[科普中国]-空间目标监视系统

简介

目前最先进的空间目标监视系统还是冷战时期美苏两国为监视敌方导弹进攻及侦察卫星而建造的地基跟踪系统。在两大系统中共有50多部雷达及各种光学和光电探测器，每天平均进行15万次观测，以保持对约1万个太空物体进行跟踪。它们能探测到低轨道上10厘米大小和地球同步轨道上1米大小的碎片。在美国，最先进的超级计算机也投入到了对太空垃圾的监视当中。超级计算机拥有超强的处理能力，它能用复杂的运算技术对太空监视系统拍下的照片进行处理，大大提高了照片的质量，帮助科学家们判断太空垃圾的类型和危害程度。我国开展了“空间碎片研究行动计划”，初步具备观测空间碎片的能力，并建立空间碎片动态数据库。此外，中科院南京天文仪器研制中心研制出一种精度高、光力强的太空垃圾探测望远镜，它大大提高了我国针对太空垃圾和人造卫星观测的精度。

传统的空间目标监视多采用地基光学望远镜、雷达探测器及无线电信号探测器组成的监视网，对空间目标进行探测和跟踪。这种方式的优点是技术成熟、投资成本低，能够对空间目标进行有效搜索和跟踪，但易受气象、地理位置和时间限制。为了提高空间目标监视能力，美国、加拿大等国都开展了建立天基空间目标监视系统的计划。天基空间目标监视系统的优点是不受地理位置和气象条件限制，其探测效果好，且战时生存能力强，但造价高，星上信息处理能力有限，功率也无法和地基监视系统相比。天基空间目标监视系统是未来进行空间目标探测和跟踪的重要发展方向。1

对系统要求空间目标监视是指利用多种探测方式或手段获取空间目标的运动与属性参数，对空间目标进行探测、跟踪和识别，了解、掌握和预判空间出现的各种机动事件和目标航天器状态变化。这里所指空间目标既包括在轨正常运行的航天器，也包括各种空问碎片，如失效卫星、入轨的助推火箭、遗弃的卫星整流罩或其他物体，还包括进入地球轨道空间的彗星和小行星等。近年来，空间目标监视已成为空间技术发展的一个重要领域。一方面世界各国发射进入空间的航天器越来越多，各种空间碎片也随之越来越多，空间发生危险碰撞的概率在日益增大；另一方面由于空间机动对抗技术的发展，使得来自空间目标的威胁显著提高，这些都对空间目标监视系统发展提出了新的更高要求。

从应用需求分析，发展天基空间目标监视系统主要解决当前空间目标监视存在的两大问题：一是解决现有地基空间目标监视系统对高轨道(尤其是地球静止轨道)目标监视能力不够，空间目标数据更新率较慢、目标跟踪的时效性不强等问题，技术途径是逐步建立包括多种探测方式、由多个平台组成的空间目标监视星座，与地基空间目标监视网形成功能互补；二是解决对特定空间目标(包括合作与非合作目标)的近距离观测与监视问题，获得对目标的运动与属性的细节描述，为空间目标识别与状态监视、航天器故障与威胁告警等提供技术手段，技术途径就是发展具有对非合作目标接近与伴飞的微小卫星监视平台，通过专门设计的观测轨迹，实现安全、可行、有效的近距离观测，获得特定的观测效果。天基空间目标监视的关键技术主要包括空间暗弱目标光学探测技术，高可靠性空间转台技术，星载数据处理技术，对空间非合作目标的自主捕获、跟踪与测量技术，自主轨道交会、伴飞与逼近技术等。2

分类空间目标监视包括地基空间目标监视和天基空间目标监视两种手段。地基空间目标监视采用由各种地基光电探测器、雷达探测器及无线电信号探测器组成的监视网，对空间目标进行探测和跟踪。由于受传感器分辨率、地理位置和气象条件等限制，地基空间目标监视系统在对空间目标的监测性能、范围、时效性等方面还存在诸多局限。以目前最先进的美国地基空间目标监视网为例，其探测能力为低轨道上10cm大小和地球同步轨道上1m大小的空间碎片，能够对约1万个空间目标进行跟踪与编目。天基空间目标监视是指通过安装在空间平台上的各种成像测量装置，对空间目标进行探测、跟踪和识别。与地基空间监视手段相比，天基空间目标监视具有机动灵活、探测范围广、不受疆域和气象条件限制、可以进行近距离详细观测等优点，能够有效弥补地基空间目标监视的不足，代表了空间目标监视系统新的重要发展方向。2

地基空间目标监视系统地基光学探测器实际上就是用望远镜收集空间物体反射的光。像所有的望远镜一样，它们的使用是受限制的。例如，它们不能跟踪在地球阴影里的物体，除非这些物体自己发光，云、雾、大气污染、城市的辉光或满月时的辉光，都可能降低光学探测器的观测能力，甚至使之不能进行观测被跟踪物体的大小及其与地球的距离大小，也是限制光学探测器能力的因素。雷达探测器不受气象、光照等条件约束，但所需功率高，造价昂贵，因此一般只用来监视中低轨空间目标。美国的深空空间跟踪系统利用灵敏的、高精确的、18.3米抛物面天线，探测和跟踪由卫星无线电信标机发射的S波段无线电信号，能够在短时间里跟踪许多卫星，但不能探测和跟踪空间碎片或完全不工作的卫星；为了克服地基系统的各种缺点，美国等航天大国开始计划和部署天基空间目标监视系统。1

地基空间目标监视系统主要包括空间日标监视雷达和空间目标监视光电系统。

一、空间目标监视雷达

空间目标监视雷达具有全天候工作、广域捕获能力强等优点，可预报空间之间物体的轨道和落点，对可能发生的碰撞和对空间系统的攻击进行预警。根据性质不同，空间目标监视雷达可以分为两大类：

第一类：专门用空间监视的探测器，称为“专用空间探测器”。争用无线电/雷达探测器有电磁篱笆空间监视系统和专门用于空间目标监视的监控阵雷达和精密跟踪。电磁篱笆空间监视系统类似丁在地球表面垂直上方竖起一张大网，凡是通过该网的目标都会被捕获到，不需要任何引导信息。犹如在水中竖起的渔网，用来捕获河中的鱼儿。专门用于空间目标监视和监控阵雷达和精密跟踪雷达叮以对重点目标识别精密跟踪，获得目标的精确测量数据，典型装备有美困A/FPS-85雷达等。

第二类：主要任务不是用于空间侦察监视，但可以用来担负空间侦察监视任务的探测器，在不执行其主要任务时， 可以用来提供空间监视数据，称为“兼用空间探测器”。兼用探测器在不执行上要任务时用于对空间目标探测。如弹道导弹预警雷达，平时也用于空间日标监视。典型装备有“铺路爪”雷达等。

二、空间目标监视光电系统

空间目标监视光电系统是指利用光学设备接收空间目标反射的可见光或红外光观测空间目标的系统。空间目标监视光电系统阜要由各种不同口径的望远镜以及配套设备组成。由于望远镜仅能获得目标的角度信息，要得目标的精确轨道，需要多台设备同时观察目标，采用交义定位法获得目标连续的位置信息。3

天基空间目标监视系统天基空间目标监视是一种国家战略信息获取手段，它利用天基探测设备，对进入空间、离开空间和在轨运行的航天器进行探测与跟踪，对空间碎片和自然天体进行观测，并结合其他相关数据，对目标进行综合分析与编目，向民用和军用航天活动提供空间目标信息支援。随着越来越多的国家拥有进入空间和利用空间的能力，空间变得日益拥挤、更加具有竞争性和对抗性，感知空间态势进而控制空间成为一些大国追求的目标。天基空间监视系统为获得此种能力提供了重要的物质基础。

为了对空间目标进行监视，已有多个国家和地区发展了地基监视系统。但地基监视系统对深空目标探测和识别的能力往往受到各种气象条件、地理位置和时间的限制，因而，发展可以突破此种限制的天基空间监视系统就显得尤为重要。美国的SBSS计划正是在这样的背景下应运而生，是此类系统的典型代表。4

天基空间目标监视系统能有效弥补地基目标监视系统在地理部署方面存在的不足。新一代天基系统还将具有获取全天时、全天候、近实时空间态势感知数据的能力，其探测灵敏度与搜索覆盖率等性能也将大幅提高。

其性能特征如下：

一、在轨道上部署不受地理条件限制

天基空间目标监视系统部署在地球轨道上，完全摆脱了地基空间监视系统在地理部署方面所受到的限制。如果从地面上探测高轨或地球同步轨道的目标，就需要在全球部署地面站，地域限制条件很严苛。天基空间目标监视系统往往一颗卫星就能实现对整个地球同步轨道的覆盖，还能从不同的方位观测目标，目标信号也不会经过大气衰减。

二、可提供全天时、全天候、近实时空间态势感知数据

已经在轨的“探路者”卫星采用高可靠、可配置的鲍尔平台BCP-2000，加装了高效太阳能电池阵，采用三轴稳定，设计寿命7年，发射质量1 03 1千克，在630千米的太阳同步轨道内运行。卫星上的有效载荷包括可见光传感器、双轴万向架和星上任务数据处理器等电子设备。与地基监视目标相比，SBSS运行在太空，不受地面上地理条件的限制，不受昼夜变化及气候变化的影响，能够一天24小时不间断地对空间目标实施近实时的监视。

三、探测灵敏度与搜索覆盖率等性能将有大幅提高

SBSS可见光传感器的质量为227千克，口径为30厘米，比“中段空间实验”卫星的“天基可见光探测器”传感器大一倍，视场也更宽。该传感器安装在高速双轴的万向架上，可快速转动以瞄准感兴趣的目标并进行拍照，可精确跟踪空间驻留目标以及大于1 0厘米的空间碎片，用于建立空间目标数据库，用于支持美军战略司令部的任务。与“天基可见光探测器”相比，“探路者”卫星的性能有大幅提高，具有全时段、全天候空间目标监视能力；其探测灵敏度提高了2倍，容量提高10倍，探测威胁的概率提高3倍，探测威胁所需的时间至少缩短了一半。

地基空间目标监视系统发展现状目前，美国和俄罗斯都建立了较完善的地基空间目标监视与跟踪系统。美国对空间目标的监视与跟踪主要是由“空间探测和跟踪系统”(SPADATS)中的观测设备来完成。此外，还采用了导弹核打击预警系统的设备、美国国防部的航天测控系统、美国和其他国家民用科研机构的无线电技术综合设施等。

美国组成

“空间探测和跟踪系统”本身包括空军的“空间跟踪”( SPACTRACK)系统和海军的“空间监视”( SPASUR)系统。“空间跟踪”系统的用途是监视航天目标被送入轨道和在轨配置的过程，它包括6个雷达站和4个光学电子台站，对位于地球同步轨道和大椭圆轨道上的航天目标实施观测。来自这些台站的数据用于航天器轨道参数的计算，为空间防御武器提供目标指示以及采取措施保护美国的军用航天系统。“空间监视”系统的目的是在新的航天器通过狭窄的垂直屏障波束时，发现它们并预先测定其轨道参数。这个狭窄的垂直屏障波束是由部署在美国领土上的9个雷达站（3个用于发射、6个用于接收）形成的。该系统能保证对轨道倾角在30°一150°范围内的航天器的搜索：一般情况下，航天目标都是在发射后的第1个轨道圈上被发现，而在发现后经过1- 3h才能计算出它们的初始轨道参数。

分类

组成美国空间监视网的各种探测器，依据其性质和隶属关系的不同，可以分为3大类：

第1类属于美国国防部，专门用于空间监视的探测器，称为“专用空间探测器”，主要包括贝克，纳恩相机和“地基光电深空空间监视系统”( GEODSS)等光电探测器、“海军空间监视”（NAVSPASUR）系统和AN/FPS - 85相控阵雷达等雷达探测器；

第2类属于美国国防部，主要任务不是用于空间监视，但可以用来担负空间监视任务的探测器，如弹道导弹预警雷达和情报收集雷达等，称为“兼用空间探测器”；

第3类属于其他机构，主要任务不是空间监视，但有可以用于空间监视的探测器，在其不执行主要任务时，能用来提供空间监视数据，如靶场雷达和用于科学研究的光电探测器等，称为“可用空间探测器”。

美国的这3大类探测器共同组成了一个遍布全球的空间目标监视网。从所用的探测器来说，美国的空间探测与跟踪系统主要由相控阵雷达（包括无线电系统）和光电探测器两大类探测器组成。这两种探测器各有优缺点，相互补充，构成完整的空间监视体系，探测距离超过36 000千米，对同一空间目标重复监视的时间间隔为5天。

俄罗斯为了监视与跟踪宇宙空间环境，俄罗斯在其武装力量中也建立了“宇宙空间监视系统”，其中包括宇宙空间监视中心。“宇宙空间监视系统”不间断地搜索宇宙空间，发现和跟踪各种军用航天器，测定卫星的轨道参数，并通过宇宙空间监视中心向俄罗斯武装力量各军种、军区发送原始信息通报（包括卫星类型、编号与国籍，通报卫星第1圈的轨道参数以及由于摄动引起的每圈轨道的参数变化等），供实施空间攻防对抗使用。俄罗斯在利用光电望远镜进行空间目标监视方面水平很高，在某些方面已超过了美国。

“天窗”系统是俄罗斯航天部队典型的有源地面光电空间监视跟踪系统，位于塔吉克斯坦境内的山区中，属于俄罗斯战略预警系统不可缺少的辅助支援手段。这种地基预警系统跟天基预警系统相比虽然小型、廉价，但能有效填补深空监视网的空白。该系统装备10台光学望远镜，每台重达36t，一般仅在晚上工作。每架望远镜根据所观察目标的高度来校正“目力”，短距望远镜跟踪200-1000千米高度的军事目标，包括美国的光学侦察卫星KH-II和KH-12等；普通光学望远镜可以观察到地球上空2 X 104千米的卫星，例如隶属于美国国防部的GPS卫星；远距望远镜能使3.6 X 104-4 X 104千米地球同步卫星轨道上的“间谍”原形毕露。“天窗”同时也监视太空垃圾，如空间试验站、火箭推进器的残骸，以及从火箭外壳剥落的一些油漆碎片。

总之，透过“天窗”能观测到经过俄罗斯上空的所有人造卫星，光学望远镜会把收集到的各种信息汇集到中央控制计算机里。计算机能自动剔除无用信息，只把捕获的人造航天器的信号储存起来，然后计算出航天器准确的坐标和轨迹，确定它的功能，再将数据和图形发至航天部队司令部。

相比而言，美国的地基监视系统计算太空目标的坐标更为精确，但俄罗斯相应系统所接收的信息流量更大，可以监视更多空间目标。为此，美国采取规模战术，即除直接在太空建立空间观测系统外，还在新墨西哥州、夏威夷群岛、葡萄牙、韩国、西班牙等地设立了光电观测站，以弥补系统性能上的不足。 1

天基空间目标监视系统发展现状美国美国正在研制的天基监视空间( SBSS)系统是美国为提高对空间目标监视、跟踪和识别能力，增强对空间战场态势的实时感知能力而研制的支持空间型天战武器装备。

SBSS是一个使用光电敏感器的卫星星座，它将成为太空侦察网的基石，极大地增强长期地基太空监视系统网络。第一份SBSS卫星合同于2004年年底签署。拟议中的SBSS系统由4-8颗卫星组成，高度为1100千米，设计寿命为5年，能够实现每天对空间目标监视一次并更新大多数卫星的位置数据。据称，SBSS系统将使美国对地球静止轨道( GEO)卫星的跟踪能力提高50%。
SBSS系统的概念研究于2002年启动，并提出了530万美元的预算要求。美空军计划使用现有的“中段空间实验”( MSX)卫星来确定SBSS系统的设计方案。MSX卫星的遥感器波长为110nm-28um，覆盖紫外到超长波红外谱段，另外还装有CCD可见光遥感器，该卫星发射于1996年，用于跟踪导弹，目前已完成原定使命，正在被用来加强“地基空间侦察系统”。按原计划，SBSS系统的研制经费为5.9亿美元，2007年发射，2010年投入使用，最终可能完全取代地基监视空间系统。但是MSX卫星上用于太空侦察的传感器使用年限已超过了设计寿命，有可能导致卫星覆盖出现空白。为了避免这种情况发生，美国空军计划在2006年发射第1颗SBSS。在研制SBSS系统的同时，美国将继续改进地基监视空间遥感系统和进一步提高监视空间的指挥控制能力与数据融合能力，为此在2002年提出了1570万美元的预算。所以，美国10年后的空间信息支持将南天基和地基一体化的监视空间系统构成。

随着微小卫星技术的日益成熟，利用微小卫星进行空间目标探测和监视也成为当前研究的热点。为继续进行空间平台小型化研究，美空军和国防高级研究计划局(DARPA)为10所院校提供经费，开发新型、低成本、供军方使用的纳卫星。这些纳卫星质量为2- 10kg，可以演示不同的GPS导航、小型化的传感器和微推进技术。2002年12月，奋进号航天飞机发射了2颗0.908kg重的卫星。这是空军与DARPA联合研制的。试验表明，其在轨自动监视能力又向前迈进了一大步。美国空军还进行了“实验卫星系统”(XSS)系列试验。XSS-10是系列卫星中的第1颗，已于2003年成功发射。该星能对位于低地轨道上的卫星近距拍照，演示了半自主运行和近距空间目标监视能力。美国空军于2004年发射XSS-11，主要试验对目标的监视能力，并用于演示先进的轨道机动和位置保持能力。

加拿大加拿大是北美防空联合司令部( NORAD)的成员，NORAD一直使用卫星跟踪服务来辨别目标是接近北美的弹道导弹还是在轨的23 000个以上的人造天体之一；卫星的跟踪功能离不开由空间目标监视网的雷达和光学传感器提供的数据，这些数据包括距离和方位角的连续测量值。加拿大启动空间监视计划的目的就是为了增加空间目标监视网的传感器，通过发展近地空间监视系统( NESS)来实现对近地球小行星的搜索和跟踪，以及对地球轨道卫星的跟踪。NESS任务是在加拿大空间局和加拿大国防部的支持下，由Dynacon和一个小行星科学家小组共同开发的。它在小卫星平台上装载小型成像望远镜，此成像望远镜是基于为MOST恒星光测任务而设计。

1996年，加拿大在MSX卫星上装载了天基可见光试验望远镜，它的口径为15cm，和加拿大第1个天基望远镜-MOST的望远镜口径一样。MSX的望远镜具有良好的性能，以至于试验结束后就被选为空间监视网的传感器。这也表明具有实现卫星跟踪任务所需的能力，该望远镜能够配置在1颗小卫星上。基于上述原因，在加拿大国防部空间监视计划中包括了发射用于跟踪卫星的小卫星，它主要用于跟踪地球静止轨道上的通信卫星和其他一些高轨卫星（NORAD所谓的深空目标）。该计划包括在2005年左右将1颗或多颗卫星送人轨道。NESS卫星上望远镜获得的目标亮度为11- 14，它获得的目标精度能够与NORAD规定的相适应，对于距离40 000千米的目标精度为1千米。1

空间目标监视系统的发展展望太空具有无比丰富的资源和特殊的环境，所以世界各国不惜巨资去征服或争夺太空领域制高点。随着信息化战争时代的到来，太空正逐渐成为新的战争领域。衡量一个国家的空间作战能力目前主要有3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。美国在《2020航天远景规划》中提出，监视空间作为到2020年控制空间要达到的5个目标之一，其主要任务是：对重要空间目标进行精确的探测和跟踪；实时探测可能对美国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。美空军最近又出台了未来太空战发展计划——《转型飞行计划》，它指出了空军未来需要研发的武器与技术：这份长达176页的计划从长远的角度阐述了美空军将如何扩展军事航天能力。在这份报告中，利用外部空间成了空军航天项目的重点，在美国空军未来系统概念中提出把建立SBSS作为近期目标之一，2010年前完成；把开发“轨道深空成像器”( Orbital Deep Space Imager)作为中期计划之一，预计在2010-2015年完成。美国空军航天司令兰斯，劳德将军表示，在用以监视空间物体的低地球轨道卫星采购拖期的情况下，美国空军正在计划研制的“轨道深空成像器”，是一种运行在地球同步轨道中的且具备同样功能的航天器。该航天器将跟踪和监测高轨道中的物体，比将在较低轨道中运行的SBSS更适合这一目的。由此可见，为了适应未来军事斗争获取信息优势的需要，美国正大力扩展其空间目标监视能力，此举也将促使世界各国开始新一轮太空军备竞赛，未来的太空将不会再是一片安宁的空间。1