鄒潤(rùn) 劉陽(yáng) 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(kāi)發(fā)進(jìn)入熱潮,世界各國(guó)對(duì)獲取空間目標(biāo)表征信息和運(yùn)動(dòng)行為特點(diǎn)提出了更高的需求。作為空間態(tài)勢(shì)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(shì)。同時(shí),一些衛(wèi)星平臺(tái)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(guó)的大力發(fā)展。美國(guó)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(tái)以滿足日益增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)感知需求。進(jìn)行了多次天基觀測(cè)實(shí)驗(yàn),開(kāi)展多項(xiàng)態(tài)勢(shì)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(chǔ)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(shí)性、不可預(yù)測(cè)性特點(diǎn)突出。具備多軌道之間的快速機(jī)動(dòng)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(shí)間短的優(yōu)點(diǎn),對(duì)我國(guó)航天器安全造成極大威脅,對(duì)我空間主權(quán)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。因此,提高對(duì)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(guó)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(shì)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(guó)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(duì)發(fā)展特點(diǎn)和技術(shù)進(jìn)步趨勢(shì)進(jìn)行歸納和總結(jié),為我國(guó)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(guó)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(wèn)題,美國(guó)于20世紀(jì)90年代就計(jì)劃建造基于天基平臺(tái)的光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)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(shí),正大力發(fā)展小衛(wèi)星項(xiàng)目,利用其科技優(yōu)勢(shì)提高自身的空間態(tài)勢(shì)感知能力。圖1所示為美國(guó)空間監(jiān)視裝備的時(shí)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(lái)越快。

圖1 美國(guó)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(dòng)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(lái)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(shí)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(shì)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(kāi)始美國(guó)的XSS系列試驗(yàn)衛(wèi)星對(duì)空間目標(biāo)近距離高分辨率成像技術(shù)和快速機(jī)動(dòng)抵近技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證,同時(shí)也演示了快速機(jī)動(dòng)變軌的技術(shù)。后來(lái)的高機(jī)動(dòng)性偵察系統(tǒng)地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)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(jià)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(tái)衛(wèi)星(ESPA Augmented Geostationary Laboratory Experiment,EAGLE)、快速在軌空間技術(shù)和評(píng)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(guó)空間監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展的方向可以看出,對(duì)于廣域空間目標(biāo)監(jiān)視,其主要目的是探測(cè)和發(fā)現(xiàn)。通過(guò)大視場(chǎng)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(guó)空間目標(biāo)監(jiān)視正朝著全時(shí)段持續(xù)、更短的遍歷時(shí)間,實(shí)現(xiàn)對(duì)興趣目標(biāo)機(jī)動(dòng)過(guò)程的完整觀測(cè)而發(fā)展。一方面提高單星視場(chǎng)覆蓋大小,提高廣域覆蓋下的檢測(cè)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(cè)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(cè)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(guó)發(fā)射了MSX。MSX作為第一代天基試驗(yàn)平臺(tái),同時(shí)也驗(yàn)證了天基平臺(tái)對(duì)中段飛行導(dǎo)彈的發(fā)現(xiàn)、跟蹤、預(yù)警等功能,為美國(guó)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(shí)接替已經(jīng)失效的MSX的功能,美國(guó)開(kāi)始研制SBSS。SBSS項(xiàng)目于2002年正式啟動(dòng)。2010年9月美國(guó)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(chǎng)感知能力的新一代光學(xué)空間監(jiān)視系統(tǒng)開(kāi)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(shí)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(shì)感知技術(shù)。

美國(guó)也在不斷發(fā)展利用多星星座組成的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)測(cè)空間目標(biāo)。通過(guò)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(cè)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(guó)分別發(fā)射了STARE-1和STARE-2衛(wèi)星。STARE是空間態(tài)勢(shì)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(guò)對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行精確觀測(cè),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(duì)整個(gè)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(guó)態(tài)勢(shì)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(yè)介紹中明確表明,星盾計(jì)劃目的是支持國(guó)防安全。星盾計(jì)劃其中著重一個(gè)領(lǐng)域便是作為軍用載荷和設(shè)備托管平臺(tái)。通過(guò)搭載光學(xué)觀測(cè)載荷,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全軌道的空間目標(biāo)大市場(chǎng)覆蓋,完全滿足美軍對(duì)空間目標(biāo)行為動(dòng)態(tài)日益增長(zhǎng)的需求。

自1996年發(fā)射MSX開(kāi)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(guó)通過(guò)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(guó)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(kāi)展和新一代星鏈衛(wèi)星的部署,美國(guó)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(lái)越強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的短周期重訪和持續(xù)監(jiān)測(cè),使美國(guó)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(guó)的抵近詳查衛(wèi)星機(jī)動(dòng)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(cè),以實(shí)現(xiàn)抵近偵察任務(wù)。抵近偵察裝備通過(guò)攜帶儲(chǔ)能設(shè)備和大量?jī)?chǔ)備燃料,同時(shí)安裝高比沖發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)快速頻繁的機(jī)動(dòng),通過(guò)安裝高效能轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能電池翼,有效地解決了衛(wèi)星電能來(lái)源問(wèn)題。

在MSX驗(yàn)證紅外導(dǎo)彈探測(cè)和廣域空間目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)基礎(chǔ)上,美國(guó)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(guò)高機(jī)動(dòng)變軌快速抵近目標(biāo),獲取更詳細(xì)的觀測(cè)信息。后續(xù)開(kāi)展了距離觀測(cè)試驗(yàn)并驗(yàn)證了衛(wèi)星快速抵近能力。

2003年美國(guó)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(guó)對(duì)空間目標(biāo)近距離高分辨率成像技術(shù)和快速機(jī)動(dòng)抵近技術(shù)驗(yàn)證的開(kāi)始,也是高機(jī)動(dòng)性偵察裝備研發(fā)的開(kāi)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(duì)國(guó)防支援計(jì)劃導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的逼近、繞飛、觀測(cè)等試驗(yàn),成功驗(yàn)證了對(duì)空間非合作目標(biāo)的交會(huì)、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(duì)目標(biāo)近距離成像方面,美國(guó)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(guó)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(cè)。在同步軌道附近進(jìn)行快速機(jī)動(dòng)、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(guó)在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射場(chǎng)利用德?tīng)査?M+(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(guó)巡視探測(cè)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(duì)所關(guān)注的空間目標(biāo)進(jìn)行機(jī)動(dòng)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(duì)目標(biāo)的行為意圖、活動(dòng)規(guī)律等進(jìn)行進(jìn)一步判斷。

美國(guó)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(shì)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(duì)重點(diǎn)目標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)的破解。同時(shí),GSSAP具備交會(huì)能力,在特殊時(shí)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(shì)感知和實(shí)戰(zhàn)能力。

1.3 子母衛(wèi)星

美國(guó)目前除了建設(shè)擁有全域空間探測(cè)能力的監(jiān)視系統(tǒng)外。還還積極研制可用于針對(duì)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(shì)感知系統(tǒng)提供連續(xù)的偵查信息。詳細(xì)探測(cè)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(duì)反衛(wèi)星武器診斷衛(wèi)星技術(shù)問(wèn)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(guó)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(shì)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(duì)抗條件下提高生存概率。通過(guò)多個(gè)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(shí),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(tái)接口協(xié)調(diào)統(tǒng)一,有利于提高載荷的多樣性。對(duì)于失效的衛(wèi)星,直接通過(guò)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(dòng)探測(cè)、逼近繞飛、懸停監(jiān)視等操作,測(cè)試目標(biāo)活動(dòng)特征、意圖能力,同時(shí)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(duì)于增強(qiáng)美軍太空作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)具有重要意義。

2018年4月,伴隨著美國(guó)空軍任務(wù)(AFSPC-11)執(zhí)行,EAGLE發(fā)射升空。EAGLE是美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證下一代高機(jī)動(dòng)性衛(wèi)星能力的試驗(yàn)衛(wèi)星,該衛(wèi)星可攜帶5個(gè)總重約1t的載荷,長(zhǎng)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(shí)變軌機(jī)動(dòng)至地球同步軌道目標(biāo)附近。EAGLE衛(wèi)星再次為美國(guó)成功驗(yàn)證微小衛(wèi)星抵近監(jiān)測(cè)和平臺(tái)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(zhǎng)壽命可變軌附屬載荷搭載平臺(tái)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(tái),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(guó)國(guó)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(shí)為未來(lái)的太空在軌加油計(jì)劃提供支撐。2022年11月1日,美國(guó)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(huì)在軌道上部署3顆衛(wèi)星[5]。

從XSS衛(wèi)星到ROOSTER衛(wèi)星,美國(guó)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(duì)抗方面的絕對(duì)性優(yōu)勢(shì)。

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(lái)源于2002年,當(dāng)時(shí)該系統(tǒng)預(yù)算要求為530萬(wàn)美元。SBSS系統(tǒng)于2007年發(fā)射升空,2010年開(kāi)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(guó)深空態(tài)勢(shì)感知能力。2010年9月26日美國(guó)發(fā)射首顆SBSS系統(tǒng)衛(wèi)星,標(biāo)志著提高太空戰(zhàn)場(chǎng)感知能力的新一代光學(xué)空間監(jiān)視系統(tǒng)開(kāi)始實(shí)施。SBSS是天基可見(jiàn)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(cè)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(wàn)分辨率(如圖2所示)。傳感器可以通過(guò)萬(wàn)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(shì)有[6]:①對(duì)GEO軌道上全部目標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè),可以對(duì)約17000個(gè)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(shí)不間斷執(zhí)行任務(wù);③編目周期縮短,數(shù)據(jù)庫(kù)更新更快;④深空探測(cè)能力強(qiáng)大,對(duì)高軌定位誤差小于500m,對(duì)低軌定位誤差小于10m,相比前一代,探測(cè)、監(jiān)視能力提高50%。

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

美國(guó)通過(guò)SBSS提高了對(duì)地球同步軌道衛(wèi)星的偵察能力,整個(gè)系統(tǒng)相比上一代,對(duì)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(duì)低軌道和地球同步軌道監(jiān)視分辨率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.2 地球同步軌道空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃

GSSAP衛(wèi)星是美國(guó)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(guó)戰(zhàn)略司令部監(jiān)視地球同步軌道的碰撞威脅和潛在對(duì)手。目前已完成6顆衛(wèi)星組網(wǎng),大大的提高了美國(guó)對(duì)地球同步軌道的持續(xù)監(jiān)測(cè)和抵近偵察能力(見(jiàn)圖3)。

圖3 GSSAP概念圖Fig.3 Concept map of GSSAP

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

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(shì)信息。目前這兩顆衛(wèi)星均處于地球同步軌道附近,相對(duì)漂移速度每天為0.51°左右,相對(duì)漂移周期為150天。2021年7月,GSSAP-4故意向我國(guó)實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星抵近并伴飛,最近距離29km,實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星在24h內(nèi)做出機(jī)動(dòng),成功通過(guò)機(jī)動(dòng)變軌躲開(kāi)該GSSAP-4的偵察[8]。

GSSAP-5和GSSAP-6于2016年開(kāi)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(guó)航天司令部交付使用。兩顆衛(wèi)星攜帶主動(dòng)探測(cè)設(shè)備,具備行為隱蔽性,可在暗區(qū)對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視成像。五角大樓一名官員說(shuō):“從接近地球同步軌道上看,它們有一個(gè)清晰、無(wú)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(dòng)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(shí),已經(jīng)再訂購(gòu)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(tái)衛(wèi)星

2018年4月EAGLE發(fā)射升空。EAGLE長(zhǎng)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(dòng)。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(gè)模塊化、經(jīng)濟(jì)高效且功能強(qiáng)大的平臺(tái)[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(guò)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(yáng)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(jiàn)圖4)。在ESPA一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)增加紅外、紫外和可見(jiàn)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(shì)感知信息。該衛(wèi)星旨在提高美國(guó)空間感知能力,將來(lái)可用在地球同步軌道物體的測(cè)量、監(jiān)視、編目上。

圖4 某會(huì)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(gè)載荷,任務(wù)需要時(shí)機(jī)動(dòng)至同步軌道目標(biāo)附近。5個(gè)載荷中的一個(gè)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(duì)EAGLE衛(wèi)星進(jìn)行抵近檢查。先機(jī)動(dòng)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(shí),對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)、檢查。

MyCroft相比于ANGLES在距離控制方面更為精準(zhǔn),同時(shí)具備更高級(jí)的自動(dòng)化任務(wù)執(zhí)行和自動(dòng)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(lái),研究人員一直無(wú)法與其進(jìn)行通信。美國(guó)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(píng)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(tái)質(zhì)量430～470kg,可攜帶約310kg的燃料;6個(gè)對(duì)接口總承載載荷質(zhì)量為1920kg左右,每個(gè)接口承載質(zhì)量為320kg;最大供電功率1200W;軌道機(jī)動(dòng)能力為300m/s[12]。ROOSTER平臺(tái)搭載的載荷目前處于保密狀態(tài),預(yù)計(jì)會(huì)攜帶空間態(tài)勢(shì)感知、空間對(duì)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(gè)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(guò)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(qǐng)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(guó)太空部隊(duì)發(fā)射任務(wù)中可用的超額有效載荷余量來(lái)攜帶和部署大量有效載荷。按照美國(guó)《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(shí)常態(tài)化部署,戰(zhàn)時(shí)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(guó)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(shì)感知能力是各國(guó)提高自身空間安全能力的前提。通過(guò)對(duì)美國(guó)空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展分析可以看出:美國(guó)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(duì)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(tái)及載荷的功能和能力。結(jié)合美國(guó)該領(lǐng)域的發(fā)展和實(shí)踐歷史現(xiàn)狀,以及針對(duì)今后天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),給出以下思考及建議。

3.1 豐富天基平臺(tái)載荷類型,提高感知能力

針對(duì)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(shí)降低誤檢率,提高空間目標(biāo)的探測(cè)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(dòng)空間光學(xué)設(shè)備的成像能力提高。ROOSTER等載荷平臺(tái)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(shí),GSSAP等一系列先進(jìn)的軍事裝備在衛(wèi)星平臺(tái)上搭載雷達(dá)、先進(jìn)天線、光電傳感器等探測(cè)設(shè)備,通過(guò)多途徑進(jìn)行偵察,提高信息獲取率。因此,增加天基平臺(tái)載荷類型可以促進(jìn)信息獲取效率。光學(xué)觀測(cè)是被動(dòng)探測(cè),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(guò)補(bǔ)充主動(dòng)探測(cè)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(guó)國(guó)防部高級(jí)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(cè)試。該計(jì)劃旨在2025年之前提供在軌維修、硬件升級(jí)等服務(wù)[14]。該服務(wù)利用無(wú)人操作設(shè)備對(duì)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(jí)。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(shí),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(duì)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(shí)部署和任務(wù)規(guī)劃。此外,未來(lái)天基平臺(tái)通過(guò)通用接口進(jìn)行載荷與平臺(tái)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(tái)之間的復(fù)雜接口中分離出來(lái),實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和簡(jiǎn)化。這種趨勢(shì)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(kāi)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(zhǎng)衛(wèi)星平臺(tái)在軌服務(wù)壽命,增強(qiáng)機(jī)動(dòng)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(dòng)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(dòng)”概念,2028年前打造一個(gè)通用加油平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)“毫無(wú)顧忌的軌道機(jī)動(dòng)”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(shì)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(guò)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(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)高效運(yùn)算處理,并結(jié)合多途徑信息,對(duì)興趣目標(biāo)的行為進(jìn)行預(yù)測(cè),判斷其下一步的活動(dòng)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(guó)洛·馬公司網(wǎng)站報(bào)道,該公司通過(guò)前期升空的2顆LM 50TM12U立方體衛(wèi)星成功完成太空升級(jí)衛(wèi)星系統(tǒng)(LM LINUSS)在軌演示,驗(yàn)證了高度自動(dòng)化的交會(huì)與抵近操作,此次在軌運(yùn)行除演示自動(dòng)交會(huì)和抵近技術(shù)外,還完成自動(dòng)機(jī)動(dòng)、自動(dòng)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(guò)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(guò)多衛(wèi)星空間組網(wǎng),與地面的控制指揮中心進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)對(duì)空間態(tài)勢(shì)的實(shí)時(shí)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(shí)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(kāi)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(shì)感知,協(xié)助指揮官快速?zèng)Q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(guó)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(dòng)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(dòng)新技術(shù)的開(kāi)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(dòng)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(guò)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(jìng)爭(zhēng)力,推動(dòng)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(duì)空間安全的認(rèn)識(shí)和意識(shí),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(lái)源和程度,并采取防范措施,對(duì)空間資產(chǎn)進(jìn)行全方位的監(jiān)控和監(jiān)測(cè),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(duì)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(guó)在太空活動(dòng)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(dòng)的合法性和穩(wěn)定性。同時(shí),加強(qiáng)國(guó)際溝通,廣泛開(kāi)展合作,推動(dòng)技術(shù)交流,促進(jìn)太空資源的和平開(kāi)發(fā),共同維護(hù)太空環(huán)境的穩(wěn)定和安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)作為態(tài)勢(shì)感知體系構(gòu)成的重要部分,受到各國(guó)青睞。在天基空間目標(biāo)監(jiān)視領(lǐng)域,美國(guó)仍處于領(lǐng)先位置,從現(xiàn)有裝備來(lái)看,有許多值得我國(guó)參考和學(xué)習(xí)的地方。在這方面我國(guó)仍需努力,應(yīng)該結(jié)合自身優(yōu)勢(shì),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(guó)共同和平開(kāi)發(fā)太空貢獻(xiàn)中國(guó)力量。