美国高轨天基态势感知技术发展与启示

宫经刚，宁 宇，吕 楠

北京控制工程研究所，北京 100190

0 引 言

太空是国家新边疆，太空活动是国家意志和战略意图的重要体现，是国家利益拓展的重要保障，太空安全已成为国家安全的重要组成部分.随着航天技术快速发展、国际形势变化，太空已经成为国家级竞争和战略对抗的关键领域.围绕夺取太空战略制高点的国际化竞争日趋激烈，各国不满足于空间态势感知项目的研究和演示验证，以空间攻防为核心的空间安全领域军事化已成现实.美国在其积极的军事战略牵引、强大技术和财力支持下，近年来在高轨(注：本文若无特殊说明，高轨特指GEO及附近轨道)开展了多项空间态势感知试验项目，部分项目已经形成装备并正式投入使用，对我国高轨高价值空间资产的安全性产生了严重威胁.

经略太空感知先行，空间态势感知是进一步开展空间操控和空间对抗的基础.本文梳理了美国空间态势感知领域相关条令的发展历程，介绍了目前高轨天基态势感知项目的实施情况，总结了其中的关键技术，给出了后续发展建议.

1 美国态势感知条令发展历程

美军对空间态势感知(space situational awareness,SSA)概念的表述最早可追溯到上世纪九十年代.1998 年3 月，时任北美防空航天司令部司令的艾斯特斯首次提出空间态势感知的概念，认为空间态势感知是获取空间优势的基础，是实现空间控制的关键因素.1998 年8 月，美空军发布第一个《空间作战条令》，指出空间态势感知是空间作战计划人员应该考虑的问题之一.随后在历次《空间作战条令》《空间联合作战条令》修订过程中，空间态势感知的概念内涵不断丰富.特别是在2009 版、2013 版、2018 版《空间联合作战条令》表述中，空间态势感知的地位有了明显提升，内涵也趋于成熟[1-3].

从美军空间态势感知概念的发展历程来看，早期空间态势感知的重点是感知在轨运行空间物体及其运动规律，保障美国航天活动安全；当前及未来空间态势感知的重点将转变为感知在轨运行空间物体及其运动、能力和意图，保护美国和盟国的空间资产免受潜在威胁.未来，空间态势感知有望仍然保持快速发展态势，为航天活动提供更加科学有效、直观丰富的信息支撑[4-5].

图1 美军空间态势感知概念的主要演变节点Fig.1 Main evolution nodes of US space situation awareness concept

2 美国高轨天基态势感知项目简介

进入21世纪后，随着美国对空间安全及态势感知理解的不断深入，其发展思路逐渐转变为以地基系统为基础，充分发展天基系统，并将天基系统的研发定为空间目标态势感知优先发展方向.

截止2020年，美国高轨领域态势感知项目实施情况统计如表1所示.

表1 美国高轨态势感知项目汇总表Tab.1 Summary of situation awareness programs for highorbit in the United States

1.1 MiTEx卫星

微卫星技术试验(MiTEx)卫星是美国国防先进研究计划局(defense advanced research projects agency，DARPA)、美国空军和美国海军联合实施对高轨目标抵近操作的微卫星计划.MiTEx空间飞行器包括三部分：美国海军研究实验室研制的上面级，轨道科学公司研制的MiTEx-A卫星和洛马公司研制的MiTEx-B卫星[6-7].

图2 微卫星工程试验系统Fig.2 Microsatellite engineering test system

2006年6月18日，DARPA和美国空军利用德尔它-2运载火箭将MiTEx空间飞行器送入GTO轨道，然后由上面级将2颗MiTEx卫星送入GEO轨道.MiTEx卫星的上面级装有多块太阳能电池和1台卫星跟踪仪，除了用来将微卫星推入地球同步轨道外，还可完成更多的任务.MiTEx-A/B每颗卫星质量为225 kg，进入地球静止轨道后进行了轨道机动和相互观测试验，开展了自主运行、机动和位置保持实验，验证了静止轨道微小卫星相关技术.

图3 MiTEx卫星在轨工作轨道演变情况Fig.3 Evolution of operational orbit of MiTEx satellite

该系统完成了GEO轨道抵近侦察在轨演示，在完成预定的在轨监测演示试验后，2颗MiTEx小卫星在2008年底至2009年初机动至失效的国防支援计划-23(DSP-23)导弹预警卫星附近，成功对其进行了在轨监测[8].

1.2 GSSAP卫星

地球同步轨道空间态势感知计划(GSSAP)是美国空军发展的高轨巡视卫星.首批两颗GSSAP卫星于2014年7月28日从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场发射入轨，2015年9月结束测试，具备初始运行能力[9-10].

GSSAP卫星由轨道科学公司研制，由位于科罗拉多州的施里弗空军基地负责运行.卫星选用轨道科学公司的GEOStar-1平台，该平台具有高灵活性和大机动能力，能够进行精确指向.GSSAP卫星搭载高分辨率相机与高性能电子窃听设备，可对观测目标进行“拍照”与“窃听”，能够清晰拍摄目标外形并跟踪经常执行轨道机动的目标，也能够跟踪目标发射的无线电信号以获取其通信信息[11-13].

图4 GSSAP双星在轨示意图Fig.4 Diagram of GSSAP double satellite in orbit

2016年8月19日，美军成功发射第二批两颗GSSAP卫星(GSSAP-3/4)，与2014年发射GSSAP-1/2完成四星星座组网，进一步提升美国对GEO卫星的持续监视与抵近侦察能力.当月，美军还曾对GSSAP-1/2卫星进行机动变轨，抵近详查美国海军故障卫星“移动用户目标系统”-5(MUOS-5)以确定故障原因，美国未公布GSSAP拍摄图像，但称目标图像分辨率达厘米级，能清晰查看目标的天线和传感器[14].

目前4颗GSSAP卫星均在近地球同步轨道运行，距离GEO带20～80 km附近运行，GSSAP星座已实现四星联合在轨运行，对高轨目标巡航侦察和抵近详查能力进一步提升，美国高轨空间目标探测与识别能力进一步增强.2017年7月至2018年5月期间，GSSAP卫星至少执行了8次抵近成像任务，分别对俄罗斯的5颗卫星和我国研制的巴基斯坦1R、尼日利亚1R卫星进行了近距离侦察，最近距离只有10 km左右.

1.3 ANGELS卫星

局部空间自主导航与制导试验卫星(ANGELS)是美国空军研究实验室(air force research laboratory,AFRL)发展的高轨抵近侦察技术试验卫星，轨道科学公司为ANGELS卫星主承包商.2014年7月28日，ANGELS与两颗GSSAP卫星以一箭三星方式从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场发射升空.卫星质量约70 kg，设计寿命1年，采用光学设备，卫星进入预定地球同步轨道后，ANGELS卫星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，掌握目标特性和活动意图的能力.ANGELS卫星在轨还试验了自主任务规划与执行技术和地球同步轨道GPS接收机结合高性能加速度计的测定轨技术[9,15].

图5 ANGELS卫星发射示意图Fig.5 Schematic diagram of ANGELS satellite launch

1.4 ESPAStar平台

ESPAStar平台使用改造的“渐进一次性运载火箭次级有效载荷适配器”(EELV secondary payload adapter，ESPA)环为主体结构，可通过任何符合相关标准接口的运载火箭进行发射.ESPAStar平台通过在ESPA环内部加装推进系统、姿态感知与控制系统、电源系统与通信系统等，增加姿态控制、在轨机动能力，以及双向通信能力.ESPAStar平台具有6个载位，每个载位可携带1个搭载载荷或2个可分离载荷，全平台共可搭载6-12个载荷[16].

ESPAStar平台直径1.575 m，高0.61 m，干质量430～470 kg.配备4个推进剂储箱，共携带肼310 kg，具备较高的△V能力，预计为400～800 m/s.ESPAStar平台可承载的最大载荷质量为1086 kg，即平均每个载位181 kg，最大载荷尺寸为0.965 m，提供1200 W功率，携带96 Ah锂电池，具备2 kbps上行链路、256 kbps/1.6 Mbps下行链路，速度增量大于400 m/s，具有12台1 N推力器、4台22 N推力器，通过反作用轮实现优于20 urad(1σ)的姿态控制精度，姿态机动能力大于1.2°/s，定位精度优于100 m.

2018年4月14日，首个采用ESPAStar平台的卫星，“ESPA增强地球静止轨道实验室试验”(EAGLE)成功发射.EAGLE共载有5个载荷，包括1个可分离卫星和4个搭载载荷，其中4个搭载载荷在整个任务过程中不与平台分离，共用平台资源，1个可分离卫星即MyCroft小卫星.MyCroft卫星是美空军研究实验室在“空间试验计划”(STP)计划下委托轨道科学公司(ATK)研制，卫星质量约100 kg，发射入轨后，MyCroft卫星对EAGLE开展轨抵近与检查试验，先移至距EAGLE卫星约35km处，此后数月不断抵近EAGLE卫星至1 km处并对其进行近距离检查.根据美军公开的数据，2018年5月中旬，MyCroft卫星运行在距地面38992 km高的坟墓轨道上，证实其已在坟墓轨道开展相关试验.这表明美军已经把巡视能力扩展到坟墓轨道[17].

图6 ESPAStar平台示意图Fig.6 Schematic diagram of ESPAstar platform

图7 MyCroft小卫星Fig.7 Mycroft small satellite

1.5 S5系统

太空监视小卫星系统(S5)是美军发展的高轨SSA小卫星星座技术试验卫星.S5于2019年2月22日由美劳拉公司LS-1300卫星平台上的有效载荷在轨交付系统(PODS)在轨释放，部署在略高于坟墓轨道的高度上，开展高轨监视星座技术试验.S5卫星搭乘太空探索技术(SpaceX)公司的猎鹰-9运载火箭发射升空.S5卫星搭载在印度尼西亚太平洋卫星PSN-6通信卫星上，在PSN-6最终到达定位点前释放，随后开展GEO轨道太空目标监视试验.S5卫星是美军首颗采用大型卫星直接释放的GEO轨道太空态势感知卫星，主要用于在轨试验采用低成本小卫星星座来加速美国常态化太空目标编目信息更新周期的可行性与经济性[18].

图8 S5卫星发射及在轨示意图Fig.8 S5 satellite launch and in orbit diagram

根据美国空军研究实验室和商业公司对外公开的信息，S5卫星质量60 kg，采用蓝色峡谷技术公司的灵活小卫星平台，有效载荷为1台30 cm口径的先进光学系统，由应用国防解决方案公司负责研制.S5是美未来高轨SSA星座的试验星，后续计划部署由12～16颗微卫星组成的监视星座，持续环绕同步轨道带运行，对含坟墓轨道的整个高轨区域进行持续监视，对异常事件进行告警[19].

S5系统的部署，将极大提高美国高轨态势感知系统的隐蔽性和弹性，增加我国空间态势感知系统发现目标的难度.

1.6 小结

分析美国高轨领域几个典型态势感知项目的实施情况，可以得到如下结论：

1) 高轨态势感知技术经过几代发展，已经由实验验证转为空间装备；

2) 天基态势感知逐渐向网络化和体系化方向发展，通过组网运行，提高了感知效率，增加了系统的弹性和抗风险能力；

3) 灵活多样的入轨方式，进一步增加了隐蔽性，降低了系统成本；

4) 针对GEO坟墓轨道的探测和利用将会成为热点，该轨道为高轨目标探测和攻防提供了良好的庇护环境.

3 关键技术

对GEO轨道目标尤其是非合作目标的抵近侦察，需要突破的关键技术，主要包括如下几个方面[20-21].

(1)灵活可靠、成本适中的GEO轨道进入技术

相对低轨卫星，高轨卫星的重要特点之一是入轨难度大、成本高.不管是通过上面级直接入轨还是通过卫星自身变轨，进入GEO轨道均需要消耗大量燃料，系统设计相对复杂，成本高昂.分析美国现有几颗GEO轨道态势感知项目，早期均通过特定平台直接送入GEO轨道，最近发展为通过其它卫星入轨以“搭便车”方式进入轨道.目前我国的远征一号和远征二号上面级具备将卫星直接送入GEO轨道的能力，但使用成本较高，国内还没有类似LS-1300卫星平台PODS功能的航天器.需要突破的关键技术包括小型化长寿命部件设计技术、微纳卫星潜伏寄生技术、分离聚合航天器控制技术.

(2)在轨长时间自主运行技术

态势感知航天器为了全面获取GEO轨道空间态势信息，需要长时间运行于国土上空以外的高轨区域，处于本国地面测控站不可见范围内.以GEO-50 km轨道为例，完成对全球GEO带内卫星巡航一圈的周期约为560天，其中卫星约有286天时间运行在国内测控弧段以外，需要卫星具有较强的自主运行能力.需要突破的关键技术包括高轨长时间自主导航、自主任务管理技术以及故障诊断与恢复技术，在轨自主运行时间需大于300天.

(3)空间自主交会接近制导与控制技术

态势感知航天器逐渐接近目标卫星，测量敏感器获得目标卫星方位和距离信息，相对运动制导与控制在相对测量信息基础上进行航天器轨迹控制，从而抵近目标卫星至所需距离范围.需要突破的关键技术包括对空间目标主动绕飞控制技术、对姿态机动目标随动跟踪控制技术、对姿态机动目标抵近制导与控制技术.

(4)轨道机动多角度立体成像技术

态势感知航天器对目标卫星接近过程中，需要对目标卫星进行成像，对空间目标进行特征识别，在最佳观测距离和最优拍摄角度获取目标高清视图，掌握精准的目标物理外形信息.需要突破的关键技术包括轨道机动观测技术、多角度立体观测技术、杂散光抑制技术、空间目标在轨三维模型重建技术、空间目标特征提取与跟踪测量技术.

4 发展建议

GEO轨道上运行着通信、中继、导航、电子侦察和导弹预警等高价值卫星，对于国家安全具有重要战略意义.美国天军在GEO至少具有4颗能够直接开展军事任务的GSSAP卫星，并且后续会继续增加05星和06星.美国现有GEO轨道天基态势感知项目对我国高轨空间资产带来较大威胁.针对当前严峻的空间安全形势，发展我国高轨天基感知系统，建议可从如下几个方面发展.

(1)立足现状，加快构建太空态势感知体系

太空态势感知已成为构建太空优势、维护太空安全的重要基础能力，美国提出了长期发展规划，将其作为太空领域建设发展的重点方向，大力构建天地一体太空态势感知体系，重点发展天基太空监视系统，谋求全面、及时、准确的空间态势能力，为了解和应对太空威胁、维护太空利益、确保太空安全提供关键支持.

美国目前视我国为其太空领域的主要竞争对手，我国应清醒认识到在太空态势感知领域，必须加快构建并形成太空态势感知核心能力的重要性.

(2)重点发展天基太空态势感知系统，形成目标详察、持续监视和意图判断能力

天基空间监视系统与地基系统相比具有很大优势，美国GEO轨道已发展了MiTEx、GSSAP专用空间监视卫星系统，将太空态势感知能力从简单的目标编目提升到对太空目标功能特性、活动目的和意图的全面掌控.美国积极探索基于微纳卫星平台的低成本太空监视技术，提出高轨巡视小卫星星座、局域感知载荷等新系统和新概念.

与美国情况不同，我国受国土区域、经济投入等因素限制，发展全球布站的空间态势感知网络不现实.因此，更应充分发挥天基系统全球覆盖的优势，重点发展天基太空态势感知系统，采用小卫星与微纳卫星相结合，尽快发展完善空间目标编目、重点目标详查和意图判断等能力，支持快速威胁评估和决策.其中涉及到的关键单机包括：百公里级轻小型激光跟瞄雷达、近距离视觉交会测量敏感器、远距离捕获与观测敏感器、高精度加速度计等导航类敏感器.

(3)发展在轨自主感知和探测能力，有效应对潜在风险

微纳型太空态势感知卫星是近年美国研究的热点，规模化低成本纳卫星星座未来可能成为美国天基太空态势感知系统的重要组成.微纳卫星很难探测，特别是对运行在静止轨道的纳卫星，我国尚无有效探测手段，应高度警惕具备高机动能力的微纳卫星所具有的太空进攻潜力，通过发展在轨自主感知、自主规避等威胁预警和防御手段，增强我国太空系统战时生存能力.

(4)具备一定空间攻防对抗能力，对敌形成威慑

对于我国高价值卫星，在单纯被动防御基础上，需要开展主动防御研究.除了具备在轨对敌方威胁自主感知和探测能力，在敌方处于远距离时能够感知目标、提出预警，在敌方接近至一定距离时，能够驱赶、拦截、杀伤敌方卫星，有效保护我国空间资产，对敌方产生有效威慑.