美军天基空间态势感知系统的新发展
郝雅楠 陈 杰 张京男 / 文
近年来，美军天基空间态势感知装备快速发展，与地基空间态势感知装备共同构建了“天地一体、全球覆盖、高低轨兼顾”的空间态势感知能力。这里着重从主要任务、发展历程、性能指标、部署情况等方面研究美军天基空间态势感知系统的发展。
本文改进了传统的时频域级联，引入新型空时频抗干扰结构，有效地抑制了窄带和宽带干扰。同时改进了传统的子空间估计算法，降低了计算量和子空间估计误差，在数据精度受限的情况下，仍可获得较好的干扰抑制效果，仿真结果证明了该方法是有效的。
天基空间态势感知系统概况
从20世纪90年代到21世纪初，美国实施了多项空间目标监视卫星技术试验项目，包括“中段空间试验卫星”、试验卫星系统-10和11 、微卫星技术试验-A和B等，演示验证了相关关键技术，推动了天基空间态势感知卫星的发展进程。发展至今，美军共有10颗在轨运行的空间态势感知卫星，包括3颗技术试验卫星和7颗专用型业务卫星。
技术试验卫星包括1颗高轨“评估局部空间自主守卫纳卫星”和2颗低轨“星历可精调天基望远镜”卫星，用于在轨演示验证高轨抵近侦察技术和低成本空间监视技术。业务卫星采用高低轨组合配置，由4颗高轨“地球同步轨道空间态势感知计划”卫星和1颗低轨“天基空间监视系统-1”卫星、1颗低轨“作战响应空间-5”卫星、1颗低轨“太空跟踪与监视系统先进技术风险降低”卫星组成，重点对高价值航天器集中的地球同步轨道目标进行侦察监视。同时，美空军还启动了“天基空间监视系统后续计划”，计划接替现有的SBSS-1卫星，但其后续开发和应用也存在异议。
技术试验卫星的发展
“中段空间试验卫星”。 于2000年10月正式并入美国空间监视网，开展了为期18个月的技术演示。该星搭载了专用天基传感器系统，包括紫外成像仪、天基可见光相机和空间红外成像望远镜3种11台传感器，探测波长为0.6～26微米，覆盖紫外到超长红外谱段。由于SBV具有较大的视场，可进行多目标监测，并具有对地球同步轨道的完全监视能力。MSX卫星于2008年7月退役。
由实验结果可知，档案关联分析模型检索和全文检索系统的档案查全率要远高于传统的关键词匹配检索方法。同时因为样本中加入了照片类档案，关联分析模型的表现要优于全文检索方法。实验表明，通过构建档案关联分析模型能够提高档案检索的有效性。
（1）冠状动脉CTA成像技术的应用群体。临床适用冠状动脉CTA成像技术的患者群体主要包括疑似且不典型冠心病患者、冠心病症状的瓣膜病（换瓣前）、冠状动脉粥样硬化斑块状况检查。
ORS-5卫星由麻省理工学院林肯实验室建造，于2017年8月搭载轨道ATK公司的“米诺陶Ⅳ”火箭在佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军站发射升空，在高度约600km、倾角0°（与赤道重合）的低地球轨道进行检测，并辅助美军跟踪地球同步轨道的其他卫星和太空碎片。ORS-5卫星质量轻、体积小，卫星长约1.5m，质量约113kg，设计寿命为3年。ORS-5卫星是低成本、高自主化的小型卫星系统，ORS-5项目总成本为8750万美元，仅为SBSS-1项目的十分之一。同时，ORS-5卫星采用了“几何优化太空望远镜”概念，可实现快速、连续、无提示的GEO带搜索与识别，对GEO带空间目标乃至小碎片等微弱目标进行连续成像操作，卫星观测周期为104min，每天收集目标的跟踪信息约15次。美空军航天司令部第50太空联队下的第1太空作战中队负责运行ORS-5系统。ORS-5卫星使用多任务太空运作中心地面系统架构。
“评估局部空间自主守卫纳卫星”在厂房
业务卫星的发展
移动方案：将2号位空出作为定位，1号、3号可直接进行移动；移动4号时，4号和1号进行逆时针运动；移动6号车时，6号和3号进行顺时针运动；移动5号车直接下降即可。
“地球同步轨道空间态势感知计划”卫星。 是运行在近地球同步轨道上的，能够支持美国战略司令部空间监视的专用空间监视网络传感器。GSSAP卫星可以增强天基空间态势感知能力，提高对地球同步轨道卫星的快速检测、预警、表征和识别能力，通过及时、准确的情报数据来更好地保护美国和盟友的太空资产。2014年7月，首批2颗GSSAP高轨巡视卫星发射成功，进入近地球同步轨道，轨道倾角0.5°。GSSAP卫星具有高机动能力，能实现对GEO目标的交会逼近机动。2016年8月，美空军调用一颗GSSAP卫星进行机动变轨，抵近详查美海军“移动用户目标系统-5”卫星以确定其故障原因。2016年8月，第三、第四颗GSSAP卫星发射升空，与先期入轨的两颗GSSAP卫星在轨组网。2017年9月，美国施里弗空军基地第1太空作战中队验收了GSSAP-3/4，宣布这两颗卫星具备初始运行能力，正式转为在轨运行状态。GSSAP-3/4与2014年发射的GSSAP-1/2正式完成四星星座组网，将大幅提高美国对GEO轨道上运行卫星的持续监视与抵近侦察能力，为美军提供执行太空作战所需的空间态势感知能力。根据美国空军航天司令部官网公布的数据显示，目前4颗GSSAP卫星均在约35970km高的近地球同步轨道运行，其GEO全轨道相对漂移速度约为2.36°/天，相对漂移周期约为150天。同时，为进一步扩大美国在GEO上对其他目标的追踪和侦察能力，美国空军授权轨道科学-阿联特技术系统公司从2016年底开始研制GSSAP-5/6卫星，新卫星将采用现有设计方案，从建造到发射通常需要2～3年的时间，但最终发射日期尚未公布。
“评估局部空间自主守卫纳卫星”。 是能够自主伴飞在己方高轨卫星周围的护卫小卫星，具备实时连续威胁告警、攻击防御和受损评估等功能。该星由美国空军历时10年研制，于2014年9月与“地球同步轨道空间态势感知计划”双星一同以“一箭三星”方式发射入轨。是继美军XSS-10和11卫星飞行试验后的首颗高轨非合作目标自主抵近技术试验卫星。该卫星质量约100kg，进入预定的地球同步轨道后，从“德尔塔”-4火箭上面级上释放，并以上面级为目标进行逼近、绕飞、悬停等操作，测试星上导航系统和态势感知载荷性能，评估卫星自主探测、跟踪、监视空间目标并掌握目标特性和活动意图的能力。2016年8月，美空军发射了第2颗ANGELS卫星，目前该颗卫星仍在轨运行。
首颗天基空间监视系统-1卫星，也称SBSS Block 10卫星，是美军天基空间态势感知的骨干系统，与“先进技术风险降低”卫星是美国仅有的支持战略司令部太空监视行动的低轨天基系统。SBSS-1卫星研制历经8年，耗资近10亿美元，于2010年9月发射，是美军部署的首颗专用型空间态势感知卫星，卫星入轨后开展了一系列试验，于2013年进入业务运营阶段。SBSS-1卫星质量约为1031kg，运行在630km高的太阳同步轨道上，带有一台安装在可旋转的万向架上的30cm口径光学系统，采用三反消色散望远镜和面阵电荷耦合器件技术，焦面像元数量240万，可以兼顾测量精度和宽视场搜索能力的性能指标要求。探测器还采用了7色滤光盘，提升了空间目标识别能力。SBSS-1卫星具有全天时持续工作能力，平均每天观测12000个目标，可以快速扫描、发现、识别、跟踪低轨至高轨目标，特别是静止轨道的卫星、机动飞行器和空间碎片等目标，可在24h完成对整个静止轨道区域的扫描探测。SBSS-1卫星可对大于5cm的低地球轨道目标及大于50cm的（地球同步轨道）GEO目标进行监视跟踪，可编目1.7万个直径大于10cm的空间目标，跟踪800多颗在轨卫星。该卫星对LEO空间目标定轨误差约500m。SBSS-1卫星通过全球空军卫星控制网络和商业统一空间网络地面站传送信息到斯里弗空军基地，该基地的操作员负责监督SBSS-1卫星的日常指挥和控制操作。到2017年底，SBSS-1卫星已在轨运行超过7年，预计该卫星可持续运行至2020年左右。
“作战响应空间-5”卫星。 也被称为传感器卫星，能够从近地轨道扫描地球同步轨道带，协助美军追踪地球同步轨道上其他卫星与太空垃圾，提供轨道地图。该卫星与复杂度更高的大型卫星相比，成本显著降低。ORS-5卫星的核心目标是验证低成本效益的GEO空间态势感知技术，填补“天基空间监视系统-1”与下一代“天基空间监视后续系统”之间的能力缺口，进行技术演示以降低未来任务风险。
“地球同步轨道空间态势感知计划”卫星
“星历可精调天基望远镜”。 分别于2012年、2013年发射了STARE-1和STARE-2技术试验卫星，演示验证了适用于空间监视的微小光学成像系统和先进平台技术。“星历可精调天基望远镜”是由美国国家侦察局开展的低成本空间态势感知纳卫星星座项目，计划发展12～18颗卫星组成、分布在轨道高度700km的3个轨道面上的星座系统，与地面设施协同对空间目标进行高精度定轨，改善目前在轨碰撞虚警率过高的情况。系统全面运行后，将搜索整个空间、及时探测深空微小目标，可对相对距离小于300km、相对速度小于3km/s的空间目标成像，定位精度预计可从目前的1000m改进到100m，极大提升深空微小目标探测能力和定位精度。
“天基空间监视系统”。 是美军为增强实时空间态势感知能力而研制的新一代空间目标监视系统，原计划建立4～8颗卫星的星座，将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，大大加强美军对空间动态的反应能力。未来，SBSS系统将有能力搜索整个空间，既可以用于深空目标搜索任务，也可以执行近地目标搜索任务，同时能够与美国现有地基空间态势感知能力互补集成，构成美国未来的空间监视系统，为美军确保空间系统运行安全，增强空间目标编目的完整性，监视各国航天器在轨分离、轨道机动等提供支持。
“试验卫星系统”。 由美国空军研制，可围绕其他卫星机动，执行监视、跟踪及攻击等任务。第一颗卫星XSS-10演示了半自主运行和近距离监视空间目标的能力。该星发射重量约为31kg，于2003年1月由Delta-2火箭发射入轨。该卫星在800km的轨道上3次逼近Delta-2火箭第2级，分别在200m、100m、35m的距离上对火箭第2级进行了拍照。XS-11是美国空军研究实验室研制的新一代XSS系列微卫星，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。该星质量约为100kg，于2004年发射，2005年成功进行了对“国防支援计划”-23导弹预警卫星的逼近、绕飞等试验。
由于在地球同步轨道附近运行，GSSAP卫星获得了视野清晰且独特的有利位置，避免了通常会限制地基太空监视系统的天气干扰问题，可以全天候监视目标。同时，GSSAP卫星具有执行交会和抵近操作的能力，可以在感兴趣的空间物体附近机动，使GSSAP星座能以非常高的精度表征太空物体。其区分和表征太空物体的能力，有助于美国及其盟国实现太空利用，获取太空飞行安全信息，并确保自由进入和利用太空。GSSAP卫星完成组网后，将使美军高轨目标巡视侦察能力再次提升，进一步支持美军态势感知能力向支持太空战目标技术侦察、行动意图判断等功能拓展，其近距离攻击在轨目标的潜力也同步增强。GSSAP卫星通过世界各地的空军卫星控制网络地面站传送信息，然后发送到位于施里弗空军基地的第50空间联队下的第1太空作战中队。
“天基空间监视系统”-1卫星
2015年1月，美国空军宣布启动“天基空间监视系统后续计划”卫星，计划用一个3星星座接替现有的SBSS-1卫星，以增大覆盖面积，缩短目标重访周期。2016年7月美军对SBSS－FO的功能和进展情况进行简要介绍，但作为美国军方保密项目，SBSS－FO并未公布卫星设计方案、技术参数等详细信息。SBSS－FO将重点关注对高价值空间资产与深空目标的搜索、跟踪与数据采集，目前星座运行轨道未公布，星座可能运行在LEO、MEO、GEO或其他轨道。空军将决定SBSS－FO任务采购需求，并与多个组织合作建立SBSS－FO地面段。2018财年，美军计划授出项目研制合同并进行初步设计评审，推动SBSS－FO进入工程研制发展阶段，并通过空间安全与防御项目进行风险降低分析。根据国防部预算，美军计划在2020年完成SBSS FO关键设计评审，并于2022年发射达到全面运行能力。但也有消息表明，SBSS－FO项目有可能会停止。在2017年12月空军协调会上，雷蒙德上将称：“如果将空间视为作战域，SBSS－FO项目并不能满足需求，因此我们暂停了SBSS－FO项目，并与国家侦察局合作研发能够满足未来空间态势感知需求的卫星。这颗卫星很快会发射入轨，而且成本更低。”
太空跟踪监视系统先进技术风险降低卫星
“太空跟踪与监视系统先进技术风险降低”卫星。 原称是“Block 2010航天器风险降低”计划，用于验证原型传感器技术及其跟踪导弹的能力，旨在为导弹防御系统的新技术降低风险。
实现方式：在施工开始前或深化设计过程中利用BIM技术的可视化及可协调特性对各个专业（建筑、结构、给排水、机电、消防等）的设计进行空间协调，检查各个专业管道之间的碰撞以及管道与结构的碰撞，避免施工中管道发生碰撞和拆除重新安装的问题（见图15、图16）。
STSS－ATRR卫星是2009年5月从范登堡空军基地发射的一颗小型试验卫星，运行在低地球极地轨道。STSS-ATRR卫星耗资4亿美元，由美国通用动力公司建造，任务期为一年，传感器及卫星其他有效载荷的具体细节没有对外公布。美国导弹防御局表示，STSS-ATRR项目包括秘密任务。STSS-ATRR卫星发射之后，导弹防御局又于2009年8月在卡纳维拉尔角空军基地发射了2颗STSS演示验证卫星。这三颗卫星将验证星载技术在空间的性能，并测定产生数据的质量。2011年1月，“太空跟踪监视系统先进技术风险降低卫星”的运行和控制由导弹防御局正式移交给空军航天司令部。
“蓝宝石”卫星。是美国和加拿大合作的专用军事卫星，星上载有光电传感器，采取轨迹速率模式对高轨空间目标进行跟踪监视，并为空间态势感知提供服务。2014年该卫星投入运行后成为美国空间监视网的补充性传感器，可为其提供空间目标监视数据，设计寿命5年。目前，双方计划发展一种新型光电空间目标监视卫星，作为现役“蓝宝石”卫星的后继系统。作为改进型，该卫星将携带光电传感器，用于跟踪监视6000km以上的高轨空间目标，可在2021年后为美国空间监视网提供空间态势感知信息。
美国天基空间态势感知装备多隶属于军方和政府，与地基空间态势感知系统形成了有效互补，避免了地基空间监视系统的天气干扰问题，实现了全天候空间监视能力。随着美军尝试利用商业力量执行空间态势感知任务，商业公司也有望发展天基空间态势感知卫星来支持空间态势感知能力建设，拓展空间态势感知的数据源，提升美军空间态势感知的整体能力。
（中国航天系统科学与工程研究院）
“蓝宝石”卫星
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