解读美军天基空间监视系统 太空将成美后花园【

2019-10-18 01:45 来源:未知

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  长期以来,美国军方一直将空间态势感知能力的构建作为空间对抗准备的重点发展方向。空间态势感知系统负责获取空间情报监视侦察和环境监测信息,为防御性和进攻性空间对抗提供全面的信息支持。随着全球航天活动的增加,空间碎片、空间碰撞问题日益突出,特别是2009年美俄卫星相撞事件后,美国军方更加重视发展空间态势感知能力。

美国空军太空司令部为了扩展SSA工作,升级了太空监视网络的地基元件。目前海军运行的海基雷达也可能对未来的SSA有所贡献。

  (作者系空气动力学家、航天技术专家,长期从事空气动力学、航天发展战略研究,为我国大型试验基地建设、载人航天方案论证、新型航天器研制做出了突出贡献,著有《航天空气动力学》《高超声速飞行器空气动力学》《空天大视野》等专著。》)

  其他各国天基空间目标监视系统

“天基太空监视系统”

  根据规划,美军正在建设的第二代“太空篱笆”将在今年完成部署。原美国空军航天司令部司令威廉·谢尔顿将军曾多次宣称,“太空篱笆”是提升美国太空能力的关键,属于“最优先”发展的项目。

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MSX载有美国空军太空监视网中唯一的天基传感器——“天基可见光传感器”。星载仪器还包括若干可视传感器、紫外传感器、红外传感器和光谱传感器。MSX的大多数传感器需要冷却剂使其红外探测仪器维持低温,不过SBV并不需要冷却剂,所以即使其它传感器不能再运行了,它也能持续发挥效用,可以很好地跟踪进入太空中的弹体。

  提到美国军用卫星,大家对侦察卫星、导弹预警卫星比较熟悉,对“低调”的太空态势感知卫星比较陌生。太空态势感知卫星好比太空中的“监视员”,其他卫星主要监视地球上的目标,而太空态势感知卫星则是监视其他卫星。因此,虽然“低调”,但却有重要的作用,地位也非常高。

  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,投入使用后将成为美国空间监视网(SSN)的一部分。“Sapphire”卫星的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。

SBSS发射以后,将由太空运行第一中队指挥,并将最终从单一卫星演变为拥有3~4颗卫星的小型星座。预计在2009年上半年进行首次发射,下半年形成一个小型星座。

  地基太空监视系统:“太空篱笆”越扎越紧

  日前,美国空军太空司令部宣称“天基太空监视系统”(SBSS)10单元的卫星已拥有初步作战能力(IOC),这标志着天基监视系统在其研发周期内已具有实战能力。这个卫星由轨道科学公司在2010年9月25日发射升空,是SBSS系统的第一个卫星。根据计划,随后将发射的SBSS系统20单元是由4颗卫星组成的星座,比10单元功能更强,稳定性更好。

太空态势感知

  第一代“太空篱笆”,可保证对轨道倾角约30度-150度范围的卫星进行搜索,能追踪地球轨道上篮球大小的物体,多年来一直是美国太空监视的主要手段之一。然而,由于系统老化、功能不足且耗资巨大,美国空军航天司令部已于2013年9月1日关闭了第一代“太空篱笆”,改由其他监视系统暂时接替“太空篱笆”系统的部分功能。

  SBSS项目于2002年正式启动,主要目的是建立一个低地球轨道光学遥感卫星星座,拥有较强的轨道观测能力,重复观测周期短,并可全天候观测,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静止轨道卫星的跟踪能力提高50%,同时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,从而大大提高美军的空间态势感知能力。SBSS系统发展将分两个阶段进行:第一个阶段的目标是研制和部署SBSS系统10单元卫星提供一种过渡的空间监视能力,监视近地轨道物体;第二个阶段将部署由4颗SBSS卫星组成的卫星星座,并将应用更为先进的全球空间监视技术。预计于2015年SBSS系统成功部署后,美国将形成天地一体化空间监视系统。

MSX卫星于1996年由弹道导弹防御组织发射,太空运行第一中队1998年12月4日接管卫星的指挥与控制。该中队与麻省理工学院林肯实验室、约翰•霍普金斯大学应用物理实验室共同运行这颗卫星。应用物理实验室研发、测试并发射了这颗卫星,还提供了技术顾问和系统工程师;麻省理工则筹划了传感器试验,处理MSX传感器的数据。

  准备发射的GSSAP卫星

致富彩官方网站 2 美国在轨部署的空间监视卫星

MSX是地球同步轨道上跟踪物体的天基平台,卫星的初始任务是跟踪从地球发射的洲际弹道导弹。太空运行第一中队指挥官表示,凭借MSX卫星,美国空军拥有了不受天气与大气条件影响的跟踪平台。MSX卫星退役后,“天基太空监视系统”将代替它。

  “太空篱笆(Space Fence)”是美国提高太空态势感知能力的另一个关键项目,属于太空监视系统的地基部分。“太空篱笆”指的是由多个地基相控阵雷达站构成的大型太空探测系统。

  天基空间目标监视系统与对地侦察卫星的功能有很多相似之处,都是侦察卫星对感兴趣的目标进行观测。不同的是,天基空间目标监视系统所观测的目标的特殊性,给天基系统的构建带来更多的挑战。地面目标与对地观测卫星的相对几何关系比较稳定,相对速度也较小。而天基空间目标监视卫星相对于空间目标的几何关系变化较大,相对速度也较大,最大可以达到15公里/秒。怎样在这样的高速条件下对目标进行观测和跟踪,是未来空间目标监视系统发展中需要解决的关键技术问题。

美国太空运行第一中队将于6月2日告别“中段太空实验”卫星,该卫星是美国空军太空态势感知卫星的基石,在轨服役10年多。

  目前,美国天基太空监视系统主要包括:“中段试验卫星”(Midcourse Space Experiment,MSX)、“天基太空监视系统”(Space Based Space Surveillance,SBSS)、“天基太空跟踪与监视系统”(Space Tracking and Surveillance System,STSS)、“地球同步轨道太空态势感知项目(Geosynchronous Space Situational Awareness Program,GSSAP)”,以及后续各种可遂行太空监视任务的空间平台(小卫星)等。其中,MSX主要用于弹道导弹中段监测和跟踪、太空目标监测和地球背景环境探测试验研究等;SBSS主要针对GEO(地球同步轨道)轨道进行探测,其先进的转台跟踪能力,不仅能对高轨目标探测跟踪,而且具备对低轨及机动目标探测能力。GSSAP主要也是针对GEO轨道。SBSS系统将使美国对地球静止轨道卫星的跟踪能力提高50%,同时美国空间目标编目信息更新周期由5天左右缩短为2天,信息的更新频率大幅缩短。

  不难看出,在天基空间目标观测领域,美国仍然是走在前列的领头羊。可以预见,在2015年后,当美国计划的所有天基空间目标监视系统都完成部署实现实战能力后,太空就俨然成了美国的后花园,太空中所有一举一动都逃不出美国这些“天眼”的监视,这将大大增加太空乃至地球的安全。然而,这也势必导致美国的技术霸权和政治霸权得到进一步巩固,这又是每一个热爱和平的人不愿意看到的。(国防科技大学 陈海萍 石海明)

这不只是空军的事情,也包括陆军,麻省理工学院林肯实验室……以及国外的运行设施。所有信息汇聚到第一太空控制中心,这是联合太空作战中心的组成部分。这里的太空专家通过信息判断物体在太空中的位置及其性质。

  第二代“太空篱笆”建成后,不仅可将日益增多的“太空垃圾”纳入美国的监控范围,而且更能及时捕获在其部署地上空沿中低轨道飞行的弹道导弹和卫星,为美国的国家和战区导弹防御系统和反卫星武器,提供实时准确的情报信息。美空军希望能同时在太平洋马绍尔群岛共和国夸贾林环礁和澳大利亚部署多部“太空篱笆”大型地基雷达站,但美国国会仅批准了在夸贾林环礁地面雷达基站的建设经费。在那里运行的第二代“太空篱笆”雷达基站获得的数据,将被送到美国本土范登堡空军基地的联合太空作战中心,与其他太空监视网络的数据融合,共同为美军提供全面的太空态势感知能力。

  经过50多年的发展,美国建立了部署在全球多个地点,由30多部探测雷达、跟踪雷达、成像雷达、光学望远镜以及无源射频信号探测器组成的地基空间监视网,可以编目管理大部分空间目标。但总的来说,美国地基空间目标监视系统还不能充分满足美军空间态势感知和空间对抗的军事需求。一是还有覆盖盲区,二是地基观测设备受到天气、大气环境的影响较大,容易发生观测误差。

“中段太空实验”卫星

  相对于地基太空监视系统来说,以太空态势感知卫星为主要组成部分的天基监视系统有明显的优势。天基系统能提供不受天气影响的、适应性较强的太空监视能力,并能对位于静地轨道上的高度关注的物体,进行更及时的重访。这是美国重视发展太空态势感知卫星的主要原因。

  从广义上来讲,空间的物体都是空间态势感知的对象,如暂时经过太空的战略导弹中段、高低轨工作卫星、废弃卫星、空间碎片,以及经过近地空间的小行星和彗星、深空的行星和恒星等。而从狭义上来讲,空间目标监视主要应用在空间对抗和空间安全维护上,因此天基深空探测部分不在空间态势感知的范围内,但在技术实现能力上近地空间目标监视和天基深空探测有很多相似的地方。

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  “太空态势感知就是太空作战管理。今天,太空比以往任何时候都更加拥挤、更加具有竞争性,对美国能力的威胁也与日俱增。美军应加强太空态势感知的能力,以便在太空作战并取得胜利。” 这是近日美国空军第20太空控制中队艾林·萨利纳斯少校撰文表达的观点。

  除上述大型的天基空间目标监视系统以外,美国空军还积极研制微小卫星,让其成为空间监视力量的重要组成部分。微小卫星成本低、研制周期短,可以在战时或紧急时刻及时发射,并且可以由多颗航天器组成星座或进行编队,完成对重点目标的及时准确跟踪监测。美军未来空间监视中微小卫星应用的方案包括:一、针对突然出现的可能有敌意的非合作空间目标,当其他天基、地基空间监视探测器无法获取所需的关于目标更为详细的信息时,可以使用微小卫星(包括在轨驻留的和及时响应发射的微小卫星)靠近目标,获取更为详细的目标特征数据,并推断非合作目标的意图。二、针对需要特别保护的合作空间资产,可以在其附近部署微卫星,监视受保护航天器周围环境,对威胁进行预警,判断该威胁是自然破坏还是人为攻击,并有效采取防御措施。目前美国可能用于空间目标监视的微小卫星项目主要有“近场自主评估防御钠星”(ANGELS)计划、“空间试验卫星”(XSS)计划和“小型轨道碎片探测、捕获与跟踪”(SODDAT)计划。

MSX卫星示意图

  “太空篱笆”系统由多座大型地面雷达组成。

  “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(即运行方定期进行维护和软件更新时),MOST还被用来进行任务之外的空间目标探测试验,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”(NEOSSat)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。

截至2003年上半年,MSX卫星已完成原定使命,被用来加强美国国防部的“地基空间侦察系统”。同年启动的“快速攻击识别、探测与报告系统”研究工作,预计可提升MSX的效能。

  去年9月12日,美国科罗拉多州施里弗空军基地第一太空作战中队两颗“地球同步轨道太空态势感知计划”(GSSAP)卫星获得初始运行能力。这两颗卫星开始运行之后,美国军方将拥有4颗地球同步轨道太空态势感知卫星,进一步增强其态势感知能力。美国空军太空司令部司令雷蒙德当时表示:“第三和第四颗GSSAP卫星将显著提升我们描绘地球同步轨道上的目标特征的能力,给我们提供了成功遂行太空作战所需的感知能力。”

  与部署在低轨的SBSS系统不同,美国空军正在研制和部署的“轨道深空成像仪”(ODSI)系统则是一个由运行在地球静止轨道的成像卫星组成的卫星星座,其主要任务是执行空间目标识别,拍摄地球静止轨道空间目标的高分辨率图像,并实时或定期地提供相关信息,支持整个空间战场感知和空间对抗作战。2005年1月,波音、洛马和诺格3家公司通过竞标成为ODSI概念研究的合同商,按计划ODSI卫星将于2015年进行首次发射。

太空态势感能力就是了解卫星在太空中的位置、名称/编号、用户及用途;还要了解太空自然环境及陆地环境,因为它们会影响卫星系统及能力。SSA能让太空系统运行者使用他们的武器系统作战,并为全球作战人员提供其系统能力。

  美国空军航天司令部已经明确了太空态势感知的四大支柱:信息描述、数据综合与利用、威胁预警和攻击报告。为实现这四个支柱,美国空军航天司令部为太空态势感知规划了多个实体项目,这些项目包括地基和天基两大部分。其中,太空态势感知卫星是天基系统的重要组成部分。

  早在1996年,美国就发射了“中段空间试验卫星”MSX。MSX上搭载的主要设备有:空间红外成像望远镜(SPIRIT Ⅲ)、紫外和可见光照相机(UVSI)和天基可见光传感器(SBV)。主要任务是对导弹中段的发现和跟踪,进行导弹中段预警。该项目1997年完成技术验证,并开始将项目和技术融入到空间目标监视系统中,1998年正式运行,2008年退出使用。MSX验证了新一代导弹预警和防御所用探测器技术,收集和统计了有价值的背景和目标数据,其成熟技术都将转换到新一代天基空间目标监视系统上。

尽管MSX卫星将于6月2日关闭,但它在太空态势感知方面的作用将由后继者SBSS继续承担。 SBSS系统是一个低地球轨道光学遥感卫星星座,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。SBSS是美国近期发展天基空间监视能力的重要计划,分两个阶段进行:第一个阶段目标是研制和部署一颗“探路者”卫星,以此来替代美国目前唯一的天基探测器——MSX卫星上的天基可见光探测器——从而提供一种过渡性的天基空间监视能力。

  2011年2月4日,美国五角大楼公布了《美国国家太空安全战略》。该报告中明确提出:“我们将提高我们的情报能力,加强预测性感知、特征描述、预警以及责任归究,更好地监控太空领域内的活动。因此,太空态势感知和基础性情报将继续是最优先的事务,因为它们是我们了解自然干扰的能力,了解其它行为体能力、活动和意图的关键。”同时,美国还将太空感知能力作为领导和约束其他航天国家的重要手段。上述报告表明:“美国是太空态势感知的领导者,可以使用其知识,来促进合作化太空感知关系,支持安全的太空活动,并保护美国及盟国的太空能力和活动。”因此,美国正在不断加大太空态势感知系统的构建,在继续完善、增强地基太空监视系统的同时,加大了天基系统的建设。

  2011年2月4日,美国五角大楼公布了《美国国家安全太空战略》,该战略中明确提出:“我们将提高我们的情报能力,加强预测性感知、特征描述、预警以及责任归究,更好地监控太空领域内的活动。因此,太空态势感知和基础性情报将继续是最具优先性的事务,因为它们是我们保持了解自然干扰的能力,了解其它行为体能力、活动和意图的关键。”同时,美国还将太空感知能力作为领导和约束其他航天国家的重要手段,“美国是太空态势感知的领导者,可以使用其知识来促进合作化太空感知关系,支持安全的太空活动,并保护美国及盟国的太空能力和活动。”因此,美国不断加大空间态势感知系统的构建,在继续完善、增强地基空间目标监视系统的同时,加大了天基空间目标监视系统的建设。

谈到MSX,就必须谈到太空态势感知。位于彼德森空军基地 的空军太空司令部总部负责太空态势感知及指挥与控制的长官认为,SBV是美国太空态势感知中至关重要的组成部分。随着太空成为竞争更加激烈的环境,SSA日益重要。

  太空态势感知卫星:监视卫星的卫星

  “天基太空监视系统”(SBSS)是美国空间态势感知能力建设的重要发展方向。SBSS系统将同其他空间目标监视系统一起组成全方位的空间目标监视网,让太空目标无所遁形。那么,空间态势感知的意义何在?天基空间监视系统的特点和优势在哪里?各国的发展情况又是怎样?请看科技日报特约专稿——让太空目标无所遁形的“天眼”

SBV传感器是传感器系列中的一种,关涉到SSA的建设。有三支第21太空中队分遣队在运行这个陆基光电深空监视系统,分别位于新墨西哥州索科罗、英属印度洋领地及夏威夷的毛伊岛。三个导弹预警单位也对SSA图像有所贡献,它们是马萨诸塞州的Cape Code空军雷达站第六太空预警中队、加利福尼亚州的比尔空军基地第七太空预警中队、格凌兰岛的图尔空军基地第12太空预警中队。

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  目前,其他国家也开始意识到天基空间目标监视的重要性,但和美国多星座、多谱段、多任务、一体化全球覆盖的模式不同,他们都根据自己的科研水平和经济实力采取微小卫星、复合任务的发展策略,在发展其他航天项目时,积极对天基空间目标系统相关的关键技术进行技术验证。

  “同步轨道太空态势感知项目” (GSSAP)主要用于监视地球同步轨道的卫星。

  德国预计2013年发射的“AsteroidFinder”卫星,是一颗以观测近地轨道卫星和空间碎片的微小卫星。意大利罗马La Sapienza大学(又叫罗马一大)的GAUSS小组正在研制Unisat-5卫星。该微小卫星主要用于民用科学试验,利用光学观测系统对空间碎片进行监视。

  不断增强太空态势感知能力,既是美国太空安全政策的基石,又是美国实现太空军事化的前提。为此,美军在过去几年发射了多颗太空态势感知卫星,增强对别国卫星的监视能力。此外,用于监视太空的地基太空监视系统也在不断完善,太空态势感知能力已经有了很大程度的提高。

  天基空间目标监视系统的发展则有效地弥补了这些缺点。在不同轨道上部署空间目标监视卫星、多颗卫星进行组网、天基系统与地基空间目标监视系统相联合等措施,将有效地减少对空间目标的观测盲区。尽管天基空间目标监视系统受发射限制,不能携带大型的观测设备,但因在轨道上可以近距离观测某些目标航天器,因而其观测精度并没有下降。相反,因在外太空没有大气遮挡,光学探测设备的能见性比地基设备的效果相对要好一些。特别是对地球同步轨道这样拥有约3.6万公里高度的高轨卫星目标,天基空间目标监视系统比地基系统有更好的探测效果。

  美军第一代“太空篱笆”于1961年建造,最初由美国海军使用,2004年转交给美国空军第20空间控制中队。第一代“太空篱笆”的地面系统全部在美国国内,沿北纬33度线部署。9个大型地面雷达基站从美国佐治亚州的塔特纳尔,到加利福尼亚州的圣迭哥,绵延数千公里。其中3个雷达基站向太空发射垂直地面的扇形波束,形成一道像“篱笆”状的雷达波,另外6个雷达基站则用于捕捉和接收所有穿越“篱笆”时反射回波的目标,从而有效实现对地球轨道上高速飞行物体的探测。这个系统发出的电磁波,可将整个北美大陆笼罩起来,就像一个巨大的太空“篱笆”。

  此外,美国空军研制的“天基红外系统”(SBIRS)和“空间跟踪与监视系统”(STSS)卫星尽管都是为实现导弹防御而研制的系统,但也具有很强的天基空间目标监视能力。

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  美国天基空间目标监视系统概况

  2014年初,美空军与洛克希德·马丁公司就第二代“太空篱笆”研制方案达成协定。根据该协定,美空军将得到性能更强的S波段陆基雷达系统,以便探测到体积更小的物体。第一代“太空篱笆”只能探测到2万个直径大于28厘米的物体。第二代“太空篱笆”将能追踪超过20万个直径大于2厘米的物体。

  天基空间目标监视优势明显

  通过天基和地基监视系统的配合,目前,美国每天可完成6万余次对太空目标观测,并对10厘米以上的1.6万个在轨目标进行探测、跟踪和分类。能够对包括高轨道和低轨道的别国卫星尤其是军用卫星在轨运行状况进行分析, 可以为作战运用提供强大的信息支持。

  测试中的“天基太空监视系统”(SBSS)卫星

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  美国空军的地基监视系统除“太空篱笆”外,还包括陆基光电深空探测系统(GEODSS)和兼职做太空监视的导弹预警雷达网等。不过这些地面设施,具有局限性。这些设施不仅受大气环境和太空环境的影响很大,而且其监视能力也存在空白,如太空篱笆需要卫星穿过它的波束,对于具有变轨能力的航天器,它就显得无能为力。

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