美国“一箭三星”发射同步轨道空间态势感知卫星

宋博（北京空间科技信息研究所）

2014年7月28日，美国空军从卡纳维拉尔角发射场，用德尔他－4M+火箭以“一箭三星”方式成功将3颗高轨态势感知卫星送入近地球同步轨道，即2颗业务型高轨巡视卫星“地球同步轨道空间态势感知计划”（GSSAP）卫星和1颗技术试验卫星“评估局部空间自主守卫纳卫星”（ANGELS）。此次发射任务的成功标志着美国高轨空间监视技术走向成熟，高轨目标探测、跟踪和侦察能力快速提升，引起航天界高度关注。

1 项目背景

随着空间拥挤、竞争、对抗（3C）趋势日益加剧，空间安全问题已成为航天界关注的焦点。美国作为世界上拥有空间资产最多、对空间依赖性最强的国家，近年来的全球空间环境变化引发了其对空间安全的高度担忧，主要表现在以下3个方面：一是全球空间力量格局由美国一超独霸向多极化发展，美国的空间优势受到削弱；二是常驻空间物体数量快速增加，除了可跟踪编目的23000余个空间目标，还存在数十万计难以探测跟踪的空间碎片，对空间系统形成潜在威胁；三是空间准入门槛大幅降低，越来越多的国家已经拥有或正在发展空间系统和具有反卫星潜力的进入空间系统，使美国空间系统在面临碎片撞击等自然威胁之外，还面临人为攻击威胁。

空间态势感知（SSA）作为了解和应对空间安全威胁的基础能力受到高度重视。美国近年来发布的《国家航天政策》、《国家安全空间战略》等顶层文件都明确提出要大力发展空间态势感知能力，2013年美军发布的新版《空间作战条令》（JP 3-14）将空间态势感知提升为空间作战的一级任务领域，进一步强调空间态势感知对空间作战的重要性。在需求牵引和政策支持下，服务于军、民的空间态势感知成为美国当前空间能力发展的重要方向和优先领域。美国近年来启动地基“空间篱笆”（Space Fence）雷达系统换代升级，发射首颗“天基空间监视”（SBSS）卫星，并开展空间监视微纳卫星技术演示验证等一系列工作，发展和完善空间态势感知能力。

美国空间监视网跟踪的空间目标示意图

地球同步轨道是空间中的战略要地，其上运行着各国的导弹预警卫星、军事通信卫星等核心空间系统，因此对地球同步轨道目标的监视尤为重要。目前地球同步轨道空间目标监视主要依靠地基光学探测系统，但因其受部署位置、观测时间和气象条件等因素限制，美国逐渐将发展的重点转向天基空间监视系统。美国曾于2006年秘密发射了2颗“微卫星技术试验”（MiTEx）卫星，演示验证了地球同步轨道巡视卫星技术，成功进行了目标抵近侦察和技术分析任务。GSSAP卫星正是在MiTEx卫星的基础上发展的业务型高轨巡视卫星，与低轨SBSS卫星构成综合天基空间目标监视体系，大幅提升了高轨空间态势感知能力。

SBSS卫星在轨飞行示意图

2 卫星概况

发射及入轨方式

此次任务采用“一箭三星”发射，2颗GSSAP卫星为主载荷，ANGELS卫星为次载荷，置于火箭次级载荷适配器（E S P A）上。火箭上面级多次点火，直接将3颗卫星送入地球同步轨道，到达预定轨道后，先行释放2颗GSSAP卫星，之后再释放ANGELS卫星。

GSSAP和ANGELS卫星发射任务

GSSAP卫星

G S S A P是美国空军秘密发展的业务型高轨巡视卫星项目，又称为空军航天司令部任务－4（AFSPC－4）。GSSAP项目一直被美军严格保密，直到2014年2月，美国空军航天司令部司令谢尔顿在一次讲话中高调宣布，美军将在2014年发射2颗GSSAP卫星，外界才知晓其存在。但美军并未公开卫星技术途径与载荷参数等核心信息，仍处于保密状态。

根据美国空军在官方网站公布的信息，2颗GSSAP卫星将部署在比地球同步轨道略低或略高的轨道上，通过与地球同步轨道目标的相对漂移实现地球同步轨道全轨道巡视探测。GSSAP卫星采用光电探测载荷，可提供准确的目标轨道和特征数据，观测结果汇入空间监视网（SSN）。卫星由位于施里弗空军基地的美国第50航天联队第一空间操作中队运行管理。

此次发射的2颗G S S A P卫星由轨道科学公司（OSC）担任总承包商，美国空军计划在2016年再发射2颗替代卫星。

ANGELS卫星

即将入轨的GSSAP和ANGELS卫星示意图

ANGELS卫星是美国空军研究实验室（AFRL）发展的高轨抵近巡视技术试验卫星。轨道科学公司为ANGELS卫星主承包商。卫星质量约100kg，设计寿命1年。

ANGELS卫星进入预定的地球同步轨道后，从德尔他－4火箭上面级上释放，并以上面级为目标进行逼近、绕飞、悬停等操作，测试星上导航系统和态势感知载荷性能，评估卫星自主探测、跟踪、监视空间目标，掌握目标特性和活动意图的能力。

在演示验证任务中，ANGELS卫星将在轨试验自主任务规划与执行技术和地球同步轨道GPS接收机结合高性能加速度计的测定轨技术。卫星采用了美国航空航天局（NASA）开发的先进算法，能够利用GPS旁瓣信号进行连续导航定位。

ANGELS卫星在轨演示验证任务完成后，美军可能在其技术基础上进一步发展能够自主伴飞在己方高轨卫星周围的护卫小卫星，提供实时连续的威胁告警、攻击防御和受损评估等功能。

3 对GSSAP卫星的初步分析

ANGELS卫星在轨飞行示意图

GSSAP卫星是美军在MiTEx高轨巡视技术试验卫星基础上发展的业务型系统，标志着美军高轨巡视技术已发展成熟，开始正式装备部队，形成实战能力。以下将根据美国官方和权威航天网站发布的GSSAP卫星的公开信息，结合美军已完成的MiTEx卫星的情况，对美军未公开的GSSAP卫星的载荷设计和任务能力进行初步分析。

卫星质量

承担此次“一箭三星”发射任务的德尔他－4 M+(4,2)火箭是由美国波音公司生产的中型运载火箭，根据美国联合发射联盟公司（ULA）公布数据，其地球同步轨道运载能力为2208 k g。ANGELS卫星、载荷适配器及其他附件总质量约为200～400kg，扣除后得到GSSAP双星质量共1800～2000kg，即单星质量约900～1000kg，比MiTEx卫星（225kg）大幅增加。

卫星轨道

美国空军发布的信息称，2颗GSSAP卫星运行在近地球同步轨道，但未具体给出卫星轨道高度和两星的相对位置分布。初步分析，GSSAP双星可能采用3种轨道配置方案。方案一是双星分别以180°相位角运行在比地球同步轨道（GEO）略高或略低的同一条轨道上，二者通过与GEO目标同方向的相对运动实现全轨道覆盖，每颗卫星各负责50%GEO轨道弧段的探测，双星完成GEO全轨道探测的周期最短。方案二与方案一的区别在于2颗GSSAP卫星以较近相位角分布，形成一定的基线，对目标进行双视角立体观测和目标定位。假设卫星运行轨道高度与GEO相距约500km，则卫星每天相对GEO目标沿经度方向漂移约6°，方案一、二的全轨道覆盖周期分别为30天和60天。方案三是GSSAP双星分别运行在GEO附近的高低2条轨道上，通过与GEO目标反方向的相对运动进行全轨道覆盖。假设双星分别运行于同步轨道上、下约500km的轨道，此时全轨道扫描的周期约30天，与周期最短的方案一相同。此外，方案三与方案一、二相比还具有独特优势，即2颗卫星分别在同步轨道目标的背地面和对地面两侧飞跃目标，可获取目标的全向视图。据此推测，GSSAP双星采用方案三轨道配置的可能性较大。

GSSAP双星轨道配置方案示意图

卫星载荷

GSSAP卫星的主载荷是光电探测设备。根据GSSAP卫星与MiTEx卫星在任务设定上的相似性，以及GSSAP卫星的主承包商轨道科学公司曾经也承制了一颗MiTEx卫星，推测GSSAP卫星在设计上与轨道科学公司研制的MiTEx卫星具有延续性，侦察载荷选用可连续指向目标，更适合轨道巡视探测的万向架侦察相机设计，而相机口径可能比MiTEx卫星的更大，具有更高的分辨率。另外，与MiTEx卫星相比，GSSAP卫星可能还载有新增载荷，以及更多的燃料。

任务能力

GSSAP卫星具有地球同步轨道巡视探测和抵近详查能力。日常运行在近地球同步轨道，利用与地球同步轨道的相对漂移进行轨道扫描，对目标进行探测、编目和精确侦察，还能通过转动的万向架对特定目标进行多角度立体观测；必要时还能通过轨道机动，抵近地球同步轨道目标进行详细侦察，获取目标高清视图。可见，GSSAP卫星的空间态势感知能力已超越空间目标编目这一基础应用层级，向及时、精细感知发展，向支持空间作战的情报获取、技术能力分析、行动意图判断、威胁评估和应对决策支持发展。

4 结束语

空间系统在国家政治、经济、军事等领域的地位日益提升，已成为国家安全的重要组成部分。空间态势感知作为保障空间安全的基础能力，已成为美国等航天大国高度重视和优先发展的领域。GSSAP和ANGELS项目的实施将使美军对高轨高价值空间目标监视的精细度和实时性得到进一步提升。美军不仅将实现对GEO上运行的各国高价值卫星的严密跟踪和监视，并通过技术侦察和分析，掌握每颗卫星的任务功能、构型配置、性能指标、活动规律等信息，还能用于监视各国的空间行动和技术试验，全面了解其意图、过程和效果，强化空间态势的单向透明优势。此外，GSSAP卫星作为地球同步轨道机动平台，还可能具备空间进攻潜力，应引起我国高度重视，加紧研究应对策略。