航天地面站在空间非合作目标监视中的应用*

刘军锋，张力军，史艳阳，王 戈，黄先静，徐 建

(中国人民解放军63769部队，西安 710043)

0 引 言

空间非合作目标监视是空间态势感知的重要组成部分，空间目标监视系统的主要任务是对敌方重要空间目标进行精确探测与跟踪，确定可能对己方航天系统构成威胁的空间目标的特征和轨道参数[1]。空间目标的特征包含尺寸、形状、光度等多方面信息，丰富的特征信息能更加迅速地进行目标匹配，完成目标监视任务。当前，美国和俄罗斯正通过多种手段完善其空间目标监视体系，实现探测目标更小、监视时效更强、轨道精度更高、目标识别更细、作战响应更快的空间目标监视能力[2]。

美国空间非合作目标监视工作起步于20世纪50年代，在理论研究、体系建设等方面具有深厚基础。理论研究方面，美国在1998年《空间作战条令》以及后来《空间联合作战条令》中，对空间非合作目标监视、空间态势感知的任务做了明确规定[3-4]，不断强化空间非合作目标监视在空间作战领域的地位和作用。体系建设方面，从空间非合作目标监视入手，已建成天地基结合、全球分布的一体化态势感知系统，包含了目标轨道监视、雷达测量成像、可见光测量成像、红外测量成像、激光测量成像、红外辐射谱测量、无线电信号特征、高亮度测量等多种监视手段，具备极强的探测、跟踪、编目和识别能力[5]，并通过整合商用、民用和高校的监视手段，创建了空间数据采集平台，组建了全球最大的空间态势感知网络服务体系。该体系运用大数据技术融合处理各类传感器提供的实时数据，大大提升了空间非合作目标监视体系的作战效能[6-7]。

俄罗斯在空间非合作目标监视方面持续开展能力建设和试验验证。一方面，俄罗斯通过组建俄罗斯航天国家公司、空天军部队，从指挥管理上实现了航空航天与防空防天的集中统一[2]。另一方面，俄罗斯通过应用新技术，不断提升其空间非合作目标监视系统能力指标：其新一代导弹预警系统“沃罗涅日”超视距地基雷达站网络，可覆盖西北、西南、南部和东南部的导弹来袭危险方向[6]；新型地基光电空间态势感知装备“窗口-M”系统可识别轨道高度在120～40 000 km、大小10 cm以上的空间目标[2]；实施在轨卫星抵近侦察探测试验，通过释放子卫星对空间目标开展抵近探测，验证了其卫星在轨机动技术[8]。同时，俄罗斯正在加快开展基于人工智能的太空机器人自主操作技术研究，为后续太空目标在轨侦察、在轨攻击及在轨维修任务进行技术储备。

美俄凭借在空间态势感知领域的先发优势和技术积累，不断增大在该领域对其他国家的领先优势。为增加我国对己方空间资产的安全管理能力，必须统筹各类探测资源，综合运用各类感知数据，加速提升我国空间态势感知能力。

本文着眼空间非合作目标监视体系发展方向，论述了航天地面站在空间非合作目标监视体系中的应用场景，并提出航天地面站融入空间非合作目标监视体系的建设构想、关键技术及发展路线，以期为空间非合作目标监视体系的发展建设提供思路。

1 航天地面站在空间非合作目标监视中的作用

1.1 航天地面站简介

航天地面站是卫星测量控制和运行控制的重要组成部分，主要承担己方卫星的在轨管理任务，完成卫星的轨道测量、指令发送、遥测接收和载荷数据接收等工作。典型航天地面站组成如图1所示，主要包括天线、馈源、高频接收、上行发送、数据处理等部分，以及时间、频率等支持系统。

图1 航天地面站组成示意图

美国航天地面站包括专用航天地面站和共享航天地面站。专用航天地面站包括全球导航卫星地面站、国防气象卫星系统地面站、先进极高频卫星系统地面站等，主要完成特定卫星的测控工作和数据接收任务。共享航天地面站指除专用航天地面站以外的公用航天地面站资源，包括空军航天地面站、陆军航天地面站和海军航天地面站，主要承担特定卫星以外其他航天飞行器的测控任务。俄罗斯航天地面站的建设和发展与其载人航天、深空探测以及空间站等任务紧密结合，与其海上测量船、空间通信系统一起构成俄罗斯的航天测控网。

我国已建成覆盖多频段、分布广泛的航天地面站网，能够满足载人航天、探月工程、深空探测等多任务的飞行器测控需求。我国航天地面站覆盖L、S、C、X、Ka等多个频段，广泛分布于我国喀什、佳木斯、三亚等国内站点，以及阿根廷、纳米比亚等国外站点，具备低轨、中高轨、月球、火星等不同轨道的测控能力，保障了我国在轨航天器的测控任务和数据接收工作。

1.2 航天地面站在空间非合作目标监视中的优势

传统地基空间目标监视装备主要包括光学、雷达和全频段信号侦收设备等。光学设备可获取目标天文数据、轴系数据及光度数据，一般在傍晚或凌晨工作，工作时间相对固定，但受当时当地天气的影响，云层、雨雪、沙尘等均会影响光学设备的工作。雷达设备通过发射信号并接收目标回波来获取目标的特征，包括测距测速测角等外测数据、雷达散射截面积数据、形状特征等，但雷达工作需发射大功率上行信号，容易被目标卫星感知，隐蔽性不好。全频段接收设备工作频段宽，可对目标下行信号进行全频段扫描，获取目标疑似信号频段，但其在不同频段的天线增益太小，当目标下行信号电平较低时，全频段设备难以发现目标信号，难以执行目标信号实时监视任务。

相比而言，航天地面站可全时工作，受云层、雨雪、沙尘等异常天气影响较小，可满足长时间监视的任务要求。同时，航天地面站主要接收目标下行信号，目标卫星无法感知；且航天地面站天线增益高，能够发现目标微弱下行信号或宽带信号，具备开展空间非合作目标监视的能力与优势。

由于美俄已建成相对完善的空间态势感知体系，航天地面站在空间非合作目标监视任务中的作用未能凸显，主要为其空间监视平台的提供作战支援保障。我国空间非合作目标监视起步较晚，在空间非合作目标的监视识别方面还存在较大发展空间，利用航天地面站在空间非合作目标频谱特征感知方面的优势和能力，能够为空间非合作目标的识别和监视提供更多数据支撑。

2 航天地面站在空间非合作目标监视中的应用场景

2.1 空间非合作目标下行信号确定

开展目标跟踪监视的一个首要前提条件是确定空间非合作目标的下行信号，应用场景为：首先，根据空间态势感知系统提供的目标轨道，计算目标理论弹道，对非合作目标进行观测，记录目标空域内的所有疑似信号；其次，持续跟踪非合作目标下行信号，利用目标位置机动与疑似信号关联特点，排除错误信号，确定目标下行信号。

(1)记录疑似信号

根据目标轨道根数，利用航天地面站高增益天线对目标开展观测，获取天线波束内的所有疑似信号，录入数据库。使用的天线口径越大，波束越窄，波束内疑似信号相对较少。同时，由于大口径天线动态速度较小，在目标动态较大情况下难以满足目标搜索的要求，因此，需根据目标轨道特征，在满足目标动态跟踪要求的情况下，优先选择大口径航天地面站天线进行跟踪观测。在目标疑似信号搜索阶段，由于目标开关机规律未知，短时间的观测可能错过目标开机时段，无法获取目标疑似信号，需进行持续跟踪观测，记录跟踪时段内出现的所有疑似信号。

(2)目标信号确定

在确定目标疑似信号后，重点对疑似信号进行持续跟踪观测。利用单个或多个航天地面站在跟踪该目标不同疑似信号的指向数据，通过天线指向与空间非合作目标位置的关联关系，可计算出目标在空间的位置[9]。随着对该目标的持续观测，当目标进行轨道机动或位置漂移时，航天地面站跟踪不同疑似信号对应的天线指向数据差别逐渐增大，与之对应的空间位置也逐渐分开，此时，将不同疑似信号对应的空间位置与态势感知系统计算的目标空间位置进行比对，与态势感知统计算的位置结果一致的疑似信号，即为该空间非合作目标的下行信号。

(3)空间目标识别

目标信号确定后，将目标与其下行信号频谱特征进行匹配，建立数据库，在进行目标识别时，可综合利用目标多个维度的特征数据，提高目标识别的准确性和时效性。

航天地面站开展空间非合作目标观测试验的典型过程如图2所示。观测初期，航天地面站根据目标理论轨道指向目标，在目标点位发现多个频谱信号，由于非合作目标的频谱未知，无法直接判断目标的下线频谱信号。持续对发现的多个频谱信号开展观测，随着时间推进，不同频谱信号对应的空间位置逐渐远离。在目标确定阶段，将不同频谱信号对应的空间位置与目标理论空间位置进行比对，即可准确确定目标的下行信号频谱。目标信号频谱确定后，将目标及其频谱信号建立一一对应关系存入数据库，后续发现该频谱信号时，可辅助进行目标识别。

图2 航天地面站确定目标频谱信号过程示意图

2.2 非合作空间目标跟踪监视

通过航天地面站确定目标频谱信号后，航天地面站可对目标开展全时跟踪观测，典型应用场景如下：首先，安排航天地面站设备跟踪目标，并在目标区域内进行搜索，搜索并记录该区域内的信号频谱；其次，将搜索到的信号频谱与已确定的目标频谱进行匹配，发现与目标已确定频谱一致的频谱信号后，控制航天地面站天线对准该信号，对目标开展长期跟踪观测，并实时记录航天地面站天线指向。

当空间非合作目标发生轨道机动时，通过航天地面站天线指向的变化，可快速感知目标的机动方向及机动速度，为判断目标机动意图提供数据支撑；当目标丢失时，可根据目标信号消失前的理论位置、机动方向和机动速度，计算目标的可能位置，并在该位置及其附近一定范围内进行信号搜索，重新捕获跟踪目标。

我国航天地面站分布范围广、数量多，可覆盖较为广泛的同步轨道带目标，当目标在同步轨道带进行大范围机动时，可利用不同区域的航天地面站持续对目标开展观测，实现对目标的全时观测。

3 空间非合作目标监视体系构想

空间非合作目标监视体系主要解决对非合作目标识别的准确性和实效性两个方面的问题，这两个方面缺一不可又相互矛盾，要实现准确性和实效性的同时提升，需要依靠多种监视手段和综合数据分析。

美军正在从装备能力、体系建设、信息分析评估能力等方面强化其空间非合作目标监视体系，大力推进包括新一代“太空篱笆”“天基空间监视系统”“同步轨道空间态势感知计划”“轨道阿特拉斯”等项目[10]，不断丰富完善其空间目标监视手段，获取目标更多维度的特征数据，利用人工智能技术分析来自卫星、无人机和其他目标的数据，开展大数据分析，以保持在该领域的压倒性优势。美国空间目标监视网每天进行38～42万次空间探测，其新型“空间篱笆”每天对空间目标进行超过150万次探测、跟踪与编目，使得其空间监视网的目标编目能力提高10倍，达到20万个，地球同步轨道目标跟踪量级可达到10 cm，低轨道目标跟踪量级达到了1 cm[11-12]。其同步空间态势感知系列卫星在同步轨道带上下运行，具备大范围高速机动能力，搭载高分辨率遥感器与高性能电子窃听设备，可按照任务需求对地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO) 目标进行抵近巡视侦察。通过天基和地基多类型空间态势感知装备获取的多维特征数据，美军空间目标监视系统的监视范围已基本覆盖全球，编目能力超过20万量级，响应时间由几周缩短到几小时[4]，基本达到全天候、全天时的目标，正在向时间无缝、空间无盲的目标迈进。

俄罗斯空间目标监视系统主要由地基光学和雷达装备以及数据处理中心组成，目前管理着12 000余颗空间目标。俄罗斯空间目标监视主要依靠地基装备，而地基探测装备因地理条件限制，对超出地基装备可见范围的空间目标无法进行监视和编目管理，达不到全天候、全天时的目标。俄罗斯新一代“树冠”侦察系统能够实现地基光学系统与雷达系统的统筹使用：雷达系统提供光学系统跟踪所需的指向数据，而光学系统主要完成对空间目标的跟踪、精确定位与识别，从而提高其侦察系统的作战效能。

迅速而准确地识别空间目标需要综合多维度的特征数据以及对多维度特征数据的综合运用，而多维度特征数据的获得需要依赖于不同的观测装备及手段，多维度特征数据的综合运用离不开大数据分析技术，因此，全面实时获取空间目标的特征信息以及综合运用这些特征信息是目前空间目标态势感知领域的一个难题，而体系化云平台+大数据分析中心将成为空间非合作目标监视体系效能跃升的重要途径。采用体系化云平台能够实现各类观测数据的即时共享，体系中每一个装备采集到的目标信息均可快速传输至监视中心及到其他装备。大数据分析中心能够根据采集到的各类信息及历史数据进行分析，并将分析结果通过体系化云平台传输至体系内所有装备，为装备的跟踪观测提供数据支撑。

航天地面站融入空间非合作目标监视体系可提供更多维度的观测数据，为开展目标识别提供数据支撑，其典型应用场景如下：监视中心利用雷达、光学装备的观测数据确定目标轨道，体系内的装备以目标轨道为理论引导数据开展目标监视；天地基成像装备对目标进行侦照，获取目标光学数据和雷达特征；全频段接收装备通过频率搜索，确定目标下行信号的频段；航天地面站对目标进行长期监视，搜索确认目标下行信号频谱；通过体系内装备获取的外测、光学、频率等各类信息，监视中心可实现对目标的立体描绘，提高目标识别的准确性和时效性。空间非合作目标监视体系构想如图3所示。

图3 空间非合作目标监视体系建设构想

4 航天地面站融入空间非合作目标监视的关键技术及发展路线

4.1 关键技术

航天地面站融入空间非合作目标监视体系需解决装备能力及运行模式中存在的问题，开展关键技术研究，推动任务自动化、综合数据分析以及随遇接入等关键技术进步，加快航天地面站的改造升级以及空间非合作目标监视中心建设。

(1)任务自动化技术

任务自动化、智能化水平关系航天地面站以及监视体系的作战效能，自动化、智能化水平越高，航天地面站遂行任务能力越高，作战响应时间越短，作战效能就越高。航天地面站融入空间非合作目标监视体系，必须根据空间非合作目标监视任务要求，研究设计任务自动化流程，在任务受领、捕获跟踪、特征提取、信息传输等多个环节的自动化、智能化领域持续用力，全面提升航天地面站装备效能。

(2)大数据综合分析技术

航天地面站可获取目标电磁频谱特征，并通过天线指向数据计算目标的实时位置，推断目标的机动方向及机动速度，对开展目标行动意图研判具有较强的支撑作用。利用大数据综合分析技术，深入挖掘目标机动与行动意图之间的耦合关系，能够为空间非合作目标监视工作提供指导，并以此为基础建立分析评估预测模型，不断提升空间非合作目标监视体系分析预测能力。

(3)随遇接入技术

航天地面站的观测数据必须融入到空间非合作目标监视体系中才能发挥最大效能，空间非合作目标监视体系建设必须考虑多种手段共用、多源数据融合的问题。随遇接入技术能实现航天地面站从监视体系中获取所需的历史数据和先验信息，同时，也保证了航天地面站及其跟踪观测数据无缝接入空间非合作目标监视体系，在提升航天地面站运行效能的基础上，也为空间非合作目标监视体系稳定运行提供数据支持。

4.2 技术发展路线

航天地面站融入空间非合作目标监视体系需紧密结合当前航天地面站现状、发展及任务需求。近期，首先从航天地面站功能性能出发，梳理制约航天地面站遂行空间非合作目标监视任务的关键因素，包括航天地面站自动化流程优化、跟踪数据应用、目标电磁频谱库建设等多方面入手，推动航天地面站效能升级；中期，结合空间非合作目标监视体系建设，重点突破航天地面站随遇、数据共享共用等关键技术，进一步顺畅航天地面站与空间非合作目标监视体系之间的数据交互，实现航天地面站随遇接收、各类数据实时共享、分析结果按需获取；远期，重点研究大数据的分析技术，特别是针对空间非合作目标体系当中存在的光学、雷达、频谱、轨道等多维度海量数据，突破大数据分析技术在空间目标识别当中的应用的关键难点，提升空间非合作目标识别的准确性和实效性。

5 结束语

综上所述，空间非合作目标监视体系的效能提升将更加依赖多元的目标特征，航天地面站可获取空间非合作目标的信号频谱，并实时监视目标的空间位置，能够为空间非合作目标的快速识别和实时监视提供数据支持。加快推进航天地面站接入空间非合作目标监视体系，实现空间目标监视体系各类数据的融合和分析，能够提升空间非合作目标识别的准确性和实效性，在未来空间非合作目标监视体系建设中占有重要一环。研究航天地面站任务自动化、智能化以及随遇接入技术，并提升多维度特征数据综合分析能力，对发挥航天地面站的作战效能具有重要意义。