天基空間目標探測系統技術研究進展

+ 王曉海 (空間電子信息技術研究院、空間微波技術重點實驗室)

天基空間目標探測系統技術研究進展

+ 王曉海 (空間電子信息技術研究院、空間微波技術重點實驗室)

空間目標探測具有重要的軍事價值，不僅可以幫助確定潛在敵人的空間能力，還可預測空間目標的軌道，對可能發生的碰撞和對己方空間系統的攻擊進行告警。天基空間目標探測是利用位于天基平臺的監測設備進行探測的方法。本文首先簡單介紹了天基遙感監測、天基直接監測、航天器表面采樣分析三種空間目標天基探測方式，其次重點闡述了天基空間監視系統（SBSS）、軌道深空成像系統（ODSI）、天基紅外預警系統（SBIRS）、空間 跟蹤與監視系統（STSS）、試驗衛星系列計劃（XSS）、星歷表精調天基望遠鏡（STARE）、聯合毫弧秒探路者勘察計劃（J-MAPS）以及俄羅斯的空間監視系統（SSS）八個國外空間目標探測典型系統以及美、歐、加三個國家/組織的未來發展規劃，最后分別從宏觀總體和具體技術兩個層面探討了空間目標探測系統技術的發展趨勢。

空間目標 空間監視 天基探測 成像觀測

1 引言

衡量一個國家的空間作戰能力主要有三大指標：空間監視和預警能力、空間部署能力和空間攻防能力。在新的軍事斗爭形式中，空間監視是空間部署、攻防的基礎，其主要任務是：探測和跟蹤重要空間目標，確定可能對航天系統構成威脅的航天器的任務、尺寸、形狀、軌道參數等重要目標特性；對目標特性數據進行歸類和分發?？臻g目標監視具有重要的軍事價值，不僅可以幫助確定潛在敵人的空間能力，還可以預測空間目標的軌道，對可能發生的碰撞和對己方空間系統的攻擊進行告警等。

2 空間目標探測

空間目標探測實現的基本途徑主要有地基探測與天基探測。本文主要研究討論天基探測。天基空間目標探測是利用位于天基平臺的監測設備進行探測的方法。由于探測位置與空間目標的距離更近，并且沒有大氣對信號的干擾（例如消光和吸收），天基探測方法的分辨率更高。

空間目標的天基測量從測量形式上可以分為天基遙感監測、天基直接監測、航天器表面采樣分析等3種主要手段，其中天基遙感監測屬于主動式監測方式，而后兩種則為被動式的空間目標監測。

2.1 天基遙感監測

天基遙感監測設備包括光學望遠鏡、微波雷達、激光雷達、太赫茲雷達等，其監測平臺包括衛星、飛船和空間站。

光學望遠鏡是搭載于天基平臺上的電子望遠鏡，具有很高的監測分辨率，但監測過程受到監測平臺位置和監測時間段的限制，監測效率低，在實際應用中有其局限性。

雷達技術由于發展時間長，理論完備、技術成熟、手段多樣，因此成為探測中、小尺度危險碎片的主要手段之一，更是空間目標天基探測的未來發展方向。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。

微波雷達利用無線電波測定目標位置及其相關參數的電子設備。微波雷達在太空中工作，采用較小天線孔徑和發射功率，就能監測到距離較遠、尺度較小的空間目標。

激光雷達以激光作為輻射源，將雷達的工作波段擴展到光波范圍，具有定位精度高、監測分辨率高、抗干擾性強的特點，同時在太空中監測具有較小的損耗，因而成為太空中用于空間目標監測的有效手段。但目前激光技術還不成熟，僅在天基監測中用于近距離空間目標的監測。

太赫茲雷達可以實現對空間目標的遠距主動探測、精確測距測速測角、高分辨率成像、精細結構特征反演，而且可以利用材料在太赫茲頻段豐富的特征譜線提取目標的“指紋特征”，可彌補現有微波和紅外探測系統的不足，是空間態勢感知系統的有力補充。太赫茲雷達在航天器自身防御探測與空間防御和反導預警體系建設等方面顯示出良好應用前景。

2.2 天基直接監測

天基直接監測是利用在空間航天器上搭載由一定材料構成的監測儀器，通過這些儀器記錄空間目標及星際塵埃的撞擊效果，從而收集空間目標信息的監測方法。天基空間目標監 測儀器的總體趨勢是功能越來越強、結構越來越復雜、監測范圍從近地空間逐漸延伸至外太空。儀器有很強的綜合化趨勢，國際合作也逐漸增多。

通過天基直接監測，能準確記錄空間目標的碰撞事件，計算出空間目標的質量、速度、通量和運行軌跡等信息，是了解小尺度空間目標的重要方法，對航天器的防護和航天材料的研究也有參考價值。國際上很早就開展空間目標直接監測的研究。1996年，歐空局將碎片和塵埃監測器送入靜止軌道；法國空間研究中心也于1999年將有源和無源監測器送上“和平號”空間站，用于空間目標的研究。

2.3 航天器表面采樣分析

航天器表面采樣分析通過對已返回的長期暴露于空間環境中的航天器表面材料的分析來獲取空間目標信息。暴露在空間環境中的航天器表面布滿了微流星體和微小空間目標的撞擊坑，撞擊坑的尺寸從微米級到毫米級不等。通過對這些撞擊坑的發生時間和尺寸的分析，能夠有效獲得亞毫米尺寸空間目標的信息，統計出航天器運行軌道層面上空間目標的流量，并能直接分析得出小空間目標對航天飛行任務的影響。

航天器表面采樣分析可直接立足于現有返回式航天器的后期研究以及在軌空間站的觀察分析，不需額外增加研究費用，因而是一種經濟實用的監測方式。

3 國外空間目標探測典型系統及發展規劃

3.1 典型系統

國外已經發射數顆專用或兼用的微小型空間目標監視平臺，還有部分衛星正在研制或計劃之中?，F有的天基空間目標監視系統一般應用在兩種場合下，即用于遠距離探測跟蹤或近距離成像監視。通過查閱公開文獻，統計得到國外已發射或在研的天基空間目標監視系統情況(如表1所示)。

表1中，專用是指空間目標監視為系統的核心任務；兼用是指空間目標監視是系統的部分任務；可用是指系統具備空間目標監視能力，但未納入日常工作任務之內。

3.1.1 天基空間監視系統（Space Based Surveillance System，SBSS）

SBSS計劃是美國近期發展天基空間監視能力的重要計劃。旨在研制新一代光學空間目標監視系統，增強對空間戰場態勢的實時感知能力。SBSS系統是由4顆或更多極軌衛星組成，每天繞地球數周，能使低地球軌道和靜地軌道監視分辨率提高一個數量級并且收集40萬條衛星信息。

表1 部分天基空間目標監視系統

圖1 美國空間目標監視網絡

圖2 SBSS任務主題

圖3 SBSS工作流程

SBSS系統將能搜索整個空間，主要用于搜索深空目標， 也可以執行近地目標搜索任務。它具有高軌道觀測能力強、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同步軌道衛星的跟蹤能力提高50%，使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。

2010年9月26日，首顆“天基太空監視系統”衛星發射升空，這標志著太空態勢感知革命的開始。

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

ODSI是美國開展的一項用于空間目標監視的全新項目，由運行在地球同步軌道上的成像衛星組成，衛星成像系統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場空間感知和防御空間對抗作戰。

ODSI系統是美國發展和完善空間監視系統的中期計劃。ODSI系統可對地球同步軌道衛星進行高分辨率成像，它是一個望遠鏡系統，將持續不斷地沿著地球外圍飛行并且拍攝一些無論是美國還是其他國家都感興趣的物體圖片。比運行在較低軌道的SBSS更適合跟蹤和監測高軌道的目標，并可提供空間目標的詳細特征。

ODSI系統的主要作用是提供空間物體特性的圖像和軌道位置數據，預計ODSI將由三顆或更多衛星組成，不僅增加了空間目標識別范圍和空間監視網絡的性能，而且支持衛星編目和空間態勢感知能力。

3.1.3 天基紅外預警系統（Space Based Infra-Red System，SBIRS）

圖4 SBIRS衛星

SBIRS系統是美國為滿足未來對空間目標進行紅外監視而設計研制的，其主要任務是進行戰略和戰區導彈預警，跟蹤從初始助推階段到飛行中段的導彈目標，為導彈防御指示目標，提供技術情報。系統充分利用現有技術和方法，提供全譜監測手段，能滿足作戰部隊對導彈預警、導彈防御、技術偵察和戰場態勢描述等要求，最終將取代現役DSP系統。

3.1.4 空間跟蹤與監視系統（Space Tracking and Surveillance System，STSS）

SBIRS包括高軌道部分（SBIRS-High）和低軌道部分（SBIRS-Low）。其中：SBIRS-High的主要功能是探測彈道導彈發射的助推段信號，提供導彈的早期預警信息；SBIRS-Low具有探測助推段信號的功能，并能跟蹤和監視中段飛行的彈頭。2002年，SBIRS-Low被命名為空間跟蹤與監視系統（STSS）。STSS系統由搭載著紅外敏感器的若干低地球軌道衛星構成，經地面站連接到“彈道導彈防御系統”，將數據發回到地面指揮中心，支持快速、有效的攔截器發射，提供全球范圍的、可持續的導彈探測和跟蹤能力。

圖5 STSS演示驗證示意

3.1.5 試驗衛星系列計劃（eXperiment Satellite Series，XSS）

XSS系列衛星是一項空軍研究項目，該項目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。

XSS-11是美國空間研究實驗室研制的新一代XSS系列衛星，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。2005年，XSS-11微衛星成功進行了針對國防支援計劃導彈預警衛星的逼近、繞飛等試驗。

3.1.6 星歷表精調天基望遠鏡（Space-based Telescopes for Actionable Ref i nement of Ephemeris，STARE）

STARE是美國國家偵察局（NRO）的空間態勢感知納衛星項目，目的是構建空間碎片監視納衛星星座，提高預測空間碰撞的準確率。STARE項目2010年5月啟動，計劃分三個階段實施：第一階段為技術驗證階段，旨在驗證利用納衛星星座對空間碎片的軌道進行精確觀測、并對空間碰撞進行預警的技術。該階段將發射3顆技術驗證衛星，利用光學有效載荷對空間目標進行成像；第二階段為任務驗證階段，計劃發射5顆衛星；第三階段是業務化運行階段，計劃構建由18顆太陽同步軌道納衛星組成的業務化運行星座，執行空間碎片觀測任務，對空間碰撞進行預警。

圖6 XSS-11衛星

圖7 STARE任務運行概念示意圖

3.1.7 聯合毫弧秒探路者勘察計劃（Joint Milli-Arcsecond Pathf i nder Survey，J-MAPS）

J-MAPS任務是美國海軍天文臺（USNO）正在研制的一項天基天文觀測望遠鏡計劃，主要用于提高恒星空間定位精度，可滿足現有及未來恒星庫的高精度定位需求，為星敏感器服務。盡管該任務的首要設計目標不是用于地球軌道附近空間目標的探測，但是基于系統的能力，也可對GEO目標進高精度測量。該衛星計劃將任務周期90%以上的時間用于天文觀測，5%以上的時間用于空間態勢感知（SSA）任務（包括高精度軌道確定及成像觀測）。

圖8 J-MAPS衛星在軌示意

3.1.8 俄羅斯的空間監視系統（Space Surveillance System，SSS）

俄羅斯是除美國之外唯一擁有專用空間目標探測監視系統的國家，其“空間監視系統”是世界上第二大空間目標探測監視系統，主要由預警雷達探測網和分布在14個地區的20多部光電設備組成。最重要的光學探測系統——“窗口”（Okno）系統為有源光電空間目標監視與跟蹤設施。2015年7月，俄羅斯首套“窗口-M” 地基光電空間監視系統具備完全運行能力，用于跟蹤2000~40000公里高度的空間目標，與地基雷達配合，能使俄軍空間監視能力覆蓋目前所有航天器的運行軌道，空間目標監視能力增強4倍。根據有關數據進行分析測算，SSS每天能執行50000次觀測，能夠維持將近5000個目標的編目，其中大部分為低軌目標。

3.2 發展規劃

3.2.1 美國

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天基態勢感知監視系統外，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。

圖9 ANGELS衛星

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，被送人地球靜止軌道，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，并詳細探測進人這一區域內的目標及確定該目標的特征，這是其它地基和天基空間監視系統難以做到的。

3.2.2 歐空局

歐空局早在2006年就宣布要建立自己的太空目標監控網絡，提出建設未來的空間監視系統（ESSS），并最終構建一個“空間態勢感知系統”（SASS）。

ESSS方案從地基LEO目標、GEO目標、MEO目標探測監視方案以及天基敏感器監視方案等角度規劃了歐洲未來的空間監視系統，其目標是定義一個模塊化的歐洲空間監視系統，并且將由已經驗證過的、低風險技術的各分系統組成。

歐洲各國認為應將現有的獨立系統通過組網的方式建立起較為完善的空間監視網絡系統。這樣能夠充分利用現有的空間監視資源，迅速組建歐洲相對獨立的空間系統。除此之外，歐洲還將該系統定義為一個雙重目的的系統，即一個不僅能夠觀測軌道碎片，而且同時能夠監視通過歐洲領土上空的衛星的雙重功能系統。

2012年3月，歐洲防務局指導委員會批準了一項新一代歐洲軍用地球觀測衛星項目——多國天基成像系統（MUSIS），旨在對空間目標進行探測、監視和偵察，以確保目前的法國“太陽神-II”系統、德國SAR-LUPE系統、意大利Cosmo-Sky med系統和“昴宿”星系統的服務延續到2015年～2017年以后。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起。

3.2.3 加拿大

加拿大軍方也積極開展空間目標探測技術研究。加拿大宇航局（Canadian Space Agency，CSA）和Dynacom公司等正在開展用于實現對近地小行星的搜索和跟蹤，以及對地球軌道衛星的跟蹤近地目標探測衛星（Near Earth Space Surveillance，NESS）研制計劃。加拿大國防部也啟動了空間目標監視（Surveillance of Space，SoS）計劃，主要用于跟蹤地球同步軌道上通信衛星和其他高軌衛星。

“恒星微振動觀測”（MOST）是加拿大研制的世界上最小的太空望遠鏡，主要用于天文觀測，但在天文任務的間隙，MOST還被用來進行空間目標探測試驗，進行天基空間目標系統關鍵技術驗證試驗。目前，加拿大正在研制“高低軌觀測衛星”（NEOS SAT）項目，也是天文觀測項目，該任務期望使用一個光學望遠鏡載荷，完成兩類在軌觀察任務：近地空間監視和高軌空間監視，發現并觀察近地小行星和彗星并確定其運行軌跡。利用科學項目積累的技術成果，加拿大國防部加快了空間監視系統（CSSS） 的研發工作，該系統是加拿大的空間監視計劃( SOFS) 中的核心部分。Sapphire衛星就是該系統的重要組成部分，它是一個攜帶光電有效載荷的小衛星，其主要觀測目標是太空中活動的衛星及失效衛星、空間碎片等。

由上可知，以美國為代表的國家對空間目標探測系統及相關技術的重視程度進一步加大，資金投入將進一步加大，系統規模進一步合理化，軍事意義增強,特別重視對空間戰場態勢的實時感知能力。

4 空間目標探測系統發展趨勢

未來的空間目標探測必然從目前的以地基監視為主向天地基聯合監視過渡，并可能最終發展到以天基探測為主。在對上述國家天基空間目標監視特點分析的基礎上,可以看出國外天基空間目標監視研究呈現如下趨勢:

4.1 宏觀總體趨勢

①既發展大型或超大型天基空間目標監視系統，也發展小衛星天基空間目標監視系統（星座組網），同時加強對地球同步軌道目標的抵近偵察能力；

②監視手段以可見光、紅外為主，但重視監視載荷的小型化、功能的互補性、全面性；

③監視功能更為全面。被監視的目標包括所有級別的導彈,低、中、高軌的衛星,空間碎片,太空粒子,氣體污染,太空中、電離層及大氣層的物理狀況,太陽黑子活動情況,磁場改變情況等。監測到的目標特征信息更加全面詳細,空間目標識別能力將進一步增強；

④監視性能的要求進一步提高,滿足實時性、廣空域、寬時域、闊頻譜的要求。

4.2 具體技術趨勢

4.2.1 成像目標探測

隨著光學系統、高速大尺寸焦面探測器、高速信號處理技術的提高，完全有可能使目標在較遠的距離時成面像，于是就可以利用目標外形及表面紋理的特性去對目標探測、識別，這樣可以大大的提高探測概率。因而這方面的研究將變得極有價值。

4.2.2 反隱身探測

伴隨著空間目標探測技術的發展，相應的反隱身技術也得到了大大地提高。目前，美國、俄羅斯、法國等都已經開展并應用了這方面的研究。因此要求能對經過隱身處理的空間目標也能夠探測、識別和跟蹤。這可以說是未來研究和發展的必然方向。

4.2.3 相對位置探測

目前，空間目標的種類多樣，有衛星、空間碎片、彈道導彈等。對于不同的目標和不同的任務，所感興趣的點有很大的差異，而這些點就要通過目標與探測器的相對位置來進行判斷。隨著任務的要求越來越高，對這中探測的要求也就越迫切。

5 結語

在全球太空資源開發熱潮進一步高漲和未來太空作戰趨勢不斷加劇的軍事斗爭形式中，空間目標監視系統起著重要而關鍵的作用。為了更有效地利用空間、更深入地探索空間，并為未來空間作戰提供及時、準確的空間目標信息，世界各軍事強國都在積極拓展對空間目標的監視范圍，不斷提高空間目標的觀測精度。

天基空間目標探測技術是當前空間技術研究的最前沿，是未來進行空間目標探測和識別的重要發展方向，特別是近年來，隨著我國航天事業的發展，對空間目標進行探測的需求越來越迫切。并且無論從保護空間環境，安全持續地開發和利用空間資源，維護我國空間權益，還是從提高我國空間航天器在軌運行壽命，保障載人航天安全出發，以及軍事斗爭，都需要加強對空間目標探測技術的研究。

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