鄭耀耀

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

空間作戰(zhàn)武器對(duì)航天器飛行控制及其遙操作的需求分析

鄭耀耀

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

圍繞空間作戰(zhàn)，介紹了美國(guó)“實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)”飛行試驗(yàn)情況，列舉出“實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)”的主要飛行操作，分析了空間作戰(zhàn)的航天器飛行控制的技術(shù)支撐與遙操作系統(tǒng)構(gòu)成，有助于下一步深入研究相關(guān)測(cè)控技術(shù)。

空間作戰(zhàn)平臺(tái)；飛行控制；遙操作；空間交會(huì)；自主接近；快速響應(yīng)

隨著空間作戰(zhàn)武器的快速發(fā)展，太空競(jìng)爭(zhēng)也愈演愈烈，越來(lái)越多的航天器被發(fā)射到太空?qǐng)?zhí)行各種作戰(zhàn)任務(wù)?？臻g作戰(zhàn)的核心就是要求航天器能跟蹤逼近目標(biāo)星，圍繞目標(biāo)星選擇打擊部位，進(jìn)而控制天基武器攻擊其要害部位。同時(shí)，當(dāng)航天器自身攜帶的燃料用盡或者功能單元老化失效時(shí)，航天器使用壽命也將終結(jié)。如何提高航天器空間作戰(zhàn)能力及在太空軌道的生存能力，增強(qiáng)其控制效能是未來(lái)航天器在軌服務(wù)的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。

測(cè)控通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)的發(fā)展為解決上述問(wèn)題提供了可能?？臻g飛行器可以借助遙測(cè)遙控操作技術(shù)提供各種在軌服務(wù)，包括空間作戰(zhàn)航天器的飛行控制及遙操作等。因而從長(zhǎng)期發(fā)展角度來(lái)看，適應(yīng)空間作戰(zhàn)武器平臺(tái)的飛行控制和面向空間作戰(zhàn)的遙操作技術(shù)將成為我國(guó)未來(lái)探索與控制太空必不可少的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。

1 美國(guó)“實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)”飛行試驗(yàn)狀況

1.1“實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)”XSS-10的飛行試驗(yàn)。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)射“實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)”的目的就是驗(yàn)證低軌道空間機(jī)動(dòng)、接近觀測(cè)、確定弱點(diǎn)進(jìn)行打擊、星上推進(jìn)和高分辨率攝像機(jī)等技術(shù)[2]。XSS-10衛(wèi)星系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)行自主交會(huì)對(duì)接、接近操作、機(jī)動(dòng)控制和目標(biāo)觀測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證空間飛行器之間的近距離檢查操作以及自主導(dǎo)航等技術(shù)。其飛行試驗(yàn)包括：德?tīng)査?2的第2級(jí)彈射釋放XSS-10、它和德?tīng)査?2火箭2級(jí)制導(dǎo)部分分離與交會(huì)及接近操作、拍攝微衛(wèi)星的彈射過(guò)程和德?tīng)査?2第2級(jí)的數(shù)字圖像、軌道機(jī)動(dòng)試驗(yàn)。驗(yàn)證近距離太空目標(biāo)監(jiān)視能力和半自主接近飛行，表明它可以用于靠近在軌的其他衛(wèi)星進(jìn)行近距離檢查操作[3]。通過(guò)完成相應(yīng)試驗(yàn)任務(wù)，標(biāo)志微衛(wèi)星自主機(jī)動(dòng)的算法、集成化的光學(xué)攝像機(jī)和星敏感器的設(shè)計(jì)及運(yùn)行基本成功。光學(xué)攝像機(jī)和星敏感器提供了很好的目標(biāo)（火箭體）圖像，該衛(wèi)星驗(yàn)證的技術(shù)還有關(guān)鍵位置保持、機(jī)動(dòng)控制和自主導(dǎo)航所必需的邏輯制導(dǎo)、控制軟件，衍生于導(dǎo)彈攔截器的輕質(zhì)量雙組元推進(jìn)系統(tǒng)制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制技術(shù)。

1.2“實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)”XSS-11的飛行試驗(yàn)。XSS-11衛(wèi)星系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)行低軌道更長(zhǎng)時(shí)間和更強(qiáng)機(jī)動(dòng)能力的全自主接近試驗(yàn)，驗(yàn)證使用微衛(wèi)星延長(zhǎng)接近操作時(shí)間和實(shí)現(xiàn)全自主操作等技術(shù)[2]。其飛行試驗(yàn)包括：①使用先進(jìn)的自主事件規(guī)劃器、監(jiān)視器和前向思維資源管理器等手段，自主規(guī)劃、自主操作，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)；②地面操作人員利用增量箱步進(jìn)技術(shù)，謹(jǐn)慎和安全地移動(dòng)操作，支持衛(wèi)星向目標(biāo)近處移動(dòng)，通過(guò)從人工操作向全自主操作過(guò)渡的試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?shí)現(xiàn)數(shù)次衛(wèi)星交會(huì)、機(jī)動(dòng)和接近操作，并做視覺(jué)成像器和測(cè)距敏感器的能力試驗(yàn)，驗(yàn)證了接近檢查和全自主接近技術(shù)；③通過(guò)衛(wèi)星和多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行接近操作，并獲得靠近目標(biāo)的圖像，用于接近操作的安全和確認(rèn)程序的指揮控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主共軌能力和成像操作；④在衛(wèi)星全自主的接近操作中，利用星上迭代的彈道模擬技術(shù)，在衛(wèi)星上計(jì)算并校準(zhǔn)軌道參數(shù)，保證推力器十幾次點(diǎn)火的最佳時(shí)間和推力方向。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入工作敏感器的范圍之內(nèi)時(shí)，相同的引導(dǎo)和自主算法允許衛(wèi)星完成圍繞空間目標(biāo)接近到100m距離的許多類型的機(jī)動(dòng)，包括各種位置保持、轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)和環(huán)繞飛行等，能圍繞目標(biāo)快速移動(dòng)或溜走，或進(jìn)入自然暈輪軌道[4]。

1.3 美國(guó)微衛(wèi)星技術(shù)實(shí)驗(yàn)（MiTEx）計(jì)劃。美軍方MiTEx計(jì)劃是將軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)試驗(yàn)上升到靜止軌道的項(xiàng)目，主要目的是確定、集成、試驗(yàn)和評(píng)估與靜止軌道機(jī)動(dòng)有關(guān)的微小衛(wèi)星技術(shù)。該計(jì)劃是衛(wèi)星在自主操作、機(jī)動(dòng)和位置保持的前提下，進(jìn)行各種飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證衛(wèi)星和火箭上面級(jí)實(shí)現(xiàn)高軌道機(jī)動(dòng)所需要的技術(shù)，驗(yàn)證一次發(fā)射多顆小衛(wèi)星進(jìn)入靜止軌道的能力和軌道機(jī)動(dòng)的諸多技術(shù)，獲取操作經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)備在天基試驗(yàn)床計(jì)劃中驗(yàn)證天基攔截等技術(shù)。

圖1 天基反衛(wèi)星作戰(zhàn)的作戰(zhàn)體系構(gòu)成示意圖

美國(guó)小衛(wèi)星、微衛(wèi)星飛行試驗(yàn)所表現(xiàn)的能力，完全可以作為反衛(wèi)星武器；還可被看做技術(shù)訓(xùn)練的軍事空間控制設(shè)施，能夠環(huán)繞敵方衛(wèi)星，采取行動(dòng)使其敏感器喪失能力；特別是掌握的摧毀敵方衛(wèi)星時(shí)所需要的技術(shù)，具有破壞其他國(guó)家軍事通信和偵察衛(wèi)星的能力。

2 空間作戰(zhàn)對(duì)飛行控制的需求

2.1 空間作戰(zhàn)武器與平臺(tái)。天基反衛(wèi)星作戰(zhàn)的作戰(zhàn)體系由空間目標(biāo)監(jiān)視網(wǎng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、天地一體化測(cè)控網(wǎng)、航天指控中心、航天測(cè)控信息網(wǎng)及天基反衛(wèi)星武器構(gòu)成，天基反衛(wèi)星武器包括武器平臺(tái)、武器系統(tǒng)和指揮控制單元，武器系統(tǒng)由武器單元、跟蹤瞄準(zhǔn)單元和目標(biāo)監(jiān)視單元組成，如圖1所示。

2.2 飛行控制任務(wù)需求

既然美國(guó)XSS-11可以作為反衛(wèi)星平臺(tái)，按照其飛行試驗(yàn)驗(yàn)證的技術(shù)就是空間作戰(zhàn)隊(duì)飛行控制的要求。我國(guó)在SZ-7進(jìn)行了伴星在軌放飛、對(duì)飛船成像、遠(yuǎn)距離接近、近距離逼近、形成繞飛、繞飛保持和繞飛遠(yuǎn)離等過(guò)程的釋放、視頻觀測(cè)、繞飛試驗(yàn)三個(gè)階段，為交會(huì)對(duì)接奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。按照空間作戰(zhàn)的交會(huì)對(duì)接、精密測(cè)量、準(zhǔn)確跟蹤、精確觀測(cè)和實(shí)時(shí)操控進(jìn)行攻擊的要求，需要飛行控制為空間作戰(zhàn)平臺(tái)操控提供以下技術(shù)支撐。

2.2.1 繞飛與伴飛技術(shù)

繞飛軌道的最大用處是設(shè)計(jì)一顆小衛(wèi)星（內(nèi)裝探測(cè)儀器）圍繞另一大型航天器飛行，可以不斷監(jiān)視其運(yùn)行狀態(tài)和外觀狀態(tài)，進(jìn)行在軌服務(wù)，也可選擇攻擊點(diǎn)。該技術(shù)主要是研究繞飛軌道動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性，以及在有攝動(dòng)情況下保持繞飛軌道的控制策略。要求控制策略所消耗燃料非常少，保證小衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌道繞飛，軌道形狀不變，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)視，達(dá)到衛(wèi)星交會(huì)對(duì)接、接近操作、近距離監(jiān)視的目的。

2.2.2 軌道姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)與重建技術(shù)和目標(biāo)機(jī)動(dòng)規(guī)避后快速響應(yīng)技術(shù)

飛船放飛和上面級(jí)彈射的小衛(wèi)星對(duì)原載體伴飛、繞飛容易實(shí)現(xiàn)，但空間作戰(zhàn)的目標(biāo)是敵方的通信、導(dǎo)航或偵察衛(wèi)星，指定作戰(zhàn)任務(wù)后要實(shí)現(xiàn)對(duì)敵衛(wèi)星的繞飛，就需要快速機(jī)動(dòng)的軌道姿態(tài)調(diào)整，選擇最佳時(shí)機(jī)改變軌道平面（推進(jìn)劑消耗大），與目標(biāo)共軌，再改變軌道的形狀和高度（推進(jìn)劑消耗少），以實(shí)現(xiàn)交會(huì)，即衛(wèi)星到達(dá)與空間目標(biāo)接近到100m距離的敏感器工作范圍。不管是遠(yuǎn)距離“追星”，還是許多類型的近距離機(jī)動(dòng)，包括各種位置保持、轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)、圍繞目標(biāo)快速移動(dòng)或溜走和目標(biāo)機(jī)動(dòng)規(guī)避后快速跟隨等，都需要軌道姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)與重建。伴星軌控推進(jìn)模塊必須保證推力器若干次點(diǎn)火的最佳時(shí)間和推力方向。

2.2.3 作戰(zhàn)平臺(tái)姿態(tài)精確測(cè)量、調(diào)整與姿控補(bǔ)償技術(shù)

作戰(zhàn)平臺(tái)到達(dá)與空間目標(biāo)的交會(huì)距離之前，就處于目標(biāo)監(jiān)視測(cè)量單元的工作范圍，繼續(xù)接近就到達(dá)交會(huì)距離，可接近操作開(kāi)始繞飛。目標(biāo)監(jiān)視測(cè)量單元（高分辨CCD相機(jī)+激光測(cè)距機(jī)）始終觀察、探測(cè)目標(biāo)，要滿足成像器的最佳觀察條件和攻擊條件，以便圍繞目標(biāo)星準(zhǔn)確選擇打擊部位，就要對(duì)作戰(zhàn)平臺(tái)的姿態(tài)進(jìn)行精密測(cè)量和精密調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確跟蹤、精確瞄準(zhǔn)。姿態(tài)精確測(cè)量通過(guò)選擇傳感器和優(yōu)化方案類似實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵是調(diào)整要快速、穩(wěn)定，需要對(duì)姿控進(jìn)行補(bǔ)償。這是一個(gè)相對(duì)導(dǎo)航算法問(wèn)題，對(duì)采用光學(xué)成像敏感器進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量來(lái)說(shuō)，結(jié)合航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型和光學(xué)成像敏感器的測(cè)量模型，分析系統(tǒng)噪聲和測(cè)量噪聲的影響，采用基于線性卡爾曼濾波算法就行。在濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)由于星體姿態(tài)和安裝引起的測(cè)量偏差就可補(bǔ)償。還可考慮光學(xué)測(cè)量敏感器測(cè)量時(shí)延的情況，進(jìn)行更加全面對(duì)改進(jìn)的相對(duì)導(dǎo)航算法設(shè)計(jì)。

2.2.4 空間遙操作技術(shù)

地面操作人員對(duì)作戰(zhàn)平臺(tái)和武器進(jìn)行操控的任務(wù)很重，既要通過(guò)空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視空間目標(biāo)位置和狀態(tài)，又要通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)視作戰(zhàn)平臺(tái)位置和狀態(tài)，還要觀察測(cè)控系統(tǒng)下行鏈路傳來(lái)的作戰(zhàn)平臺(tái)上目標(biāo)監(jiān)視測(cè)量的結(jié)果，指揮控制其作戰(zhàn)。因此，既要分清測(cè)控任務(wù)和遙操作任務(wù)，又要綜合考慮，通過(guò)指令實(shí)施相應(yīng)操作。從作戰(zhàn)行動(dòng)開(kāi)始算遙操作，但遙控遙測(cè)始終負(fù)責(zé)平臺(tái)和載荷的健康運(yùn)行。這樣，接到作戰(zhàn)任務(wù)后，遙操作指控人員負(fù)責(zé)選擇最佳轉(zhuǎn)移軌道技術(shù)，將作戰(zhàn)平臺(tái)從停泊軌道轉(zhuǎn)移至目標(biāo)軌道外，并應(yīng)滿足一定的相位關(guān)系，使空間作戰(zhàn)平臺(tái)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)軌道時(shí)恰與虛擬目標(biāo)在空間同一點(diǎn)相遇，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程空間交會(huì)。接著，遙操作完成繞飛或相對(duì)靜止作戰(zhàn)方式選擇、目標(biāo)監(jiān)視、姿控和快速機(jī)動(dòng)、打擊點(diǎn)選擇、射擊參數(shù)和時(shí)機(jī)控制、打擊效果評(píng)估、溜走等控制管理。

2.2.5 攻擊效果測(cè)量評(píng)估技術(shù)等

攻擊效果測(cè)量由目標(biāo)監(jiān)視單元成像器觀測(cè)將打擊后的照片傳給地面操作人員來(lái)評(píng)估，決定是否再次攻擊，這就非常耽誤時(shí)間。最好的解決方法就是作戰(zhàn)平臺(tái)能自主判讀，按照評(píng)估模式和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，決定是否再次攻擊。

3 空間遙操作

3.1 空間遙操作問(wèn)題的提出

圖2 空間作戰(zhàn)平臺(tái)武器遙操作系統(tǒng)

遙操作就是圍繞空間作戰(zhàn)任務(wù)，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)視空間目標(biāo)和天基武器平臺(tái)的相對(duì)空間態(tài)勢(shì)，控制平臺(tái)及武器系統(tǒng)，完成空間武器的作戰(zhàn)任務(wù)。

3.2 遙操作難點(diǎn)

遙操作技術(shù)是一種達(dá)到人與操作對(duì)象之間遠(yuǎn)程交互的技術(shù)手段。根據(jù)控制對(duì)象的不同和環(huán)境的不同，遙操作需求和系統(tǒng)設(shè)計(jì)也不同。在軌遙操作的對(duì)象是空間作戰(zhàn)武器系統(tǒng)，與地面遙操作相比，面向在軌服務(wù)的遙操作技術(shù)最主要的問(wèn)題是空間與地面通信中存在較長(zhǎng)時(shí)間延遲。通信延遲包括遙控指令延遲和遙測(cè)信號(hào)延遲。以ETS-Ⅶ為例，其時(shí)延達(dá)到了5～7 s。在存在時(shí)延情況下，即使操作者完成簡(jiǎn)單工作也需要比無(wú)時(shí)延情況花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，這時(shí)操作者對(duì)遙操作系統(tǒng)的控制能力有限等因素也影響遙操作技術(shù)的實(shí)施。

3.3 空間遙操作系統(tǒng)

圖2給出了空間遙操作系統(tǒng)控制模式的基本回路圖，它由信息處理子系統(tǒng)、地面驗(yàn)證子系統(tǒng)、預(yù)測(cè)仿真子系統(tǒng)、指令控制子系統(tǒng)和任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)組成。

任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)的主要功能是結(jié)合遙操作任務(wù)和模式，對(duì)遙操作任務(wù)進(jìn)行分析、分解與決策，實(shí)現(xiàn)多種遙操作模式下的任務(wù)規(guī)劃，生成空間作戰(zhàn)平臺(tái)任務(wù)序列；指令控制子系統(tǒng)的主要功能是利用手控器實(shí)時(shí)生成控制命令；預(yù)測(cè)仿真子系統(tǒng)用來(lái)預(yù)測(cè)空間作戰(zhàn)平臺(tái)與目標(biāo)的狀態(tài)，或離線對(duì)遙操作命令進(jìn)行仿真，同時(shí)提供作戰(zhàn)過(guò)程檢測(cè)功能；信息處理子系統(tǒng)是遙操作系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)之間的橋梁和接口，主要功能是數(shù)據(jù)處理、命令安全性檢查及網(wǎng)絡(luò)通信控制；地面驗(yàn)證子系統(tǒng)用來(lái)對(duì)遙操作命令進(jìn)行驗(yàn)證，包括對(duì)中央控制器的運(yùn)算能力和執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，以保證上傳的運(yùn)動(dòng)指令在軌能按規(guī)劃的時(shí)序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)具有指令級(jí)和規(guī)劃級(jí)兩種操作控制模式。

4 結(jié)語(yǔ)

遙操作是空間作戰(zhàn)平臺(tái)運(yùn)行控制的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。面向空間作戰(zhàn)的遙操作技術(shù)的研究和探索是件非常有意義的工作。我國(guó)在這方面起步較晚，與美歐日等航天先進(jìn)國(guó)家相比，還存在著一定的距離，因此需要我們對(duì)這方面的研究給予更大的關(guān)注和投入。

[1]孫富春，吳鳳鴿，劉華平.面向在軌服務(wù)遙操作技術(shù)的研究與展望[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2008，34（1）：33-37.

[2]王景泉.微小衛(wèi)星反衛(wèi)星武器的戰(zhàn)略走勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)[J].國(guó)際太空，2007（7）：13-17.

[3]聞新，王秀麗，劉寶忠.美國(guó)試驗(yàn)小衛(wèi)星XSS-10系統(tǒng)[J].中國(guó)航天，2006（6）：36-38，43.

[4]聞新，王秀麗，劉寶忠.美國(guó)試驗(yàn)小衛(wèi)星XSS-11系統(tǒng)[J].中國(guó)航天，2006（7）：22-25.

E83

A

1671-0037（2014）08-70-2.5

鄭耀耀（1980-），男，工程師，碩士研究生，研究方向：測(cè)評(píng)與測(cè)控技術(shù)。