空間目標監視系統

隨著全球太空資源開發熱潮的進一步高漲和未來太空作戰趨勢的加劇，地球外層空間正逐步變成新的軍事鬥爭領地。在這種新的軍事鬥爭形式中，空間目標監視系統起著基礎性和關鍵性作用。

空間目標監視系統的任務是對重要空間目標進行精確探測和跟蹤，確定可能對航天系統構成威脅的太空飛行器的任務，尺寸、形狀和軌道參數等重要目標特性；對目標特性數據進行歸類和分發。空間目標主要指衛星，包括工作的衛星和不工作的衛星，同時也包括各種空間碎片，如進入空間軌道的助推火箭、保護罩和其他物體，還包括進入地球外層空間的各種宇宙飛行物，如彗星和小行星。空間目標監視具有重要的軍事價值，不僅可以幫助確定潛在敵人的空間能力，還可以預測空間物體的軌道，對可能發生的碰撞和對己方空間系統的攻擊進行告警等。

基本介紹

• 中文名：空間目標監視系統
• 外文名：Space target surveillance system

簡介

目前最先進的空間目標監視系統還是冷戰時期美蘇兩國為監視敵方飛彈進攻及偵察衛星而建造的地基跟蹤系統。在兩大系統中共有50多部雷達及各種光學和光電探測器，每天平均進行15萬次觀測，以保持對約1萬個太空物體進行跟蹤。它們能探測到低軌道上10厘米大小和地球同步軌道上1米大小的碎片。在美國，最先進的超級計算機也投入到了對太空垃圾的監視當中。超級計算機擁有超強的處理能力，它能用複雜的運算技術對太空監視系統拍下的照片進行處理，大大提高了照片的質量，幫助科學家們判斷太空垃圾的類型和危害程度。我國開展了“空間碎片研究行動計畫”，初步具備觀測空間碎片的能力，並建立空間碎片動態資料庫。此外，中科院南京天文儀器研製中心研製出一種精度高、光力強的太空垃圾探測望遠鏡，它大大提高了我國針對太空垃圾和人造衛星觀測的精度。

傳統的空間目標監視多採用地基光學望遠鏡、雷達探測器及無線電信號探測器組成的監視網，對空間目標進行探測和跟蹤。這種方式的優點是技術成熟、投資成本低，能夠對空間目標進行有效搜尋和跟蹤，但易受氣象、地理位置和時間限制。為了提高空間目標監視能力，美國、加拿大等國都開展了建立天基空間目標監視系統的計畫。天基空間目標監視系統的優點是不受地理位置和氣象條件限制，其探測效果好，且戰時生存能力強，但造價高，星上信息處理能力有限，功率也無法和地基監視系統相比。天基空間目標監視系統是未來進行空間目標探測和跟蹤的重要發展方向。

對系統要求

空間目標監視是指利用多種探測方式或手段獲取空間目標的運動與屬性參數，對空間目標進行探測、跟蹤和識別，了解、掌握和預判空間出現的各種機動事件和目標太空飛行器狀態變化。這裡所指空間目標既包括在軌正常運行的太空飛行器，也包括各種空問碎片，如失效衛星、入軌的助推火箭、遺棄的衛星整流罩或其他物體，還包括進入地球軌道空間的彗星和小行星等。近年來，空間目標監視已成為空間技術發展的一個重要領域。一方面世界各國發射進入空間的太空飛行器越來越多，各種空間碎片也隨之越來越多，空間發生危險碰撞的機率在日益增大；另一方面由於空間機動對抗技術的發展，使得來自空間目標的威脅顯著提高，這些都對空間目標監視系統發展提出了新的更高要求。

從套用需求分析，發展天基空間目標監視系統主要解決當前空間目標監視存在的兩大問題：一是解決現有地基空間目標監視系統對高軌道(尤其是地球靜止軌道)目標監視能力不夠，空間目標數據更新率較慢、目標跟蹤的時效性不強等問題，技術途徑是逐步建立包括多種探測方式、由多個平台組成的空間目標監視星座，與地基空間目標監視網形成功能互補；二是解決對特定空間目標(包括合作與非合作目標)的近距離觀測與監視問題，獲得對目標的運動與屬性的細節描述，為空間目標識別與狀態監視、太空飛行器故障與威脅告警等提供技術手段，技術途徑就是發展具有對非合作目標接近與伴飛的微小衛星監視平台，通過專門設計的觀測軌跡，實現安全、可行、有效的近距離觀測，獲得特定的觀測效果。天基空間目標監視的關鍵技術主要包括空間暗弱目標光學探測技術，高可靠性空間轉台技術，星載數據處理技術，對空間非合作目標的自主捕獲、跟蹤與測量技術，自主軌道交會、伴飛與逼近技術等。

分類

空間目標監視包括地基空間目標監視和天基空間目標監視兩種手段。地基空間目標監視採用由各種地基光電探測器、雷達探測器及無線電信號探測器組成的監視網，對空間目標進行探測和跟蹤。由於受感測器解析度、地理位置和氣象條件等限制，地基空間目標監視系統在對空間目標的監測性能、範圍、時效性等方面還存在諸多局限。以目前最先進的美國地基空間目標監視網為例，其探測能力為低軌道上10cm大小和地球同步軌道上1m大小的空間碎片，能夠對約1萬個空間目標進行跟蹤與編目。天基空間目標監視是指通過安裝在空間平台上的各種成像測量裝置，對空間目標進行探測、跟蹤和識別。與地基空間監視手段相比，天基空間目標監視具有機動靈活、探測範圍廣、不受疆域和氣象條件限制、可以進行近距離詳細觀測等優點，能夠有效彌補地基空間目標監視的不足，代表了空間目標監視系統新的重要發展方向。

地基空間目標監視系統

地基光學探測器實際上就是用望遠鏡收集空間物體反射的光。像所有的望遠鏡一樣，它們的使用是受限制的。例如，它們不能跟蹤在地球陰影里的物體，除非這些物體自己發光，雲、霧、大氣污染、城市的輝光或滿月時的輝光，都可能降低光學探測器的觀測能力，甚至使之不能進行觀測被跟蹤物體的大小及其與地球的距離大小，也是限制光學探測器能力的因素。雷達探測器不受氣象、光照等條件約束，但所需功率高，造價昂貴，因此一般只用來監視中低軌空間目標。美國的深空空間跟蹤系統利用靈敏的、高精確的、18.3米拋物面天線，探測和跟蹤由衛星無線電信標機發射的S波段無線電信號，能夠在短時間裡跟蹤許多衛星，但不能探測和跟蹤空間碎片或完全不工作的衛星；為了克服地基系統的各種缺點，美國等航天大國開始計畫和部署天基空間目標監視系統。

地基空間目標監視系統主要包括空間日標監視雷達和空間目標監視光電系統。

一、空間目標監視雷達

空間目標監視雷達具有全天候工作、廣域捕獲能力強等優點，可預報空間之間物體的軌道和落點，對可能發生的碰撞和對空間系統的攻擊進行預警。根據性質不同，空間目標監視雷達可以分為兩大類：

第一類：專門用空間監視的探測器，稱為“專用空間探測器”。爭用無線電/雷達探測器有電磁籬笆空間監視系統和專門用於空間目標監視的監控陣雷達和精密跟蹤。電磁籬笆空間監視系統類似丁在地球表面垂直上方豎起一張大網，凡是通過該網的目標都會被捕獲到，不需要任何引導信息。猶如在水中豎起的漁網，用來捕獲河中的魚兒。專門用於空間目標監視和監控陣雷達和精密跟蹤雷達叮以對重點目標識別精密跟蹤，獲得目標的精確測量數據，典型裝備有美困A/FPS-85雷達等。

第二類：主要任務不是用於空間偵察監視，但可以用來擔負空間偵察監視任務的探測器，在不執行其主要任務時， 可以用來提供空間監視數據，稱為“兼用空間探測器”。兼用探測器在不執行上要任務時用於對空間目標探測。如彈道飛彈預警雷達，平時也用於空間日標監視。典型裝備有“鋪路爪”雷達等。

二、空間目標監視光電系統

空間目標監視光電系統是指利用光學設備接收空間目標反射的可見光或紅外光觀測空間目標的系統。空間目標監視光電系統阜要由各種不同口徑的望遠鏡以及配套設備組成。由於望遠鏡僅能獲得目標的角度信息，要得目標的精確軌道，需要多台設備同時觀察目標，採用交義定位法獲得目標連續的位置信息。

天基空間目標監視系統

天基空間目標監視是一種國家戰略信息獲取手段，它利用天基探測設備，對進入空間、離開空間和在軌運行的太空飛行器進行探測與跟蹤，對空間碎片和自然天體進行觀測，並結合其他相關數據，對目標進行綜合分析與編目，向民用和軍用航天活動提供空間目標信息支援。隨著越來越多的國家擁有進入空間和利用空間的能力，空間變得日益擁擠、更加具有競爭性和對抗性，感知空間態勢進而控制空間成為一些大國追求的目標。天基空間監視系統為獲得此種能力提供了重要的物質基礎。

為了對空間目標進行監視，已有多個國家和地區發展了地基監視系統。但地基監視系統對深空目標探測和識別的能力往往受到各種氣象條件、地理位置和時間的限制，因而，發展可以突破此種限制的天基空間監視系統就顯得尤為重要。美國的SBSS計畫正是在這樣的背景下應運而生，是此類系統的典型代表。

天基空間目標監視系統能有效彌補地基目標監視系統在地理部署方面存在的不足。新一代天基系統還將具有獲取全天時、全天候、近實時空間態勢感知數據的能力，其探測靈敏度與搜尋覆蓋率等性能也將大幅提高。

其性能特徵如下：
　　

一、在軌道上部署不受地理條件限制

天基空間目標監視系統部署在地球軌道上，完全擺脫了地基空間監視系統在地理部署方面所受到的限制。如果從地面上探測高軌或地球同步軌道的目標，就需要在全球部署地面站，地域限制條件很嚴苛。天基空間目標監視系統往往一顆衛星就能實現對整個地球同步軌道的覆蓋，還能從不同的方位觀測目標，目標信號也不會經過大氣衰減。

二、可提供全天時、全天候、近實時空間態勢感知數據

已經在軌的“探路者”衛星採用高可靠、可配置的鮑爾平台BCP-2000，加裝了高效太陽能電池陣，採用三軸穩定，設計壽命7年，發射質量1 03 1千克，在630千米的太陽同步軌道內運行。衛星上的有效載荷包括可見光感測器、雙軸萬向架和星上任務數據處理器等電子設備。與地基監視目標相比，SBSS運行在太空，不受地面上地理條件的限制，不受晝夜變化及氣候變化的影響，能夠一天24小時不間斷地對空間目標實施近實時的監視。

三、探測靈敏度與搜尋覆蓋率等性能將有大幅提高

SBSS可見光感測器的質量為227千克，口徑為30厘米，比“中段空間實驗”衛星的“天基可見光探測器”感測器大一倍，視場也更寬。該感測器安裝在高速雙軸的萬向架上，可快速轉動以瞄準感興趣的目標並進行拍照，可精確跟蹤空間駐留目標以及大於1 0厘米的空間碎片，用於建立空間目標資料庫，用於支持美軍戰略司令部的任務。與“天基可見光探測器”相比，“探路者”衛星的性能有大幅提高，具有全時段、全天候空間目標監視能力；其探測靈敏度提高了2倍，容量提高10倍，探測威脅的機率提高3倍，探測威脅所需的時間至少縮短了一半。

地基空間目標監視系統發展現狀

目前，美國和俄羅斯都建立了較完善的地基空間目標監視與跟蹤系統。美國對空間目標的監視與跟蹤主要是由“空間探測和跟蹤系統”(SPADATS)中的觀測設備來完成。此外，還採用了飛彈核打擊預警系統的設備、美國國防部的航天測控系統、美國和其他國家民用科研機構的無線電技術綜合設施等。

美國

組成

“空間探測和跟蹤系統”本身包括空軍的“空間跟蹤”( SPACTRACK)系統和海軍的“空間監視”( SPASUR)系統。“空間跟蹤”系統的用途是監視航天目標被送入軌道和在軌配置的過程，它包括6個雷達站和4個光學電子台站，對位於地球同步軌道和大橢圓軌道上的航天目標實施觀測。來自這些台站的數據用於太空飛行器軌道參數的計算，為空間防禦武器提供目標指示以及採取措施保護美國的軍用航天系統。“空間監視”系統的目的是在新的太空飛行器通過狹窄的垂直屏障波束時，發現它們並預先測定其軌道參數。這個狹窄的垂直屏障波束是由部署在美國領土上的9個雷達站（3個用於發射、6個用於接收）形成的。該系統能保證對軌道傾角在30°一150°範圍內的太空飛行器的搜尋：一般情況下，航天目標都是在發射後的第1個軌道圈上被發現，而在發現後經過1- 3h才能計算出它們的初始軌道參數。

分類

組成美國空間監視網的各種探測器，依據其性質和隸屬關係的不同，可以分為3大類：

第1類屬於美國國防部，專門用於空間監視的探測器，稱為“專用空間探測器”，主要包括貝克，納恩相機和“地基光電深空空間監視系統”( GEODSS)等光電探測器、“海軍空間監視”（NAVSPASUR）系統和AN/FPS - 85相控陣雷達等雷達探測器；

第2類屬於美國國防部，主要任務不是用於空間監視，但可以用來擔負空間監視任務的探測器，如彈道飛彈預警雷達和情報收集雷達等，稱為“兼用空間探測器”；

第3類屬於其他機構，主要任務不是空間監視，但有可以用於空間監視的探測器，在其不執行主要任務時，能用來提供空間監視數據，如靶場雷達和用於科學研究的光電探測器等，稱為“可用空間探測器”。

美國的這3大類探測器共同組成了一個遍布全球的空間目標監視網。從所用的探測器來說，美國的空間探測與跟蹤系統主要由相控陣雷達（包括無線電系統）和光電探測器兩大類探測器組成。這兩種探測器各有優缺點，相互補充，構成完整的空間監視體系，探測距離超過36 000千米，對同一空間目標重複監視的時間間隔為5天。

俄羅斯

為了監視與跟蹤宇宙空間環境，俄羅斯在其武裝力量中也建立了“宇宙空間監視系統”，其中包括宇宙空間監視中心。“宇宙空間監視系統”不間斷地搜尋宇宙空間，發現和跟蹤各種軍用太空飛行器，測定衛星的軌道參數，並通過宇宙空間監視中心向俄羅斯武裝力量各軍種、軍區傳送原始信息通報（包括衛星類型、編號與國籍，通報衛星第1圈的軌道參數以及由於攝動引起的每圈軌道的參數變化等），供實施空間攻防對抗使用。俄羅斯在利用光電望遠鏡進行空間目標監視方面水平很高，在某些方面已超過了美國。

“天窗”系統是俄羅斯航天部隊典型的有源地面光電空間監視跟蹤系統，位於塔吉克斯坦境內的山區中，屬於俄羅斯戰略預警系統不可缺少的輔助支援手段。這種地基預警系統跟天基預警系統相比雖然小型、廉價，但能有效填補深空監視網的空白。該系統裝備10台光學望遠鏡，每台重達36t，一般僅在晚上工作。每架望遠鏡根據所觀察目標的高度來校正“目力”，短距望遠鏡跟蹤200-1000千米高度的軍事目標，包括美國的光學偵察衛星KH-II和KH-12等；普通光學望遠鏡可以觀察到地球上空2 X 10⁴千米的衛星，例如隸屬於美國國防部的GPS衛星；遠距望遠鏡能使3.6 X 10⁴-4 X 10⁴千米地球同步衛星軌道上的“間諜”原形畢露。“天窗”同時也監視太空垃圾，如空間試驗站、火箭推進器的殘骸，以及從火箭外殼剝落的一些油漆碎片。

總之，透過“天窗”能觀測到經過俄羅斯上空的所有人造衛星，光學望遠鏡會把收集到的各種信息匯集到中央控制計算機里。計算機能自動剔除無用信息，只把捕獲的人造太空飛行器的信號儲存起來，然後計算出太空飛行器準確的坐標和軌跡，確定它的功能，再將數據和圖形發至航天部隊司令部。

相比而言，美國的地基監視系統計算太空目標的坐標更為精確，但俄羅斯相應系統所接收的信息流量更大，可以監視更多空間目標。為此，美國採取規模戰術，即除直接在太空建立空間觀測系統外，還在新墨西哥州、夏威夷群島、葡萄牙、韓國、西班牙等地設立了光電觀測站，以彌補系統性能上的不足。

天基空間目標監視系統發展現狀

美國

美國正在研製的天基監視空間( SBSS)系統是美國為提高對空間目標監視、跟蹤和識別能力，增強對空間戰場態勢的實時感知能力而研製的支持空間型天戰武器裝備。

SBSS是一個使用光電敏感器的衛星星座，它將成為太空偵察網的基石，極大地增強長期地基太空監視系統網路。第一份SBSS衛星契約於2004年年底簽署。擬議中的SBSS系統由4-8顆衛星組成，高度為1100千米，設計壽命為5年，能夠實現每天對空間目標監視一次並更新大多數衛星的位置數據。據稱，SBSS系統將使美國對地球靜止軌道( GEO)衛星的跟蹤能力提高50%。
SBSS系統的概念研究於2002年啟動，並提出了530萬美元的預算要求。美空軍計畫使用現有的“中段空間實驗”( MSX)衛星來確定SBSS系統的設計方案。MSX衛星的遙感器波長為110nm-28um，覆蓋紫外到超長波紅外譜段，另外還裝有CCD可見光遙感器，該衛星發射於1996年，用於跟蹤飛彈，目前已完成原定使命，正在被用來加強“地基空間偵察系統”。按原計畫，SBSS系統的研製經費為5.9億美元，2007年發射，2010年投入使用，最終可能完全取代地基監視空間系統。但是MSX衛星上用於太空偵察的感測器使用年限已超過了設計壽命，有可能導致衛星覆蓋出現空白。為了避免這種情況發生，美國空軍計畫在2006年發射第1顆SBSS。在研製SBSS系統的同時，美國將繼續改進地基監視空間遙感系統和進一步提高監視空間的指揮控制能力與數據融合能力，為此在2002年提出了1570萬美元的預算。所以，美國10年後的空間信息支持將南天基和地基一體化的監視空間系統構成。

隨著微小衛星技術的日益成熟，利用微小衛星進行空間目標探測和監視也成為當前研究的熱點。為繼續進行空間平台小型化研究，美空軍和國防高級研究計畫局(DARPA)為10所院校提供經費，開發新型、低成本、供軍方使用的納衛星。這些納衛星質量為2- 10kg，可以演示不同的GPS導航、小型化的感測器和微推進技術。2002年12月，奮進號太空梭發射了2顆0.908kg重的衛星。這是空軍與DARPA聯合研製的。試驗表明，其在軌自動監視能力又向前邁進了一大步。美國空軍還進行了“實驗衛星系統”(XSS)系列試驗。XSS-10是系列衛星中的第1顆，已於2003年成功發射。該星能對位於低地軌道上的衛星近距拍照，演示了半自主運行和近距空間目標監視能力。美國空軍於2004年發射XSS-11，主要試驗對目標的監視能力，並用於演示先進的軌道機動和位置保持能力。

加拿大

加拿大是北美防空聯合司令部( NORAD)的成員，NORAD一直使用衛星跟蹤服務來辨別目標是接近北美的彈道飛彈還是在軌的23 000個以上的人造天體之一；衛星的跟蹤功能離不開由空間目標監視網的雷達和光學感測器提供的數據，這些數據包括距離和方位角的連續測量值。加拿大啟動空間監視計畫的目的就是為了增加空間目標監視網的感測器，通過發展近地空間監視系統( NESS)來實現對近地球小行星的搜尋和跟蹤，以及對地球軌道衛星的跟蹤。NESS任務是在加拿大空間局和加拿大國防部的支持下，由Dynacon和一個小行星科學家小組共同開發的。它在小衛星平台上裝載小型成像望遠鏡，此成像望遠鏡是基於為MOST恆星光測任務而設計。

1996年，加拿大在MSX衛星上裝載了天基可見光試驗望遠鏡，它的口徑為15cm，和加拿大第1個天基望遠鏡-MOST的望遠鏡口徑一樣。MSX的望遠鏡具有良好的性能，以至於試驗結束後就被選為空間監視網的感測器。這也表明具有實現衛星跟蹤任務所需的能力，該望遠鏡能夠配置在1顆小衛星上。基於上述原因，在加拿大國防部空間監視計畫中包括了發射用於跟蹤衛星的小衛星，它主要用於跟蹤地球靜止軌道上的通信衛星和其他一些高軌衛星（NORAD所謂的深空目標）。該計畫包括在2005年左右將1顆或多顆衛星送人軌道。NESS衛星上望遠鏡獲得的目標亮度為11- 14，它獲得的目標精度能夠與NORAD規定的相適應，對於距離40 000千米的目標精度為1千米。

空間目標監視系統的發展展望

太空具有無比豐富的資源和特殊的環境，所以世界各國不惜巨資去征服或爭奪太空領域制高點。隨著信息化戰爭時代的到來，太空正逐漸成為新的戰爭領域。衡量一個國家的空間作戰能力目前主要有3大指標：空間監視和預警能力、空間部署能力和空間攻防能力。美國在《2020航天遠景規劃》中提出，監視空間作為到2020年控制空間要達到的5個目標之一，其主要任務是：對重要空間目標進行精確的探測和跟蹤；實時探測可能對美國航天系統構成威脅的太空飛行器的任務、尺寸、形狀、軌道參數等重要目標特性；對目標特性數據進行歸類和分發。美空軍最近又出台了未來太空戰發展計畫——《轉型飛行計畫》，它指出了空軍未來需要研發的武器與技術：這份長達176頁的計畫從長遠的角度闡述了美空軍將如何擴展軍事航天能力。在這份報告中，利用外部空間成了空軍航天項目的重點，在美國空軍未來系統概念中提出把建立SBSS作為近期目標之一，2010年前完成；把開發“軌道深空成像器”( Orbital Deep Space Imager)作為中期計畫之一，預計在2010-2015年完成。美國空軍航天司令蘭斯，勞德將軍表示，在用以監視空間物體的低地球軌道衛星採購拖期的情況下，美國空軍正在計畫研製的“軌道深空成像器”，是一種運行在地球同步軌道中的且具備同樣功能的太空飛行器。該太空飛行器將跟蹤和監測高軌道中的物體，比將在較低軌道中運行的SBSS更適合這一目的。由此可見，為了適應未來軍事鬥爭獲取信息優勢的需要，美國正大力擴展其空間目標監視能力，此舉也將促使世界各國開始新一輪太空軍備競賽，未來的太空將不會再是一片安寧的空間。