空间作战武器对航天器飞行控制及其遥操作的需求分析

2014-07-27郑耀耀

创新科技 2014年16期

关键词：机动航天器轨道

郑耀耀

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州 450047）

空间作战武器对航天器飞行控制及其遥操作的需求分析

郑耀耀

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州 450047）

围绕空间作战，介绍了美国“实验卫星系统”飞行试验情况，列举出“实验卫星系统”的主要飞行操作，分析了空间作战的航天器飞行控制的技术支撑与遥操作系统构成，有助于下一步深入研究相关测控技术。

空间作战平台；飞行控制；遥操作；空间交会；自主接近；快速响应

随着空间作战武器的快速发展，太空竞争也愈演愈烈，越来越多的航天器被发射到太空执行各种作战任务。空间作战的核心就是要求航天器能跟踪逼近目标星，围绕目标星选择打击部位，进而控制天基武器攻击其要害部位。同时，当航天器自身携带的燃料用尽或者功能单元老化失效时，航天器使用寿命也将终结。如何提高航天器空间作战能力及在太空轨道的生存能力，增强其控制效能是未来航天器在轨服务的难点和热点问题[1]。

测控通信网络和远程控制技术的发展为解决上述问题提供了可能。空间飞行器可以借助遥测遥控操作技术提供各种在轨服务，包括空间作战航天器的飞行控制及遥操作等。因而从长期发展角度来看，适应空间作战武器平台的飞行控制和面向空间作战的遥操作技术将成为我国未来探索与控制太空必不可少的一项应用技术。

1 美国“实验卫星系统”飞行试验状况

1.1“实验卫星系统”XSS-10的飞行试验。美国空军研究实验室发射“实验卫星系统”的目的就是验证低轨道空间机动、接近观测、确定弱点进行打击、星上推进和高分辨率摄像机等技术[2]。XSS-10卫星系统通过进行自主交会对接、接近操作、机动控制和目标观测试验，验证空间飞行器之间的近距离检查操作以及自主导航等技术。其飞行试验包括：德尔他-2的第2级弹射释放XSS-10、它和德尔他-2火箭2级制导部分分离与交会及接近操作、拍摄微卫星的弹射过程和德尔他-2第2级的数字图像、轨道机动试验。验证近距离太空目标监视能力和半自主接近飞行，表明它可以用于靠近在轨的其他卫星进行近距离检查操作[3]。通过完成相应试验任务，标志微卫星自主机动的算法、集成化的光学摄像机和星敏感器的设计及运行基本成功。光学摄像机和星敏感器提供了很好的目标（火箭体）图像，该卫星验证的技术还有关键位置保持、机动控制和自主导航所必需的逻辑制导、控制软件，衍生于导弹拦截器的轻质量双组元推进系统制导、导航和控制技术。

1.2“实验卫星系统”XSS-11的飞行试验。XSS-11卫星系统通过进行低轨道更长时间和更强机动能力的全自主接近试验，验证使用微卫星延长接近操作时间和实现全自主操作等技术[2]。其飞行试验包括：①使用先进的自主事件规划器、监视器和前向思维资源管理器等手段，自主规划、自主操作，实现卫星轨道机动；②地面操作人员利用增量箱步进技术，谨慎和安全地移动操作，支持卫星向目标近处移动，通过从人工操作向全自主操作过渡的试验模式，实现数次卫星交会、机动和接近操作，并做视觉成像器和测距敏感器的能力试验，验证了接近检查和全自主接近技术；③通过卫星和多个目标进行接近操作，并获得靠近目标的图像，用于接近操作的安全和确认程序的指挥控制技术，实现自主共轨能力和成像操作；④在卫星全自主的接近操作中，利用星上迭代的弹道模拟技术，在卫星上计算并校准轨道参数，保证推力器十几次点火的最佳时间和推力方向。当卫星进入工作敏感器的范围之内时，相同的引导和自主算法允许卫星完成围绕空间目标接近到100m距离的许多类型的机动，包括各种位置保持、转移运动和环绕飞行等，能围绕目标快速移动或溜走，或进入自然晕轮轨道[4]。

1.3 美国微卫星技术实验（MiTEx）计划。美军方MiTEx计划是将轨道机动技术试验上升到静止轨道的项目，主要目的是确定、集成、试验和评估与静止轨道机动有关的微小卫星技术。该计划是卫星在自主操作、机动和位置保持的前提下，进行各种飞行试验，验证卫星和火箭上面级实现高轨道机动所需要的技术，验证一次发射多颗小卫星进入静止轨道的能力和轨道机动的诸多技术，获取操作经验，准备在天基试验床计划中验证天基拦截等技术。

图1 天基反卫星作战的作战体系构成示意图

美国小卫星、微卫星飞行试验所表现的能力，完全可以作为反卫星武器；还可被看做技术训练的军事空间控制设施，能够环绕敌方卫星，采取行动使其敏感器丧失能力；特别是掌握的摧毁敌方卫星时所需要的技术，具有破坏其他国家军事通信和侦察卫星的能力。

2 空间作战对飞行控制的需求

2.1 空间作战武器与平台。天基反卫星作战的作战体系由空间目标监视网、导航系统、天地一体化测控网、航天指控中心、航天测控信息网及天基反卫星武器构成，天基反卫星武器包括武器平台、武器系统和指挥控制单元，武器系统由武器单元、跟踪瞄准单元和目标监视单元组成，如图1所示。

2.2 飞行控制任务需求

既然美国XSS-11可以作为反卫星平台，按照其飞行试验验证的技术就是空间作战队飞行控制的要求。我国在SZ-7进行了伴星在轨放飞、对飞船成像、远距离接近、近距离逼近、形成绕飞、绕飞保持和绕飞远离等过程的释放、视频观测、绕飞试验三个阶段，为交会对接奠定了技术基础。按照空间作战的交会对接、精密测量、准确跟踪、精确观测和实时操控进行攻击的要求，需要飞行控制为空间作战平台操控提供以下技术支撑。

2.2.1 绕飞与伴飞技术

绕飞轨道的最大用处是设计一颗小卫星（内装探测仪器）围绕另一大型航天器飞行，可以不断监视其运行状态和外观状态，进行在轨服务，也可选择攻击点。该技术主要是研究绕飞轨道动力学和稳定性，以及在有摄动情况下保持绕飞轨道的控制策略。要求控制策略所消耗燃料非常少，保证小卫星长期在轨道绕飞，轨道形状不变，实现长期监视，达到卫星交会对接、接近操作、近距离监视的目的。

2.2.2 轨道姿态快速机动与重建技术和目标机动规避后快速响应技术

飞船放飞和上面级弹射的小卫星对原载体伴飞、绕飞容易实现，但空间作战的目标是敌方的通信、导航或侦察卫星，指定作战任务后要实现对敌卫星的绕飞，就需要快速机动的轨道姿态调整，选择最佳时机改变轨道平面（推进剂消耗大），与目标共轨，再改变轨道的形状和高度（推进剂消耗少），以实现交会，即卫星到达与空间目标接近到100m距离的敏感器工作范围。不管是远距离“追星”，还是许多类型的近距离机动，包括各种位置保持、转移运动、围绕目标快速移动或溜走和目标机动规避后快速跟随等，都需要轨道姿态快速机动与重建。伴星轨控推进模块必须保证推力器若干次点火的最佳时间和推力方向。

2.2.3 作战平台姿态精确测量、调整与姿控补偿技术

作战平台到达与空间目标的交会距离之前，就处于目标监视测量单元的工作范围，继续接近就到达交会距离，可接近操作开始绕飞。目标监视测量单元（高分辨CCD相机+激光测距机）始终观察、探测目标，要满足成像器的最佳观察条件和攻击条件，以便围绕目标星准确选择打击部位，就要对作战平台的姿态进行精密测量和精密调整，以实现准确跟踪、精确瞄准。姿态精确测量通过选择传感器和优化方案类似实现，关键是调整要快速、稳定，需要对姿控进行补偿。这是一个相对导航算法问题，对采用光学成像敏感器进行姿态测量来说，结合航天器相对运动的动力学模型和光学成像敏感器的测量模型，分析系统噪声和测量噪声的影响，采用基于线性卡尔曼滤波算法就行。在滤波器设计过程中，对由于星体姿态和安装引起的测量偏差就可补偿。还可考虑光学测量敏感器测量时延的情况，进行更加全面对改进的相对导航算法设计。

2.2.4 空间遥操作技术

地面操作人员对作战平台和武器进行操控的任务很重，既要通过空间目标监视系统监视空间目标位置和状态，又要通过测控系统监视作战平台位置和状态，还要观察测控系统下行链路传来的作战平台上目标监视测量的结果，指挥控制其作战。因此，既要分清测控任务和遥操作任务，又要综合考虑，通过指令实施相应操作。从作战行动开始算遥操作，但遥控遥测始终负责平台和载荷的健康运行。这样，接到作战任务后，遥操作指控人员负责选择最佳转移轨道技术，将作战平台从停泊轨道转移至目标轨道外，并应满足一定的相位关系，使空间作战平台转移到目标轨道时恰与虚拟目标在空间同一点相遇，实现远程空间交会。接着，遥操作完成绕飞或相对静止作战方式选择、目标监视、姿控和快速机动、打击点选择、射击参数和时机控制、打击效果评估、溜走等控制管理。

2.2.5 攻击效果测量评估技术等

攻击效果测量由目标监视单元成像器观测将打击后的照片传给地面操作人员来评估，决定是否再次攻击，这就非常耽误时间。最好的解决方法就是作战平台能自主判读，按照评估模式和标准进行评估，决定是否再次攻击。

3 空间遥操作

3.1 空间遥操作问题的提出

图2 空间作战平台武器遥操作系统

遥操作就是围绕空间作战任务，通过远程监视空间目标和天基武器平台的相对空间态势，控制平台及武器系统，完成空间武器的作战任务。

3.2 遥操作难点

遥操作技术是一种达到人与操作对象之间远程交互的技术手段。根据控制对象的不同和环境的不同，遥操作需求和系统设计也不同。在轨遥操作的对象是空间作战武器系统，与地面遥操作相比，面向在轨服务的遥操作技术最主要的问题是空间与地面通信中存在较长时间延迟。通信延迟包括遥控指令延迟和遥测信号延迟。以ETS-Ⅶ为例，其时延达到了5～7 s。在存在时延情况下，即使操作者完成简单工作也需要比无时延情况花费较长时间，这时操作者对遥操作系统的控制能力有限等因素也影响遥操作技术的实施。

3.3 空间遥操作系统

图2给出了空间遥操作系统控制模式的基本回路图，它由信息处理子系统、地面验证子系统、预测仿真子系统、指令控制子系统和任务规划子系统组成。

任务规划子系统的主要功能是结合遥操作任务和模式，对遥操作任务进行分析、分解与决策，实现多种遥操作模式下的任务规划，生成空间作战平台任务序列；指令控制子系统的主要功能是利用手控器实时生成控制命令；预测仿真子系统用来预测空间作战平台与目标的状态，或离线对遥操作命令进行仿真，同时提供作战过程检测功能；信息处理子系统是遥操作系统和测控系统之间的桥梁和接口，主要功能是数据处理、命令安全性检查及网络通信控制；地面验证子系统用来对遥操作命令进行验证，包括对中央控制器的运算能力和执行过程进行实际验证，以保证上传的运动指令在轨能按规划的时序进行运动。该系统具有指令级和规划级两种操作控制模式。