美国“太空篱笆”计划概述

汪 洋，韩长喜

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

随着全球政治和技术的变革，近地空间来自人类活动的碎片残骸越来越多，比如:火箭残骸和飞行器碎片。根据NASA在轨碎片项目办公布的报告，截至2012年3月，地球轨道上直径10 cm以上的碎片超过21 000个，1 cm～10 cm的约为50万个，小于1 cm的超过1亿个。这些碎片以7 km/s～8 km/s的速度高速运行，而平均碰撞速度约为10 km/s。这意味着厘米级或更小的碎片也能对卫星或人造航天器造成严重损害。为了保护空间基础设施，空间态势感知系统需要完成太空垃圾和外国卫星或火箭扩增的探测和轨道估测、威胁分析、太空任务支持(包括机动过程中的轨道、运动和方向检测，也包括损毁评估和脱轨观测)。为了完成这些任务，空间态势感知系统必须建立一个太空垃圾及其轨道的全目录，及时地发现并登记新的空间目标，并删除返回地球的目标，自动检测运动和破碎目标，预报可能的碰撞。

1 太空监视系统现状

当前，空间态势感知数据主要由美国空军太空监视系统提供，当前的空军太空监视系统也被称为“篱笆”，这是因为数部发射机和接收机在空间域建立了一个狭窄的、大洲宽度的平面能量场，穿越能量场或“篱笆”的卫星可被探测到。当前，空军太空监视系统共有9个站点(3个发射站，6个接收站)，工作频率为217 MHz，利用双多基地雷达原理，干涉测量法定位［1］。沿北纬33°沿线部署，横跨美国南部，从乔治亚州的塔特纳尔延伸到加利福尼亚州的圣地亚哥，如图1所示。发射站发射的能量在南北方向形成一个固定的、非常窄的扇形波束，在东西方向沿美国本土延伸。一个或多个接收站接收穿过该波束的物体反射的能量。该系统每月记录超过500万次空间目标的观测，大约占美国空军空间监视网监视量的40%，可判定目标特征、位置和运动情况，具有较强的解体和轨道移动发现能力。

图1 美空军太空监视系统雷达站点部署

然而，在役的美国空军太空监视系统只能在空间目标穿过波束时才能被探测到，如果目标在其他时间变轨，就可能出现探测空白，美空军太空监视系统雷达覆盖如图2所示。而且，美国空军空间监视系统对一般空间目标重复监视的时间间隔长达5 d，远远不能满足美军的需求。同时，该系统中的深空探测雷达数量不足、性能也不高，使得美空军对深空目标的探测能力存在很大缺陷。针对这些情况，美空军提出研制新一代“太空篱笆”的计划，期望通过该项目大幅提升空军跟踪太空垃圾和其他较小物体的能力。

图2 美空军太空监视系统雷达覆盖示意图

2 “太空篱笆”计划

2.1 系统组成及功能

“太空篱笆”计划由监视雷达和联合太空作战中心任务系统(JMS)所组成。监视雷达使用比甚高频频率更高的S波段雷达，取代空军空间监视系统中用于完成在轨空间目标探测的甚高频波段雷达。更高的频率可提供更好的精度和分辨率［2］，将使系统的目标跟踪能力从篮球大小提高到高尔夫球大小的量级，这种对微卫星和碎片的探测能力是当前系统所不具备的。“太空篱笆”系统雷达站点将减少至2个或3个，而根据美国政府问责署2013年3月提交给美国国会委员会的报告，“太空篱笆”将由两部位于不同位置的雷达构成，其中一部部署于夸贾林环礁，另一部部署于澳大利亚。“太空篱笆”的分开部署是为了提供更好的空域覆盖，特别是在南半球。

“太空篱笆”中的大型S波段雷达会与其他传感器一起加入到空间监视网络(SSN)中，为美国空军提供态势感知能力。“太空篱笆”数据将被馈送到加利福尼亚州的范登堡空军基地联合空间作战中心(JSpOC)，与空间监视网的其他数据整合，以提供更加综合的一体化空间图像，如图3所示。

图3 太空篱笆系统的组成

在更大的层面上，美国政府问责署将空间态势感知的特征归纳为四个方面，这是一个总称并不限定于跟踪空间碎片:

(1)探测、跟踪和识别。发现、跟踪和区分空间物体。“太空篱笆”具备该功能，但并不是完成此功能的唯一装备。

(2)威胁预警和评估。在潜在攻击、实际攻击、空间气象环境效应以及空间系统异常中做出预测和区分。“太空篱笆”能够帮助完成该任务，但属于其次要任务。

(3)情报特征。确定当前和未来的国外空间和空间攻击系统能力的性能和特征，以及外国不利意图。更好地空间监视可以帮助情报搜集，但这属于第三位任务。

(4)数据集成。能够将多源数据关联并集成到单一共同作战图像中，并能够进行动态决策。

2.2 关键技术/风险

“太空篱笆”夸贾林环礁靶场点雷达系统包括七项关键技术，这也是主要的风险点，分别是评估轨道的软件算法、高效率的氮化镓(GaN)功率放大器、低成本分布式接收器、单片微波集成电路、规模可调数字波束形成器、雷达阵列的大规模集成和校准，以及信息安全认证标准的开发。

这七项关键技术都有成熟的备用技术，但是这些备用技术会降低系统性能并增加能量需求。计划办公室认为不会用到这些备用技术，这是因为所有关键技术已通过初步设计评审。

除了以上七项关键技术外，还要求联合太空作战中心任务系统与监视雷达系统同步建成，且必须具有更强大的数据处理能力。联合太空作战中心任务系统需要处理来自“太空篱笆”和其他空间态势感知系统的探测数据。“太空篱笆”系统建成后，获取的数据量会显著增加，联合太空作战中心任务系统的目标跟踪能力也要从10 000个增加到100 000个，超出现有指挥控制系统的处理极限。另外，联合太空作战中心任务系统还需要升级系统软件和增强集成。联合太空作战中心任务系统计划办计划在2015年末使联合太空作战中心任务系统具备可操作性，能够输入和处理来自“太空篱笆”的数据。然而，关于联合太空作战中心任务系统初始能力的2011年测试报告指出该系统的许多设备能力有限或没有作业能力，并且一些设备的能力还不如原来的旧设备，其原因包括设备设计、软件故障、数据不一致，以及开发不充分。

2.3 实施阶段及项目进展

如图4所示，“太空篱笆”计划被分解为初步设计评估、系统开发、部署及后续支持。第一个“太空篱笆”雷达站点将于2017财年提供初始作战能力，最后一个则要等到2020年后。

图4 “太空篱笆”项目进度

2007年5月1日，美国政府发布了“太空篱笆”系统性能规格和设施需求文档草案供工业界评估。

2010年11月2日，雷声公司对外宣布成功完成了“太空篱笆”计划的系统设计评估，系统设计评估包括系统关键单元的原型机设计，用以验证提升的技术和制造就绪等级。

2010年11月18日，洛·马公司宣布提交了其“太空篱笆”标书。

2012年2月，该计划完成了初步设计评估，验证了相关环境中所有关键技术的可行性。

2012年3月8日，洛·马公司宣布“太空篱笆”雷达原型机正在跟踪在轨空间目标。

2012年11月14日，雷声公司和洛·马公司都宣布他们已经提交了完成美国新“太空篱笆”项目开发和建设的标书。标书意在完成“太空篱笆”操作中心站点1及可选站点2的开发和建设。

2013年4月24日，美国国防部已与澳大利亚国防部签订了一份空间态势感知数据国际共享协议，所签署的这份政府间备忘录是首份允许空间态势感知数据高级交换的协议。

2013年12月，美国空军与洛·马公司和雷声公司签署了两份总价值约1 000万美元的合同，督促两家公司进一步验证“太空篱笆”如何应对各种太空活动，并重点监视不同轨道的目标(如中地球轨道、大椭圆轨道和地球同步轨道)，以及展示“太空篱笆”对地球轨道目标编目的能力。

2.4 项目管理

“太空篱笆”项目由美空军装备司令部(AFMC)电子系统中心(ESC)主导。无论中标单位是雷声公司还是洛·马公司，林肯实验室和MITRE公司都在项目进展中扮演至关重要的角色。

美空军采用了以下六项措施来推进“太空篱笆”项目:

(1)关注系统级性能要求，而不是设计要求，以给工业界留出尽可能多的灵活性。

(2)采用现代化网络中心架构，提供一体化的决策支持。

(3)在设计阶段考虑与相关老系统以及未来系统之间的融合。

(4)在站点选择上注意合理布局，充分利用海外盟友的地理资源，强化对南半球的探测缺口，同时加强国外合作，分散项目资金开支。例如，2013年4月，美国与澳大利亚签署了《太空态势感知数据国际共享协议》。

(5)采用递增式、分批次的方法采购“太空篱笆”设施，持续改进系统功能。第二部雷达站雷达的配置可能会与第一部雷达站的雷达配置不同，然而，其基本设计构成模块，如部件和子系统，将是相同的。

(6)引入竞争机制，同时培养了相关工业基础。项目在阶段A有诺·格、洛·马和雷声3家公司在2009年6月获得系统设计合同。2011年2月，空军从这三家中挑选了洛·马和雷声两家公司，让其各开发了一个具有完全工作能力的样机，降低了项目风险。2012年11月14日，雷声和洛·马同时宣布已经各自提交了“太空篱笆”项目开发和建设的投标方案。美国空军计划于2014年4月从上述两家公司中选取一个作为项目的总承包商。

3 结束语

2013年9月，美国空军关闭了老化的空军太空监视系统，加强了国防部和国会投资下一代系统的压力。第一部“太空篱笆”将于2018年下半年部署，“太空篱笆”将与未来的其他系统，如天基空间监视卫星、地基快速识别探测和报告系统、电磁干扰检测系统、地基空间监视望远镜等一起提供空间目标监视服务。这些项目将提升现有空间监视网络、通信网络，以及用于数据处理的主操作中心以及替代性操作中心的工作效能，使空间态势感知能力实现质的飞跃。

［1］ 金 林，王晓红.国外空间目标监视系统发展现状与趋势分析［J］.先进雷达探测技术，2013(4):8-21.Jin Lin，Wang Xiaohong.Current status and trend of the development of foreign space target surveillance system［J］.Advanced Radar Detection Technology，2013(4):8-21.

［2］ 张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术［M］.北京:电子工业出版社，2006.Zhang Guangyi，Zhao Yujie.Technology of phased array radar［M］.Beijing:Publishing House of Elelctronics Technology，2006.