针对GEO目标的美国天基态势感知技术发展研究

范志涵 蔡亚星 李凤簪

(中国空间技术研究院，北京 100094)

地球静止轨道(GEO)卫星由于其轨道周期与地球自转周期相同，分布在GEO轨道上的卫星与地球表面相对静止，可以为地面用户提供连续、长期的服务。因此，地球静止轨道资源非常宝贵，成为各个国家太空竞争的热点区域。随着各国航天事业的发展，GEO轨道航天器的数量急剧增加，相撞几率也随之增加，轨道资源和频率资源变得越来越宝贵。2017年6月17日、8月25日，美国商用通信卫星-9(AMC-9)、印尼通信卫星Telkom-1在轨相继发生故障，导致卫星分离出多块碎片。2019年4月7日，国际通信卫星-29e(Intelsat-29e)也在轨异常分离出碎片。据报道这些事故的发生可能与空间碎片撞击相关，同时卫星分离出的碎片，也对其他卫星的安全构成威胁。因此，天基态势感知对保证未来航天器安全稳定运行非常重要。

针对GEO目标的天基态势感知是指采用不同技术手段获取地球静止轨道空间目标物体的信息和数据，通过对空间目标物体的探测、跟踪、识别，预测和评估在轨碰撞、恶意攻击对太空资源寿命和安全的影响。从目前的技术手段发展来看，针对GEO目标的天基态势感知技术试验卫星可划分为三种类型：①以针对GEO目标观测为主，以“地球同步空间态势感知计划”(Geosynchronous Space Situational Awareness Program，GSSAP)卫星为代表，该类技术经历了四代发展；②以针对GEO目标交会与抵近操作(RPO)为主，以局部空间自动导航与制导试验(Automated Navigation and Guidance Experiment for Local Space,ANGELS)卫星为代表，目前有两颗卫星进行了该技术验证；③以针对GEO目标编目为主，以天基空间监视卫星-1(SBSS-1)为代表。共开展了三类技术的试验验证，三类技术彼此支撑，通过编目卫星确定GEO目标的位置，观测卫星以编目信息为引导，实现对GEO目标的特征详察，操作卫星根据GEO目标的特征信息，实施对GEO目标的交会与抵近操作。三类技术联合应用，可以为GEO航天器在轨服务和空间攻防提供技术基础。

本文根据3类针对GEO目标天基态势感知卫星的历史延革，梳理其技术发展路线，对未来中国空间态势感知卫星的发展提供参考。

1 GEO目标观测卫星技术发展分析

GEO目标观测卫星以具有观测能力的传感器为主要载荷。公开数据表明，美国GEO目标观测卫星共经历了四代技术演进，第一代技术试验卫星为“徘徊者”(Prowler)卫星，主要监视俄罗斯和其他国家的通信卫星；第二代技术试验卫星为“微卫星技术试验”(Micro-satellite Technology Experiment，MiTEx)，分A、B两颗卫星，通过美国公布的信息，MiTEx-A和MiTEx-B进入太空之后，首先完成两者之间的相互观测，随后对失效的国防支援计划-23(DSP-23)卫星进行观测；第三代技术试验卫星为GSSAP，并发展为一型装备，通过美国政府问责局公布的信息，GSSAP卫星观测了中国、俄罗斯、巴基斯坦、尼日利亚等国家的卫星；第四代技术试验卫星是改进型一次性运载火箭次级有效载荷适配器增强型地球同步轨道实验室试验(Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV)Secondary Payload Adapter (ESPA)Augmented Geosynchronous Laboratory Experiment，EAGLE)卫星。

1.1 Prowler卫星

Prowler卫星是第一代GEO目标观测技术试验卫星。据美国非官方的组织或个人通过对星图观测推断，1990年11月，Prowler避开了俄罗斯的监控系统和位于古巴的信号情报(SIGINT)系统的追踪，搭载在“亚特兰蒂斯号”航天飞机上进入太空，利用自身推进系统变轨至准GEO轨道开展试验工作。

Prowler卫星采用休斯(Hughes)公司的HS-376卫星平台(长6.6 m、直径2.16 m)研制，星体结构为圆柱型，表面覆盖太阳能电池片，发射质量1300 kg。Prowler卫星采用自旋稳定的控制方案，以55 r/min的速度做旋转运动[1]。

20世纪90年代，美国是卫星运行轨道数据的唯一提供方，但美国并未公布Prowler卫星的发射信息及轨道信息。据报道，Prowler利用其轨道优势，不仅难以被追踪，而且能够在GEO带进行机动操作接近俄罗斯和其他国家的通信卫星，以便搜集目标卫星数据，如尺寸、雷达特征、质量和数据传输频率等。

外界普遍认为Prowler卫星的退役时间为1998年，美国并没有将其轨道高度升入GEO上方的坟墓轨道，而是将其轨道调整为经过西半球上空的椭圆轨道。因为美国至今没有正式承认Prowler的存在，而是将其列为公共卫星目录中航天飞机发射的额外火箭体，Prowler对于GEO目标观测的能力和其费用支出并没有官方数据。

1.2 MiTEx任务

MiTEx是一项利用微卫星进行的技术验证任务，其主要任务是对地球静止轨道运行的航天器、碎片和不明物体抵近观测和侦查。具体来说，MiTEx飞行器包括MiTEx-A、MiTEx-B和运载上面级三部分，MiTEx-A(USA-187)、MiTEx-B(USA-188)于2006年6月21日发射，上面级将MiTEx-A、MiTEx-B直接送入地球同步轨道。两颗卫星具有尺寸小、质量轻(单星质量为225 kg)的优势，很难在地球上探测到MiTEx卫星，因此保证在任务执行阶段的隐蔽性。

据资料显示，MiTEx计划在Prowler技术的基础上验证多种先进技术，包括轻型光学空间目标监视/态势感知传感器、轻量型电源系统、化学和电力推进系统、先进的轻量型结构、先进的微型射频技术、交叉链路、有源射频传感器技术、商业现货(COTS)处理器和软件环境、微型导航技术和自主操作。MiTEx卫星的局限性主要体现在该系列卫星必须通过接收地面操控指令才能对高轨航天器进行抵近观测，抵近距离相对较大，无法获取超高清的观测目标影像[2]。

2009年，DSP-23卫星发生不明故障，MiTEx-A和MITEx-B在准地球同步轨道对DSP-23卫星状态进行观测，MiTEx-B观测DSP-23的最近距离约为100 km，MiTEx-A最近的距离为170 km。但是MiTEx-A和MiTEx-B的最近观测距离均在100 km之外，没能进行更近距离的观测，这表明MiTEx-A和MiTEx-B仍不能精准控制对目标物体的观测距离[3]。

相比Prowler卫星，MiTEx对观测目标的距离更加接近，可以得到卫星的清晰图像，可推测：

(1)MiTEx卫星在图像获取和机动控制方面有了一定的提升；

(2)MiTEX卫星可以验证多项技术和能力，试验项目由原有的图像处理扩展到整个观测过程直至地面接收信息数据，试验范围的扩展代表了卫星试验能力的增强；

(3)MiTEx完成对商业现货处理器的试验，为将来卫星星座的开发，探索了低成本方案。

1.3 GSSAP卫星

GSSAP是由轨道科学公司研制的空间态势感知卫星。据资料显示，目前已经发射4颗GSSAP系列卫星，分别运行在GEO的上、下方，旨在监视地球同步轨道高度及其附近的常驻空间目标，以便及时准确地预测常驻空间物体轨道，从而评估地球同步轨道环境和安全。

根据运载火箭能力推算，GSSAP单星质量约为650～700 kg，每个GSSAP卫星可能携带大量推进剂，可为卫星漂移或停留在新位置时提供频繁的轨道机动能力，使卫星处于有利的观测位置，并近距离观测目标物体。此外，GSSAP卫星还配备两个太阳能电池阵列，可为有效载荷提供200 W的功率。根据卫星质量推算，GSSAP的速度增量超过1000 m/s，支持其在任务过程中完成大量的机动和轨道变换。GSSAP使用星敏感器和陀螺进行姿态测量，使用GPS确定轨道。卫星指向误差优于0.4 mrad，定位精度为50 m，侧摆能力达到1 (°)/s[4-5]。

GSSAP卫星携带的有效载荷包括光电传感器和无线电传感器。光电传感器专用于空间监视，收集特定目标卫星或物体的情报。光电传感器能够跟踪GEO卫星的光学信号，从而对目标卫星的运动轨迹做出预判，进而鉴别卫星身份并分析其动态；无线电传感器可以甄别卫星的无线电信号发射，进而判断卫星目的和记录卫星活动。

根据公开数据信息，4颗在轨GSSAP卫星并没有成对工作，而是各自独立工作，图1、2分别给出GSSAP-1(USA-253)、GSSAP-2(USA-254)卫星近几年的轨道信息，从图中可以看出，卫星入轨后进行了多次轨道机动，工作在GEO的上方或下方，轨道倾角通常维持在0°附近，便于对GEO卫星进行观测。

图1 GSSAP-1卫星近4年轨道变化情况

图2 GSSAP-2卫星近3年轨道变化情况

GSSAP卫星已近距离接近若干颗中国和俄罗斯所属的军、民用卫星以及中国制造并由其他国家运营的卫星，如表1所示。相比MiTEx卫星对DSP-23的观测试验，GSSAP卫星的最近观测距离可达10 km。光电传感器的使用显著地提高了GSSAP对于目标物体的观测和分析能力[6]。

表1 GSSAP卫星曾接近的目标

相比MiTEx卫星，GSSAP卫星具有优越的机动性能，观测距离缩短了一个数量级，并配置高精度光电传感器和无线电传感器，可以在地球同步轨道上获得清晰、无障碍的观察视角，不受天气或地面系统制约地观测空间目标物体。

1.4 EAGLE飞行器

EAGLE飞行器由轨道ATK公司基于ESPAStar平台研制。2018年4月14日发射入轨，被称为第四代空间态势感知试验的技术验证星。根据公开信息显示，EAGLE(USA-284)到达GEO下方的准同步轨道后，部署了3颗100 kg级子卫星，分别是麦克罗夫特卫星(Mycroft，USA-285)和代号为USA-286、USA-287的两颗子卫星，其中2个箱形子卫星约2018年4月26日左右部署，第3个子卫星在2018年5月11日左右部署[7]。图3给出EAGLE飞行器入轨以来的轨道变化情况，图4、图5、图6分别给出Mycroft卫星、USA-286卫星在2019年内5个月的轨道变化情况和USA-287卫星2018年内5个月的轨道变化情况。

根据3～6图，结合USA-285，USA-286的轨道机动能力预测，EAGLE飞行器与运载火箭分离后，首先进入GEO下方500 km处释放Mycroft卫星和USA-286卫星，随后将轨道抬高至GEO下方200 km处释放USA-287卫星，最后将轨道抬高至GEO上方300 km处，未再进行频繁的轨道机动。

图3 EAGLE飞行器发射2018年5月之后轨道变化情况

图4 Mycroft卫星2019年4-7月轨道变化情况

图5 USA-286卫星2019年4-7月轨道变化情况

图6 USA-287卫星2018年5-9月轨道变化情况

根据公开数据和资料，EAGLE主要目标是进一步推动空间态势感知和其他空间军事化相关系统技术。探索GEO卫星成像新方法，汲取早期态势感知任务的经验教训，演示 “弹性”卫星平台系统。其搭载了以下5个有效载荷：

(1)高光谱时域成像相机空间试验(HTI-SpX)：旨在验证在有规律的时间间隔条件下，利用各种波段(红外、紫外、可见光)获取的目标混合图像中，提取目标特性的大量信息。

(2)Mycroft：通过一个小型可操控卫星脱离、交会对接试验平台的过程验证态势感知非合作交会系统、导航算法、检测传感器等技术的可行性。

(3)紧凑型环境异常传感器III风险降低(CEASE-III-RR)：空间天气参数测量的有效载荷，以帮助卫星故障归因与恢复。

(4)逆向合成孔径激光雷达(ISAL)：通过激光传递信号，并运用逆合成孔径原理对目标物体进行成像，其分辨率不受望远镜的衍射极限的分辨率限制，同时降低了对阳光规避的限制，这使ISAL成为拍摄GEO空间物体的理想方法[8]。

(5)AFRL-1201弹性航天器平台开发实验(ARMOR)：用于测试未来弹性卫星系统的相关运行指标。

根据以上飞行器轨道和载荷情况分析，EAGLE飞行器母星最大可能配置载荷(3)、(4)，其验证的ISAL技术可能会被下一代GSSAP卫星所采用。载荷(2)为释放的空间目标抵近与交会技术试验卫星，载荷(5)为USA-286、USA-287卫星，根据USA-287卫星距GEO近和倾角小的特点分析，其应为GEO目标观测技术验证卫星，可能配置载荷(1)。

1.5 GEO目标观测卫星技术发展趋势

第一代GEO目标观测卫星Prowler主要是搜集目标卫星数据，如尺寸、雷达特征、质量和数据传输频率等，但是由于对外公布的数据较少，对于图像搜集和处理能力并没有明确的数据描述。

第二代GEO目标观测卫星MiTEx在Prowler技术的基础上，验证各种先进技术，包括轻型光学空间目标监视/态势感知传感器、轻量型电源系统、化学和电力推进系统等。

第三代GEO目标观测卫星GSSAP借助光电传感器和无线电传感器对空间目标进行全方位检测，包括外观监视、身份鉴定、轨迹预判、鉴别信号等，卫星机动能力大幅增强，形成一型装备，具备实战能力。

第四代GEO目标观测卫星EAGLE采用了先进的逆合成孔径激光雷达技术，可以实时捕获运动目标的超高清图像信息。成像手段由光学相机，逐步转化为以逆合成孔径激光雷达技术为主的观测手段，逐步实现全天时、全天候观测等多种技术优势。

美国未来的GEO目标观测卫星预期会发展为光学和雷达两条技术路线，由于对空间物体进行观测的安全距离限制，进行超近距离观测的可能性较小，而是进一步增加观测相机载荷的分辨率等性能指标。由于雷达的观测分辨率与距离无关，随着成本的降低会逐渐成为一种更重要的观测手段。

2 GEO目标交会与抵近操作卫星技术发展分析

GEO目标交会与抵近操作卫星以自主导航、制导与控制为主要验证目的。GEO目标观测卫星在轨也进行抵近操作，主要基于地基测量信息完成引导，因此抵近距离相对较远，都在10 km以上。GEO目标交会与抵近操作卫星主要基于天基的相对测量信息，开展自主导航与制导技术验证。根据公开资料显示，该类技术试验卫星包括ANGLES和Mycroft，其中，Mycroft是ANGLES的后继任务。

2.1 ANGELS卫星

ANGELS是美国空军研究实验室(AFRL)空间飞行器理事会的项目，旨在推动空间局部监测和感知能力的发展，承包商为轨道科学公司。ANGELS卫星(USA-255)作为AFSPC-4(GSSAP 1，2)任务的次级有效载荷，于2014年7月发射入轨开展试验，ANGELS卫星最终于2017年11月宣布退役[9]。

ANGELS卫星安装在运载次级有效载荷适配器(ESPA)上，入轨后与ESPA分离。卫星质量约为120 kg，配备了可精确测量航天器加速度的微型加速度计，以加强ANGELS卫星导航和制导能力。内置的安全系统，减少在GEO轨道拥挤的环境中与目标卫星或任何其他卫星发生碰撞的可能性。此外，ANGELS还对GNSS系统进行了测试，该系统使用NASA开发的算法从地球静止轨道中可用的GPS旁瓣信号中导出有效导航数据。ANGELS卫星2015年2月以来的轨道变化情况见图7。

图7 ANGELS卫星在2015年2月以后的轨道变化情况

从图7中可以看出，卫星在2015年2月以后，始终在GEO上方300 km以上的轨道带内开展飞行试验。根据公开信息显示，ANGELS卫星在距离上面级50 km的范围内，开展了与上面级的交会试验，并花费几个月的时间重新回到距离上面级几千米的范围内，测试了有效载荷传感器的功能。整个自动化试验设置若干控制点，保持地面站对航天器的积极控制，卫星在控制点等待地面控制站对下一步交会任务做出指令，为整个任务建立“人在回路”的保障和控制机制[10]。

ANGELS卫星通过对较大目标进行一系列监测和机动测试任务，并在目标周围进行多次交会和导航操作，以测试导航软件、传感器和推进器在实际空间环境中的工作状态。在超同步轨道验证了卫星交会、近距离操控和定点保持技术。该类技术可广泛适用于国防和民用太空任务。

2.2 Mycroft卫星

Mycroft卫星是EAGLE飞行器的一个子卫星，其目标是探索增强空间物体表征能力和导航能力的方法，主要研究飞行安全的控制机制，并探索用于增强空间态势感知的设计和数据处理方法。Mycroft卫星通过与EAGLE飞行器脱离、交会、抵近的过程验证非合作目标交会系统、导航算法、检测传感器等技术的可行性。根据空军数据，Mycroft卫星将使用摄像头观测EAGLE飞行器周围的区域，并使用其传感器和软件执行高级制导、导航和控制功能。Mycroft卫星“将探索增强空间物体特性和导航能力的方法，它将研究用于飞行安全的控制机制，并将探索用于增强空间态势感知的设计和数据处理方法”。

Mycroft卫星本体尺寸为56.6 cm×56.6 cm×70 cm，卫星通过反作用轮和姿态控制推力器提供六自由度的三轴控制，采用24 安时的锂离子电池组和太阳能电池板，功率高达265 W，起飞质量约为70 kg，有效载荷质量约为30 kg，设计寿命为3年，计划在轨试验持续12～18个月[11]。

对于Mycroft卫星自主导航与制导能力的测试，根据美国空军情况说明书，Mycroft曾按计划任务飞往距离EAGLE约35 km的位置，然后重新回到距离EAGLE约1 km范围内[12]。根据轨道参数分析，Mycroft卫星应该是与USA-286卫星在GEO下方500 km处开展的自主导航、制导与控制试验。

相比ANGLES卫星，Mycroft卫星距离控制更精准，并探索更高级别的任务自动化和自动任务计划和执行。

2.3 GEO目标交会与抵近操作卫星技术发展趋势

根据美军GEO目标交会与抵近操作卫星的技术验证情况分析，其抵近目标卫星的距离更近、控制更精准。ANGLES以上面级为其出发点，在50 千米到几千米的范围进行交会试验，并在几千米的范围测试其有效载荷；Mycroft则是在距离USA-286卫星35 km到1 km以内的距离进行交会试验。

GEO目标交会与抵近操作卫星未来将会对距离把控更精准，距离的控制将会以“米”作为控制单位。有效载荷能力的扩充，也会使卫星在交会与抵近的过程当中，具备其他的功能，例如：攻击、控制、信号拦截等。

3 GEO目标编目卫星技术发展分析

对GEO空间目标编目可以采用地基和天基两种手段，本节将重点分析天基手段的技术发展情况。天基GEO空间目标编目卫星可以选用低轨和高轨两种方式，两种方式各有优劣，低轨卫星相对速度快，单星即可快速遍历全GEO目标，以SBSS-1卫星、SensorSat卫星为代表；高轨卫星相对速度慢，可长时间凝视GEO目标，但需要多星实现全GEO带常态覆盖，以S5卫星为代表。

3.1 SBSS-1卫星

SBSS-1卫星星座由4～8颗卫星构成，用于跟踪地球同步轨道上的空间物体，并为未来的空间控制，实现态势感知，是ACTD(先期概念技术演示验证)的后续任务，到目前为止只发射了一颗卫星。

SBSS-1卫星基于鲍尔航空航天技术公司(Ball Aerospace Technology Corporation)的BCP-2000平台进行研制，采用固定的太阳能电池阵为其供电(寿命末期输出功率840 W)，三轴稳定结构，使用肼推进系统，发射质量1031 kg，设计寿命7年，于2010年9月26日发射入轨，运行于高度630 km、倾角98°的太阳同步轨道，完成全GEO带目标的观测需要绕地球运行12～14周，整体观测周期较长。

SBSS-1卫星配置1台30厘米口径240万像素双轴凝视成像相机，安装在双轴万向节上，提供3π球面度的视场，平均每天进行15 000次观察，不受天气、时间和环境的影响。SBSS-1卫星可以监测地球同步轨道上的小于1 m3的物体，可以提供目标物体轨道数据，预测其运行轨迹，避免碰撞的发生[13]。

3.2 SensorSat卫星

SensorSat卫星是作战响应空间-5(Operationally Responsive Space-5，ORS-5)任务的一颗子卫星，为开展高轨态势感知技术验证而研制。卫星长1.5 m，质量140 kg，设计寿命3年，2017年8月26日发射升空，工作在600 km的0倾角轨道[14]。

SensorSat卫星采用麻省理工学院林肯实验室提出的几何优化空间望远镜(GeOST)的概念。GeOST概念被应用于赤道上空的低轨卫星，卫星并不是直接垂直指向GEO轨道，而是指向自身位置对应GEO轨道前方的一部分，并保持监视相机的速度方向与视线方向垂直，同时保证目标卫星速度方向与卫星间矢量方向垂直，此角度称为“魔角”。在此情况下，可以保持卫星的图像在焦平面上短暂静止，允许监视相机有更长的积分时间和更高的灵敏度。如果采用直接向上的监视方式，探测器需要增大十倍。

SensorSat卫星与SBSS-1卫星相比，由于工作在0倾角，可以对GEO进行连续观测，每天会对GEO进行十多圈扫描，其对GEO目标的编目效率显著提高。

3.3 S5卫星

S5是蓝色峡谷技术公司(Blue Canyon Technologies)为空军研究实验室研制的搭载在次级有效载荷适配器上的微卫星，能够检测和定位GEO轨道空间物体，以便对GEO目录进行常规和频繁更新。蓝色峡谷技术公司在其声明中表示“S5任务的目标是衡量开发低成本星座的可行性和可承受性，以便对GEO空间目录进行常规和频繁更新”。

图8 S5卫星2019年3-7月轨道变化情况

S5卫星发射质量约为60 kg，2019年2月22日发射入轨，设计寿命1年。图8给出S5卫星近5个月的轨道变化情况，由图可以看出，S5卫星入轨后进入GEO上方300 km处开展空间目标编目试验，未进行频繁的轨道机动。

3.4 GEO目标编目卫星技术发展趋势

GEO目标编目卫星以编目相机为主要有效载荷，美国分别在不同的轨道上对GEO的航天器和碎片开展编目试验，包括低轨太阳同步轨道卫星编目试验、低轨0倾角卫星编目试验和超同步轨道卫星编目试验，各种技术路线均可实现对GEO目标的编目。

未来GEO目标编目卫星轨道应该在0倾角低轨与超同步轨道之间选择。0倾角低轨卫星方案可通过增加卫星数量实现快速编目数据更新；超同步轨道卫星需采用星座形式，实现全GEO的实时编目数据更新，目前澳大利亚高地球轨道机器人公司也提出采用12颗超同步轨道微卫星星座实现全GEO目标的实时编目方案。

4 美国针对GEO目标的天基态势感知技术发展趋势及其对我国该技术发展启示

美国针对GEO目标的天基态势感知技术旨在实现全方位、全天候的目标编目、观测和抵近，其技术发展趋势为：①美国利用中小型卫星独立开展GEO目标观测、抵近与操作、编目等技术验证任务；②美国在针对GEO目标天基态势感知观测技术方面，扩展雷达和光学两种观测方式，不断提升观测性能；③在针对GEO目标抵近方面，卫星不断提升控制精度和抵近距离技术水平，完善自主执行任务的能力；④在针对GEO目标编目方面，卫星探索多种编目手段，寻找高效的编目方式。

通过调研美国针对GEO目标的天基态势感知技术发展情况，可见美国目前通过大量飞行试验选择技术路线，其大量试验结果对我国该技术的发展有如下启示。

(1)针对GEO目标观测技术，加快微波、光学等多种观测技术的验证，获取目标的全方位感知要素，从而确定专用系统的技术路线。

(2)针对GEO目标交会与抵近操作技术，加强相对导航制导与控制相关技术的验证，实现对目标的安全抵近与交会。

(3)针对GEO目标编目技术，开展不同轨道对GEO目标的编目技术研究，弥补地面编目手段的不足，实现低成本、快速重访的编目方案。

5 结束语

本文对美国针对GEO目标的天基态势感知技术进行了系统分析，浅释了针对GEO目标的天基态势感知技术体系发展的方向与途径。随着人类对GEO空间的不断开发和利用，GEO空间必将越来越拥挤，针对GEO目标的天基态势感知技术对于太空安全非常重要，各航天大国必将不断探索针对GEO目标的天基态势感知技术，增加态势感知卫星的数量，进而实现对GEO航天器及其他常驻空间物体的全天候监视。