國外天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展綜述

鄒潤 劉陽 臧晴 魏斌斌 劉春恒 侯進(jìn)永 周宇翔

(軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院,北京 100191)

伴隨著科技發(fā)展進(jìn)步,太空資源開發(fā)進(jìn)入熱潮,世界各國對獲取空間目標(biāo)表征信息和運(yùn)動行為特點(diǎn)提出了更高的需求。作為空間態(tài)勢感知的關(guān)鍵部分,天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)可以規(guī)避地基監(jiān)視系統(tǒng)受大氣環(huán)境的影響,具備全天候、廣區(qū)域執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)的優(yōu)勢。同時,一些衛(wèi)星平臺可抵近到興趣目標(biāo)附近,獲取更多目標(biāo)詳細(xì)信息。因此,天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)得到了世界各國的大力發(fā)展。美國利用其強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)能力及科技基礎(chǔ)發(fā)展了大量的空間監(jiān)視衛(wèi)星平臺以滿足日益增長的態(tài)勢感知需求。進(jìn)行了多次天基觀測實(shí)驗(yàn),開展多項(xiàng)態(tài)勢感知項(xiàng)目試驗(yàn),并已經(jīng)將相關(guān)技術(shù)運(yùn)用到裝備服務(wù)中。

這些衛(wèi)星大多攜帶高性能推進(jìn)器和大量的儲備燃料,配備先進(jìn)的偵察成像設(shè)備,位置和狀態(tài)隨任務(wù)的需要易發(fā)生突變,執(zhí)行任務(wù)期間隨時性、不可預(yù)測性特點(diǎn)突出。具備多軌道之間的快速機(jī)動能力,根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同,實(shí)現(xiàn)不同特性狀態(tài)和行為變化。具有偵察能力好、任務(wù)響應(yīng)時間短的優(yōu)點(diǎn),對我國航天器安全造成極大威脅,對我空間主權(quán)帶來極大挑戰(zhàn)。因此,提高對天基監(jiān)視系統(tǒng)的了解,掌握相關(guān)目標(biāo)的基本屬性和特點(diǎn)有益于了解目前相關(guān)系統(tǒng)裝備發(fā)展現(xiàn)狀,為我國更好地維保護(hù)自身的空間權(quán)益和空間資產(chǎn)的安全,發(fā)展空間態(tài)勢感知能力提供參考。

本文以典型技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星和裝備為代表梳理了美國天基監(jiān)視領(lǐng)域裝備的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀,著重介紹以空間廣域監(jiān)視衛(wèi)星、抵近詳查衛(wèi)星、字母衛(wèi)星3類空間監(jiān)視系統(tǒng),并對發(fā)展特點(diǎn)和技術(shù)進(jìn)步趨勢進(jìn)行歸納和總結(jié),為我國天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展提出相應(yīng)建議。

1 美國天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

為克服地面監(jiān)視受地理位置和天氣因素影響的問題,美國于20世紀(jì)90年代就計(jì)劃建造基于天基平臺的光學(xué)探測系統(tǒng)。經(jīng)過近30年的發(fā)展,已建成世界上最為先進(jìn)的天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng),在廣域空間覆蓋和抵近詳查方面都具有先進(jìn)的設(shè)備。同時,正大力發(fā)展小衛(wèi)星項(xiàng)目,利用其科技優(yōu)勢提高自身的空間態(tài)勢感知能力。圖1所示為美國空間監(jiān)視裝備的時間發(fā)展脈絡(luò)隨著技術(shù)不斷成熟,相關(guān)裝備發(fā)展越來越快。

圖1 美國空間監(jiān)視裝備發(fā)展脈絡(luò)圖Fig.1 Development of US space surveillance equipment

中段空間試驗(yàn)衛(wèi)星(Midcourse Space Experiment,MSX)、試驗(yàn)性小衛(wèi)星(Experimental Small Satellite,XSS)、微衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星(Microsatellite Technology Experiment,MiTEx)、本地空間自動導(dǎo)航和制導(dǎo)試驗(yàn)衛(wèi)星(Automated Navigation and Guidance Experiment for Local Space,ANGELS)等技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星都進(jìn)行了在軌技術(shù)演示,為后來建設(shè)的軍事裝備試驗(yàn)所需技術(shù),提供技術(shù)驗(yàn)證基礎(chǔ)。1996年發(fā)射的MSX技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星為2010年天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)(Space Based Surveillance System,SBSS)驗(yàn)證了天基空間目標(biāo)光學(xué)監(jiān)視技術(shù),同時后續(xù)的可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡(Space-Based Telescopes for Actionable Refinement of Ephemeris,STARE)、高軌態(tài)勢感知技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星(S5)及星盾計(jì)劃都以該試驗(yàn)為技術(shù)基礎(chǔ),繼續(xù)發(fā)展相關(guān)監(jiān)視能力;2003年開始美國的XSS系列試驗(yàn)衛(wèi)星對空間目標(biāo)近距離高分辨率成像技術(shù)和快速機(jī)動抵近技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證,同時也演示了快速機(jī)動變軌的技術(shù)。后來的高機(jī)動性偵察系統(tǒng)地球同步軌道空間態(tài)勢感知計(jì)劃(Geosynchronous Space Situational Awareness Program,GSSAP)基于XSS所驗(yàn)證的技術(shù),為美軍提供大量高價值情報(bào)信息,發(fā)揮了不可替代的作用;ANGELS衛(wèi)星在軌進(jìn)行的多項(xiàng)技術(shù)試驗(yàn),加速了軍事裝備向微小衛(wèi)星方向發(fā)展,空間增強(qiáng)型同步軌道實(shí)驗(yàn)平臺衛(wèi)星(ESPA Augmented Geostationary Laboratory Experiment,EAGLE)、快速在軌空間技術(shù)和評估環(huán)(Rapid On-Orbit Space Technology and Evaluation Ring,ROOSTER)以及后續(xù)的子母多星裝備都是基于ANGELS成功的技術(shù)試驗(yàn)。

1.1 空間廣域監(jiān)視衛(wèi)星

從當(dāng)前美國空間監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展的方向可以看出,對于廣域空間目標(biāo)監(jiān)視,其主要目的是探測和發(fā)現(xiàn)。通過大視場覆蓋全軌道,優(yōu)化系統(tǒng)之間的配合,實(shí)現(xiàn)快速編目和遍歷。美國空間目標(biāo)監(jiān)視正朝著全時段持續(xù)、更短的遍歷時間,實(shí)現(xiàn)對興趣目標(biāo)機(jī)動過程的完整觀測而發(fā)展。一方面提高單星視場覆蓋大小,提高廣域覆蓋下的檢測效率;另一方面發(fā)展多星星座,利用多星星座提高軌道覆蓋區(qū)域。由十幾顆甚至幾十顆小衛(wèi)星組成的觀測網(wǎng),眾多小衛(wèi)星組網(wǎng)可以提高空間監(jiān)視的覆蓋率及探測效率。

為驗(yàn)證天基空間目標(biāo)廣域監(jiān)視技術(shù),1996年美國發(fā)射了MSX。MSX作為第一代天基試驗(yàn)平臺,同時也驗(yàn)證了天基平臺對中段飛行導(dǎo)彈的發(fā)現(xiàn)、跟蹤、預(yù)警等功能,為美國的天基空間目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展打下基礎(chǔ),其所驗(yàn)證的技術(shù)都轉(zhuǎn)化到了新一代的天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)上,為后續(xù)發(fā)展廣域天基空間目標(biāo)監(jiān)視裝備和全球?qū)楊A(yù)警系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐。

在MSX衛(wèi)星試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,為后續(xù)裝備進(jìn)行技術(shù)試驗(yàn),同時接替已經(jīng)失效的MSX的功能,美國開始研制SBSS。SBSS項(xiàng)目于2002年正式啟動。2010年9月美國發(fā)射SBSS系統(tǒng)的“探路者”衛(wèi)星(Block-10),即SBSS-1,這標(biāo)志著提高太空戰(zhàn)場感知能力的新一代光學(xué)空間監(jiān)視系統(tǒng)開始實(shí)施[1]。

考慮到SBSS-1衛(wèi)星即將退役,美軍為填補(bǔ)SBSS和SBSS FO之間能力空檔期的不足,委托麻省理工學(xué)院(MIT)林肯實(shí)驗(yàn)室研制作戰(zhàn)響應(yīng)空間-5(Operationally Responsive Space 5,ORS-5)衛(wèi)星。ORS-5衛(wèi)星也被稱為傳感器衛(wèi)星,于2017年8月發(fā)射升空[2]。同時也驗(yàn)證了小型化、高自主化和低成本地球同步軌道空間態(tài)勢感知技術(shù)。

美國也在不斷發(fā)展利用多星星座組成的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測空間目標(biāo)。通過多衛(wèi)星提高覆蓋效率,增強(qiáng)監(jiān)視覆蓋范圍,提高感知能力。為提高觀測數(shù)據(jù)的精度,細(xì)化軌道數(shù)據(jù),大幅降低目標(biāo)碰撞的虛警概率,告知潛在的碰撞威脅,提高自身財(cái)產(chǎn)安全,2012年和2013年,美國分別發(fā)射了STARE-1和STARE-2衛(wèi)星。STARE是空間態(tài)勢感知項(xiàng)目納衛(wèi)星項(xiàng)目,計(jì)劃在低軌道部署12～18顆衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。STARE使用了與SBSS和MSX相同的跟蹤模式,通過對空間目標(biāo)進(jìn)行精確觀測,將目標(biāo)的軌道信息進(jìn)行預(yù)處理,確定目標(biāo)的精細(xì)軌道信息。

2019年S5衛(wèi)星搭載SpaceX公司的獵鷹-9火箭發(fā)射升空。S5預(yù)計(jì)以12到16顆衛(wèi)星構(gòu)成高軌道空間監(jiān)視星座,對整個區(qū)域進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)視,發(fā)現(xiàn)并告知異常,提高美國態(tài)勢感知能力。

2022年12月3日,SpaceX官網(wǎng)上公布了星盾計(jì)劃。在SpaceX主頁介紹中明確表明,星盾計(jì)劃目的是支持國防安全。星盾計(jì)劃其中著重一個領(lǐng)域便是作為軍用載荷和設(shè)備托管平臺。通過搭載光學(xué)觀測載荷,可以實(shí)現(xiàn)對全軌道的空間目標(biāo)大市場覆蓋,完全滿足美軍對空間目標(biāo)行為動態(tài)日益增長的需求。

自1996年發(fā)射MSX開始驗(yàn)證天基空間目標(biāo)光學(xué)監(jiān)視技術(shù),到2010年SBSS-1的成功部署,美國通過十幾年不斷技術(shù)探索實(shí)現(xiàn)了可靠的天基空間目標(biāo)廣域成像技術(shù)。2017年升空的ORS-5,標(biāo)志著美國在廣域空間目標(biāo)光學(xué)成像方面技術(shù)已經(jīng)成熟。隨著星盾計(jì)劃的開展和新一代星鏈衛(wèi)星的部署,美國的天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)空間監(jiān)視的全域覆蓋能力越來越強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)對空間目標(biāo)的短周期重訪和持續(xù)監(jiān)測,使美國具備了天地一體化空間監(jiān)視的能力。

1.2 抵近詳查衛(wèi)星

美國的抵近詳查衛(wèi)星機(jī)動能力不斷提高,抵近手段快速隱蔽,目前可以利用“白天”、“地理氣候”、“大月亮”等因素躲避地基光學(xué)監(jiān)視系統(tǒng)的探測,以實(shí)現(xiàn)抵近偵察任務(wù)。抵近偵察裝備通過攜帶儲能設(shè)備和大量儲備燃料,同時安裝高比沖發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)快速頻繁的機(jī)動,通過安裝高效能轉(zhuǎn)換的太陽能電池翼,有效地解決了衛(wèi)星電能來源問題。

在MSX驗(yàn)證紅外導(dǎo)彈探測和廣域空間目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)基礎(chǔ)上,美國一方面將已驗(yàn)證技術(shù)應(yīng)用到廣域空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的建設(shè)中,另一方面嘗試通過高機(jī)動變軌快速抵近目標(biāo),獲取更詳細(xì)的觀測信息。后續(xù)開展了距離觀測試驗(yàn)并驗(yàn)證了衛(wèi)星快速抵近能力。

2003年美國試驗(yàn)衛(wèi)星系列計(jì)劃衛(wèi)星XSS-10發(fā)射升空,標(biāo)志著美國對空間目標(biāo)近距離高分辨率成像技術(shù)和快速機(jī)動抵近技術(shù)驗(yàn)證的開始,也是高機(jī)動性偵察裝備研發(fā)的開始。2003年XSS-10系列衛(wèi)星第1顆發(fā)射升空,2004年發(fā)射XSS-11系列衛(wèi)星。2005年XSS-11系列衛(wèi)星成功完成針對國防支援計(jì)劃導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的逼近、繞飛、觀測等試驗(yàn),成功驗(yàn)證了對空間非合作目標(biāo)的交會、繞飛、接近和巡視能力[3],為后續(xù)裝備衛(wèi)星的建設(shè)研發(fā)提供技術(shù)支撐。

在針對目標(biāo)近距離成像方面,美國于2006年6月21日以一箭雙星的方式發(fā)射了兩顆微衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星(MiTEx)。2008年底,兩顆MiTEx衛(wèi)星分別從東西兩側(cè)抵近失效的國防支援計(jì)劃-23(Defense Support Program 23,DSP-23)衛(wèi)星,并成功進(jìn)行近距離觀測。在同步軌道附近進(jìn)行快速機(jī)動、抵近偵察等技術(shù)試驗(yàn),為衛(wèi)星執(zhí)行軍事任務(wù)積累經(jīng)驗(yàn)。

2014年7月28日,美國在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射場利用德爾塔4M+(4,2)火箭將GSSAP-1/2衛(wèi)星發(fā)射升空,2016年8月19日GSSAP-3/4發(fā)射升空。2021年1月21日GSSAP-5/6在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角升空。GSSAP標(biāo)志著美國巡視探測和抵近詳查技術(shù)的成熟。GSSAP衛(wèi)星利用其獨(dú)特的軌道特性,對所關(guān)注的空間目標(biāo)進(jìn)行機(jī)動抵近并持續(xù)監(jiān)視,憑借高精度的偵察能力獲得目標(biāo)物體特征信息,對目標(biāo)的行為意圖、活動規(guī)律等進(jìn)行進(jìn)一步判斷。

美國歷經(jīng)10余年發(fā)展抵近詳查技術(shù),最后成功應(yīng)用在GSSAP上,為美軍獲取更多空間態(tài)勢感知信息。GSSAP近距離拍攝重點(diǎn)目標(biāo)的圖片并傳回地面指揮中心,根據(jù)逆向工程實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)目標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)的破解。同時,GSSAP具備交會能力,在特殊時期可以變成“進(jìn)攻性”裝備。因此,該衛(wèi)星顯著地提高了美軍的態(tài)勢感知和實(shí)戰(zhàn)能力。

1.3 子母衛(wèi)星

美國目前除了建設(shè)擁有全域空間探測能力的監(jiān)視系統(tǒng)外。還還積極研制可用于針對特定空間目標(biāo)的空間監(jiān)視系統(tǒng)。用多種空間監(jiān)視的微小衛(wèi)星作為其他空間監(jiān)視手段的有力補(bǔ)充。這種微小衛(wèi)星質(zhì)量一般小于15kg。與主衛(wèi)星一同發(fā)射被送到地球靜止軌道后,脫離主衛(wèi)星,并在主衛(wèi)星附近貼近飛行。該衛(wèi)星可為空間態(tài)勢感知系統(tǒng)提供連續(xù)的偵查信息。詳細(xì)探測目標(biāo)區(qū)域中天氣情況和目標(biāo)區(qū)域有關(guān)衛(wèi)星的詳細(xì)特征。針對反衛(wèi)星武器診斷衛(wèi)星技術(shù)問題等任務(wù)進(jìn)行工作,這是其他天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)難以達(dá)到的。

美國也在著力提高子衛(wèi)星的自主性和智能化,以實(shí)現(xiàn)太空中的“航空母艦”。子衛(wèi)星目前向小型化,模塊化的趨勢發(fā)展。衛(wèi)星小型化、精量化有利于提高自身的隱蔽性和欺騙性和在對抗條件下提高生存概率。通過多個小衛(wèi)星形成組網(wǎng),可以利用組網(wǎng)之間的構(gòu)型變化,達(dá)到攻擊、防御、監(jiān)視、跟蹤等一系列任務(wù)需求。同時,子星的流程化生產(chǎn)可以降低衛(wèi)星制造成本;模塊化設(shè)計(jì)便于載荷與平臺接口協(xié)調(diào)統(tǒng)一,有利于提高載荷的多樣性。對于失效的衛(wèi)星,直接通過發(fā)射替代載荷進(jìn)行功能取代,提高系統(tǒng)的,保證整體功能的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

為驗(yàn)證了小衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)一步發(fā)展能夠自主伴飛在高軌衛(wèi)星周圍的護(hù)衛(wèi)小衛(wèi)星打下技術(shù)基礎(chǔ)。第一顆ANGELS衛(wèi)星于2014年7月28日發(fā)射升空[4],ANGELS的第2顆衛(wèi)星于2016年8月發(fā)射升空。ANGELS是在XSS驗(yàn)證微小衛(wèi)星技術(shù)后發(fā)射的高軌抵近偵察技術(shù)試驗(yàn)微小衛(wèi)星。該衛(wèi)星運(yùn)行在目標(biāo)周圍并進(jìn)行了主動探測、逼近繞飛、懸停監(jiān)視等操作,測試目標(biāo)活動特征、意圖能力,同時試驗(yàn)了自主任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)執(zhí)行等技術(shù)。在軌期間為美軍演示驗(yàn)證的新戰(zhàn)術(shù)、新技術(shù)和新流程,對于增強(qiáng)美軍太空作戰(zhàn)優(yōu)勢具有重要意義。

2018年4月,伴隨著美國空軍任務(wù)(AFSPC-11)執(zhí)行,EAGLE發(fā)射升空。EAGLE是美國空軍實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證下一代高機(jī)動性衛(wèi)星能力的試驗(yàn)衛(wèi)星,該衛(wèi)星可攜帶5個總重約1t的載荷,長期隱蔽運(yùn)行在距地球同步軌道高200～300km的墳?zāi)管壍?任務(wù)需要時變軌機(jī)動至地球同步軌道目標(biāo)附近。EAGLE衛(wèi)星再次為美國成功驗(yàn)證微小衛(wèi)星抵近監(jiān)測和平臺與載荷通用接口等相關(guān)技術(shù),為后續(xù)“太空航母”建設(shè)打下基礎(chǔ),也為完成微小衛(wèi)星從技術(shù)到裝備應(yīng)用鋪平道路。

2021年12月7日,長壽命可變軌附屬載荷搭載平臺項(xiàng)目-1(Long Duration Propulsive EELV Secondary Payload Adapter-1,LDPE-1)搭載宇宙神5火箭551構(gòu)型經(jīng)7h飛行后直接進(jìn)入GEO軌道。LDPE-1衛(wèi)星相當(dāng)于一種標(biāo)準(zhǔn)化衛(wèi)星搭載平臺,根據(jù)任務(wù)需要,搭載不同能力的載荷,實(shí)現(xiàn)功能集成。其目的是為美國國家安全任務(wù)提供低成本的地球靜止軌道小型衛(wèi)星常態(tài)化部署的功能,同時為未來的太空在軌加油計(jì)劃提供支撐。2022年11月1日,美國SpaceX公司重型獵鷹火箭搭載USSF-44軍事機(jī)密衛(wèi)星和攜帶3顆載荷的LDPE-2從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射升空,此次任務(wù)結(jié)束后,會在軌道上部署3顆衛(wèi)星[5]。

從XSS衛(wèi)星到ROOSTER衛(wèi)星,美國在微小衛(wèi)星方面致力于系統(tǒng)化、智能化、自主化。相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟,正在推進(jìn)軍事裝備應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)自身在太空對抗方面的絕對性優(yōu)勢。

2 典型天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)

2.1 天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)

SBSS的概念來源于2002年,當(dāng)時該系統(tǒng)預(yù)算要求為530萬美元。SBSS系統(tǒng)于2007年發(fā)射升空,2010年開始投入使用,計(jì)劃研制經(jīng)費(fèi)為5.9億美元。美軍SBSS衛(wèi)星目的是為了提高美國深空態(tài)勢感知能力。2010年9月26日美國發(fā)射首顆SBSS系統(tǒng)衛(wèi)星,標(biāo)志著提高太空戰(zhàn)場感知能力的新一代光學(xué)空間監(jiān)視系統(tǒng)開始實(shí)施。SBSS是天基可見光(MSX/SBV)傳感器的后續(xù)項(xiàng)目,相比之下,單星空間目標(biāo)探測能力提高80%。首顆SBSS-1衛(wèi)星配備了口徑為30cm的光學(xué)傳感器,具有240萬分辨率(如圖2所示)。傳感器可以通過萬向架靈活快速的發(fā)現(xiàn)、監(jiān)視、跟蹤空間目標(biāo)。該優(yōu)勢有[6]:①對GEO軌道上全部目標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,可以對約17000個太空目標(biāo)進(jìn)行編目;②不受天氣、大氣環(huán)境影響,全天24小時不間斷執(zhí)行任務(wù);③編目周期縮短,數(shù)據(jù)庫更新更快;④深空探測能力強(qiáng)大,對高軌定位誤差小于500m,對低軌定位誤差小于10m,相比前一代,探測、監(jiān)視能力提高50%。

圖2 SBSS-1概念圖Fig.2 Concept map of SBSS-1

美國通過SBSS提高了對地球同步軌道衛(wèi)星的偵察能力,整個系統(tǒng)相比上一代,對地球同步軌道目標(biāo)的跟蹤能力提高50%,空間目標(biāo)信息更新周期變?yōu)榱?天,相比上一代系統(tǒng)縮短了3天。該系統(tǒng)每天可繞地球數(shù)周,對低軌道和地球同步軌道監(jiān)視分辨率提高了一個數(shù)量級。

2.2 地球同步軌道空間態(tài)勢感知計(jì)劃

GSSAP衛(wèi)星是美國空軍大力發(fā)展的高軌巡視衛(wèi)星,屬于美空軍的項(xiàng)目,其主要承包商為Orbital ATK公司[7],被用于為美國戰(zhàn)略司令部監(jiān)視地球同步軌道的碰撞威脅和潛在對手。目前已完成6顆衛(wèi)星組網(wǎng),大大的提高了美國對地球同步軌道的持續(xù)監(jiān)測和抵近偵察能力(見圖3)。

圖3 GSSAP概念圖Fig.3 Concept map of GSSAP

該衛(wèi)星利用萬向架可使偵察相機(jī)可以通過多角度對目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。同時,衛(wèi)星搭載了先進(jìn)的高靈敏電子竊聽設(shè)備,可以抵近對目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行高分辨率成像,同時探測電磁波信號“竊聽”情報(bào)信息。根據(jù)加拿大觀測衛(wèi)星(SeeSat-L)的觀測跟蹤小組公布的信息數(shù)據(jù)可以得知:GSSAP衛(wèi)星對地球同步軌道進(jìn)行偵測檢查時,通過高機(jī)動性抵近目標(biāo)衛(wèi)星竊取通信信息和多角度拍照,對興趣目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)數(shù)據(jù)分析。2016年8月美軍對GSSAP衛(wèi)星進(jìn)行機(jī)動變軌,抵近偵查美國海軍故障衛(wèi)星“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)-5”以確定故障原因,美國未公布拍攝圖像,但說GSSAP拍攝圖像分辨率可以達(dá)到厘米級。

2016年8月19日GSSAP-3和GSSAP-4發(fā)射升空,并于2017年正式轉(zhuǎn)為軌道運(yùn)行狀態(tài)。這兩顆衛(wèi)星與2014年發(fā)射的第1顆、第2顆衛(wèi)星和后發(fā)射的第5顆、第6顆衛(wèi)星組成6星星座網(wǎng),為美軍進(jìn)行太空作戰(zhàn)提供基本的空間態(tài)勢信息。目前這兩顆衛(wèi)星均處于地球同步軌道附近,相對漂移速度每天為0.51°左右,相對漂移周期為150天。2021年7月,GSSAP-4故意向我國實(shí)踐二十號衛(wèi)星抵近并伴飛,最近距離29km,實(shí)踐二十號衛(wèi)星在24h內(nèi)做出機(jī)動,成功通過機(jī)動變軌躲開該GSSAP-4的偵察[8]。

GSSAP-5和GSSAP-6于2016年開始研制。2021年1月21日在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角生升空。2022年4月12日具備作戰(zhàn)能力,并向美國航天司令部交付使用。兩顆衛(wèi)星攜帶主動探測設(shè)備,具備行為隱蔽性,可在暗區(qū)對空間目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視成像。五角大樓一名官員說:“從接近地球同步軌道上看,它們有一個清晰、無障礙和獨(dú)特的觀察視角常駐空間物”。這兩顆衛(wèi)星攜帶雙組元推進(jìn)系統(tǒng),發(fā)動機(jī)比沖為310s,總脈沖可達(dá)到1000m/s。

2023年8月2日,美太空作戰(zhàn)司令部宣布,GSSAP-2已停止服役。同時,已經(jīng)再訂購了兩顆GSSAP衛(wèi)星,分別是GSSAP-7和GSSAP-8[9]。

2.3 空間增強(qiáng)型同步軌道實(shí)驗(yàn)平臺衛(wèi)星

2018年4月EAGLE發(fā)射升空。EAGLE長期隱蔽運(yùn)行在距地球同步軌道高200～300km的墳?zāi)管壍郎?根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行大幅度漂移和機(jī)動。EAGLE采用的是具有推進(jìn)能力的漸進(jìn)一次性運(yùn)載火箭第二有效載荷適配器(Evolved Expendable Launch Vehicle Secondary Payload Adapter,ESPA),為載荷提供了一個模塊化、經(jīng)濟(jì)高效且功能強(qiáng)大的平臺[10]。載荷可附加到衛(wèi)星環(huán)上發(fā)射到太空,使其變?yōu)楠?dú)立的衛(wèi)星。通過修改小型衛(wèi)星連接發(fā)射器的環(huán)形結(jié)構(gòu),在其中添加太陽板、計(jì)算機(jī)、火箭推進(jìn)器和相關(guān)儀器可使該衛(wèi)星環(huán)變?yōu)樾滦偷暮教炱?見圖4)。在ESPA一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中,通過增加紅外、紫外和可見光的光學(xué)傳感器,分析獲取的圖像數(shù)據(jù),可以得到更多的空間態(tài)勢感知信息。該衛(wèi)星旨在提高美國空間感知能力,將來可用在地球同步軌道物體的測量、監(jiān)視、編目上。

圖4 某會議上展示的EAGLE模型Fig.4 EAGLE model presented at a conference

該衛(wèi)星可攜帶5個載荷,任務(wù)需要時機(jī)動至同步軌道目標(biāo)附近。5個載荷中的一個載荷可分離,即“小雞”(MyCroft)衛(wèi)星。該子衛(wèi)星重100kg,是由軌道科學(xué)公司ATK研制。伴隨發(fā)射入軌,MyCroft衛(wèi)星脫離母體,后對EAGLE衛(wèi)星進(jìn)行抵近檢查。先機(jī)動至距離母星35km處,然后數(shù)月內(nèi)不斷抵近,當(dāng)?shù)竭_(dá)距母星1km時,對其進(jìn)行監(jiān)測、檢查。

MyCroft相比于ANGLES在距離控制方面更為精準(zhǔn),同時具備更高級的自動化任務(wù)執(zhí)行和自動任務(wù)規(guī)劃能力。2019年10月22日根據(jù)airforcemag.com網(wǎng)站消息,自太空監(jiān)視小衛(wèi)星S5入軌3月以來,研究人員一直無法與其進(jìn)行通信。美國空軍將操控Mycroft衛(wèi)星變軌以接近S5,并檢查其失聯(lián)的具體原因[11]。

2.4 快速在軌空間技術(shù)和評估環(huán)

LDPE目前更改名稱為ROOSTER,但目前升空的衛(wèi)星均已LEPE命名(如圖5所示)。2021年12月7日,LDPE-1發(fā)射入軌。LDPE-1的平臺質(zhì)量430～470kg,可攜帶約310kg的燃料;6個對接口總承載載荷質(zhì)量為1920kg左右,每個接口承載質(zhì)量為320kg;最大供電功率1200W;軌道機(jī)動能力為300m/s[12]。ROOSTER平臺搭載的載荷目前處于保密狀態(tài),預(yù)計(jì)會攜帶空間態(tài)勢感知、空間對抗、電子干擾等類型的載荷。2022年11月1日,LDPE-2發(fā)射升空。2023年1月15日,搭載5個有效載荷的LDPE-3A伴隨著USSF-67任務(wù)發(fā)射升空。

圖5 ROOSTER概念圖Fig.5 Concept map of ROOSTER

LDPE-1衛(wèi)星為衛(wèi)星模塊化發(fā)射提供新思路,通過統(tǒng)一的接口和模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的短周期研發(fā)和低費(fèi)用研制。同樣作為Orbital ATK公司的產(chǎn)品,設(shè)計(jì)思路與EAGLE衛(wèi)星相似,可能為EAGLE的后續(xù)計(jì)劃星。根據(jù)空軍部2023財(cái)年預(yù)算請求,ROOSTER具備了一種低成本、快速和靈活的在軌能力,可以利用美國太空部隊(duì)發(fā)射任務(wù)中可用的超額有效載荷余量來攜帶和部署大量有效載荷。按照美國《太空體系能力2030年發(fā)展規(guī)劃》,美將在2030年后建成以ROOSTER航天母艦為基地的高軌太空艦隊(duì),平時常態(tài)化部署,戰(zhàn)時采取“狼群”戰(zhàn)術(shù),釋放攻防小衛(wèi)星,封鎖高軌區(qū)域[13]。

3 我國空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展建議及啟示

增強(qiáng)態(tài)勢感知能力是各國提高自身空間安全能力的前提。通過對美國空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展分析可以看出:美國正積極發(fā)展空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng),利用多年的技術(shù)積累和空間試驗(yàn),形成了裝備。這些裝備在對抗環(huán)境下具備強(qiáng)大的信息保障能力。隨著智能化和信息化的推進(jìn),配合模塊化的發(fā)展,大幅度提高了自身平臺及載荷的功能和能力。結(jié)合美國該領(lǐng)域的發(fā)展和實(shí)踐歷史現(xiàn)狀,以及針對今后天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,給出以下思考及建議。

3.1 豐富天基平臺載荷類型,提高感知能力

針對空間監(jiān)視和偵察任務(wù)的需求,提高成像載荷的光學(xué)分辨率,有利于快速收集興趣目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、載荷和表面材料等情報(bào)信息,同時降低誤檢率,提高空間目標(biāo)的探測概率。加強(qiáng)光電功能材料和光電設(shè)備的相關(guān)技術(shù)發(fā)展,有助于推動空間光學(xué)設(shè)備的成像能力提高。ROOSTER等載荷平臺可以搭載多種不同種類的功能載荷,大幅度的提高了自身功能性和感知能力。同時,GSSAP等一系列先進(jìn)的軍事裝備在衛(wèi)星平臺上搭載雷達(dá)、先進(jìn)天線、光電傳感器等探測設(shè)備,通過多途徑進(jìn)行偵察,提高信息獲取率。因此,增加天基平臺載荷類型可以促進(jìn)信息獲取效率。光學(xué)觀測是被動探測,容易受到多種因素的影響。為了提高信息獲取渠道和效率,可以通過補(bǔ)充主動探測設(shè)備,更好地實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。

3.2 推進(jìn)模塊化發(fā)展,提高接口通用性

2022年11月8日,美國國防部高級研究計(jì)劃局(DARPA)的網(wǎng)站報(bào)道稱,地球同步衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)(RSGS)已經(jīng)完成了所有組件測試。該計(jì)劃旨在2025年之前提供在軌維修、硬件升級等服務(wù)[14]。該服務(wù)利用無人操作設(shè)備對在軌受損衛(wèi)星進(jìn)行模塊替換,從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌維修和硬件更替升級。模塊化設(shè)計(jì)和通用的配適接口是實(shí)現(xiàn)這些操作的前提。模塊化發(fā)展有利于流程化的工業(yè)制造,降低衛(wèi)星生產(chǎn)成本,實(shí)現(xiàn)快速制造。同時,易于集成,可以大幅減小衛(wèi)星體積,使衛(wèi)星更加精密化,從而有利于增強(qiáng)衛(wèi)星的隱蔽性和欺騙性,提高在對抗條件下的生存概率。

接口的通用性也有助于提高不同任務(wù)之間多載荷協(xié)作和搭載的可行性。衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)“順風(fēng)車”般的搭載模式,即每次火箭發(fā)射都可以在剩余空間或額外載荷內(nèi)搭載衛(wèi)星,便于隨時部署和任務(wù)規(guī)劃。此外,未來天基平臺通過通用接口進(jìn)行載荷與平臺之間的數(shù)據(jù)、電力、燃料傳輸。通用接口的廣泛應(yīng)用,將數(shù)據(jù)和電力傳輸從載荷與平臺之間的復(fù)雜接口中分離出來,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和簡化。這種趨勢將有助于提高載荷集成的效率和靈活性,降低天基系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)成本,并促進(jìn)不同系統(tǒng)之間的互操作性。燃料傳輸可以大大延長衛(wèi)星平臺在軌服務(wù)壽命,增強(qiáng)機(jī)動能力,提高任務(wù)執(zhí)行效率。

2023年7月6日,美太空司令部副司令約翰·肖在米切爾航空航天研究所活動中表示:太空軍的目標(biāo)是在2026年前演示驗(yàn)證“持續(xù)太空機(jī)動”概念,2028年前打造一個通用加油平臺。實(shí)現(xiàn)“毫無顧忌的軌道機(jī)動”即:每月為GSSAP衛(wèi)星添加燃料一次;增加可用于執(zhí)行任務(wù)的衛(wèi)星數(shù)量[15]。

3.3 提高智能化和自主能力,增強(qiáng)衛(wèi)星之間組網(wǎng)功能

伴隨AI技術(shù)和計(jì)算芯片的發(fā)展,智能化的趨勢不可避免。星座之間的星間通信、子母星之間的協(xié)調(diào)配合以及與地面指揮中心之間的信息傳輸?shù)确矫?智能化建設(shè)賦予了衛(wèi)星更強(qiáng)的自主任務(wù)規(guī)劃能力,通過自主協(xié)調(diào)不同功能的小衛(wèi)星,提高任務(wù)執(zhí)行效果。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過高效運(yùn)算處理,并結(jié)合多途徑信息,對興趣目標(biāo)的行為進(jìn)行預(yù)測,判斷其下一步的活動軌跡和工作狀態(tài),有利于進(jìn)行下一步任務(wù)安排。2023年4月18日,根據(jù)美國洛·馬公司網(wǎng)站報(bào)道,該公司通過前期升空的2顆LM 50TM12U立方體衛(wèi)星成功完成太空升級衛(wèi)星系統(tǒng)(LM LINUSS)在軌演示,驗(yàn)證了高度自動化的交會與抵近操作,此次在軌運(yùn)行除演示自動交會和抵近技術(shù)外,還完成自動機(jī)動、自動指揮控制、與安全云架構(gòu)保持連接等技術(shù)的演示驗(yàn)證[16]。

通過部署去中心化的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)體系,實(shí)現(xiàn)分布式、節(jié)點(diǎn)式的空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng),以提高監(jiān)視系統(tǒng)在干擾下的生存能力。衛(wèi)星監(jiān)視系統(tǒng)通過多衛(wèi)星空間組網(wǎng),與地面的控制指揮中心進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)對空間態(tài)勢的實(shí)時感知。星座組網(wǎng)衛(wèi)星之間的信息互通網(wǎng)絡(luò)化程度高,可部署在不同軌道執(zhí)行不同任務(wù),實(shí)現(xiàn)全地域、全時段、一體化的空間監(jiān)視。根據(jù)報(bào)道,2023年3月16日,DARPA公司開展“監(jiān)管”(OVERSIGHT)計(jì)劃。該計(jì)劃試圖加強(qiáng)衛(wèi)星與地面資源之間的聯(lián)系,利用軟件算法和網(wǎng)絡(luò)支持,增強(qiáng)態(tài)勢感知,協(xié)助指揮官快速決策[17]。

3.4 加速技術(shù)轉(zhuǎn)化,提高裝備形成效率

空間技術(shù)的快速發(fā)展需要加速技術(shù)轉(zhuǎn)化和提高裝備形成效率。美國憑借技術(shù)不斷提升,從技術(shù)試驗(yàn)到裝備形成,在許多領(lǐng)域取得了驚人進(jìn)步。為此,我們應(yīng)加快推進(jìn)空間技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,促進(jìn)科技水平提高,推動空間技術(shù)產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展。

首先,需要提高研發(fā)投入,促進(jìn)科技創(chuàng)新和技術(shù)發(fā)展,推動新技術(shù)的開發(fā)和改進(jìn)。其次,應(yīng)加強(qiáng)協(xié)作和合作,整合資源,提高效率和質(zhì)量。第三,數(shù)字化轉(zhuǎn)型是提高空間技術(shù)產(chǎn)業(yè)效率的有效途徑。數(shù)據(jù)共享、智能化制造和自動化控制等數(shù)字化手段,可以提高生產(chǎn)力和效率。最后,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈,加速技術(shù)轉(zhuǎn)化和裝備形成的速度,滿足裝備發(fā)展需求。通過這些措施,可以提高空間技術(shù)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新能力和競爭力,推動產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

3.5 維護(hù)合法權(quán)益,保護(hù)空間資產(chǎn)安全

為了更好地保護(hù)空間資產(chǎn)的安全,必須加強(qiáng)對空間安全的認(rèn)識和意識,維護(hù)空間權(quán)益不受侵犯。太空領(lǐng)域的復(fù)雜性和威脅性不斷增加,需要我們深入了解威脅來源和程度,并采取防范措施,對空間資產(chǎn)進(jìn)行全方位的監(jiān)控和監(jiān)測,采取有效的技術(shù)手段和防范措施,保障空間資產(chǎn)在數(shù)據(jù)和通信傳輸中的安全。

此外,加強(qiáng)對空間法律政策的制定和運(yùn)用,完善空間安全相關(guān)的法律和政策,提高空間資產(chǎn)的安全保障能力。各國在太空活動方面都有各自的法律規(guī)定和政策措施,了解這些規(guī)定和措施,有助于維護(hù)空間活動的合法性和穩(wěn)定性。同時,加強(qiáng)國際溝通,廣泛開展合作,推動技術(shù)交流,促進(jìn)太空資源的和平開發(fā),共同維護(hù)太空環(huán)境的穩(wěn)定和安全。

4 結(jié)束語

天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)作為態(tài)勢感知體系構(gòu)成的重要部分,受到各國青睞。在天基空間目標(biāo)監(jiān)視領(lǐng)域,美國仍處于領(lǐng)先位置,從現(xiàn)有裝備來看,有許多值得我國參考和學(xué)習(xí)的地方。在這方面我國仍需努力,應(yīng)該結(jié)合自身優(yōu)勢,利用先進(jìn)的航天技術(shù)積極探索和發(fā)展天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng),為維護(hù)自身空間主權(quán),攜手各國共同和平開發(fā)太空貢獻(xiàn)中國力量。