宮經(jīng)剛，寧 宇，呂 楠

北京控制工程研究所，北京 100190

0 引 言

太空是國家新邊疆，太空活動是國家意志和戰(zhàn)略意圖的重要體現(xiàn)，是國家利益拓展的重要保障，太空安全已成為國家安全的重要組成部分.隨著航天技術(shù)快速發(fā)展、國際形勢變化，太空已經(jīng)成為國家級競爭和戰(zhàn)略對抗的關(guān)鍵領(lǐng)域.圍繞奪取太空戰(zhàn)略制高點的國際化競爭日趨激烈，各國不滿足于空間態(tài)勢感知項目的研究和演示驗證，以空間攻防為核心的空間安全領(lǐng)域軍事化已成現(xiàn)實.美國在其積極的軍事戰(zhàn)略牽引、強大技術(shù)和財力支持下，近年來在高軌(注：本文若無特殊說明，高軌特指GEO及附近軌道)開展了多項空間態(tài)勢感知試驗項目，部分項目已經(jīng)形成裝備并正式投入使用，對我國高軌高價值空間資產(chǎn)的安全性產(chǎn)生了嚴重威脅.

經(jīng)略太空感知先行，空間態(tài)勢感知是進一步開展空間操控和空間對抗的基礎(chǔ).本文梳理了美國空間態(tài)勢感知領(lǐng)域相關(guān)條令的發(fā)展歷程，介紹了目前高軌天基態(tài)勢感知項目的實施情況，總結(jié)了其中的關(guān)鍵技術(shù)，給出了后續(xù)發(fā)展建議.

1 美國態(tài)勢感知條令發(fā)展歷程

美軍對空間態(tài)勢感知(space situational awareness,SSA)概念的表述最早可追溯到上世紀九十年代.1998 年3 月，時任北美防空航天司令部司令的艾斯特斯首次提出空間態(tài)勢感知的概念，認為空間態(tài)勢感知是獲取空間優(yōu)勢的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)空間控制的關(guān)鍵因素.1998 年8 月，美空軍發(fā)布第一個《空間作戰(zhàn)條令》，指出空間態(tài)勢感知是空間作戰(zhàn)計劃人員應該考慮的問題之一.隨后在歷次《空間作戰(zhàn)條令》《空間聯(lián)合作戰(zhàn)條令》修訂過程中，空間態(tài)勢感知的概念內(nèi)涵不斷豐富.特別是在2009 版、2013 版、2018 版《空間聯(lián)合作戰(zhàn)條令》表述中，空間態(tài)勢感知的地位有了明顯提升，內(nèi)涵也趨于成熟[1-3].

從美軍空間態(tài)勢感知概念的發(fā)展歷程來看，早期空間態(tài)勢感知的重點是感知在軌運行空間物體及其運動規(guī)律，保障美國航天活動安全；當前及未來空間態(tài)勢感知的重點將轉(zhuǎn)變?yōu)楦兄谲夁\行空間物體及其運動、能力和意圖，保護美國和盟國的空間資產(chǎn)免受潛在威脅.未來，空間態(tài)勢感知有望仍然保持快速發(fā)展態(tài)勢，為航天活動提供更加科學有效、直觀豐富的信息支撐[4-5].

圖1 美軍空間態(tài)勢感知概念的主要演變節(jié)點Fig.1 Main evolution nodes of US space situation awareness concept

2 美國高軌天基態(tài)勢感知項目簡介

進入21世紀后，隨著美國對空間安全及態(tài)勢感知理解的不斷深入，其發(fā)展思路逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘鼗到y(tǒng)為基礎(chǔ)，充分發(fā)展天基系統(tǒng)，并將天基系統(tǒng)的研發(fā)定為空間目標態(tài)勢感知優(yōu)先發(fā)展方向.

截止2020年，美國高軌領(lǐng)域態(tài)勢感知項目實施情況統(tǒng)計如表1所示.

表1 美國高軌態(tài)勢感知項目匯總表Tab.1 Summary of situation awareness programs for highorbit in the United States

1.1 MiTEx衛(wèi)星

微衛(wèi)星技術(shù)試驗(MiTEx)衛(wèi)星是美國國防先進研究計劃局(defense advanced research projects agency，DARPA)、美國空軍和美國海軍聯(lián)合實施對高軌目標抵近操作的微衛(wèi)星計劃.MiTEx空間飛行器包括三部分：美國海軍研究實驗室研制的上面級，軌道科學公司研制的MiTEx-A衛(wèi)星和洛馬公司研制的MiTEx-B衛(wèi)星[6-7].

圖2 微衛(wèi)星工程試驗系統(tǒng)Fig.2 Microsatellite engineering test system

2006年6月18日，DARPA和美國空軍利用德爾它-2運載火箭將MiTEx空間飛行器送入GTO軌道，然后由上面級將2顆MiTEx衛(wèi)星送入GEO軌道.MiTEx衛(wèi)星的上面級裝有多塊太陽能電池和1臺衛(wèi)星跟蹤儀，除了用來將微衛(wèi)星推入地球同步軌道外，還可完成更多的任務.MiTEx-A/B每顆衛(wèi)星質(zhì)量為225 kg，進入地球靜止軌道后進行了軌道機動和相互觀測試驗，開展了自主運行、機動和位置保持實驗，驗證了靜止軌道微小衛(wèi)星相關(guān)技術(shù).

圖3 MiTEx衛(wèi)星在軌工作軌道演變情況Fig.3 Evolution of operational orbit of MiTEx satellite

該系統(tǒng)完成了GEO軌道抵近偵察在軌演示，在完成預定的在軌監(jiān)測演示試驗后，2顆MiTEx小衛(wèi)星在2008年底至2009年初機動至失效的國防支援計劃-23(DSP-23)導彈預警衛(wèi)星附近，成功對其進行了在軌監(jiān)測[8].

1.2 GSSAP衛(wèi)星

地球同步軌道空間態(tài)勢感知計劃(GSSAP)是美國空軍發(fā)展的高軌巡視衛(wèi)星.首批兩顆GSSAP衛(wèi)星于2014年7月28日從美國佛羅里達州卡納維拉爾角發(fā)射場發(fā)射入軌，2015年9月結(jié)束測試，具備初始運行能力[9-10].

GSSAP衛(wèi)星由軌道科學公司研制，由位于科羅拉多州的施里弗空軍基地負責運行.衛(wèi)星選用軌道科學公司的GEOStar-1平臺，該平臺具有高靈活性和大機動能力，能夠進行精確指向.GSSAP衛(wèi)星搭載高分辨率相機與高性能電子竊聽設(shè)備，可對觀測目標進行“拍照”與“竊聽”，能夠清晰拍攝目標外形并跟蹤經(jīng)常執(zhí)行軌道機動的目標，也能夠跟蹤目標發(fā)射的無線電信號以獲取其通信信息[11-13].

圖4 GSSAP雙星在軌示意圖Fig.4 Diagram of GSSAP double satellite in orbit

2016年8月19日，美軍成功發(fā)射第二批兩顆GSSAP衛(wèi)星(GSSAP-3/4)，與2014年發(fā)射GSSAP-1/2完成四星星座組網(wǎng)，進一步提升美國對GEO衛(wèi)星的持續(xù)監(jiān)視與抵近偵察能力.當月，美軍還曾對GSSAP-1/2衛(wèi)星進行機動變軌，抵近詳查美國海軍故障衛(wèi)星“移動用戶目標系統(tǒng)”-5(MUOS-5)以確定故障原因，美國未公布GSSAP拍攝圖像，但稱目標圖像分辨率達厘米級，能清晰查看目標的天線和傳感器[14].

目前4顆GSSAP衛(wèi)星均在近地球同步軌道運行，距離GEO帶20～80 km附近運行，GSSAP星座已實現(xiàn)四星聯(lián)合在軌運行，對高軌目標巡航偵察和抵近詳查能力進一步提升，美國高軌空間目標探測與識別能力進一步增強.2017年7月至2018年5月期間，GSSAP衛(wèi)星至少執(zhí)行了8次抵近成像任務，分別對俄羅斯的5顆衛(wèi)星和我國研制的巴基斯坦1R、尼日利亞1R衛(wèi)星進行了近距離偵察，最近距離只有10 km左右.

1.3 ANGELS衛(wèi)星

局部空間自主導航與制導試驗衛(wèi)星(ANGELS)是美國空軍研究實驗室(air force research laboratory,AFRL)發(fā)展的高軌抵近偵察技術(shù)試驗衛(wèi)星，軌道科學公司為ANGELS衛(wèi)星主承包商.2014年7月28日，ANGELS與兩顆GSSAP衛(wèi)星以一箭三星方式從美國佛羅里達州卡納維拉爾角發(fā)射場發(fā)射升空.衛(wèi)星質(zhì)量約70 kg，設(shè)計壽命1年，采用光學設(shè)備，衛(wèi)星進入預定地球同步軌道后，ANGELS衛(wèi)星以上面級為目標進行逼近、繞飛、懸停等操作，測試星上導航系統(tǒng)和態(tài)勢感知載荷性能，評估衛(wèi)星自主探測、跟蹤、監(jiān)視空間目標，掌握目標特性和活動意圖的能力.ANGELS衛(wèi)星在軌還試驗了自主任務規(guī)劃與執(zhí)行技術(shù)和地球同步軌道GPS接收機結(jié)合高性能加速度計的測定軌技術(shù)[9,15].

圖5 ANGELS衛(wèi)星發(fā)射示意圖Fig.5 Schematic diagram of ANGELS satellite launch

1.4 ESPAStar平臺

ESPAStar平臺使用改造的“漸進一次性運載火箭次級有效載荷適配器”(EELV secondary payload adapter，ESPA)環(huán)為主體結(jié)構(gòu)，可通過任何符合相關(guān)標準接口的運載火箭進行發(fā)射.ESPAStar平臺通過在ESPA環(huán)內(nèi)部加裝推進系統(tǒng)、姿態(tài)感知與控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)與通信系統(tǒng)等，增加姿態(tài)控制、在軌機動能力，以及雙向通信能力.ESPAStar平臺具有6個載位，每個載位可攜帶1個搭載載荷或2個可分離載荷，全平臺共可搭載6-12個載荷[16].

ESPAStar平臺直徑1.575 m，高0.61 m，干質(zhì)量430～470 kg.配備4個推進劑儲箱，共攜帶肼310 kg，具備較高的△V能力，預計為400～800 m/s.ESPAStar平臺可承載的最大載荷質(zhì)量為1086 kg，即平均每個載位181 kg，最大載荷尺寸為0.965 m，提供1200 W功率，攜帶96 Ah鋰電池，具備2 kbps上行鏈路、256 kbps/1.6 Mbps下行鏈路，速度增量大于400 m/s，具有12臺1 N推力器、4臺22 N推力器，通過反作用輪實現(xiàn)優(yōu)于20 urad(1σ)的姿態(tài)控制精度，姿態(tài)機動能力大于1.2°/s，定位精度優(yōu)于100 m.

2018年4月14日，首個采用ESPAStar平臺的衛(wèi)星，“ESPA增強地球靜止軌道實驗室試驗”(EAGLE)成功發(fā)射.EAGLE共載有5個載荷，包括1個可分離衛(wèi)星和4個搭載載荷，其中4個搭載載荷在整個任務過程中不與平臺分離，共用平臺資源，1個可分離衛(wèi)星即MyCroft小衛(wèi)星.MyCroft衛(wèi)星是美空軍研究實驗室在“空間試驗計劃”(STP)計劃下委托軌道科學公司(ATK)研制，衛(wèi)星質(zhì)量約100 kg，發(fā)射入軌后，MyCroft衛(wèi)星對EAGLE開展軌抵近與檢查試驗，先移至距EAGLE衛(wèi)星約35km處，此后數(shù)月不斷抵近EAGLE衛(wèi)星至1 km處并對其進行近距離檢查.根據(jù)美軍公開的數(shù)據(jù)，2018年5月中旬，MyCroft衛(wèi)星運行在距地面38992 km高的墳墓軌道上，證實其已在墳墓軌道開展相關(guān)試驗.這表明美軍已經(jīng)把巡視能力擴展到墳墓軌道[17].

圖6 ESPAStar平臺示意圖Fig.6 Schematic diagram of ESPAstar platform

圖7 MyCroft小衛(wèi)星Fig.7 Mycroft small satellite

1.5 S5系統(tǒng)

太空監(jiān)視小衛(wèi)星系統(tǒng)(S5)是美軍發(fā)展的高軌SSA小衛(wèi)星星座技術(shù)試驗衛(wèi)星.S5于2019年2月22日由美勞拉公司LS-1300衛(wèi)星平臺上的有效載荷在軌交付系統(tǒng)(PODS)在軌釋放，部署在略高于墳墓軌道的高度上，開展高軌監(jiān)視星座技術(shù)試驗.S5衛(wèi)星搭乘太空探索技術(shù)(SpaceX)公司的獵鷹-9運載火箭發(fā)射升空.S5衛(wèi)星搭載在印度尼西亞太平洋衛(wèi)星PSN-6通信衛(wèi)星上，在PSN-6最終到達定位點前釋放，隨后開展GEO軌道太空目標監(jiān)視試驗.S5衛(wèi)星是美軍首顆采用大型衛(wèi)星直接釋放的GEO軌道太空態(tài)勢感知衛(wèi)星，主要用于在軌試驗采用低成本小衛(wèi)星星座來加速美國常態(tài)化太空目標編目信息更新周期的可行性與經(jīng)濟性[18].

圖8 S5衛(wèi)星發(fā)射及在軌示意圖Fig.8 S5 satellite launch and in orbit diagram

根據(jù)美國空軍研究實驗室和商業(yè)公司對外公開的信息，S5衛(wèi)星質(zhì)量60 kg，采用藍色峽谷技術(shù)公司的靈活小衛(wèi)星平臺，有效載荷為1臺30 cm口徑的先進光學系統(tǒng)，由應用國防解決方案公司負責研制.S5是美未來高軌SSA星座的試驗星，后續(xù)計劃部署由12～16顆微衛(wèi)星組成的監(jiān)視星座，持續(xù)環(huán)繞同步軌道帶運行，對含墳墓軌道的整個高軌區(qū)域進行持續(xù)監(jiān)視，對異常事件進行告警[19].

S5系統(tǒng)的部署，將極大提高美國高軌態(tài)勢感知系統(tǒng)的隱蔽性和彈性，增加我國空間態(tài)勢感知系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標的難度.

1.6 小結(jié)

分析美國高軌領(lǐng)域幾個典型態(tài)勢感知項目的實施情況，可以得到如下結(jié)論：

1) 高軌態(tài)勢感知技術(shù)經(jīng)過幾代發(fā)展，已經(jīng)由實驗驗證轉(zhuǎn)為空間裝備；

2) 天基態(tài)勢感知逐漸向網(wǎng)絡化和體系化方向發(fā)展，通過組網(wǎng)運行，提高了感知效率，增加了系統(tǒng)的彈性和抗風險能力；

3) 靈活多樣的入軌方式，進一步增加了隱蔽性，降低了系統(tǒng)成本；

4) 針對GEO墳墓軌道的探測和利用將會成為熱點，該軌道為高軌目標探測和攻防提供了良好的庇護環(huán)境.

3 關(guān)鍵技術(shù)

對GEO軌道目標尤其是非合作目標的抵近偵察，需要突破的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括如下幾個方面[20-21].

(1)靈活可靠、成本適中的GEO軌道進入技術(shù)

相對低軌衛(wèi)星，高軌衛(wèi)星的重要特點之一是入軌難度大、成本高.不管是通過上面級直接入軌還是通過衛(wèi)星自身變軌，進入GEO軌道均需要消耗大量燃料，系統(tǒng)設(shè)計相對復雜，成本高昂.分析美國現(xiàn)有幾顆GEO軌道態(tài)勢感知項目，早期均通過特定平臺直接送入GEO軌道，最近發(fā)展為通過其它衛(wèi)星入軌以“搭便車”方式進入軌道.目前我國的遠征一號和遠征二號上面級具備將衛(wèi)星直接送入GEO軌道的能力，但使用成本較高，國內(nèi)還沒有類似LS-1300衛(wèi)星平臺PODS功能的航天器.需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括小型化長壽命部件設(shè)計技術(shù)、微納衛(wèi)星潛伏寄生技術(shù)、分離聚合航天器控制技術(shù).

(2)在軌長時間自主運行技術(shù)

態(tài)勢感知航天器為了全面獲取GEO軌道空間態(tài)勢信息，需要長時間運行于國土上空以外的高軌區(qū)域，處于本國地面測控站不可見范圍內(nèi).以GEO-50 km軌道為例，完成對全球GEO帶內(nèi)衛(wèi)星巡航一圈的周期約為560天，其中衛(wèi)星約有286天時間運行在國內(nèi)測控弧段以外，需要衛(wèi)星具有較強的自主運行能力.需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括高軌長時間自主導航、自主任務管理技術(shù)以及故障診斷與恢復技術(shù)，在軌自主運行時間需大于300天.

(3)空間自主交會接近制導與控制技術(shù)

態(tài)勢感知航天器逐漸接近目標衛(wèi)星，測量敏感器獲得目標衛(wèi)星方位和距離信息，相對運動制導與控制在相對測量信息基礎(chǔ)上進行航天器軌跡控制，從而抵近目標衛(wèi)星至所需距離范圍.需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括對空間目標主動繞飛控制技術(shù)、對姿態(tài)機動目標隨動跟蹤控制技術(shù)、對姿態(tài)機動目標抵近制導與控制技術(shù).

(4)軌道機動多角度立體成像技術(shù)

態(tài)勢感知航天器對目標衛(wèi)星接近過程中，需要對目標衛(wèi)星進行成像，對空間目標進行特征識別，在最佳觀測距離和最優(yōu)拍攝角度獲取目標高清視圖，掌握精準的目標物理外形信息.需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括軌道機動觀測技術(shù)、多角度立體觀測技術(shù)、雜散光抑制技術(shù)、空間目標在軌三維模型重建技術(shù)、空間目標特征提取與跟蹤測量技術(shù).

4 發(fā)展建議

GEO軌道上運行著通信、中繼、導航、電子偵察和導彈預警等高價值衛(wèi)星，對于國家安全具有重要戰(zhàn)略意義.美國天軍在GEO至少具有4顆能夠直接開展軍事任務的GSSAP衛(wèi)星，并且后續(xù)會繼續(xù)增加05星和06星.美國現(xiàn)有GEO軌道天基態(tài)勢感知項目對我國高軌空間資產(chǎn)帶來較大威脅.針對當前嚴峻的空間安全形勢，發(fā)展我國高軌天基感知系統(tǒng)，建議可從如下幾個方面發(fā)展.

(1)立足現(xiàn)狀，加快構(gòu)建太空態(tài)勢感知體系

太空態(tài)勢感知已成為構(gòu)建太空優(yōu)勢、維護太空安全的重要基礎(chǔ)能力，美國提出了長期發(fā)展規(guī)劃，將其作為太空領(lǐng)域建設(shè)發(fā)展的重點方向，大力構(gòu)建天地一體太空態(tài)勢感知體系，重點發(fā)展天基太空監(jiān)視系統(tǒng)，謀求全面、及時、準確的空間態(tài)勢能力，為了解和應對太空威脅、維護太空利益、確保太空安全提供關(guān)鍵支持.

美國目前視我國為其太空領(lǐng)域的主要競爭對手，我國應清醒認識到在太空態(tài)勢感知領(lǐng)域，必須加快構(gòu)建并形成太空態(tài)勢感知核心能力的重要性.

(2)重點發(fā)展天基太空態(tài)勢感知系統(tǒng)，形成目標詳察、持續(xù)監(jiān)視和意圖判斷能力

天基空間監(jiān)視系統(tǒng)與地基系統(tǒng)相比具有很大優(yōu)勢，美國GEO軌道已發(fā)展了MiTEx、GSSAP專用空間監(jiān)視衛(wèi)星系統(tǒng)，將太空態(tài)勢感知能力從簡單的目標編目提升到對太空目標功能特性、活動目的和意圖的全面掌控.美國積極探索基于微納衛(wèi)星平臺的低成本太空監(jiān)視技術(shù)，提出高軌巡視小衛(wèi)星星座、局域感知載荷等新系統(tǒng)和新概念.

與美國情況不同，我國受國土區(qū)域、經(jīng)濟投入等因素限制，發(fā)展全球布站的空間態(tài)勢感知網(wǎng)絡不現(xiàn)實.因此，更應充分發(fā)揮天基系統(tǒng)全球覆蓋的優(yōu)勢，重點發(fā)展天基太空態(tài)勢感知系統(tǒng)，采用小衛(wèi)星與微納衛(wèi)星相結(jié)合，盡快發(fā)展完善空間目標編目、重點目標詳查和意圖判斷等能力，支持快速威脅評估和決策.其中涉及到的關(guān)鍵單機包括：百公里級輕小型激光跟瞄雷達、近距離視覺交會測量敏感器、遠距離捕獲與觀測敏感器、高精度加速度計等導航類敏感器.

(3)發(fā)展在軌自主感知和探測能力，有效應對潛在風險

微納型太空態(tài)勢感知衛(wèi)星是近年美國研究的熱點，規(guī)模化低成本納衛(wèi)星星座未來可能成為美國天基太空態(tài)勢感知系統(tǒng)的重要組成.微納衛(wèi)星很難探測，特別是對運行在靜止軌道的納衛(wèi)星，我國尚無有效探測手段，應高度警惕具備高機動能力的微納衛(wèi)星所具有的太空進攻潛力，通過發(fā)展在軌自主感知、自主規(guī)避等威脅預警和防御手段，增強我國太空系統(tǒng)戰(zhàn)時生存能力.

(4)具備一定空間攻防對抗能力，對敵形成威懾

對于我國高價值衛(wèi)星，在單純被動防御基礎(chǔ)上，需要開展主動防御研究.除了具備在軌對敵方威脅自主感知和探測能力，在敵方處于遠距離時能夠感知目標、提出預警，在敵方接近至一定距離時，能夠驅(qū)趕、攔截、殺傷敵方衛(wèi)星，有效保護我國空間資產(chǎn)，對敵方產(chǎn)生有效威懾.