天基目标探测与监视系统发展研究

李雁斌， 江利中， 黄 勇

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

空间目标泛指离地球表面150 km以外空间（又称外层空间）的所有目标，在天文学科领域多指恒星、行星、流星等自然天体，在传统航天领域则为大气层外围绕地球飞行的人造轨道飞行器［1］。

一个国家空间控制和空间作战能力的体现主要在于三点：空间监视和预警能力、空间部署能力和空间攻防能力。其中，空间监视和预警致力于提供实时的全空域全谱态势感知，为空间部署和攻防对抗提供必要的信息支援，因此在整个体系中具有基础性作用。为较好地实现对空间目标的探测、跟踪或识别，空间监视系统在信息获取上多采用雷达、可见光、红外或其它无线电信号传感器，以求宽频谱覆盖，而在监视手段上主要运用地基和天基两种方式，达到广时空覆盖。

1 需求分析

近年来，随着硬件性能和软件计算水平的不断提高，天基雷达、红外、可见光等传感器的探测能力取得了长足的进步，天基目标探测与监视技术在系统可靠性、执行自主性、跟踪精确度等方面随之得到了迅猛发展。由于该技术在空间资源开发、空间攻防以及重大民用领域中具有关键作用，故而各国对其应用高度重视，投入了大量的资金，科技人员进行了广泛深入的研究。以该技术为基础面向各种复杂背景应用的空间监视和空间自主操作任务随即大量涌现，其中相当一部分目前已经或者正得到具体实施。

1．1 目标监视

空间目标监视系统是利用多星定位，运用部署完毕的空间监视网直接获取目标状态信息，对所有人造天体向空间的进入、在空间的运行及离开空间的过程进行探测，并结合情报资料，综合处理分析出目标轨道、功能、使用等信息，以掌握空间态势，向空间攻防与航天活动等提供空间目标信息的国家战略信息获取系统。跟踪的目标包括轨道上现役、待用和废弃的人造航天器、空间碎片以及其他自然物体。

1．2 自主交会

空间自主交会直接面向对接、捕获、装配、维护、对抗等功能，是有人参与的空间活动中的一项基本操作。其所包括的转移、调相、寻的、逼近等各个阶段均需要目标跟踪环节的支撑。对于远距离的调相转移段，往往需要地面测控站或导航卫星对目标实行不间断的跟踪，为交会航天器提供准确的目标状态，引导交会航天器以一定的时间和空间精度接近目标。在近距离寻的接近段，目标跟踪则可由星载交会设备来完成，实时性提升，跟踪结果能直接用于构成闭环导引律和控制律。近年来，人们提出了几乎无人值守的自主交会模式，这对跟踪可靠性、精确性和实时性提出了更高的要求，使得空间目标跟踪变得更为关键。

1．3 防撞预警

空间碎片的存在严重地威胁着在轨运行航天器的安全，它们和航天器的碰撞能直接改变航天器的表面性能，造成表面器件损伤，导致航天器系统故障，危害航天器正常运行。同时空间碎片的不断产生对有限的轨道资源也构成了严重威胁，尤其是当某一轨道的空间碎片密度达到一个临界值时，碎片之间的链式碰撞过程将会造成轨道资源的永久性破坏。因此，为了安全、持续地开发和利用空间资源，就必须不断提高对空间碎片的跟踪监视技术，增强对空间碎片环境的防撞预警能力。

1．4 深空探测

深空探测是人类在新世纪的三大航天活动之一。一方面，深空探测器在空间运行，地面站同它建立通信链路、保证通信质量都需要知道探测器在相应坐标系中的位置和速度，使得天线主瓣方向能够对准探测器并接收信号，这种方式受到地域、气候条件和大气限制的制约。而利用天基目标监视系统可以全天候、全方位、实时、连续、精确地观测深空探测器；另一方面，星载深空雷达装在发往太空的飞行器上，采用高功率发射器和大孔径天线完成对深空目标的观测，用来研究深空目标的物理特性如表面特征、密度、轨道、旋转等。

1．5 编队飞行

卫星编队在成本、功能、灵活性和覆盖范围上具有单颗卫星所无法比拟的优势，在空间技术领域中拥有十分重要的地位。其实施的关键在于轨道构型的设计、保持和重构。然而，队形保持和重构的执行离不开空间目标跟踪环节的支持。在卫星编队飞行中，主星往往会受到密切的监视和人工干预，而辅星则需要自主或半自主跟踪监视主星状态，从而能够按照既定的指标对相对运动轨道进行必要的修正。如果脱离了空间目标跟踪信息，编队卫星就等于失去了其间逻辑联系的纽带，编队飞行也就失去了必要的动力学保障及其固有的系统功能。

1．6 在轨服务

在轨服务如捕获、维护、装配、燃料加注等，是未来航天器所需具备的重要功能，飞行任务大体包括远距离轨道转移和近距离空间操作两个阶段。较之于空间交会，最大区别在于其服务对象通常是故障卫星、失效航天器、空间碎片等空间非合作目标。然而，这并不意味着空间目标跟踪重要性的降低，相反，目标主动性的缺失对空间目标跟踪提出了更为苛刻的要求。尤其在近距离操作阶段，目标状态几乎要完全依赖服务航天器自身的跟踪模块来获取，此时，针对具有非合作性质的空间目标的监视和跟踪显得尤为重要。

2 国内外发展现状及趋势

2．1 国内外现状

2．1．1 目标监视

美国的空间监视系统是从20世纪50年代末逐渐发展起来的，由分布在全球16个不同地点的20多种不同类型的30多台（套）无线电探测器、光学探测器、天基探测器以及2个控制中心（1个主控，1个备份）组成，如图1所示。美国目前监视能力以地基空间监视网（SSN）为主［2］。

观测设备由于不受体积重量等限制，可采用大口径天线来获取高空间分辨率，并可提高发射功率来达到较远的探测距离。但是地面设备在观测过程中要受到大气传播抖动、蒙气差、电离闪烁等因素影响，以及地球曲率和天光背景等条件限制，并且地基雷达监视网用于低轨目标监视虽有效，但不能解决深空目标监视问题。为弥补地基监视网对深空目标跟踪能力和覆盖范围的缺陷，以及在东半球地球同步带存在的监视空白区，空间目标监视网逐渐由地基向天基过渡，以达到减少布站、扩大覆盖率和提高时效性等目的。

图1 美国空间目标监视网（SSN）

（1）天基可视计划（Space－Based Visible Program，SBV）

1996年，美国空军在范登堡基地发射了“中段空间试验”卫星（MSX，Midcourse Space eX－periment），该卫星属弹道导弹防御技术发展计划项目。除用于探测和跟踪来袭导弹的红外传感器之外，该卫星还搭载了林肯实验室设计的天基可见光传感器，对天基空间监视的技术和功能进行验证。SBV探测器可覆盖整个地球同步带，所以其设计重点侧重深空监视。

SBV的主要任务是采集各种驻留空间目标（Resident Space Object，RSO）的测轨和光度信息，其在轨运行的前18个月主要用于确认天基空间监视的概念和评估SBV探测器的性能。期间进行的一系列实验证明天基空间监视不仅可行而且效率高，SBV探测器可用作空间监视网的实用手段。

1997年10月，SBV探测器开始从空间监视网的实验探测器向关键探测器过渡，2000年10月，正式转为美国空间监视网一部分，可使美空间司令部对重点目标重访率增加50%，并使得卫星跟踪丢失数目减少80%。从搜集观测次数方面已证实SBV的探测效率与一个地基GEODSS站相当，且能够提供比GEODSS探测器更为精确的观测量。

（2）天基空间监视系统（Space－Based Space Surveillance，SBSS）

SBSS系统是美国为提高对空间目标的监视、跟踪和识别能力，增强对空间战场态势的实时感知能力而研制的支持空间作战的武器装备。SBSS系统的开发对于美国空间目标监视能力将是很大提高，有助于美军真正识别空间目标。

SBSS项目由空军空间和导弹系统中心负责，由5颗卫星组成，分两个阶段建设。第一阶段，发射一颗卫星替代原来的MSX卫星，该卫星已于2010年9月发射，它是整个系统的先导星，称为“探路者”，每天能收集40多万条卫星信息；第二阶段，发射4颗卫星，完成整个系统建设，第二颗卫星计划于2014年年底发射，后三颗分别于2017～2022年发射。SBSS星座部署完毕后，将能够覆盖太空中每一个目标，使美国对地球静止轨道（GEO）目标的跟踪能力提高50%。

（3）轨道深空成像系统（Orbit Deep Space Imager，ODSI）

ODSI是美空军空间和导弹系统中心开展的一项用于空间目标监视的全新项目，由运行在地球同步轨道上的成像卫星组成，卫星成像系统采用望远镜并可在空间机动。ODSI不仅能探测和跟踪目标，其更主要的任务是对目标进行描述和分析，提供目标的高分辨率图像，并实时或定期提供相关信息以支持整个战场空间感知和防御性空间对抗作战［3］。

（4）天基红外低轨预警系统（Space Based Infrared System，SBRIS－Low）

SBRIS－Low为美国第二代天基红外导弹预警系统的低轨星座部分，2002年起五角大楼将其称为“空间跟踪与监视系统”（Space Tracking and Surveillance System，STSS）。该系统内卫星在多个轨道面上成对工作以提供立体监视和探测，整个星座利用卫星内部交叉链路连接在一起，实现对中段弹道目标的接力跟踪。

2011年5月7日，美国首颗“天基红外系统”地球静止轨道卫星（GEO－1）从卡纳维拉尔角空军基地由宇宙神－5火箭成功发射升空。它将显著提升美国的导弹预警能力和对其他重要国家安全任务的同步支持能力。如图2所示，STSS是为导弹防御而研发部署，其第一位任务仍是导弹防御，它将替换导弹预警能力较弱的“国防支援计划”（DSP）卫星，具备空前的、稳固的全球红外监视能力。除了可提供导弹发射预警外，它还支持导弹防御、技术情报和战场空间感。STSS卫星有效载荷包括一个宽视场短波红外捕获探测器、一个窄视场多光谱（中波、中长波、长波红外以及可见光）跟踪探测器和一个数据处理子系统，可实现对弹道导弹助推段、中段和再入段的连续观测。也有学者提出利用其多光谱传感器实现对空间目标的监视跟踪，可大大提高空间目标编目测轨能力。

图2 STSS在轨飞行示意图

表1列出了上述几个系统的基本信息，可以看出，美国已经部署的和正在计划中的天基监视系统所使用的探测手段都是采用可见光或者红外等无源方式。

（5）其他天基监视系统

除上述用于广域空间监视的大型系统外，美国还在重点研究进行局部空间监视的微小卫星平台技术，例如用于评估局部空间的自主纳卫星护卫 者 （Autonomous Nano－satellite Guardian for Evaluating Local Space，ANGELS）计划，以及自感知空间态势感知（Self Awareness Space Situation Awareness，SASSA）计划，期望形成通用的星载空间态势感知产品，使空间目标监视与跟踪成为关键航天器能够普遍具备的一项功能。

天基探测和监视技术对于提升本国的军事能力至关重要，除了美国，其他国家也都非常重视研究相关技术和发展相关基础设施。今年3月，欧洲防务局指导委员会批准一项新一代欧洲军用地球观测卫星项目——多国天基成像系统（MUSIS）。该项目由比利时、德国、希腊、法国、意大利和西班牙六个欧盟成员国共同发起。旨在建立一个多国天基成像系统，进行监视、侦察和观测，以确保目前的法国“太阳神”II系统、德国SAR LUPE系统、意大利Cosmo－Skymed系统和昴宿星系统的服务延续到2015年～2017年以后［4］，如图3所示。

表1 美国SBSS、MSX、ODSI和SBIRS的基本信息

加拿大军方也积极开展空间目标探测技术研究，2003年5月30日发射了MOST空间探测小卫星。在MOST基础上，加拿大宇航局（Canadian space agency，CSA）和Dynacon公司等正在开展近地目标探测卫星（Near Earth Space Surveil－lance，NESS）研制计划。加拿大国防部也启动了空间目标监视（Surveillance of Space，SOS）计划，主要用于跟踪地球同步轨道上通信卫星和其他高轨卫星。

图3 “太阳神”Ⅱ系列

2．1．2 自主交会

（1）联盟号飞船交会对接微波雷达

1969年，苏联联盟4和5飞船实现交会对接。交会对接测量敏感器全部采用多部微波雷达以及目标器中的应答机。由于搜索全方位空域，目标器和跟踪器共用9部天线，测量系统复杂、质量重、功耗大。联盟号飞船可以称为世界上实现交会对接次数最多的飞船，它先后与苏联礼炮号、和平号空间站实现交会对接，粗略估计在100多次以上。这种联盟号飞船的交会对接微波雷达至今还在应用，它是俄罗斯最经典、最可靠的交会对接微波雷达，如图4所示。

（2）“阿波罗”载人登月飞船交会对接微波雷达

图4 联盟号飞船交会对接微波雷达

从1969年7月美国成功发射阿波罗11飞船到1972年为止，成功实现多次交会对接。“阿波罗”飞船交会阶段依靠X波段连续波雷达，接近和对接阶段依靠宇航员目视目标，由手控操作来完成。如图5所示，X波段连续波雷达由安装在登月舱的交会雷达和安装在指挥服务舱的应答机组成。交会雷达能测量从登月舱到指挥服务舱的距离、距离变化率、角度和角度变化率。交会雷达使用单脉冲比幅技术实现角跟踪，以获得最大的角灵敏度和视线瞄准精度，测量应答机回波信号的双程多普勒来确定距离变化率，测量发射信号调制波形和接收信号的波形之间的时间延迟来确定距离。雷达还包含天线伺服系统实现目标角跟踪。

图5 “阿波罗”载人登月飞船交会对接微波雷达

（3）航天飞机Ku波段交会雷达

美国上世纪80年代成功发射航天飞机经过多次在轨飞行演示，到了上世纪90年代，航天飞机已经具备空间交会、捕获和对接的能力。例如航天飞机用机械臂捕获哈勃空间望远镜回舱内进行修理，然后再释放返回空间。

如图6所示，1995年航天飞机与和平号空间站开始实现交会对接，经过多次飞行试验，掌握了大型空间站交会对接技术，积累了宝贵操作经验。航天飞机Ku频段交会雷达是美国休斯公司为空间运输系统（STS）的轨道航天器研制的雷达通信集成子系统（IRACS），它为STS提供雷达和通信功能，是一部相干、距离选通、脉冲多普勒和频率跳变雷达，提供快速会合所需要的空间测量数据［5］。在通信功能方面，IRACS搜索、截获、跟踪数据中继与跟踪卫星系统，以提供航天飞机与地面跟踪站之间的双向通信。航天飞机Ku频段交会雷达采用高增益抛物面单脉冲天线，对装有应答机的目标可以实现556 km的作用距离，机构随动系统覆盖范围为360°×120°。

图6 航天飞机Ku波段交会雷达

（4）OMV系统交会对接雷达

OMV系统交会对接雷达是摩托罗拉公司替汤普逊公司研制的会合雷达装置，它是一个相干、距离选通、脉冲多普勒和跳频雷达，支持OMV系统和会合功能。OMV系统交会对接雷达采用平板裂缝天线，二维驱动机构驱动，工作在X频段如图7所示。

图7 OMV系统交汇对接雷达

（5）日本HTV货运飞船与国际空间站（ISS）交会对接

日本从1997年开始研制HTV，它由H－IIA增强型运载火箭发射，因此得名HTV。

如图8所示，HTV－ISS接口包括近程通信系统、GPS接收器和雷达反射器。HTV靠近ISS期间，ISS上的GPS接收器通过GPS测定ISS的位置，并通过近程通信系统将相对导航数据传送给HTV。HTV在轨飞行时，ISS GPS接收器测得的绝对导航数据则通过数据中继卫星传送给地面，用于HTV机动。

图8 HTV货运飞船

近程通信系统安装在ISS上的日本实验舱中。HTV接近或离开ISS时，相互间的通信采用近程通信系统来实现。近程通信系统内部装有异频雷达接收机，接收机可以测量ISS同HTV之间的相对距离和速度。

交会对接过程中，HTV首先利用相对GPS制导自动到达ISS下方500 m。在到达目标点前，启动交会传感器并开始搜索从ISS的日本实验舱上发回来的激光雷达反射信号。当搜索到激光雷达反射信号后，HTV将利用激光雷达交会传感器制导。最后，HTV在10 m处的地方停止运行，该处被称为“停泊位置”。在这里，ISS上的遥控系统开始抓捕HTV。

（6）欧空局ATV货运飞船与国际空间站（ISS）交会对接

2007年，欧洲从库鲁发射场用阿里安－5火箭发射新型货运飞船“自动转移飞行器”（ATV），这将是欧洲履行ISS义务的重要里程碑。首飞的“自动转移飞行器”以法国著名科幻小说家凡尔纳的名字命名。如图9所示，ATV与ISS的对接接口主要包括以下部分：

图9 欧空局ATV货运飞船

a）无线电：利用无线电在ATV和ISS之间进行数据交换或指令传输，也用于ISS向地面传输数据和指令；

b）交会传感器：利用交会传感器（主动部分、ATV机载部分）和目标图形进行ATV／ISS的最终相对导航；

c）可视界面：包括安装在ATV上的测距信号（用于空间站航天员监视即将到来的飞行器情况），以及由安装在服务舱后部的照相机和位于ATV前锥体上的视频目标组成的视频系统；

d）对接系统（包括舱口）由俄罗斯提供。

2．1．3 防撞预警

美国使用“电磁篱笆（NAVSPASUR）”雷达系统来监视近地轨道目标。欧洲使用的是“GRAVES”的雷达系统。NAVSPASUR雷达系统是一个VHF雷达网，横穿美国南部，总部在弗吉尼亚州的达尔格伦，1961年投入使用，它通过交叉干涉仪获得目标。

在天基观测方面，雷达探测起步较晚。Texas A＆M University从1987年开始对探测需求和方法进行研究，1989年提出了对空间碎片跟踪的毫米波雷达的可行性报告，1991年针对高精度跟踪定位的相控阵雷达进行了小型化，以适应天基应用的要求。该系统用于对国际太空站附近25 km范围内的4 mm～80 mm的空间物体跟踪测量，提供冲撞警告以及为空间碎片的数据库提供更新数据。在雷达设计方面，该系统采用了当时最先进的单片集成的大规模相控阵天线、单脉冲跟踪技术、低噪声放大器以及脉冲压缩技术。天基雷达的探测范围在空间站的轨道面上，探测参数包括空间站与碎片的相遇时间、碎片的距离、径向速度以及俯仰角等。

Johnson Space Center与洛克希勒工程科学公司合作的天基雷达探测系统综合考虑了探测需求和当时的技术水平以及微波器件的能力以后，工作频率选在Ku波段，天线采用了微带线形式的相控阵天线。研究人员在1989年利用实验室现成的设备研制了地面实验样机，对系统设计中提出的概念、技术和总体性能进行验证，主要是验证对通过雷达视场的高速小目标测速的精度。为了减小体积、功耗和成本，并在几分钟的处理时间内获得准确的预报结果，该探测系统需要与多个地面雷达站联合探测，并与地面大型计算机联合处理，还需要已知的空间碎片数据库的支持。天基雷达对该目标进行精确探测，再将结果传回地面，由地面处理系统得到该碎片的精确轨道数据，判断冲突的可能性，然后给空间站发送机动规避的信息，包括是否必要规避、规避时间、规避类型等［6］。

俄罗斯在1998年提出了采用毫米波天基雷达系统观测1 mm～3 mm的空间碎片。该系统搭载于宇宙飞船上。工作频率选在 W波段，95 GHz。天线采用7单元天线组成的相控阵列天线，每个扫描扇区由4个天线探测单元组成。天线探测单元的波束宽度为1．6 mrad，一个扫描扇区的波束宽度为4 mrad，天线扫描扇区与平台轨道垂直。整个天线口径2 m，由7个380 mm的大口径辐射单元组成，成轴对称结构。雷达采用脉冲工作体制，脉冲宽度0．6 us，重复频率30 k Hz，峰值功率1 400 W。利用相位相干检波进行速度测量。信号检测采用恒虚警，设两个检测门限，则目标检测的角度均方根误差不超过0．6′，距离误差不超过9 m，有效散射截面误差不超过1 dB～2 d B，测速误差不超过1 km／s。整个雷达系统的总质量不超过100 kg，功耗不超过2．5 k W。

法国空间局于1998年提出研制小卫星平台搭载的天基空间碎片观测雷达。利用多个小卫星分布在观测区域，就可以减小每个雷达的测量范围以及雷达的整体指标。例如对于太阳同步轨道区域的观测，采用2～3个小卫星就可以覆盖了。这种方式的优点是对单个卫星的要求低，整个探测任务周期短，可以尽快实现［7］。

我国关于空间碎片的研究于2000年正式启动，其中天基观测危险碎片的研究工作也同期展开，提出了空间多波束测量雷达的思想。在国家财政的大力支持下，中国空间碎片工作从无到有，取得了跨越式发展。作为世界上主要的航天国家，中国为保护空间环境、保障航天器在轨安全，于1995年6月加入“机构空间碎片协调委员会”（IADC），并于2000年启动“空间碎片行动计划”，全面规划了十五期间我国空间碎片研究的总目标，即初步具备空间碎片观测能力。

但国内由于空间飞行器发展起步较晚，有效载荷数量及种类不及国外齐备，因此在空间预警系统上的发展尚处于论证阶段，虽有部分卫星已经装备有防撞雷达，但是在测量精度、测量效能上不具备技术优势，无法为未来高价值航天器提供有效的、有价值的防护能力，而且此类产品的安装维护不灵活，不适合大量使用。

2．1．4 深空探测

雷达在深空探测领域的应用主要有以下几种方面：

a）对深空探测器进行实时、连续、精确地远距离观测，确定其运行轨道，辅助地面站完成对深空探测器的测控通信任务；

b）利用多频、宽带、超宽带、多极化微波信号，对目标进行照射，根据目标的反射信号特征及特征的变化，进行目标识别；

c）利用宽带、超宽带技术，提高距离测量分辨率，结合ISAR技术，对空间目标成像。

目前，对深空探测器的测控通信主要还是依靠地基目标监视系统，如美国的赫斯台克雷达、赫斯台克附属雷达、GLOBUSⅡ雷达和AN／FPS－85相控阵雷达。

而星载深空雷达一般是多模式雷达，通过不同的设置可以完成不同的功能。如Cassini星载深空雷达有四种功能：作为散射测量仪，测量后向散射系数；作为高度计，测量地表轮廓信息；作为合成孔径雷达，得到微波图像；作为射线探测仪，感知物体的辐射。表2列出了欧洲宇航局发展的几种主要星载深空雷达及其特性。

表2 几种星载深空探测雷达的特性比较

2．1．5 编队飞行

小卫星编队飞行分布式卫星系统具有很强的适应能力，主要表现在以下方面：星群编队飞行的几何形状和卫星的数目可以根据任务需求来设计和配置，从而具有“可增长性”和“可重构性”，既可以通过阶段性配置逐步提高和扩充星群性能，也可以通过“剪裁”方式来适应逐步恶化的外界条件，还可以通过有限变轨机动修改基线或星群间卫星的相对位置来适应变化了的飞行任务。

为了完成不同的飞行任务，小卫星的编队可能采用不同的模式，如图10所示。就目前对国外技术文献的分析与研究来看，主要有以下几种应用模式的研究：

a）对地面目标的立体成像编队飞行；

b）对地面或空间目标的精确定位编队飞行；

c）编队飞行卫星星座；

d）合成孔径雷达编队飞行；

e）高分辨率合成孔径光学干涉技术编队飞行。

图10 小卫星钟摆式编队飞行

而高精度的轨道控制和定位是小卫星编队飞行的关键技术，利用微波雷达、激光雷达和光学成像系统等敏感器，可对编队卫星轨道进行测量。微波（激光）雷达等具有窄波束、小天线、高精度、空间传输基本不受大气影响等优点，在航天器跟踪和目标航天器中近距离测量方面有很大优势。微波（激光）测量仪可容易地测出伴星与空间实验室间的相对位置，但较难直接测出其相对速度。因此，通常用伴星与实验室相对运动的动力学方程及Kalman滤波理论构造相对轨道估计器，根据微波（激光）仪已测出的相对位置信息，用相对轨道估计器确定相对速度信息。当距离小于1 km时，激光测距精度优于0．5 m～1 m。

目前国际上对小卫星的编队飞行已进行了很多研究，其中相当大的一部分尚处于技术验证探索阶段。虽然也有一些进入商业运营，但是相对于需求蓬勃的军事、民用市场而言，小卫星编队应用飞行的实施力度还不够。所以，在未来几年中，如何加快小卫星编队飞行系统的应用速度，拓展小卫星编队飞行的应用市场是国际空间技术领域所面临的主要问题。同时，尽快弥补目前小卫星编队飞行试验探索中所发现的缺陷与不足，也是亟待攻关的技术问题。

2．1．6 在轨服务

随着小卫星技术的日益成熟，美国空军研究实 验 室 （Air Force Research Laboratory，AFRL）、太空与导弹系统中心（Space and Missile Systems Center，SMC）、海军研究实验室（Naval Research Laboratory，NRL）等机构联合开展了试验卫星系列（Experimental Satellite System，XSS）研究计划。其目的在于研制一种具有自主控制能力的微小卫星，能够在对空间目标自主跟踪的基础上进行在轨检查、交会对接以及近距离机动，完成维修、加装和其它特殊任务。该项目的第一颗卫星XSS－10于2003年发射，它实现了对低轨道航天器近距离拍照，并演示验证了半自主运行状态下对近距离空间目标的跟踪、监视、接近、位置保持等能力。在2005年发射的XSS－11卫星则对高精度的空间目标自主跟踪、监视、交会与位置保持进行了在轨验证。

2．2 发展趋势

当前，地基空间目标监视技术较为成熟，世界各国包括美国主要的监视手段也是依靠地基系统。然而，地基系统易受地域、时间和天气等多种因素的制约，而且观测视场较小，分辨率不高。而通过卫星平台上的探测设备，即天基系统进行观测则不受上述因素制约，尤其适宜观测中小尺度空间目标和高轨空间目标。

从天基在轨跟踪测量手段来看，目前主要为以天基雷达（Space－Based Radar，SBR）为代表的有源方式和以天基光学（Space－Based Visible，SBV）为代表的无源方式。其中，SBR能够不受日照和天气条件的限制，全天候、全天时的对地、对空进行探测，具有可见光和红外遥感系统不可比拟的优点，目前在空间碎片观测、天基预警与地面动目标检测方面有大量研究，美国与法国等一些国家计划在数年之内部署相应系统。然而，从美国系统的开发设计来看，存在费用过高和技术难度较大的问题，因此距离真正实用还有一段较长的时间。相对而言，SBV已经处于试验阶段，与SBR相比具有探测范围大、分辨率高、信号传输损失小和功耗低等多个优点。表3是二者性能参数的简单对比。

表3 SBV与SBR的性能参数对比

由上表可以看出，SBV与SBR相比，具有如下独特优点：

a）从在轨平台监视空间目标，可以充分利用自然光作为信息载体；

b）探测波长短，目标提取精度高；

c）凝视成像，帧信息量大，具备多目标实时识别跟踪能力；

d）空间小型化问题易于解决；

e）系统能源消耗低，易于空间应用。

综合以上分析，可以预见未来的空间目标监视将从目前的以地基监视为主向天地基联合监视过渡，并可能最终发展到以天基监视为主。同时，基于SBV的上述优点以及当前大量的相关研究和空间试验，SBV将可能在今后相当长的时间内成为主要的天基观测手段。

3 结论

天基观测设备包括光学望远镜、微波雷达以及激光雷达等。对于光学望远镜，其观测能力与目标距离的平方成反比，对于有源的微波雷达和激光雷达，则是与目标距离的4次方成反比。可见，光学望远镜在作用距离方面有优势。

因此，目前的天基传感器主要是光传感器，但是光学设备受观测时间段的限制，观测效率低，在实际应用中有其局限性。激光雷达近年来发展较快，在对地观测中应用受到阻碍是由于激光在大气中衰减严重，在太空中则可以发挥作用。由于受到激光技术的限制，天基激光雷达目前主要用于近距离空间目标的探测。

对于远距离、大范围的空间目标的观测，有效的手段首推微波雷达。由于天基雷达在观测过程中不受地球大气的影响，可以工作在较高的信号频率上，使得雷达可以采用比地面设备小得多的天线口径和发射功率，就能够探测到距离较远、尺度较小的空间目标。雷达技术发展时间长，理论完备、技术成熟、手段多样，因此天基雷达探测成为目前空间目标探测的发展方向，尤其是探测目前无法观测的中小尺度的危险碎片的主要手段。随着毫米波雷达技术的突破，为天基雷达的小型化、高精度、高效率提供了技术支持。

目前，我国在空间目标监视上与美俄等国存在较大差距，尤其是我国还没有自己的天基监视系统，这与我国航天大国的地位极不相称。天基空间目标监视虽然处于试验验证阶段，但是已经展现了其优越的探测性能。可以预见，对空间目标，特别是对深空目标的监视，必将转变为以天基监视为主体，地基为辅的体系结构，未来的空间信息支持将由天地一体化的监视系统构成。

［1］ 李焱，康开华．美国空间监视系统最新发展及趋势分析［J］．航天器工程，2008，（3）．

［2］ 杨争．美国即将发射天基太空监视系统卫星［J］．国外核武器动态参考，2010，（2）．

［3］ 李浩．美国天基太空监视卫星系统SBSS［J］．军事文摘，2009．

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