天基空间目标探测系统技术研究进展

2018-01-03王晓海空间电子信息技术研究院空间微波技术重点实验室

卫星与网络 2017年11期

+ 王晓海 (空间电子信息技术研究院、空间微波技术重点实验室)

天基空间目标探测系统技术研究进展

+ 王晓海 (空间电子信息技术研究院、空间微波技术重点实验室)

空间目标探测具有重要的军事价值，不仅可以帮助确定潜在敌人的空间能力，还可预测空间目标的轨道，对可能发生的碰撞和对己方空间系统的攻击进行告警。天基空间目标探测是利用位于天基平台的监测设备进行探测的方法。本文首先简单介绍了天基遥感监测、天基直接监测、航天器表面采样分析三种空间目标天基探测方式，其次重点阐述了天基空间监视系统（SBSS）、轨道深空成像系统（ODSI）、天基红外预警系统（SBIRS）、空间跟踪与监视系统（STSS）、试验卫星系列计划（XSS）、星历表精调天基望远镜（STARE）、联合毫弧秒探路者勘察计划（J-MAPS）以及俄罗斯的空间监视系统（SSS）八个国外空间目标探测典型系统以及美、欧、加三个国家/组织的未来发展规划，最后分别从宏观总体和具体技术两个层面探讨了空间目标探测系统技术的发展趋势。

空间目标空间监视天基探测成像观测

1 引言

衡量一个国家的空间作战能力主要有三大指标：空间监视和预警能力、空间部署能力和空间攻防能力。在新的军事斗争形式中，空间监视是空间部署、攻防的基础，其主要任务是：探测和跟踪重要空间目标，确定可能对航天系统构成威胁的航天器的任务、尺寸、形状、轨道参数等重要目标特性；对目标特性数据进行归类和分发。空间目标监视具有重要的军事价值，不仅可以帮助确定潜在敌人的空间能力，还可以预测空间目标的轨道，对可能发生的碰撞和对己方空间系统的攻击进行告警等。

2 空间目标探测

空间目标探测实现的基本途径主要有地基探测与天基探测。本文主要研究讨论天基探测。天基空间目标探测是利用位于天基平台的监测设备进行探测的方法。由于探测位置与空间目标的距离更近，并且没有大气对信号的干扰（例如消光和吸收），天基探测方法的分辨率更高。

空间目标的天基测量从测量形式上可以分为天基遥感监测、天基直接监测、航天器表面采样分析等3种主要手段，其中天基遥感监测属于主动式监测方式，而后两种则为被动式的空间目标监测。

2.1 天基遥感监测

天基遥感监测设备包括光学望远镜、微波雷达、激光雷达、太赫兹雷达等，其监测平台包括卫星、飞船和空间站。

光学望远镜是搭载于天基平台上的电子望远镜，具有很高的监测分辨率，但监测过程受到监测平台位置和监测时间段的限制，监测效率低，在实际应用中有其局限性。

雷达技术由于发展时间长，理论完备、技术成熟、手段多样，因此成为探测中、小尺度危险碎片的主要手段之一，更是空间目标天基探测的未来发展方向。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。

微波雷达利用无线电波测定目标位置及其相关参数的电子设备。微波雷达在太空中工作，采用较小天线孔径和发射功率，就能监测到距离较远、尺度较小的空间目标。

激光雷达以激光作为辐射源，将雷达的工作波段扩展到光波范围，具有定位精度高、监测分辨率高、抗干扰性强的特点，同时在太空中监测具有较小的损耗，因而成为太空中用于空间目标监测的有效手段。但目前激光技术还不成熟，仅在天基监测中用于近距离空间目标的监测。

太赫兹雷达可以实现对空间目标的远距主动探测、精确测距测速测角、高分辨率成像、精细结构特征反演，而且可以利用材料在太赫兹频段丰富的特征谱线提取目标的“指纹特征”，可弥补现有微波和红外探测系统的不足，是空间态势感知系统的有力补充。太赫兹雷达在航天器自身防御探测与空间防御和反导预警体系建设等方面显示出良好应用前景。

2.2 天基直接监测

天基直接监测是利用在空间航天器上搭载由一定材料构成的监测仪器，通过这些仪器记录空间目标及星际尘埃的撞击效果，从而收集空间目标信息的监测方法。天基空间目标监测仪器的总体趋势是功能越来越强、结构越来越复杂、监测范围从近地空间逐渐延伸至外太空。仪器有很强的综合化趋势，国际合作也逐渐增多。

通过天基直接监测，能准确记录空间目标的碰撞事件，计算出空间目标的质量、速度、通量和运行轨迹等信息，是了解小尺度空间目标的重要方法，对航天器的防护和航天材料的研究也有参考价值。国际上很早就开展空间目标直接监测的研究。1996年，欧空局将碎片和尘埃监测器送入静止轨道；法国空间研究中心也于1999年将有源和无源监测器送上“和平号”空间站，用于空间目标的研究。

2.3 航天器表面采样分析

航天器表面采样分析通过对已返回的长期暴露于空间环境中的航天器表面材料的分析来获取空间目标信息。暴露在空间环境中的航天器表面布满了微流星体和微小空间目标的撞击坑，撞击坑的尺寸从微米级到毫米级不等。通过对这些撞击坑的发生时间和尺寸的分析，能够有效获得亚毫米尺寸空间目标的信息，统计出航天器运行轨道层面上空间目标的流量，并能直接分析得出小空间目标对航天飞行任务的影响。

航天器表面采样分析可直接立足于现有返回式航天器的后期研究以及在轨空间站的观察分析，不需额外增加研究费用，因而是一种经济实用的监测方式。

3 国外空间目标探测典型系统及发展规划

3.1 典型系统

国外已经发射数颗专用或兼用的微小型空间目标监视平台，还有部分卫星正在研制或计划之中。现有的天基空间目标监视系统一般应用在两种场合下，即用于远距离探测跟踪或近距离成像监视。通过查阅公开文献，统计得到国外已发射或在研的天基空间目标监视系统情况(如表1所示)。

表1中，专用是指空间目标监视为系统的核心任务；兼用是指空间目标监视是系统的部分任务；可用是指系统具备空间目标监视能力，但未纳入日常工作任务之内。

3.1.1 天基空间监视系统（Space Based Surveillance System，SBSS）

SBSS计划是美国近期发展天基空间监视能力的重要计划。旨在研制新一代光学空间目标监视系统，增强对空间战场态势的实时感知能力。SBSS系统是由4颗或更多极轨卫星组成，每天绕地球数周，能使低地球轨道和静地轨道监视分辨率提高一个数量级并且收集40万条卫星信息。

表1 部分天基空间目标监视系统

图1 美国空间目标监视网络

图2 SBSS任务主题

图3 SBSS工作流程

SBSS系统将能搜索整个空间，主要用于搜索深空目标，也可以执行近地目标搜索任务。它具有高轨道观测能力强、重复观测周期短、可全天候观测的特点，可大幅度提高美国深空物体的探测能力。据称，SBSS系统将使美国对地球同步轨道卫星的跟踪能力提高50%，使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。

2010年9月26日，首颗“天基太空监视系统”卫星发射升空，这标志着太空态势感知革命的开始。

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

ODSI是美国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空间对抗作战。

ODSI系统是美国发展和完善空间监视系统的中期计划。ODSI系统可对地球同步轨道卫星进行高分辨率成像，它是一个望远镜系统，将持续不断地沿着地球外围飞行并且拍摄一些无论是美国还是其他国家都感兴趣的物体图片。比运行在较低轨道的SBSS更适合跟踪和监测高轨道的目标，并可提供空间目标的详细特征。

ODSI系统的主要作用是提供空间物体特性的图像和轨道位置数据，预计ODSI将由三颗或更多卫星组成，不仅增加了空间目标识别范围和空间监视网络的性能，而且支持卫星编目和空间态势感知能力。

3.1.3 天基红外预警系统（Space Based Infra-Red System，SBIRS）

图4 SBIRS卫星

SBIRS系统是美国为满足未来对空间目标进行红外监视而设计研制的，其主要任务是进行战略和战区导弹预警，跟踪从初始助推阶段到飞行中段的导弹目标，为导弹防御指示目标，提供技术情报。系统充分利用现有技术和方法，提供全谱监测手段，能满足作战部队对导弹预警、导弹防御、技术侦察和战场态势描述等要求，最终将取代现役DSP系统。

3.1.4 空间跟踪与监视系统（Space Tracking and Surveillance System，STSS）

SBIRS包括高轨道部分（SBIRS-High）和低轨道部分（SBIRS-Low）。其中：SBIRS-High的主要功能是探测弹道导弹发射的助推段信号，提供导弹的早期预警信息；SBIRS-Low具有探测助推段信号的功能，并能跟踪和监视中段飞行的弹头。2002年，SBIRS-Low被命名为空间跟踪与监视系统（STSS）。STSS系统由搭载着红外敏感器的若干低地球轨道卫星构成，经地面站连接到“弹道导弹防御系统”，将数据发回到地面指挥中心，支持快速、有效的拦截器发射，提供全球范围的、可持续的导弹探测和跟踪能力。

图5 STSS演示验证示意

3.1.5 试验卫星系列计划（eXperiment Satellite Series，XSS）

XSS系列卫星是一项空军研究项目，该项目利用多颗小卫星执行近距离军事行动，即围绕其他卫星机动，以便执行监视、服务或攻击等任务。美国空军的XSS微卫星已经进行了一系列的飞行试验，演示了对空间目标的监视能力。

XSS-11是美国空间研究实验室研制的新一代XSS系列卫星，主要试验对空间目标的监视能力及演示先进的轨道机动与位置保持能力。2005年，XSS-11微卫星成功进行了针对国防支援计划导弹预警卫星的逼近、绕飞等试验。

3.1.6 星历表精调天基望远镜（Space-based Telescopes for Actionable Ref i nement of Ephemeris，STARE）

STARE是美国国家侦察局（NRO）的空间态势感知纳卫星项目，目的是构建空间碎片监视纳卫星星座，提高预测空间碰撞的准确率。STARE项目2010年5月启动，计划分三个阶段实施：第一阶段为技术验证阶段，旨在验证利用纳卫星星座对空间碎片的轨道进行精确观测、并对空间碰撞进行预警的技术。该阶段将发射3颗技术验证卫星，利用光学有效载荷对空间目标进行成像；第二阶段为任务验证阶段，计划发射5颗卫星；第三阶段是业务化运行阶段，计划构建由18颗太阳同步轨道纳卫星组成的业务化运行星座，执行空间碎片观测任务，对空间碰撞进行预警。

图6 XSS-11卫星

图7 STARE任务运行概念示意图

3.1.7 联合毫弧秒探路者勘察计划（Joint Milli-Arcsecond Pathf i nder Survey，J-MAPS）

J-MAPS任务是美国海军天文台（USNO）正在研制的一项天基天文观测望远镜计划，主要用于提高恒星空间定位精度，可满足现有及未来恒星库的高精度定位需求，为星敏感器服务。尽管该任务的首要设计目标不是用于地球轨道附近空间目标的探测，但是基于系统的能力，也可对GEO目标进高精度测量。该卫星计划将任务周期90%以上的时间用于天文观测，5%以上的时间用于空间态势感知（SSA）任务（包括高精度轨道确定及成像观测）。

图8 J-MAPS卫星在轨示意

3.1.8 俄罗斯的空间监视系统（Space Surveillance System，SSS）

俄罗斯是除美国之外唯一拥有专用空间目标探测监视系统的国家，其“空间监视系统”是世界上第二大空间目标探测监视系统，主要由预警雷达探测网和分布在14个地区的20多部光电设备组成。最重要的光学探测系统——“窗口”（Okno）系统为有源光电空间目标监视与跟踪设施。2015年7月，俄罗斯首套“窗口-M” 地基光电空间监视系统具备完全运行能力，用于跟踪2000~40000公里高度的空间目标，与地基雷达配合，能使俄军空间监视能力覆盖目前所有航天器的运行轨道，空间目标监视能力增强4倍。根据有关数据进行分析测算，SSS每天能执行50000次观测，能够维持将近5000个目标的编目，其中大部分为低轨目标。

3.2 发展规划

3.2.1 美国

值得关注的是，美国除研制SBSS和ODSI这样具有全面覆盖空间能力的天基态势感知监视系统外，还在寻求对空间小区域范围、某一特定空间目标，或对本国空间资产周围环境进行监视的能力，为此，美国正积极研制可用于空间监视的微小卫星。

图9 ANGELS卫星

2005年11月，美国空军研究实验室提出ANGELS研制计划。该方案是利用质量小于15kg的纳卫星对在轨空间资产进行监视，作为其他空间监视手段的有力补充。ANGELS卫星计划于2011年和主卫星一起发射，被送人地球静止轨道，而后与主卫星分离并在主卫星附近做贴近飞行，监视主卫星周围的空间环境。这颗小卫星将验证监视地球静止轨道较大卫星的能力。ANGELS将携带12kg的望远镜监视其他卫星，主要执行监视空间天气情况，探测反卫星武器和诊断主卫星技术问题等操作。ANGELS计划中的空间态势感知系统能对地球静止轨道上卫星附近区域提供连续的监视，并详细探测进人这一区域内的目标及确定该目标的特征，这是其它地基和天基空间监视系统难以做到的。

3.2.2 欧空局

欧空局早在2006年就宣布要建立自己的太空目标监控网络，提出建设未来的空间监视系统（ESSS），并最终构建一个“空间态势感知系统”（SASS）。

ESSS方案从地基LEO目标、GEO目标、MEO目标探测监视方案以及天基敏感器监视方案等角度规划了欧洲未来的空间监视系统，其目标是定义一个模块化的欧洲空间监视系统，并且将由已经验证过的、低风险技术的各分系统组成。

欧洲各国认为应将现有的独立系统通过组网的方式建立起较为完善的空间监视网络系统。这样能够充分利用现有的空间监视资源，迅速组建欧洲相对独立的空间系统。除此之外，欧洲还将该系统定义为一个双重目的的系统，即一个不仅能够观测轨道碎片，而且同时能够监视通过欧洲领土上空的卫星的双重功能系统。

2012年3月，欧洲防务局指导委员会批准了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），旨在对空间目标进行探测、监视和侦察，以确保目前的法国“太阳神-II”系统、德国SAR-LUPE系统、意大利Cosmo-Sky med系统和“昴宿”星系统的服务延续到2015年～2017年以后。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。

3.2.3 加拿大

加拿大军方也积极开展空间目标探测技术研究。加拿大宇航局（Canadian Space Agency，CSA）和Dynacom公司等正在开展用于实现对近地小行星的搜索和跟踪，以及对地球轨道卫星的跟踪近地目标探测卫星（Near Earth Space Surveillance，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。

“恒星微振动观测”（MOST）是加拿大研制的世界上最小的太空望远镜，主要用于天文观测，但在天文任务的间隙，MOST还被用来进行空间目标探测试验，进行天基空间目标系统关键技术验证试验。目前，加拿大正在研制“高低轨观测卫星”（NEOS SAT）项目，也是天文观测项目，该任务期望使用一个光学望远镜载荷，完成两类在轨观察任务：近地空间监视和高轨空间监视，发现并观察近地小行星和彗星并确定其运行轨迹。利用科学项目积累的技术成果，加拿大国防部加快了空间监视系统（CSSS）的研发工作，该系统是加拿大的空间监视计划( SOFS) 中的核心部分。Sapphire卫星就是该系统的重要组成部分，它是一个携带光电有效载荷的小卫星，其主要观测目标是太空中活动的卫星及失效卫星、空间碎片等。

由上可知，以美国为代表的国家对空间目标探测系统及相关技术的重视程度进一步加大，资金投入将进一步加大，系统规模进一步合理化，军事意义增强,特别重视对空间战场态势的实时感知能力。

4 空间目标探测系统发展趋势

未来的空间目标探测必然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探测为主。在对上述国家天基空间目标监视特点分析的基础上,可以看出国外天基空间目标监视研究呈现如下趋势:

4.1 宏观总体趋势

①既发展大型或超大型天基空间目标监视系统，也发展小卫星天基空间目标监视系统（星座组网），同时加强对地球同步轨道目标的抵近侦察能力；

②监视手段以可见光、红外为主，但重视监视载荷的小型化、功能的互补性、全面性；

③监视功能更为全面。被监视的目标包括所有级别的导弹,低、中、高轨的卫星,空间碎片,太空粒子,气体污染,太空中、电离层及大气层的物理状况,太阳黑子活动情况,磁场改变情况等。监测到的目标特征信息更加全面详细,空间目标识别能力将进一步增强；

④监视性能的要求进一步提高,满足实时性、广空域、宽时域、阔频谱的要求。

4.2 具体技术趋势

4.2.1 成像目标探测

随着光学系统、高速大尺寸焦面探测器、高速信号处理技术的提高，完全有可能使目标在较远的距离时成面像，于是就可以利用目标外形及表面纹理的特性去对目标探测、识别，这样可以大大的提高探测概率。因而这方面的研究将变得极有价值。

4.2.2 反隐身探测

伴随着空间目标探测技术的发展，相应的反隐身技术也得到了大大地提高。目前，美国、俄罗斯、法国等都已经开展并应用了这方面的研究。因此要求能对经过隐身处理的空间目标也能够探测、识别和跟踪。这可以说是未来研究和发展的必然方向。

4.2.3 相对位置探测

目前，空间目标的种类多样，有卫星、空间碎片、弹道导弹等。对于不同的目标和不同的任务，所感兴趣的点有很大的差异，而这些点就要通过目标与探测器的相对位置来进行判断。随着任务的要求越来越高，对这中探测的要求也就越迫切。

5 结语

在全球太空资源开发热潮进一步高涨和未来太空作战趋势不断加剧的军事斗争形式中，空间目标监视系统起着重要而关键的作用。为了更有效地利用空间、更深入地探索空间，并为未来空间作战提供及时、准确的空间目标信息，世界各军事强国都在积极拓展对空间目标的监视范围，不断提高空间目标的观测精度。

天基空间目标探测技术是当前空间技术研究的最前沿，是未来进行空间目标探测和识别的重要发展方向，特别是近年来，随着我国航天事业的发展，对空间目标进行探测的需求越来越迫切。并且无论从保护空间环境，安全持续地开发和利用空间资源，维护我国空间权益，还是从提高我国空间航天器在轨运行寿命，保障载人航天安全出发，以及军事斗争，都需要加强对空间目标探测技术的研究。

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