美国空间态势感知能力的过去和现状

陆　震

(北京航空航天大学 自动化学院，北京　100191)



美国空间态势感知能力的过去和现状

陆震

(北京航空航天大学 自动化学院，北京100191)

摘要：空间态势感知能力是空间资源开发，保护本国空间资产以及掌握空间控制权，实施空间军事行动的关键。美国政府和军事部门的决策者深知空间态势感知能力建设的重要性。从冷战时期就开始了空间监视系统的构建。随着科学技术的发展，他们的空间监视系统更趋先进和完备，发展成为系统完整的空间态势感知能力。本文根据目前美国国防部、美国空军及其下属机构和有关军火商公布的资料,对上世纪50年代以来美国在空间态势感知能力情况进行了简单梳理。为我国的空间态势感知能力今后发展抛砖引玉。

关键词：空间态势感知; 空间武器; 地球同步轨道

本文引用格式：陆震.美国空间态势感知能力的过去和现状[J].兵器装备工程学报，2016(1):1-8.

Citation format:LU Zhen.History and Status of US Space Situational Awareness[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):1-8.

随着我国近年来的在经济，政治和军事上的崛起，原来美苏(美俄)之间的激烈空间竞赛，变成三个空间大佬的比拼，此外欧洲和日本，印度、以色列、伊朗等国在这场竞赛中也不甘示弱，竭力要挤进“空间俱乐部”。军事专家坚信大国之间的未来战争将延伸到空间进行。2012年12月美国空军在佛罗里达的卡纳尔维纳尔角进行了他们的第三次X37B空间战机绕轨道实验。美国军方最近编制了50亿美元用于空间作战能力的预算[1]。西方的某些军事专家提出“A New Cold War in The Void of Space”[2]的说法，即在空间空白地带中的新冷战。他们惊呼“中国近年来的经济，政治和军事崛起使它成为21世纪空间战场不容忽视的力量。”

外层空间已成为维护各国国家安全和国家利益所必须占据的战略制高点。战争的武器装备已不再限于常规兵器和核武器，新型的空间武器装备将成为新的战略威慑力量。美国国防部和情报机构，在2006年7月19日成立了一个在空间进行战争的中心—空间联合职能司令部(Joint Functional Component Command for Space)积极发展和研制外层空间的武器装备和资产，即空间武器装备。

在加利福尼亚州Vendenberg空军基地

专家预测这样的卫星可能导致下一次世界大战

空间武器装备大致可以分为空间进攻性武器装备、空间防御性武器装备、空间信息对抗装备和空间态势感知装备(空间态势感知能力)，其中空间态势感知能力是各空间大国优先发展的重点。美国军方对于空间态势感知能力极其重视，其高层认为，潜在对手“对我们紧追不放”。美国空间联合职能司令部Joint Functional Component Command for Space司令威廉·谢尔顿(William Shelton)在2014年5月的美国国家空间安全讨论会上称[5]“目前空间安全面临的形势是空间竞赛更加激烈，对抗加剧，空间更加拥挤，因此必须发展更强大的空间态势感知能力。当前传感器能跟踪2.3万多个空间物体，但却无法监测大小在1～10 cm之间的50万个空间碎片，除了空间碎片对美国空间资产造成的威胁，其他国家还可能攻击在轨卫星，如果不联合起来限制空间武器的使用，低地球轨道将面临多年无法使用的现实威胁。但更令人担忧的是，他们正在针对我们进行发展，他们正在开发能够挑战我们空间优势的系统。我们面临着一系列的人为威胁，这些威胁有可能会削弱或破坏我们的防卫能力。因此必须开发更加强大的空间态势感知能力”。五角大楼的规划者们担心，在未来的冲突中，中国和俄罗斯可能会击落或失能美国的军用卫星，这些卫星是美国通信，情报搜集和目标定位的关键装备。

美国等西方国家把增强空间态势感知能力放在优先级项目的地位，美国、英国、澳大利亚和加拿大近期签署了合作协议，成立了联合空间作战中心(Joint Space Operations Center), 为共享更多空间态势感知数据寻求方法。其合作方案可能是每个国家拥有自己的空间作战中心，并在这些中心之间进行协调。美国拥有世界最先进的空间态势感知系统，它起步早，早在艾森豪威尔时代就建立了美国最初的空间监视系统Minitrack。它将空间态势感知能力作为控制和约束其他空间大国的重要手段。2011年2月4日，美国五角大楼公布了《美国国家安全空间战略》[3]明确提出“我们将提高我们的情报能力，加强预测性感知、特征描述、预警以及责任分析，更好地监测空间领域内的活动。因此，空间态势感知和基础性情报将继续是最优先的任务，它们使我们能够保持对自然干扰的了解，了解其它活动物体能力、行为和意图。我们的国家安全空间战略旨在通过我们的军事活动和能力保障国家安全和利益，同时处理和塑造战略环境，强化我们的国防产业基础。美国国防和情报群体将继续依靠空间系统完成军事行动，情报收集和相关活动; 必须保证获得这些能力。我们必须解决由于堵塞、争议和竞争引起的空间环境越来越大的挑战，同时继续我们在空间领域的领先地位。我们的策略是从国家空间政策的原则和目标衍生出的，建立在国家安全战略方针基础上。具体来说，我们的国家空间安全目标是：

• 加强安全性，稳定性和空间安全;

• 保持和加强美国国家空间安全优势战略；

• 给支撑美国国家安全的基础产业注入活力。”

漂浮在地球周围空间碎片的数量　　　　概念中的空间反卫星武器

An ASM-135 ASAT(anti-satellite missile)美国反卫星导弹　　2012年12月在美国佛罗里达州美国空军发射X-37B轨道试验飞行器

美国的空间态势感知装备是在其空间监视系统基础上发展起来的。空间监视系统是美军用于探测、跟踪、编目和识别绕地球的人造物体的，这些人造物体包括活动的和废弃的卫星、用过的火箭体和碎片残骸。

空间监视完成如下任务：

• 预测坠落的空间物体再入地球大气层的时间和地点；

• 避免返回的空间物体(这些在雷达上看起来像导弹的物体)引起美国和其他国家的导弹袭击警报虚惊;

• 标绘空间物体的当前位置，绘制他们的预期轨道路径；

• 探测新的空间人造物体；

• 正确测绘这些物体在地球轨道行迹；

• 生成人造空间物体的运行目录；

• 确定哪些国家拥有再入的空间物体;

• 通报NASA这些物体是否可能干扰卫星和国际空间站的轨道。

空间态势感知的数据可分为两大类: 一是空间目标数据，包括地球轨道上的所有目标(活动卫星、失效卫星、空间碎片等)数据；二是空间环境数据，也就是空间气象数据，包括中高层大气、电离层、磁层、等离子体层、辐射带、太阳风和行星际磁场等数据。空间监视是空间态势感知能力的一部分。目前，美国不断加大空间态势感知系统的构建和投入，在继续完善、增强陆基空间目标监视系统的同时，加大了空基空间目标监视系统的部署，增加了对空间环境等要素的探测和监视，形成完整的空间态势感知能力。

Globus II 2009　　 Baker-Nunn卫星跟踪照像机

1美军陆基空间监视系统

1957年10月4日苏联发射第一颗人造地球卫星Sputnik 1对美国是极大震惊，惊呼是冷战时期的珍珠港事件。这击发了美国人使用空间跟踪系统跟踪空间物体的计划。产生了最初的美国空间监视系统Minitrack，但Minitrack不能可靠地探测和跟踪卫星。后来美国海军改进了Minitrack以跟踪美国的先锋1号卫星，Minitrack只能跟踪遵循国际关于卫星发射频率协议的卫星。然而，苏联不使用国际卫星频率。因此， Minitrack无法检测或跟踪不匹配的或无源卫星[4]。

同时与Minitrack一起使用的是贝克-纳恩(Baker-Nunn)卫星跟踪照相机。这些系统中使用改进的高分辨率施密特望远镜来拍摄和识别空间物体。. 该相机于1958年开始投入使用，并最终在全球站点使用。在其鼎盛时期，空军运行五个站点，加拿大皇家空军运行两个，史密森学会的天体物理观测台还有8个站点。贝克-纳恩系统，提供很少量的实时数据，仅限于夜间，晴朗的天气[4]。除了这些获取卫星数据方面的问题，美国跟踪网络很快被旅行者(Sputnik 1)卫星和先锋卫星后尘的大量卫星搞得不堪重负。积累的卫星跟踪数据、持续增加的卫星和轨道碎片、发射路径和非标准轨道多元化以及地球同步轨道高度的变化，要求空间监视系统更加完善和更新以满足现在和将来的需求[6]。为了以应对苏联新的卫星发射。1958年12月美国高级计划研究署(ARPA,AdvancedResearchProjectAgency)根据50-5919号行政命令建立空间跟踪网络。这个空间跟踪网络，即牧羊犬计划(Project Shepherd)，在马萨诸塞州的贝德福德的空间跟踪中心启动，与空间作战防御网络(即导弹预警网络, missile warning network)协同工作。在1959年年底到1960年4月美国空军系统司令部(Air Force Systems Command)接过了空间跟踪任务，建立了在马萨诸塞州汉斯科姆场(Hanscom Field)的国家临时空间监视控制中心(Interim National Space Surveillance Control Center)，负责协调观测和维护卫星数据。

在洲际弹道导弹作为一线武器系统时期，美国试验了多部导弹探测器和预警器，并列装作为现役监测装置，其中大多数先后用于卫星监测。如：Trinidad(特立尼达)的两个监测和跟踪雷达， Texas的Laredo和New Jersey的Moorestown。还有在Kaena Point岛、Antigua岛, Ascension岛, San Miguel岛以及Kwajalein 环礁上的机械跟踪雷达；3个BMEWS(Ballistic Missile Early Warning System, 弹道导弹预警系统)站点；Pave Paws站点； FSS-7 站; (PASS) 站; Cavalier ND; Eglin FL; Maui空间监视系统; Globus II; San Vito; TOSS/CROSS; 和 MIT Lincoln 实验室等等。

美国的空间态势感知能力的一个重要功能是建立和维护卫星状态的数据库，1957年美国国防部建立了这个数据库。这就是空间物体目录。由全球分布的干涉仪，雷达和光学跟踪系统组成的空间监视系统得到卫星状态数据，这些数据定期更新，目前编目的空间物体数目达到20 000[9-11]。

美国空军掌控SPACETRACK系统，构建了覆盖全球的空间监视网(SSN)，配备光电传感器，无源射频(RF)传感器和雷达传感器。SSN的任务是对空间物体进行编目和识别，对受攻击卫星发出预警，以及及时通报美军掠空的外国卫星，监督空间条约和搜集科技情报。海军有一个类似的空间监视系统SPASUR，任务是保护美国南部。SPACETRACK系统是用于空间跟踪项目以及其他空间监视操作的设施和系统的总称，按照投入运行的先后时间，包括：① 在空军Cambridge研究中心的空间跟踪项目，这是1950年的“丰收之月”项目(它在1957年开始跟踪苏联的Sputnik II)的后续项目；② 国家空间监视控制中心(National Space Surveillance Control Center), 1960年2月8日在汉斯科姆场(Hanscom Field)启用的专用设施；③ 空间探测跟踪系统 (SPADATS), 是1961年7月开始使用的美国空军Ent空军基地的496L 计算机系统，1962年底更名为SPACETRACK作战中心；④ 空间防御中心(Space Defense Center)，1966年10月在夏延山Ent空军基地建立的探测和跟踪设施；⑤ 空间防御行动中心(Space Defense Operations Center，SPADOC), 1979年在科罗拉多州夏延山核燃料库建立的设施；⑥ 美国空间监视网络(United States Space Surveillance Network)；⑦ 在Vandenberg空军基地的联合空间作战中心。

在空军毛依(Maui)光学站(AMOS)有一个图像信息处理中心和超级计算中心，将HAVESTARE雷达系统开发所需要的资源发送给SPACETRACK。HAVESTARE(HS)雷达是最初设在加利福尼亚州的Vandenberg空军基地的X波段200 kW跟踪雷达, 在1995年期间在Vandenberg上线，根据海拔高度不同，它可以检测出1～10 cm不等的微小碎片。HS是一个高分辨率X波段的跟踪和图像雷达，有一个27米的机械式抛物面天线。后来它移交给挪威，由挪威情报局管理，能跟踪在9 000 km范围内的所有类型航空器。挪威接手后，改名为Globus II，位于挪威的瓦尔德(Vard?), 靠近俄罗斯边界。其地理坐标为 70°22′02″N 31°07′38″E[7]。在Shemya岛(是阿拉斯加西南部阿留申群岛的塞米奇群岛链中的一个小岛，地理坐标为52°43′27″N174°07′08″E)和Diyarbakir的雷达站群(Shemya and Diyarbakir Radar Sites)AN/ FPS-17和AN/ FPS-80雷达，跟踪苏联的导弹试验。在1973年7月，Raytheon公司在Aleutian群岛的Shemya岛上建立名为“丹麦眼镜蛇(Cobra Dane)”系统，靠近Alaskan海岸边。代号为AN/ FPS-108，丹麦眼镜蛇替代AN/ FPS-17和AN/ FPS-80雷达。在1977年开始运作，丹麦眼镜蛇主要承担监测西南方俄罗斯从西伯利亚的堪察加(Siberian Kamchatka)半岛发射导弹的任务。这是有史以来建造的功率最强和最大的单面相控阵雷达。FPS-80是跟踪苏联导弹的雷达，FPS-17是探测苏联导弹的雷达。大型探测雷达(AN/ FPS-17)于1960年投入运行。1961年，AN/ FPS-80跟踪雷达就近建造。这些雷达在70年代关闭。泼林克里科(Pirinclik,靠近土耳其迪亚巴克尔)情报收集雷达站最终由探测雷达(FPS-17)和机械跟踪雷达(FPS-79)构成。这两个雷达的工作频率为UHF(432 MHz)。尽管其机械机构的局限，Pirinclik雷达仍具有同时实时跟踪两个物体的优点。其地点靠近前苏联南部，这是唯一能够跟踪俄罗斯离轨空间物体的陆基探测器。Diyarbakir FPS-17在1955年开始运行，在Laredo的1956年2月建成，Shemya的在1960年5月建成[9][10][11][12]。前两个在关闭后没有代替的；Shemya被Cobra Dane (AN/FPS-108)代替[13]。。1955年6月1日和1964年FPS-17雷达和FPS-79雷达分别达到初步运行能力。这两组雷达以超高频(432 MHz)运行。尽管受限于其机械技术结构，Pirinclik的两组雷达均能实时跟踪两个空间物体。其地点靠近前苏联南部，是唯一能够跟踪俄罗斯脱轨空间物体的陆基探测器。此外，Pirinclik雷达是唯一每天24小时东半球的深空探测器。Pirinclik雷达工作到1997年。

FPS-17的天线设有固定的抛物线圆环反射面， 175英尺(53米)高，110英尺(34米)宽，被摆在它面前的雷达馈源天线阵列照射。发射机工作在VHF波段，发送的脉冲频率在180到220兆赫之间[14]。不同于多数类型的雷达，FPS-17是第一个采用脉冲压缩技术工作的雷达系统[15]。在Diyarbakir有两个AN/FPS-17天线，另一个天线在得克萨斯州南部，拉雷多，三个在阿留申群岛的Shemya[9] [14]。在迪亚巴克尔(Diyarbakir) FPS-79天线具有的独特的可变焦距馈源反射面提供了宽波束探测和窄带宽跟踪。1975年该天线被新的天线替换。使用脉冲压缩技术，改善了天线的增益和分辨率。操纵还是机械方式；FPS-79监测范围24 000英里(39 000公里)。

空军空间监视系统(Air Force Space Surveillance System)

AN/FPS-133空军空间监视系统，就是著名的空间篱笆，用于探测凌空穿越美洲的在轨物体的多基地雷达系统。是美国空间监视网络的一部分，由最初美国海军的SPASUR空间监视系统改进而成。按照美国海军的说法，能够探测到在30 000 km (15 000 海里) 高度上篮球大小 (29.5 inches (75 cm))的物体[26]。这个系统在2013年9月停止运行。新的空间篱笆计划在马绍尔群岛(Marshall Is-lands)的夸贾林环礁(Kwajalein Atoll)进行，连同另一个在西澳大利亚的雷达站[7]。运行总部在弗吉尼亚州的达尔格伦(Dahlgren)，雷达站则分布在美国本土大致在北纬33度的地带, 系统有三个发射站[8]：

1) 德克萨斯州吉卡普湖(Lake Kickapoo)的主发射站, 频率216.98 MHz, 地理坐标位于33°32′47″N 98°45′46″W;

2) 亚利桑州希拉河(Gila River), 频率216.97 MHz ，地理坐标位于33°06′32″N 112°01′45″W;

3) 阿拉巴马州约旦湖(Jordan Lake)，频率216.99 MHz，地理坐标位于32°39′33″N 86°15′52″W?。

在Lake Kickapoo的主站据说是世界上最大的连续波站，在216.9727频率上的发射功率达768 kW。1961年这个系统开始运行时，最初的频率是108.50 MHz，正好在FM波段上。在1965年篱笆系统工作频率倍增到216.98MHz，以得到小目标定位的更高分辨率，直到2013年这个篱笆退役。在希拉河和约旦湖备份发射台从20世纪90年代初直到2013年使用上面所列的频率，以便更好地发现是哪个发射台发射到该空间物体上，由于多个发射机可能同时照到同一物体。有六个接受站：

在德克萨斯Lake Kickapoo 的主发射天线

1) 加尼福尼亚的圣迭戈(San Diego, California), 地理坐标位于32°34′42″N 116°58′11″

2) 新墨西哥的象山Elephant Butte, New Mexico (地理坐标位于33°26′35″N 106°59′50″W)

3) 阿肯色州的红河Red River, Arkansas (地理坐标位于33°19′48″N 93°33′01″W)

4) 密西西比州的银湖Silver Lake, Mississippi (地理坐标位于33°08′42″N 91°01′16″W)，运行到2013年4月。

5) 乔治亚州的霍金斯维尔Hawkinsville, Georgia (地理坐标位于32°17′20″N 83°32′10″)

6) 乔治亚州的塔特纳尔Tattnall, Georgia (地理坐标位于32°02′35″N 81°55′21″W)，运行到2013年4月。

在象山和霍金斯维尔的接收站是“高海拔”站，具有更长更完善的天线系统，用来搜寻更高海拔的目标。

美国空军的空间监视网络

总之，从苏联在1957年通过发射旅行者1号卫星开始了空间时代以来，美国为了完成空间监视的任务，建立了通过美国陆军，海军和空军的空间监视网(SSN)操作的分布在世界各地的25个站点的陆基雷达和光学传感器。 SSN已经跟踪了39 000个空间轨道物体。SSN目前正跟踪其中的8000个在轨物体。其余的都重新进入地球大气层并解体，或者重入大气层后与地球碰撞损毁。这些目前在地球轨道的空间物体从重达几吨的卫星到仅重10磅(4.5 kg)的用过火箭箭体的残片。大约百分之七的空间物体是运行着的卫星，其余的是碎片。USSTRATCOM主要对活动卫星感兴趣，当然也关注碎片。SSN跟踪的物体从10 cm直径(篮球大小)或更大。

空间监视系统具有众多提供信息数据的传感器。这些传感器可以分为三类：专用传感器、协同传感器和辅助传感器。传感器还可以分为近地(NE)跟踪-观测卫星、空间碎片和较低的轨道上其他物体，和深空(DS)跟踪-通常为小行星和彗星。

1) Dedicated sensors 专用传感器

• Ground-based Electro-Optical Deep Space Surveillance (GEODSS) sites陆基光电深空监视

• Space Surveillance Telescope (SST)空间监视望远镜，它是在2011年上线的3.5米口径反射望远镜，负责跟踪轨道碎片

• MOSS-an Electro-Optical (E-O) surveillance system located at the Moron Air Base, Spain在西班牙莫隆空军基地的光电监视系统

• GLOBUS II radar 在挪威瓦尔德靠近俄罗斯边界的雷达站

• AN/FPS-85 Space Track Radar属于空军空间司令部的Eglin 空军基地C-6雷达站，AN/FPS-85相控阵列雷达, 及相关联的计算机处理器系统和雷达控制设备。

• AN/FPS-133 Air Force Space Surveillance System, AN/FPS-133空军空间监视系统，也就是著名的空间篱笆。

• Midcourse Space Experiment (MSX) / Space Based Visible () satellites中段空间试验 (MSX)/空基可视卫星(SBV)

2) Collateral sensors 协同传感器

• Maui Space Surveillance System (MSSS) and Advanced Electro-Optical System (AEOS) telescope, co-located with a GEODSS station in Maui, Hawaii毛依空间监视系统(MSSS) 和与夏威夷毛依的GEODSS站一起的先进光电系统(AEOS)望远镜，。

• Haystack Ultrawideband Satellite Imaging Radar (HUSIR), Haystack Auxiliary Radar (HAX) and Millstone Hill Radar海斯塔克(意为干草堆)超宽带卫星成像雷达(HUSIR), 海斯塔克辅助雷达(HAX)和米尔斯通希尔(意为磨石山)雷达。

• ALTAIR and ALCOR radars at the Ronald Reagan Ballistic Missile Defense Test Site, Kwajalein Atoll欧塔拉(牛郎星)和艾欧蔻(星座名)雷达，在马绍尔群岛共和国的夸贾林环礁的罗纳德·里根弹道导弹防御试验场。

• Ascension Range Radar, locate at the Eastern Spacelift Range 阿萨森润基雷达

• Ground-Based Radar Prototype (GBR-P), located Ronald Reagan Ballistic Missile Defense Test Site, Kwajalein Atoll 陆基雷达样机，在马绍尔群岛共和国的夸贾林环礁的罗纳德·里根弹道导弹防御试验场。

3) Auxiliary sensors 辅助传感器

• Solid State Phased Array Radar System (SSPARS) / AN/FPS-132 Upgraded Early Warning Radar (UEWR) system of system, deployed at multiple sites 固态相控雷达(SSPARS)/ AN/FPS-132升级的早期预警雷达(UEWR)

• AN/FPS-108Cobra Dane AN/ FPS-108丹麦眼镜蛇

• AN/FPQ-16Perimeter Acquisition Radar Characterization System (PARCS) AN/ FPQ-16外围采集的雷达特性分析系统(PARCS)

美国的陆基深空监视系统

GEODSS at Diego Garcia在迪戈加西亚的GEODSS　Midcourse Space Experiment中段空间试验

陆基光电深空监视系统(Ground-based Electro-Optical Deep Space Surveillance, 或 GEODSS)是使用望远镜、低照度电视摄像机和计算机的一个光学系统。它代替6个20吋(半米)的使用摄影胶片的贝克 - 纳恩(Baker-Nunn)照相机。GEODSS有3个站点，监测结果向在Colorado州的彼得森空军基地(Peterson Air Force Base)的21工作组通报，这3个站点是：

• Socorro, New Mexico(新墨西哥州的索科罗)，地理坐标是33°49′02″N 106°39′36″W

• AMOS, Maui, Hawaii (夏威夷毛伊岛的空军毛伊岛光学和超级计算机AMOS)，地理坐标是20°42′32″N 156°15′28″E

• Diego Garcia, British Indian Ocean Territory英属印度洋领地的迪戈加西亚，地理坐标是7°24′42″S 72°27′08″E?

在西班牙的莫隆光学空间监视系统(Moron Optical Space Surveillance， MOSS)一个22吋, 可移动22英寸口径的望远镜是GEODSS合作站点从1997年到2012年莫隆运行。地理坐标是37°10′12″N 5°36′32″W。

GEODSS跟踪深空的，即超出约3 000英里(4 800公里)到地球同步高度上的物体。由于光学系统本身特性，GEODSS需要在夜间并且晴朗的天气条件下跟踪。每个站点有3个望远镜。望远镜孔径40英寸(1.02 M)和双视场。望远镜能看到物体直径是人眼看到的10 000倍。高敏感度和白昼天空背景会遮盖卫星的反光，决定了系统只能在夜间工作。和任何陆基光学系统一样，云层遮盖和局部的气象条件直接会影响其有效性。GEODSS系统可跟踪空间20 000英里(30 000公里)以外篮球大小的物体，或者35 000英里(56 000公里)的椅子，是美国战略司令部空间监视网络的重要组成部分。能检测到远处超过地球与月球之间(245 000英里外)椭圆轨道上的闪电卫星(Molniya)。每个GEODSS网站每晚能定期跟踪9900的目标中约3 000个。

2空基空间监视系统

经过50多年的发展，美国建立了部署在全球多个地点，由30多部探测雷达、跟踪雷达、成像雷达、光学望远镜以及无源射频信号探测器组成的陆基空间监视网，可以编目管理大部分空间目标。但总的来说，美国陆基空间目标监视系统还不能充分满足美军空间态势感知和空间对抗的军事需求。一是还有覆盖盲区，二是陆基观测设备受到天气、大气环境的影响较大，容易发生观测误差。还会受云层遮挡。在白昼由于天空背景很亮，掩盖了空间物体目标的图像。空基空间目标监视系统的发展则有效地弥补了这些缺点。通过在不同轨道上部署多颗空间目标监视卫星联网，空基系统与陆基空间目标监视系统相配合跟踪等措施，可有效地减少空间目标的观测盲区。尽管空基空间目标监视系统受发射限制，不能携带大型的观测设备，但因在轨道上可以近距离和个别地观测某些目标，因而其观测精度并不低。反而因为没有大气遮挡，光学探测设备的可见度比陆基设备更好。特别是对地球同步轨道的高轨卫星目标，空基空间目标监视系统比陆基系统有良好的探测效果。

发射GSSAP卫星的Delta 4火箭升空　　　　SBSS系统示意图　　

“pathfinder”卫星

原来的空基监视系统包括一个星载传感器，空基可视(SBV)传感器，搭载在由弹道导弹防御组织于1996年发射的中段空间实验(MSX)卫星送入轨道。主要任务是探测、跟踪和预警导弹中段，该项目1997年完成技术验证，并开始将项目和技术融入到空间目标监视系统中，1998年正式运行，它在2008年6月2日退役[17]。MSX验证了新一代导弹预警和防御所用探测器技术，收集和统计了有价值的背景和目标数据，其成熟技术都将转换到新一代空基空间目标监视系统上。空基空间监视(SBSS)的探路者卫星现在执行以前由MSX SBV处理的任务。

空基空间监视(SBSS)系统是计划中的卫星星座及配套的地面基础设施系统，美国打算利用这个系统提高检测和跟踪围绕地球轨道空间物体的能力。SBSS主要承包商波音公司和贝尔航天公司(Ball Aerospace)声称，SBSS将彻底改变美国空军探测和跟踪空间物体的能力，生成的数据会有力地支持美国防部的军事行动[23]。据称，SBSS系统将使美国对地球静止轨道卫星的跟踪能力提高50%，同时美国空间目标编目信息的更新周期由现在的5天左右缩短到2天，从而大大提高美军的空间态势感知能力。

SBSS的开发工作进行中得到美国空军的空间态势感知集团 (Space Situational Awareness Group，美国空军的下属机构)的配合。空间态势感知集团的指挥官认为，SBSS卫星操作中心“能够提供一个反应灵敏的任务型传感器界面，这大大改善空间态势感知能力。这是实现事件驱动的操作概念的关键[14]”。SBSS主要有三个部分，即探路者卫星(“Pathfinder”satellite)、轨道深空成像系统(ODSI)和地球同步轨道空间态势感知项目(Geosynchronous Space Situational Awareness Program, GSSAP)

探路者卫星“pathfinder” satellite

第一颗探路者卫星在2010年9月25日搭载米若陶IV(Minotaur IV)火箭成功进入轨道。比原计划发射时间推迟了将近两年。推迟的原因是助推器出现问题。项目耗资8.23亿美元(MYM823 million)，包括卫星、有效载荷、发射和地面设施的费用。卫星和有效载荷的合同其中的40%费用给了贝尔航天公司(Ball Aerospace)。该项目计划在地球同步轨道上每天至少一次探测和监视每个空间飞行器。SBSS探路者卫星具有2.4百万像素传感器的30 cm口径望远镜，装在两轴的陀螺架上。计划5年半的工作时间[23]。先期的SBSS10单元航天器由空间与导弹系统中心(Space and Missile Systems Center)管理，其主要技术诸元如下：

1) 发射质量: <1 100 kg

2) 功耗: <1 100 W

3) 航天器: Ball Configurable Platform (BCP) 2000

4) 有效载荷：30厘米三片透镜消象差望远镜；两轴铍青铜万向节；视角: 3π弧度

日前，美国空军空间司令部宣称“空基空间监视系统”(SBSS)10单元的卫星已拥有初步作战能力(Initial operational capability，IOC)，这标志着空基监视系统在其研发周期内已具有实战能力。这个卫星由轨道科学公司在2010年9月25日发射升空，是SBSS系统的第一个卫星。根据计划，随后将发射的SBSS系统20单元是由4颗卫星组成的星座，比10单元功能更强，稳定性更好。从广义上来讲，空间的物体都是空间态势感知的对象，如暂时经过空间的战略导弹中段、高、低轨工作卫星、废弃卫星、空间碎片，以及经过近地空间的小行星和彗星、深空的行星和恒星等。而从狭义上来讲，空间目标监视主要应用在空间对抗和空间安全维护上，因此空基深空探测部分不在空间态势感知的范围内，但在技术实现能力上近地空间目标监视和空基深空探测有很多相似的地方。

空基空间目标监视系统与对地侦察卫星的功能有很多相似之处，都是侦察卫星对感兴趣的目标进行观测。不同的是，空基空间目标监视系统所观测的目标的特殊性，给空基系统的构建带来更多的挑战。地面目标与对地观测卫星的相对几何关系比较稳定，相对速度也较小。而空基空间目标监视卫星相对于空间目标的几何关系变化较大，相对速度也较大，最大可以达到15 km/s。怎样在这样的高速条件下对目标进行观测和跟踪，是未来空间目标监视系统发展中需要解决的关键技术问题。

轨道深空成像系统(ODSI)

美国军方正在努力开发一个轨道深空成像仪(ODSI), 提供深空物体图像卫星特征。ODSI与其他空间态势感知网络传感器配合，将大大加强对空间活动的了解。ODSI计划部署一个由运行在地球静止轨道的成像卫星组成的卫星星座来描述深空物体，支持整个空间战场感知和空间对抗作战。其主要任务是执行空间目标识别，拍摄地球静止轨道空间目标的高分辨率图像，并实时或定期地提供相关信息

“轨道深空成像仪”(ODSI)系统则是，2005年1月，波音、洛马和诺格3家公司通过竞标成为ODSI概念研究的合同商，按计划ODSI卫星将于2015年进行首次发射。

地球同步轨道空间态势感知项目(Geosynchronous Space Situational Awareness Program, GSSAP)

2014年7月28日两颗GSSAP卫星从佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地搭载美国发射联盟 (ULA)的Delta IV M+ (4,2)火箭发射升空。这是美国空军的地球同步轨道空间态势感知项目的一部分。GSSAP是美空军的机密项目，用于为美国战略司令部监视地球同步轨道的碰撞威胁和潜在对手的不法活动。2014年2月，美空军航天司令部(AFSPC)司令谢尔顿首次披露该项目。GSSAP卫星由轨道科学公司建造，体积小，配备有光电传感器，在执行监视任务时可根据不同监视方向，在地球同步带上下机动。GSSAP卫星通过全球范围的空军卫星控制网(AFSCN)地面站传递信息到达科罗拉多州的施里弗空军基地(Schriever Air Force Base)，其第一空间作战中队第五十空间联队的卫星操作者(1 SOPS)负责监视日常运行。另外两颗GSSAP卫星预计于2016年搭载“宇宙神”-5火箭发射。

这些卫星运行在近地球同步轨道上[24-25]。GSSAP是美国空军和轨道科学公司隐蔽研制的空间监视卫星系列，提供运行在近地球同步轨道区域空基能力，作为一个专用的空间监视网(SSN)传感器支撑美国战略司令部空间监视行动。GSSAP卫星采集空间态势感知数据可更精确地跟踪和描述人造轨道物体特征。卫星位于约22 300英里(35 900 km)高度的这个区域，因此是悬浮在地球上空一个位置。地球同步带有一些美国最重要的通信和侦察卫星。在近地同步轨道，有一个清晰、无障的和特有的有利位置观测在该区域的驻留空间物体(RSOs)，不会出现限制地面系统的天气阻隔或大气失真。GSSAP卫星在近地球同步带运行，还能够执行交会对接操作。这些卫星被称为天使(ANGELS是Automated Navigation and Guidance Experiment for Local Space的简称)。该航天器将贴近德尔塔4号的上面几百公里以上的地球同步带，以高度自动化程度和独立于人手操作的方式上下机动。这些机动从上段的约31英里(50 km)距离处开始，然后继续当ANGELS越来越接近，最终接近到离火箭体的仅有几公里之远。专家曾表示，鉴于在使用非常频繁的轨道带上的卫星有可能会造成毁伤，因此，卫星必须要能表现出空前精准的轨道机动能力。

美国空军航天司令部航空航天与网络作战主任称，GSSAP不取代当前运行的“天基空间监视系统”(SBSS)和“先进技术风险降低(ATRR)卫星”, 这两个系统在低地球轨道上运行具有不同的功能。GSSAP将部署到地球同步轨道附近，对于观测地球同步轨道物体具有非常独特的优势，从而能清晰地表征空间物体的属性，而不仅仅是跟踪空间物体。

美国空军空间司令部司令威廉·谢尔顿声称[5]“这邻里守望双子组将有助于保护我们以前的在地球同步带的空间资产，再加上它们能寻找外国在关键轨道区域设置的危险因素。由两颗卫星我们会得到关于地球同步轨道大流量图像。一张图片胜过一千个推测，我们可以看到国外卫星的每个细节，而且可以有效地用反向工程知道有哪些能力比你更厉害”。GSSAP将填补对地球同步轨道的监视能力缺口。美空军在地球同步轨道部署有贵重的空间资产，如提供核指挥与控制通信的先进的甚高频卫星(AEHF)以及监视敌方导弹发射以提供预警的“天基红外系统”(SBIRS)。谢尔顿称，GSSAP标志着空间监视能力的重大进步，可更好地避免空间碰撞并探测威胁，促进美国识别对手试图躲避探测的行动，并发现对手可能拥有的对高轨道空间资产存在威胁的能力。

3结束语

目前美国空间态势感知能力的发展趋势就是积极研发部署空基空间监视系统，加强对高轨道目标的监视能力，同时具有对目标的机动性监视，能最大限度得到空间目标细节，尤其是对深空微小目标提供监视，从宏观到微观对空间战场态势全面进行监视。这对我国的空间战场是一个很大的挑战，但也给我国空间态势感知能力的构建提供了很好的借鉴。我国不像美国在世界各地遍布军事基地，陆基空间监视系统的发展会受到一定限制，因此在构筑陆基空间监视系统同时，借助于我国先进的航天技术，积极研发和部署空基空间监视系统具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]http://edition.cnn.com/2015/07/01/opinions/singer-space-war/index.html

[2]http://www.popsci.com.au/tech/military/a-new-cold-war-in-the-void-of-space,405793

[3]NationalSecuritySpaceStrategyUnclassifiedSummary_Jan2011.pdf

[4]Muolo, Maj Michael J.“Space Handbook-A War Fighter’s Guide to Space” One.Maxwell Air Force Base: Air University Press,1993.

[5]Harper, Jon.Air Force launching satellites to spy on other satellites.www.stripes.comStars and Stripes.Retrieved 22 July 2014

[6]Wahl, E.W.Program Development in Orbital Computation at the U.S.National Space Surveillance Control Center.Proceedings of the Second Symposium on Rockets and Astronautics].Tokyo: May 1960.

[7]Globus II/Have Stare Sourcebook http://fas.org/spp/military/program/track/globusII.pdf 2013.

[8]Charles, Charles Ira (1969).Spacetrack,WatchdogoftheSkies.New York: William Morrow.p.128.ISBN 978-0-688-31561-0

[9]Neal H L,Coffey S L,Knowles S H(1997).Maintaining the Space Object Catalog with Special Perturbations.Astrodynamics(Sun Valley, ID: AAS/AIAA) v.97 (Part II): 1349-1360.

[10]Vallado,David(2001).FundamentalsofAstrodynamicsandApplications.Torrance: Microcosm Press.p.958.ISBN 1-881883-12-4

[11]Hoots,Felix R,Ronald L.Roehrich.“SPACETRACK REPORT NO.3 - Models for Propagation of NORAD Element Sets”.Adc/Do6 (Peterson AFB: Project Spacetrack Reports, Office of Astrodynamics, Aerospace Defense Center).December 1980

[12]Charles,Charles Ira (1969).Spacetrack,WatchdogoftheSkies.New York: William Morrow.p.128.ISBN 978-0-688-31561-0

[13]http://www.spacewar.com/reports/Boeing_and_Ball_Aerospace_Achieve_New_Milestone_For_SBSS_Program_999.html.

[14]http://www.defencetalk.com/boeing-and-ball-aerospace-achieve-new-milestone-for-sbss-program-15214/

[15]http://boeing.mediaroom.com/index.php?s=20295&item=158

[16]Minotaur IV & V.Orbital Sciences Corporation.2008.

[17]Vandenberg launches Minotaur IV.30th Space Wing Public Affairs.2010.

[18]Boeing SBSS System Progressing Toward 1st Launch.2009.

[19]Butler, Amy; Michael Bruno.Boost Despite Gloom.Aviation Week (McGraw-Hill): 34.December, 2009.

[20]Boeing Team Ships First SBSS Spacecraft To Launch Site

[21]Charles,Charles Ira (1969).Spacetrack,WatchdogoftheSkies.New York: William Morrow.p.128.ISBN 978-0-688-31561-0

[22]Stephen Clark “Lockheed Martin wins contract for Space Fence”.Spaceflight Now.3 June 2014.

[23]Wagner, Gary R.“Navy Transfers Space Surveillance Mission to Air Force”.NavynewsstandSeptember 13, 2014.

[24]http://www.ballaerospace.com/file/media/SBSS%2006_10.pdf

[25]Neighborhood watch in space, Aviation Week and Space Technology, August 4, 2014, p.12.

[26]Butler,Amy.USAF Reveals Classified, New Spy Satellite.www.aviationweek.com.Penton.Retrieved 21 February 2014

[27]Wagner, Gary R.(October 24, 2004).“Navy Transfers Space Surveillance Mission to Air Force”.Navy newsstand.Retrieved September 13, 2014.

(责任编辑周江川)

【编委特稿】

History and Status of US Space Situational Awareness

LU Zhen

(School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Abstract:Space situational awareness is the essential elements of space resource development, and is the key of the protection of space assets and grasping of space control and implementing military operation in spaces. US government and military policymakers are well aware of the importance in developing space situational awareness. From of the Cold War period, US began to build space surveillance systems. With the development of science and technology, their space surveillance systems become more and more advanced and powerful, and become systematic and worldwide space situational awareness. Based on the disclosed information from US Department of Defense and the US Air Force and its subsidiaries, as well as the related enterprise, this paper conducted a brief review and prospect of United States space situational awareness updated, so as to initiate future development of our country’s space situational awareness.

Key words:space situational awareness; space weapons; geosynchronous orbit

文章编号：1006-0707(2016)01-0001-08

中图分类号：TJ8

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.001

作者简介：陆震(1942—)，本刊编委，教授， 博士生导师，主要从事机械电子工程、空间机器人研究。

收稿日期：2015-10-20；修回日期：2015-11-02