陸　震

(北京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，北京　100191)

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美國空間態(tài)勢感知能力的過去和現(xiàn)狀

陸震

(北京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，北京100191)

摘要：空間態(tài)勢感知能力是空間資源開發(fā)，保護(hù)本國空間資產(chǎn)以及掌握空間控制權(quán)，實施空間軍事行動的關(guān)鍵。美國政府和軍事部門的決策者深知空間態(tài)勢感知能力建設(shè)的重要性。從冷戰(zhàn)時期就開始了空間監(jiān)視系統(tǒng)的構(gòu)建。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，他們的空間監(jiān)視系統(tǒng)更趨先進(jìn)和完備，發(fā)展成為系統(tǒng)完整的空間態(tài)勢感知能力。本文根據(jù)目前美國國防部、美國空軍及其下屬機構(gòu)和有關(guān)軍火商公布的資料,對上世紀(jì)50年代以來美國在空間態(tài)勢感知能力情況進(jìn)行了簡單梳理。為我國的空間態(tài)勢感知能力今后發(fā)展拋磚引玉。

關(guān)鍵詞：空間態(tài)勢感知; 空間武器; 地球同步軌道

本文引用格式：陸震.美國空間態(tài)勢感知能力的過去和現(xiàn)狀[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(1):1-8.

Citation format:LU Zhen.History and Status of US Space Situational Awareness[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):1-8.

隨著我國近年來的在經(jīng)濟，政治和軍事上的崛起，原來美蘇(美俄)之間的激烈空間競賽，變成三個空間大佬的比拼，此外歐洲和日本，印度、以色列、伊朗等國在這場競賽中也不甘示弱，竭力要擠進(jìn)“空間俱樂部”。軍事專家堅信大國之間的未來戰(zhàn)爭將延伸到空間進(jìn)行。2012年12月美國空軍在佛羅里達(dá)的卡納爾維納爾角進(jìn)行了他們的第三次X37B空間戰(zhàn)機繞軌道實驗。美國軍方最近編制了50億美元用于空間作戰(zhàn)能力的預(yù)算[1]。西方的某些軍事專家提出“A New Cold War in The Void of Space”[2]的說法，即在空間空白地帶中的新冷戰(zhàn)。他們驚呼“中國近年來的經(jīng)濟，政治和軍事崛起使它成為21世紀(jì)空間戰(zhàn)場不容忽視的力量?！?/p>

外層空間已成為維護(hù)各國國家安全和國家利益所必須占據(jù)的戰(zhàn)略制高點。戰(zhàn)爭的武器裝備已不再限于常規(guī)兵器和核武器，新型的空間武器裝備將成為新的戰(zhàn)略威懾力量。美國國防部和情報機構(gòu)，在2006年7月19日成立了一個在空間進(jìn)行戰(zhàn)爭的中心—空間聯(lián)合職能司令部(Joint Functional Component Command for Space)積極發(fā)展和研制外層空間的武器裝備和資產(chǎn)，即空間武器裝備。

在加利福尼亞州Vendenberg空軍基地

專家預(yù)測這樣的衛(wèi)星可能導(dǎo)致下一次世界大戰(zhàn)

空間武器裝備大致可以分為空間進(jìn)攻性武器裝備、空間防御性武器裝備、空間信息對抗裝備和空間態(tài)勢感知裝備(空間態(tài)勢感知能力)，其中空間態(tài)勢感知能力是各空間大國優(yōu)先發(fā)展的重點。美國軍方對于空間態(tài)勢感知能力極其重視，其高層認(rèn)為，潛在對手“對我們緊追不放”。美國空間聯(lián)合職能司令部Joint Functional Component Command for Space司令威廉·謝爾頓(William Shelton)在2014年5月的美國國家空間安全討論會上稱[5]“目前空間安全面臨的形勢是空間競賽更加激烈，對抗加劇，空間更加擁擠，因此必須發(fā)展更強大的空間態(tài)勢感知能力。當(dāng)前傳感器能跟蹤2.3萬多個空間物體，但卻無法監(jiān)測大小在1～10 cm之間的50萬個空間碎片，除了空間碎片對美國空間資產(chǎn)造成的威脅，其他國家還可能攻擊在軌衛(wèi)星，如果不聯(lián)合起來限制空間武器的使用，低地球軌道將面臨多年無法使用的現(xiàn)實威脅。但更令人擔(dān)憂的是，他們正在針對我們進(jìn)行發(fā)展，他們正在開發(fā)能夠挑戰(zhàn)我們空間優(yōu)勢的系統(tǒng)。我們面臨著一系列的人為威脅，這些威脅有可能會削弱或破壞我們的防衛(wèi)能力。因此必須開發(fā)更加強大的空間態(tài)勢感知能力”。五角大樓的規(guī)劃者們擔(dān)心，在未來的沖突中，中國和俄羅斯可能會擊落或失能美國的軍用衛(wèi)星，這些衛(wèi)星是美國通信，情報搜集和目標(biāo)定位的關(guān)鍵裝備。

美國等西方國家把增強空間態(tài)勢感知能力放在優(yōu)先級項目的地位，美國、英國、澳大利亞和加拿大近期簽署了合作協(xié)議，成立了聯(lián)合空間作戰(zhàn)中心(Joint Space Operations Center), 為共享更多空間態(tài)勢感知數(shù)據(jù)尋求方法。其合作方案可能是每個國家擁有自己的空間作戰(zhàn)中心，并在這些中心之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。美國擁有世界最先進(jìn)的空間態(tài)勢感知系統(tǒng)，它起步早，早在艾森豪威爾時代就建立了美國最初的空間監(jiān)視系統(tǒng)Minitrack。它將空間態(tài)勢感知能力作為控制和約束其他空間大國的重要手段。2011年2月4日，美國五角大樓公布了《美國國家安全空間戰(zhàn)略》[3]明確提出“我們將提高我們的情報能力，加強預(yù)測性感知、特征描述、預(yù)警以及責(zé)任分析，更好地監(jiān)測空間領(lǐng)域內(nèi)的活動。因此，空間態(tài)勢感知和基礎(chǔ)性情報將繼續(xù)是最優(yōu)先的任務(wù)，它們使我們能夠保持對自然干擾的了解，了解其它活動物體能力、行為和意圖。我們的國家安全空間戰(zhàn)略旨在通過我們的軍事活動和能力保障國家安全和利益，同時處理和塑造戰(zhàn)略環(huán)境，強化我們的國防產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。美國國防和情報群體將繼續(xù)依靠空間系統(tǒng)完成軍事行動，情報收集和相關(guān)活動; 必須保證獲得這些能力。我們必須解決由于堵塞、爭議和競爭引起的空間環(huán)境越來越大的挑戰(zhàn)，同時繼續(xù)我們在空間領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。我們的策略是從國家空間政策的原則和目標(biāo)衍生出的，建立在國家安全戰(zhàn)略方針基礎(chǔ)上。具體來說，我們的國家空間安全目標(biāo)是：

? 加強安全性，穩(wěn)定性和空間安全;

? 保持和加強美國國家空間安全優(yōu)勢戰(zhàn)略；

? 給支撐美國國家安全的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)注入活力?！?/p>

漂浮在地球周圍空間碎片的數(shù)量　　　　概念中的空間反衛(wèi)星武器

An ASM-135 ASAT(anti-satellite missile)美國反衛(wèi)星導(dǎo)彈　　2012年12月在美國佛羅里達(dá)州美國空軍發(fā)射X-37B軌道試驗飛行器

美國的空間態(tài)勢感知裝備是在其空間監(jiān)視系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的?？臻g監(jiān)視系統(tǒng)是美軍用于探測、跟蹤、編目和識別繞地球的人造物體的，這些人造物體包括活動的和廢棄的衛(wèi)星、用過的火箭體和碎片殘骸。

空間監(jiān)視完成如下任務(wù)：

? 預(yù)測墜落的空間物體再入地球大氣層的時間和地點；

? 避免返回的空間物體(這些在雷達(dá)上看起來像導(dǎo)彈的物體)引起美國和其他國家的導(dǎo)彈襲擊警報虛驚;

? 標(biāo)繪空間物體的當(dāng)前位置，繪制他們的預(yù)期軌道路徑；

? 探測新的空間人造物體；

? 正確測繪這些物體在地球軌道行跡；

? 生成人造空間物體的運行目錄；

? 確定哪些國家擁有再入的空間物體;

? 通報NASA這些物體是否可能干擾衛(wèi)星和國際空間站的軌道。

空間態(tài)勢感知的數(shù)據(jù)可分為兩大類: 一是空間目標(biāo)數(shù)據(jù)，包括地球軌道上的所有目標(biāo)(活動衛(wèi)星、失效衛(wèi)星、空間碎片等)數(shù)據(jù)；二是空間環(huán)境數(shù)據(jù)，也就是空間氣象數(shù)據(jù)，包括中高層大氣、電離層、磁層、等離子體層、輻射帶、太陽風(fēng)和行星際磁場等數(shù)據(jù)?？臻g監(jiān)視是空間態(tài)勢感知能力的一部分。目前，美國不斷加大空間態(tài)勢感知系統(tǒng)的構(gòu)建和投入，在繼續(xù)完善、增強陸基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的同時，加大了空基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的部署，增加了對空間環(huán)境等要素的探測和監(jiān)視，形成完整的空間態(tài)勢感知能力。

Globus II 2009　　 Baker-Nunn衛(wèi)星跟蹤照像機

1美軍陸基空間監(jiān)視系統(tǒng)

1957年10月4日蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik 1對美國是極大震驚，驚呼是冷戰(zhàn)時期的珍珠港事件。這擊發(fā)了美國人使用空間跟蹤系統(tǒng)跟蹤空間物體的計劃。產(chǎn)生了最初的美國空間監(jiān)視系統(tǒng)Minitrack，但Minitrack不能可靠地探測和跟蹤衛(wèi)星。后來美國海軍改進(jìn)了Minitrack以跟蹤美國的先鋒1號衛(wèi)星，Minitrack只能跟蹤遵循國際關(guān)于衛(wèi)星發(fā)射頻率協(xié)議的衛(wèi)星。然而，蘇聯(lián)不使用國際衛(wèi)星頻率。因此， Minitrack無法檢測或跟蹤不匹配的或無源衛(wèi)星[4]。

同時與Minitrack一起使用的是貝克-納恩(Baker-Nunn)衛(wèi)星跟蹤照相機。這些系統(tǒng)中使用改進(jìn)的高分辨率施密特望遠(yuǎn)鏡來拍攝和識別空間物體。. 該相機于1958年開始投入使用，并最終在全球站點使用。在其鼎盛時期，空軍運行五個站點，加拿大皇家空軍運行兩個，史密森學(xué)會的天體物理觀測臺還有8個站點。貝克-納恩系統(tǒng)，提供很少量的實時數(shù)據(jù)，僅限于夜間，晴朗的天氣[4]。除了這些獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)方面的問題，美國跟蹤網(wǎng)絡(luò)很快被旅行者(Sputnik 1)衛(wèi)星和先鋒衛(wèi)星后塵的大量衛(wèi)星搞得不堪重負(fù)。積累的衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)、持續(xù)增加的衛(wèi)星和軌道碎片、發(fā)射路徑和非標(biāo)準(zhǔn)軌道多元化以及地球同步軌道高度的變化，要求空間監(jiān)視系統(tǒng)更加完善和更新以滿足現(xiàn)在和將來的需求[6]。為了以應(yīng)對蘇聯(lián)新的衛(wèi)星發(fā)射。1958年12月美國高級計劃研究署(ARPA,AdvancedResearchProjectAgency)根據(jù)50-5919號行政命令建立空間跟蹤網(wǎng)絡(luò)。這個空間跟蹤網(wǎng)絡(luò)，即牧羊犬計劃(Project Shepherd)，在馬薩諸塞州的貝德福德的空間跟蹤中心啟動，與空間作戰(zhàn)防御網(wǎng)絡(luò)(即導(dǎo)彈預(yù)警網(wǎng)絡(luò), missile warning network)協(xié)同工作。在1959年年底到1960年4月美國空軍系統(tǒng)司令部(Air Force Systems Command)接過了空間跟蹤任務(wù)，建立了在馬薩諸塞州漢斯科姆場(Hanscom Field)的國家臨時空間監(jiān)視控制中心(Interim National Space Surveillance Control Center)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)觀測和維護(hù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

在洲際彈道導(dǎo)彈作為一線武器系統(tǒng)時期，美國試驗了多部導(dǎo)彈探測器和預(yù)警器，并列裝作為現(xiàn)役監(jiān)測裝置，其中大多數(shù)先后用于衛(wèi)星監(jiān)測。如：Trinidad(特立尼達(dá))的兩個監(jiān)測和跟蹤雷達(dá)， Texas的Laredo和New Jersey的Moorestown。還有在Kaena Point島、Antigua島, Ascension島, San Miguel島以及Kwajalein 環(huán)礁上的機械跟蹤雷達(dá)；3個BMEWS(Ballistic Missile Early Warning System, 彈道導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng))站點；Pave Paws站點； FSS-7 站; (PASS) 站; Cavalier ND; Eglin FL; Maui空間監(jiān)視系統(tǒng); Globus II; San Vito; TOSS/CROSS; 和 MIT Lincoln 實驗室等等。

美國的空間態(tài)勢感知能力的一個重要功能是建立和維護(hù)衛(wèi)星狀態(tài)的數(shù)據(jù)庫，1957年美國國防部建立了這個數(shù)據(jù)庫。這就是空間物體目錄。由全球分布的干涉儀，雷達(dá)和光學(xué)跟蹤系統(tǒng)組成的空間監(jiān)視系統(tǒng)得到衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)定期更新，目前編目的空間物體數(shù)目達(dá)到20 000[9-11]。

美國空軍掌控SPACETRACK系統(tǒng)，構(gòu)建了覆蓋全球的空間監(jiān)視網(wǎng)(SSN)，配備光電傳感器，無源射頻(RF)傳感器和雷達(dá)傳感器。SSN的任務(wù)是對空間物體進(jìn)行編目和識別，對受攻擊衛(wèi)星發(fā)出預(yù)警，以及及時通報美軍掠空的外國衛(wèi)星，監(jiān)督空間條約和搜集科技情報。海軍有一個類似的空間監(jiān)視系統(tǒng)SPASUR，任務(wù)是保護(hù)美國南部。SPACETRACK系統(tǒng)是用于空間跟蹤項目以及其他空間監(jiān)視操作的設(shè)施和系統(tǒng)的總稱，按照投入運行的先后時間，包括：① 在空軍Cambridge研究中心的空間跟蹤項目，這是1950年的“豐收之月”項目(它在1957年開始跟蹤蘇聯(lián)的Sputnik II)的后續(xù)項目；② 國家空間監(jiān)視控制中心(National Space Surveillance Control Center), 1960年2月8日在漢斯科姆場(Hanscom Field)啟用的專用設(shè)施；③ 空間探測跟蹤系統(tǒng) (SPADATS), 是1961年7月開始使用的美國空軍Ent空軍基地的496L 計算機系統(tǒng)，1962年底更名為SPACETRACK作戰(zhàn)中心；④ 空間防御中心(Space Defense Center)，1966年10月在夏延山Ent空軍基地建立的探測和跟蹤設(shè)施；⑤ 空間防御行動中心(Space Defense Operations Center，SPADOC), 1979年在科羅拉多州夏延山核燃料庫建立的設(shè)施；⑥ 美國空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)(United States Space Surveillance Network)；⑦ 在Vandenberg空軍基地的聯(lián)合空間作戰(zhàn)中心。

在空軍毛依(Maui)光學(xué)站(AMOS)有一個圖像信息處理中心和超級計算中心，將HAVESTARE雷達(dá)系統(tǒng)開發(fā)所需要的資源發(fā)送給SPACETRACK。HAVESTARE(HS)雷達(dá)是最初設(shè)在加利福尼亞州的Vandenberg空軍基地的X波段200 kW跟蹤雷達(dá), 在1995年期間在Vandenberg上線，根據(jù)海拔高度不同，它可以檢測出1～10 cm不等的微小碎片。HS是一個高分辨率X波段的跟蹤和圖像雷達(dá)，有一個27米的機械式拋物面天線。后來它移交給挪威，由挪威情報局管理，能跟蹤在9 000 km范圍內(nèi)的所有類型航空器。挪威接手后，改名為Globus II，位于挪威的瓦爾德(Vard?), 靠近俄羅斯邊界。其地理坐標(biāo)為 70°22′02″N 31°07′38″E[7]。在Shemya島(是阿拉斯加西南部阿留申群島的塞米奇群島鏈中的一個小島，地理坐標(biāo)為52°43′27″N174°07′08″E)和Diyarbakir的雷達(dá)站群(Shemya and Diyarbakir Radar Sites)AN/ FPS-17和AN/ FPS-80雷達(dá)，跟蹤蘇聯(lián)的導(dǎo)彈試驗。在1973年7月，Raytheon公司在Aleutian群島的Shemya島上建立名為“丹麥眼鏡蛇(Cobra Dane)”系統(tǒng)，靠近Alaskan海岸邊。代號為AN/ FPS-108，丹麥眼鏡蛇替代AN/ FPS-17和AN/ FPS-80雷達(dá)。在1977年開始運作，丹麥眼鏡蛇主要承擔(dān)監(jiān)測西南方俄羅斯從西伯利亞的堪察加(Siberian Kamchatka)半島發(fā)射導(dǎo)彈的任務(wù)。這是有史以來建造的功率最強和最大的單面相控陣?yán)走_(dá)。FPS-80是跟蹤蘇聯(lián)導(dǎo)彈的雷達(dá)，F(xiàn)PS-17是探測蘇聯(lián)導(dǎo)彈的雷達(dá)。大型探測雷達(dá)(AN/ FPS-17)于1960年投入運行。1961年，AN/ FPS-80跟蹤雷達(dá)就近建造。這些雷達(dá)在70年代關(guān)閉。潑林克里科(Pirinclik,靠近土耳其迪亞巴克爾)情報收集雷達(dá)站最終由探測雷達(dá)(FPS-17)和機械跟蹤雷達(dá)(FPS-79)構(gòu)成。這兩個雷達(dá)的工作頻率為UHF(432 MHz)。盡管其機械機構(gòu)的局限，Pirinclik雷達(dá)仍具有同時實時跟蹤兩個物體的優(yōu)點。其地點靠近前蘇聯(lián)南部，這是唯一能夠跟蹤俄羅斯離軌空間物體的陸基探測器。Diyarbakir FPS-17在1955年開始運行，在Laredo的1956年2月建成，Shemya的在1960年5月建成[9][10][11][12]。前兩個在關(guān)閉后沒有代替的；Shemya被Cobra Dane (AN/FPS-108)代替[13]。。1955年6月1日和1964年FPS-17雷達(dá)和FPS-79雷達(dá)分別達(dá)到初步運行能力。這兩組雷達(dá)以超高頻(432 MHz)運行。盡管受限于其機械技術(shù)結(jié)構(gòu)，Pirinclik的兩組雷達(dá)均能實時跟蹤兩個空間物體。其地點靠近前蘇聯(lián)南部，是唯一能夠跟蹤俄羅斯脫軌空間物體的陸基探測器。此外，Pirinclik雷達(dá)是唯一每天24小時東半球的深空探測器。Pirinclik雷達(dá)工作到1997年。

FPS-17的天線設(shè)有固定的拋物線圓環(huán)反射面， 175英尺(53米)高，110英尺(34米)寬，被擺在它面前的雷達(dá)饋源天線陣列照射。發(fā)射機工作在VHF波段，發(fā)送的脈沖頻率在180到220兆赫之間[14]。不同于多數(shù)類型的雷達(dá)，F(xiàn)PS-17是第一個采用脈沖壓縮技術(shù)工作的雷達(dá)系統(tǒng)[15]。在Diyarbakir有兩個AN/FPS-17天線，另一個天線在得克薩斯州南部，拉雷多，三個在阿留申群島的Shemya[9] [14]。在迪亞巴克爾(Diyarbakir) FPS-79天線具有的獨特的可變焦距饋源反射面提供了寬波束探測和窄帶寬跟蹤。1975年該天線被新的天線替換。使用脈沖壓縮技術(shù)，改善了天線的增益和分辨率。操縱還是機械方式；FPS-79監(jiān)測范圍24 000英里(39 000公里)。

空軍空間監(jiān)視系統(tǒng)(Air Force Space Surveillance System)

AN/FPS-133空軍空間監(jiān)視系統(tǒng)，就是著名的空間籬笆，用于探測凌空穿越美洲的在軌物體的多基地雷達(dá)系統(tǒng)。是美國空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的一部分，由最初美國海軍的SPASUR空間監(jiān)視系統(tǒng)改進(jìn)而成。按照美國海軍的說法，能夠探測到在30 000 km (15 000 海里) 高度上籃球大小 (29.5 inches (75 cm))的物體[26]。這個系統(tǒng)在2013年9月停止運行。新的空間籬笆計劃在馬紹爾群島(Marshall Is-lands)的夸賈林環(huán)礁(Kwajalein Atoll)進(jìn)行，連同另一個在西澳大利亞的雷達(dá)站[7]。運行總部在弗吉尼亞州的達(dá)爾格倫(Dahlgren)，雷達(dá)站則分布在美國本土大致在北緯33度的地帶, 系統(tǒng)有三個發(fā)射站[8]：

1) 德克薩斯州吉卡普湖(Lake Kickapoo)的主發(fā)射站, 頻率216.98 MHz, 地理坐標(biāo)位于33°32′47″N 98°45′46″W;

2) 亞利桑州希拉河(Gila River), 頻率216.97 MHz ，地理坐標(biāo)位于33°06′32″N 112°01′45″W;

3) 阿拉巴馬州約旦湖(Jordan Lake)，頻率216.99 MHz，地理坐標(biāo)位于32°39′33″N 86°15′52″W?。

在Lake Kickapoo的主站據(jù)說是世界上最大的連續(xù)波站，在216.9727頻率上的發(fā)射功率達(dá)768 kW。1961年這個系統(tǒng)開始運行時，最初的頻率是108.50 MHz，正好在FM波段上。在1965年籬笆系統(tǒng)工作頻率倍增到216.98MHz，以得到小目標(biāo)定位的更高分辨率，直到2013年這個籬笆退役。在希拉河和約旦湖備份發(fā)射臺從20世紀(jì)90年代初直到2013年使用上面所列的頻率，以便更好地發(fā)現(xiàn)是哪個發(fā)射臺發(fā)射到該空間物體上，由于多個發(fā)射機可能同時照到同一物體。有六個接受站：

在德克薩斯Lake Kickapoo 的主發(fā)射天線

1) 加尼福尼亞的圣迭戈(San Diego, California), 地理坐標(biāo)位于32°34′42″N 116°58′11″

2) 新墨西哥的象山Elephant Butte, New Mexico (地理坐標(biāo)位于33°26′35″N 106°59′50″W)

3) 阿肯色州的紅河Red River, Arkansas (地理坐標(biāo)位于33°19′48″N 93°33′01″W)

4) 密西西比州的銀湖Silver Lake, Mississippi (地理坐標(biāo)位于33°08′42″N 91°01′16″W)，運行到2013年4月。

5) 喬治亞州的霍金斯維爾Hawkinsville, Georgia (地理坐標(biāo)位于32°17′20″N 83°32′10″)

6) 喬治亞州的塔特納爾Tattnall, Georgia (地理坐標(biāo)位于32°02′35″N 81°55′21″W)，運行到2013年4月。

在象山和霍金斯維爾的接收站是“高海拔”站，具有更長更完善的天線系統(tǒng)，用來搜尋更高海拔的目標(biāo)。

美國空軍的空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)

總之，從蘇聯(lián)在1957年通過發(fā)射旅行者1號衛(wèi)星開始了空間時代以來，美國為了完成空間監(jiān)視的任務(wù)，建立了通過美國陸軍，海軍和空軍的空間監(jiān)視網(wǎng)(SSN)操作的分布在世界各地的25個站點的陸基雷達(dá)和光學(xué)傳感器。 SSN已經(jīng)跟蹤了39 000個空間軌道物體。SSN目前正跟蹤其中的8000個在軌物體。其余的都重新進(jìn)入地球大氣層并解體，或者重入大氣層后與地球碰撞損毀。這些目前在地球軌道的空間物體從重達(dá)幾噸的衛(wèi)星到僅重10磅(4.5 kg)的用過火箭箭體的殘片。大約百分之七的空間物體是運行著的衛(wèi)星，其余的是碎片。USSTRATCOM主要對活動衛(wèi)星感興趣，當(dāng)然也關(guān)注碎片。SSN跟蹤的物體從10 cm直徑(籃球大小)或更大。

空間監(jiān)視系統(tǒng)具有眾多提供信息數(shù)據(jù)的傳感器。這些傳感器可以分為三類：專用傳感器、協(xié)同傳感器和輔助傳感器。傳感器還可以分為近地(NE)跟蹤-觀測衛(wèi)星、空間碎片和較低的軌道上其他物體，和深空(DS)跟蹤-通常為小行星和彗星。

1) Dedicated sensors 專用傳感器

? Ground-based Electro-Optical Deep Space Surveillance (GEODSS) sites陸基光電深空監(jiān)視

? Space Surveillance Telescope (SST)空間監(jiān)視望遠(yuǎn)鏡，它是在2011年上線的3.5米口徑反射望遠(yuǎn)鏡，負(fù)責(zé)跟蹤軌道碎片

? MOSS-an Electro-Optical (E-O) surveillance system located at the Moron Air Base, Spain在西班牙莫隆空軍基地的光電監(jiān)視系統(tǒng)

? GLOBUS II radar 在挪威瓦爾德靠近俄羅斯邊界的雷達(dá)站

? AN/FPS-85 Space Track Radar屬于空軍空間司令部的Eglin 空軍基地C-6雷達(dá)站，AN/FPS-85相控陣列雷達(dá), 及相關(guān)聯(lián)的計算機處理器系統(tǒng)和雷達(dá)控制設(shè)備。

? AN/FPS-133 Air Force Space Surveillance System, AN/FPS-133空軍空間監(jiān)視系統(tǒng)，也就是著名的空間籬笆。

? Midcourse Space Experiment (MSX) / Space Based Visible () satellites中段空間試驗 (MSX)/空基可視衛(wèi)星(SBV)

2) Collateral sensors 協(xié)同傳感器

? Maui Space Surveillance System (MSSS) and Advanced Electro-Optical System (AEOS) telescope, co-located with a GEODSS station in Maui, Hawaii毛依空間監(jiān)視系統(tǒng)(MSSS) 和與夏威夷毛依的GEODSS站一起的先進(jìn)光電系統(tǒng)(AEOS)望遠(yuǎn)鏡，。

? Haystack Ultrawideband Satellite Imaging Radar (HUSIR), Haystack Auxiliary Radar (HAX) and Millstone Hill Radar海斯塔克(意為干草堆)超寬帶衛(wèi)星成像雷達(dá)(HUSIR), 海斯塔克輔助雷達(dá)(HAX)和米爾斯通希爾(意為磨石山)雷達(dá)。

? ALTAIR and ALCOR radars at the Ronald Reagan Ballistic Missile Defense Test Site, Kwajalein Atoll歐塔拉(牛郎星)和艾歐蔻(星座名)雷達(dá)，在馬紹爾群島共和國的夸賈林環(huán)礁的羅納德·里根彈道導(dǎo)彈防御試驗場。

? Ascension Range Radar, locate at the Eastern Spacelift Range 阿薩森潤基雷達(dá)

? Ground-Based Radar Prototype (GBR-P), located Ronald Reagan Ballistic Missile Defense Test Site, Kwajalein Atoll 陸基雷達(dá)樣機，在馬紹爾群島共和國的夸賈林環(huán)礁的羅納德·里根彈道導(dǎo)彈防御試驗場。

3) Auxiliary sensors 輔助傳感器

? Solid State Phased Array Radar System (SSPARS) / AN/FPS-132 Upgraded Early Warning Radar (UEWR) system of system, deployed at multiple sites 固態(tài)相控雷達(dá)(SSPARS)/ AN/FPS-132升級的早期預(yù)警雷達(dá)(UEWR)

? AN/FPS-108Cobra Dane AN/ FPS-108丹麥眼鏡蛇

? AN/FPQ-16Perimeter Acquisition Radar Characterization System (PARCS) AN/ FPQ-16外圍采集的雷達(dá)特性分析系統(tǒng)(PARCS)

美國的陸基深空監(jiān)視系統(tǒng)

GEODSS at Diego Garcia在迪戈加西亞的GEODSS　Midcourse Space Experiment中段空間試驗

陸基光電深空監(jiān)視系統(tǒng)(Ground-based Electro-Optical Deep Space Surveillance, 或 GEODSS)是使用望遠(yuǎn)鏡、低照度電視攝像機和計算機的一個光學(xué)系統(tǒng)。它代替6個20吋(半米)的使用攝影膠片的貝克 - 納恩(Baker-Nunn)照相機。GEODSS有3個站點，監(jiān)測結(jié)果向在Colorado州的彼得森空軍基地(Peterson Air Force Base)的21工作組通報，這3個站點是：

? Socorro, New Mexico(新墨西哥州的索科羅)，地理坐標(biāo)是33°49′02″N 106°39′36″W

? AMOS, Maui, Hawaii (夏威夷毛伊島的空軍毛伊島光學(xué)和超級計算機AMOS)，地理坐標(biāo)是20°42′32″N 156°15′28″E

? Diego Garcia, British Indian Ocean Territory英屬印度洋領(lǐng)地的迪戈加西亞，地理坐標(biāo)是7°24′42″S 72°27′08″E?

在西班牙的莫隆光學(xué)空間監(jiān)視系統(tǒng)(Moron Optical Space Surveillance， MOSS)一個22吋, 可移動22英寸口徑的望遠(yuǎn)鏡是GEODSS合作站點從1997年到2012年莫隆運行。地理坐標(biāo)是37°10′12″N 5°36′32″W。

GEODSS跟蹤深空的，即超出約3 000英里(4 800公里)到地球同步高度上的物體。由于光學(xué)系統(tǒng)本身特性，GEODSS需要在夜間并且晴朗的天氣條件下跟蹤。每個站點有3個望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡孔徑40英寸(1.02 M)和雙視場。望遠(yuǎn)鏡能看到物體直徑是人眼看到的10 000倍。高敏感度和白晝天空背景會遮蓋衛(wèi)星的反光，決定了系統(tǒng)只能在夜間工作。和任何陸基光學(xué)系統(tǒng)一樣，云層遮蓋和局部的氣象條件直接會影響其有效性。GEODSS系統(tǒng)可跟蹤空間20 000英里(30 000公里)以外籃球大小的物體，或者35 000英里(56 000公里)的椅子，是美國戰(zhàn)略司令部空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。能檢測到遠(yuǎn)處超過地球與月球之間(245 000英里外)橢圓軌道上的閃電衛(wèi)星(Molniya)。每個GEODSS網(wǎng)站每晚能定期跟蹤9900的目標(biāo)中約3 000個。

2空基空間監(jiān)視系統(tǒng)

經(jīng)過50多年的發(fā)展，美國建立了部署在全球多個地點，由30多部探測雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)、成像雷達(dá)、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡以及無源射頻信號探測器組成的陸基空間監(jiān)視網(wǎng)，可以編目管理大部分空間目標(biāo)。但總的來說，美國陸基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)還不能充分滿足美軍空間態(tài)勢感知和空間對抗的軍事需求。一是還有覆蓋盲區(qū)，二是陸基觀測設(shè)備受到天氣、大氣環(huán)境的影響較大，容易發(fā)生觀測誤差。還會受云層遮擋。在白晝由于天空背景很亮，掩蓋了空間物體目標(biāo)的圖像?？栈臻g目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展則有效地彌補了這些缺點。通過在不同軌道上部署多顆空間目標(biāo)監(jiān)視衛(wèi)星聯(lián)網(wǎng)，空基系統(tǒng)與陸基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)相配合跟蹤等措施，可有效地減少空間目標(biāo)的觀測盲區(qū)。盡管空基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)受發(fā)射限制，不能攜帶大型的觀測設(shè)備，但因在軌道上可以近距離和個別地觀測某些目標(biāo)，因而其觀測精度并不低。反而因為沒有大氣遮擋，光學(xué)探測設(shè)備的可見度比陸基設(shè)備更好。特別是對地球同步軌道的高軌衛(wèi)星目標(biāo)，空基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)比陸基系統(tǒng)有良好的探測效果。

發(fā)射GSSAP衛(wèi)星的Delta 4火箭升空　　　　SBSS系統(tǒng)示意圖　　

“pathfinder”衛(wèi)星

原來的空基監(jiān)視系統(tǒng)包括一個星載傳感器，空基可視(SBV)傳感器，搭載在由彈道導(dǎo)彈防御組織于1996年發(fā)射的中段空間實驗(MSX)衛(wèi)星送入軌道。主要任務(wù)是探測、跟蹤和預(yù)警導(dǎo)彈中段，該項目1997年完成技術(shù)驗證，并開始將項目和技術(shù)融入到空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)中，1998年正式運行，它在2008年6月2日退役[17]。MSX驗證了新一代導(dǎo)彈預(yù)警和防御所用探測器技術(shù)，收集和統(tǒng)計了有價值的背景和目標(biāo)數(shù)據(jù)，其成熟技術(shù)都將轉(zhuǎn)換到新一代空基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)上?？栈臻g監(jiān)視(SBSS)的探路者衛(wèi)星現(xiàn)在執(zhí)行以前由MSX SBV處理的任務(wù)。

空基空間監(jiān)視(SBSS)系統(tǒng)是計劃中的衛(wèi)星星座及配套的地面基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，美國打算利用這個系統(tǒng)提高檢測和跟蹤圍繞地球軌道空間物體的能力。SBSS主要承包商波音公司和貝爾航天公司(Ball Aerospace)聲稱，SBSS將徹底改變美國空軍探測和跟蹤空間物體的能力，生成的數(shù)據(jù)會有力地支持美國防部的軍事行動[23]。據(jù)稱，SBSS系統(tǒng)將使美國對地球靜止軌道衛(wèi)星的跟蹤能力提高50%，同時美國空間目標(biāo)編目信息的更新周期由現(xiàn)在的5天左右縮短到2天，從而大大提高美軍的空間態(tài)勢感知能力。

SBSS的開發(fā)工作進(jìn)行中得到美國空軍的空間態(tài)勢感知集團 (Space Situational Awareness Group，美國空軍的下屬機構(gòu))的配合。空間態(tài)勢感知集團的指揮官認(rèn)為，SBSS衛(wèi)星操作中心“能夠提供一個反應(yīng)靈敏的任務(wù)型傳感器界面，這大大改善空間態(tài)勢感知能力。這是實現(xiàn)事件驅(qū)動的操作概念的關(guān)鍵[14]”。SBSS主要有三個部分，即探路者衛(wèi)星(“Pathfinder”satellite)、軌道深空成像系統(tǒng)(ODSI)和地球同步軌道空間態(tài)勢感知項目(Geosynchronous Space Situational Awareness Program, GSSAP)

探路者衛(wèi)星“pathfinder” satellite

第一顆探路者衛(wèi)星在2010年9月25日搭載米若陶IV(Minotaur IV)火箭成功進(jìn)入軌道。比原計劃發(fā)射時間推遲了將近兩年。推遲的原因是助推器出現(xiàn)問題。項目耗資8.23億美元(MYM823 million)，包括衛(wèi)星、有效載荷、發(fā)射和地面設(shè)施的費用。衛(wèi)星和有效載荷的合同其中的40%費用給了貝爾航天公司(Ball Aerospace)。該項目計劃在地球同步軌道上每天至少一次探測和監(jiān)視每個空間飛行器。SBSS探路者衛(wèi)星具有2.4百萬像素傳感器的30 cm口徑望遠(yuǎn)鏡，裝在兩軸的陀螺架上。計劃5年半的工作時間[23]。先期的SBSS10單元航天器由空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心(Space and Missile Systems Center)管理，其主要技術(shù)諸元如下：

1) 發(fā)射質(zhì)量: <1 100 kg

2) 功耗: <1 100 W

3) 航天器: Ball Configurable Platform (BCP) 2000

4) 有效載荷：30厘米三片透鏡消象差望遠(yuǎn)鏡；兩軸鈹青銅萬向節(jié)；視角: 3π弧度

日前，美國空軍空間司令部宣稱“空基空間監(jiān)視系統(tǒng)”(SBSS)10單元的衛(wèi)星已擁有初步作戰(zhàn)能力(Initial operational capability，IOC)，這標(biāo)志著空基監(jiān)視系統(tǒng)在其研發(fā)周期內(nèi)已具有實戰(zhàn)能力。這個衛(wèi)星由軌道科學(xué)公司在2010年9月25日發(fā)射升空，是SBSS系統(tǒng)的第一個衛(wèi)星。根據(jù)計劃，隨后將發(fā)射的SBSS系統(tǒng)20單元是由4顆衛(wèi)星組成的星座，比10單元功能更強，穩(wěn)定性更好。從廣義上來講，空間的物體都是空間態(tài)勢感知的對象，如暫時經(jīng)過空間的戰(zhàn)略導(dǎo)彈中段、高、低軌工作衛(wèi)星、廢棄衛(wèi)星、空間碎片，以及經(jīng)過近地空間的小行星和彗星、深空的行星和恒星等。而從狹義上來講，空間目標(biāo)監(jiān)視主要應(yīng)用在空間對抗和空間安全維護(hù)上，因此空基深空探測部分不在空間態(tài)勢感知的范圍內(nèi)，但在技術(shù)實現(xiàn)能力上近地空間目標(biāo)監(jiān)視和空基深空探測有很多相似的地方。

空基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)與對地偵察衛(wèi)星的功能有很多相似之處，都是偵察衛(wèi)星對感興趣的目標(biāo)進(jìn)行觀測。不同的是，空基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)所觀測的目標(biāo)的特殊性，給空基系統(tǒng)的構(gòu)建帶來更多的挑戰(zhàn)。地面目標(biāo)與對地觀測衛(wèi)星的相對幾何關(guān)系比較穩(wěn)定，相對速度也較小。而空基空間目標(biāo)監(jiān)視衛(wèi)星相對于空間目標(biāo)的幾何關(guān)系變化較大，相對速度也較大，最大可以達(dá)到15 km/s。怎樣在這樣的高速條件下對目標(biāo)進(jìn)行觀測和跟蹤，是未來空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

軌道深空成像系統(tǒng)(ODSI)

美國軍方正在努力開發(fā)一個軌道深空成像儀(ODSI), 提供深空物體圖像衛(wèi)星特征。ODSI與其他空間態(tài)勢感知網(wǎng)絡(luò)傳感器配合，將大大加強對空間活動的了解。ODSI計劃部署一個由運行在地球靜止軌道的成像衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座來描述深空物體，支持整個空間戰(zhàn)場感知和空間對抗作戰(zhàn)。其主要任務(wù)是執(zhí)行空間目標(biāo)識別，拍攝地球靜止軌道空間目標(biāo)的高分辨率圖像，并實時或定期地提供相關(guān)信息

“軌道深空成像儀”(ODSI)系統(tǒng)則是，2005年1月，波音、洛馬和諾格3家公司通過競標(biāo)成為ODSI概念研究的合同商，按計劃ODSI衛(wèi)星將于2015年進(jìn)行首次發(fā)射。

地球同步軌道空間態(tài)勢感知項目(Geosynchronous Space Situational Awareness Program, GSSAP)

2014年7月28日兩顆GSSAP衛(wèi)星從佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角空軍基地搭載美國發(fā)射聯(lián)盟 (ULA)的Delta IV M+ (4,2)火箭發(fā)射升空。這是美國空軍的地球同步軌道空間態(tài)勢感知項目的一部分。GSSAP是美空軍的機密項目，用于為美國戰(zhàn)略司令部監(jiān)視地球同步軌道的碰撞威脅和潛在對手的不法活動。2014年2月，美空軍航天司令部(AFSPC)司令謝爾頓首次披露該項目。GSSAP衛(wèi)星由軌道科學(xué)公司建造，體積小，配備有光電傳感器，在執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)時可根據(jù)不同監(jiān)視方向，在地球同步帶上下機動。GSSAP衛(wèi)星通過全球范圍的空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)(AFSCN)地面站傳遞信息到達(dá)科羅拉多州的施里弗空軍基地(Schriever Air Force Base)，其第一空間作戰(zhàn)中隊第五十空間聯(lián)隊的衛(wèi)星操作者(1 SOPS)負(fù)責(zé)監(jiān)視日常運行。另外兩顆GSSAP衛(wèi)星預(yù)計于2016年搭載“宇宙神”-5火箭發(fā)射。

這些衛(wèi)星運行在近地球同步軌道上[24-25]。GSSAP是美國空軍和軌道科學(xué)公司隱蔽研制的空間監(jiān)視衛(wèi)星系列，提供運行在近地球同步軌道區(qū)域空基能力，作為一個專用的空間監(jiān)視網(wǎng)(SSN)傳感器支撐美國戰(zhàn)略司令部空間監(jiān)視行動。GSSAP衛(wèi)星采集空間態(tài)勢感知數(shù)據(jù)可更精確地跟蹤和描述人造軌道物體特征。衛(wèi)星位于約22 300英里(35 900 km)高度的這個區(qū)域，因此是懸浮在地球上空一個位置。地球同步帶有一些美國最重要的通信和偵察衛(wèi)星。在近地同步軌道，有一個清晰、無障的和特有的有利位置觀測在該區(qū)域的駐留空間物體(RSOs)，不會出現(xiàn)限制地面系統(tǒng)的天氣阻隔或大氣失真。GSSAP衛(wèi)星在近地球同步帶運行，還能夠執(zhí)行交會對接操作。這些衛(wèi)星被稱為天使(ANGELS是Automated Navigation and Guidance Experiment for Local Space的簡稱)。該航天器將貼近德爾塔4號的上面幾百公里以上的地球同步帶，以高度自動化程度和獨立于人手操作的方式上下機動。這些機動從上段的約31英里(50 km)距離處開始，然后繼續(xù)當(dāng)ANGELS越來越接近，最終接近到離火箭體的僅有幾公里之遠(yuǎn)。專家曾表示，鑒于在使用非常頻繁的軌道帶上的衛(wèi)星有可能會造成毀傷，因此，衛(wèi)星必須要能表現(xiàn)出空前精準(zhǔn)的軌道機動能力。

美國空軍航天司令部航空航天與網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)主任稱，GSSAP不取代當(dāng)前運行的“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”(SBSS)和“先進(jìn)技術(shù)風(fēng)險降低(ATRR)衛(wèi)星”, 這兩個系統(tǒng)在低地球軌道上運行具有不同的功能。GSSAP將部署到地球同步軌道附近，對于觀測地球同步軌道物體具有非常獨特的優(yōu)勢，從而能清晰地表征空間物體的屬性，而不僅僅是跟蹤空間物體。

美國空軍空間司令部司令威廉·謝爾頓聲稱[5]“這鄰里守望雙子組將有助于保護(hù)我們以前的在地球同步帶的空間資產(chǎn)，再加上它們能尋找外國在關(guān)鍵軌道區(qū)域設(shè)置的危險因素。由兩顆衛(wèi)星我們會得到關(guān)于地球同步軌道大流量圖像。一張圖片勝過一千個推測，我們可以看到國外衛(wèi)星的每個細(xì)節(jié)，而且可以有效地用反向工程知道有哪些能力比你更厲害”。GSSAP將填補對地球同步軌道的監(jiān)視能力缺口。美空軍在地球同步軌道部署有貴重的空間資產(chǎn)，如提供核指揮與控制通信的先進(jìn)的甚高頻衛(wèi)星(AEHF)以及監(jiān)視敵方導(dǎo)彈發(fā)射以提供預(yù)警的“天基紅外系統(tǒng)”(SBIRS)。謝爾頓稱，GSSAP標(biāo)志著空間監(jiān)視能力的重大進(jìn)步，可更好地避免空間碰撞并探測威脅，促進(jìn)美國識別對手試圖躲避探測的行動，并發(fā)現(xiàn)對手可能擁有的對高軌道空間資產(chǎn)存在威脅的能力。

3結(jié)束語

目前美國空間態(tài)勢感知能力的發(fā)展趨勢就是積極研發(fā)部署空基空間監(jiān)視系統(tǒng)，加強對高軌道目標(biāo)的監(jiān)視能力，同時具有對目標(biāo)的機動性監(jiān)視，能最大限度得到空間目標(biāo)細(xì)節(jié)，尤其是對深空微小目標(biāo)提供監(jiān)視，從宏觀到微觀對空間戰(zhàn)場態(tài)勢全面進(jìn)行監(jiān)視。這對我國的空間戰(zhàn)場是一個很大的挑戰(zhàn)，但也給我國空間態(tài)勢感知能力的構(gòu)建提供了很好的借鑒。我國不像美國在世界各地遍布軍事基地，陸基空間監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展會受到一定限制，因此在構(gòu)筑陸基空間監(jiān)視系統(tǒng)同時，借助于我國先進(jìn)的航天技術(shù)，積極研發(fā)和部署空基空間監(jiān)視系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

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(責(zé)任編輯周江川)

【編委特稿】

History and Status of US Space Situational Awareness

LU Zhen

(School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Abstract:Space situational awareness is the essential elements of space resource development, and is the key of the protection of space assets and grasping of space control and implementing military operation in spaces. US government and military policymakers are well aware of the importance in developing space situational awareness. From of the Cold War period, US began to build space surveillance systems. With the development of science and technology, their space surveillance systems become more and more advanced and powerful, and become systematic and worldwide space situational awareness. Based on the disclosed information from US Department of Defense and the US Air Force and its subsidiaries, as well as the related enterprise, this paper conducted a brief review and prospect of United States space situational awareness updated, so as to initiate future development of our country’s space situational awareness.

Key words:space situational awareness; space weapons; geosynchronous orbit

文章編號：1006-0707(2016)01-0001-08

中圖分類號：TJ8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.001

作者簡介：陸震(1942—)，本刊編委，教授， 博士生導(dǎo)師，主要從事機械電子工程、空間機器人研究。

收稿日期：2015-10-20；修回日期：2015-11-02