定的基線，對目標進行雙視角立體觀測和目標定位。假設衛星運行軌道高度與GEO相距約500km，則衛星每天相對GEO目標沿經度方向漂移約6°，方案一、二的全軌道覆蓋周期分別為30天和60天。方案三是GSSAP雙星分別運行在GEO附近的高低2條軌道上，通過與GEO目標反方向的相對運動進行全軌道覆蓋。假設雙星分別運行于同步軌道上、下約500km的軌道，此時全軌道掃描的周期約30天，與周期最短的方案一相同。此外，方案三與方案一、二相比還具有獨特優勢，即2顆衛星分別在同步軌道目標的背地面和對地面兩側飛躍目標，可獲取目標的全向視圖。據此推測，GSSAP雙星采用方案三軌道配置的可能性較大。

GSSAP雙星軌道配置方案示意圖

衛星載荷

GSSAP衛星的主載荷是光電探測設備。根據GSSAP衛星與MiTEx衛星在任務設定上的相似性，以及GSSAP衛星的主承包商軌道科學公司曾經也承制了一顆MiTEx衛星，推測GSSAP衛星在設計上與軌道科學公司研制的MiTEx衛星具有延續性，偵察載荷選用可連續指向目標，更適合軌道巡視探測的萬向架偵察相機設計，而相機口徑可能比MiTEx衛星的更大，具有更高的分辨率。另外，與MiTEx衛星相比，GSSAP衛星可能還載有新增載荷，以及更多的燃料。

任務能力

GSSAP衛星具有地球同步軌道巡視探測和抵近詳查能力。日常運行在近地球同步軌道，利用與地球同步軌道的相對漂移進行軌道掃描，對目標進行探測、編目和精確偵察，還能通過轉動的萬向架對特定目標進行多角度立體觀測；必要時還能通過軌道機動，抵近地球同步軌道目標進行詳細偵察，獲取目標高清視圖。可見，GSSAP衛星的空間態勢感知能力已超越空間目標編目這一基礎應用層級，向及時、精細感知發展，向支持空間作戰的情報獲取、技術能力分析、行動意圖判斷、威脅評估和應對決策支持發展。

4 結束語

空間系統在國家政治、經濟、軍事等領域的地位日益提升，已成為國家安全的重要組成部分。空間態勢感知作為保障空間安全的基礎能力，已成為美國等航天大國高度重視和優先發展的領域。GSSAP和ANGELS項目的實施將使美軍對高軌高價值空間目標監視的精細度和實時性得到進一步提升。美軍不僅將實現對GEO上運行的各國高價值衛星的嚴密跟蹤和監視，并通過技術偵察和分析，掌握每顆衛星的任務功能、構型配置、性能指標、活動規律等信息，還能用于監視各國的空間行動和技術試驗，全面了解其意圖、過程和效果，強化空間態勢的單向透明優勢。此外，GSSAP衛星作為地球同步軌道機動平臺，還可能具備空間進攻潛力，應引起我國高度重視，加緊研究應對策略。