樸美蘭 李斯戌 齊艷麗 伍贛湘

（1 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 2 北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所）

1 空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)

STSS項(xiàng)目的發(fā)展可追溯到20世紀(jì)90年代，歷經(jīng)多次重組，項(xiàng)目名稱和設(shè)計(jì)方案均進(jìn)行了較大調(diào)整。2022年，隨著2顆STSS演示驗(yàn)證衛(wèi)星退役，該項(xiàng)目正式終止。

表1 STSS系統(tǒng)的發(fā)展演變

系統(tǒng)方案

STSS主要設(shè)計(jì)用于跟蹤全球范圍內(nèi)的、從發(fā)射到再入的彈道導(dǎo)彈，并將處理后的數(shù)據(jù)提供給攔截彈以引導(dǎo)攔截彈的飛行，此外還可輔助用于空間態(tài)勢(shì)感知、技術(shù)情報(bào)以及戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估等。按照2002年左右的早期規(guī)劃，STSS系統(tǒng)將由24～27顆低軌衛(wèi)星群組成（高度約1600km），分布在3～4個(gè)太陽(yáng)同步軌道面。STSS衛(wèi)星工作波段包括可見(jiàn)光和短波、中波、長(zhǎng)波紅外。每一顆衛(wèi)星包括兩種探測(cè)器，可以獨(dú)立探測(cè)和瞄準(zhǔn)目標(biāo)。其中一個(gè)是捕獲探測(cè)器，這是一種寬視場(chǎng)掃描短波紅外探測(cè)器，用來(lái)觀測(cè)助推段的導(dǎo)彈尾焰。一旦探測(cè)器鎖定目標(biāo)，信息將傳送給另一種探測(cè)器—跟蹤探測(cè)器，這是一種窄視場(chǎng)、高精度凝視型多波段（中波、中長(zhǎng)波、長(zhǎng)波紅外及可見(jiàn)光）探測(cè)器，能鎖定一個(gè)目標(biāo)并對(duì)整個(gè)彈道中段和再入階段的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

飛行在多個(gè)軌道面上的低軌道衛(wèi)星將成對(duì)地工作模式，以提供立體觀測(cè)。星間通信（頻率60GHz）用于彈頭中繼跟蹤的信息通信；星地通信（頻率22/44GHz）用于衛(wèi)星測(cè)控和遙感數(shù)據(jù)下行。整個(gè)STSS衛(wèi)星星座將利用衛(wèi)星內(nèi)部的交叉鏈路實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的通信連接。當(dāng)一顆衛(wèi)星所跟蹤的導(dǎo)彈離開(kāi)它的視線，它可以將目標(biāo)的位置告知第二顆衛(wèi)星，第二顆衛(wèi)星將繼續(xù)跟蹤目標(biāo)并將有關(guān)引導(dǎo)信息提供給攔截武器。必要的情況下，這種傳遞可以在整個(gè)星座中繼續(xù)下去，直到目標(biāo)被摧毀或無(wú)法再探測(cè)到目標(biāo)。

演示驗(yàn)證衛(wèi)星及其試驗(yàn)情況

美國(guó)于2009年發(fā)射了3顆STSS研制衛(wèi)星，即1顆“先進(jìn)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)降低衛(wèi)星”（STSS-ATRR）和2顆演示驗(yàn)證衛(wèi)星。

STSS-ATRR衛(wèi)星主要用于測(cè)試新型傳感器及其跟蹤彈道導(dǎo)彈的能力。美國(guó)導(dǎo)彈防御局稱之為“新一代探測(cè)器技術(shù)的探路者”。該衛(wèi)星質(zhì)量約2000kg，由通用動(dòng)力公司制造。2010年11月，該衛(wèi)星成功驗(yàn)證了探測(cè)器樣機(jī)技術(shù)。2011年1月，該衛(wèi)星的管理和使用權(quán)移交美國(guó)空軍（USAF）。

美國(guó)在STSS-ATRR的基礎(chǔ)上，研制并生產(chǎn)了2顆STSS演示驗(yàn)證衛(wèi)星，在任務(wù)規(guī)劃、衛(wèi)星和有效載荷軟件以及地面自動(dòng)化等方面進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，使得數(shù)據(jù)處理能力大幅增強(qiáng)，其性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越演示驗(yàn)證的能力，具備一定的作戰(zhàn)能力。通過(guò)采用自動(dòng)化指令和試驗(yàn)規(guī)劃工具使得任務(wù)執(zhí)行時(shí)間從幾天減少到幾個(gè)小時(shí)，在軌工作時(shí)間從每個(gè)軌道每個(gè)衛(wèi)星10min，延長(zhǎng)至75min。2顆衛(wèi)星間的通信交叉鏈路每次工作時(shí)間達(dá)到40min，是改進(jìn)前的2倍。截至2022年，STSS演示驗(yàn)證衛(wèi)星完成了129次在軌功能試驗(yàn)，并在民兵－3洲際彈道導(dǎo)彈（LGM－30G）發(fā)射試驗(yàn)以及導(dǎo)彈防御系統(tǒng)飛行試驗(yàn)中對(duì)性能進(jìn)行了演示驗(yàn)證。STSS演示驗(yàn)證衛(wèi)星在軌驗(yàn)證了接收的外部信息，利用交叉鏈路向另外1顆視場(chǎng)外的衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)中段立體跟蹤等目標(biāo)。2011年，“宙斯盾”反導(dǎo)系統(tǒng)（Aegis BMD）基于STSS演示驗(yàn)證衛(wèi)星的跟蹤數(shù)據(jù)對(duì)靶彈成功實(shí)施遠(yuǎn)程攔截。2020年，STSS為標(biāo)準(zhǔn)－3（SM－3）攔截彈提供具備火控精度的信息，成功引導(dǎo)攔截1枚洲際導(dǎo)彈靶彈。

2022年3月，2顆STSS演示驗(yàn)證衛(wèi)星在軌運(yùn)行12年后退役，比原計(jì)劃延遲8年。盡管STSS項(xiàng)目最終未形成完整的衛(wèi)星星座，但2顆演示驗(yàn)證衛(wèi)星所收集的數(shù)據(jù)為高超聲速與彈道跟蹤天基探測(cè)器等新一代天基系統(tǒng)提供有力的支撐。

表2 STSS演示驗(yàn)證衛(wèi)星的主要參數(shù)

2 新一代天基低軌預(yù)警系統(tǒng)

美國(guó)認(rèn)為現(xiàn)役高軌道天基預(yù)警系統(tǒng)在高超聲速威脅目標(biāo)的探測(cè)與跟蹤能力上存在不足，而低軌衛(wèi)星距離地球更近，能夠更準(zhǔn)確地探測(cè)到目標(biāo)。在此背景下，美國(guó)防部（DoD）多家機(jī)構(gòu)著手開(kāi)展新一代天基低軌預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)，目前重點(diǎn)推進(jìn)的項(xiàng)目包括航天發(fā)展局的國(guó)防太空體系架構(gòu)跟蹤層和導(dǎo)彈防御局的高超聲速與彈道跟蹤天基探測(cè)器（HBTSS）。與此同時(shí)，針對(duì)先進(jìn)紅外探測(cè)技術(shù)還啟動(dòng)了相關(guān)演示驗(yàn)證項(xiàng)目。

高超聲速與彈道跟蹤天基探測(cè)器

美國(guó)導(dǎo)彈防御局于2018年提出研制新的天基低軌探測(cè)項(xiàng)目，2020年命名為高超聲速與彈道跟蹤天基探測(cè)器，旨在近地軌道上部署小衛(wèi)星星座，探測(cè)并跟蹤傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈以及以高超聲速武器為代表的新興導(dǎo)彈威脅，填補(bǔ)美國(guó)現(xiàn)有預(yù)警能力空白。

國(guó)防太空體系架構(gòu)跟蹤層衛(wèi)星搭載的寬視場(chǎng)（WFOV）探測(cè)器可以在高超聲速武器飛行初期進(jìn)行探測(cè)和預(yù)警，進(jìn)入滑翔段后將跟蹤數(shù)據(jù)傳遞給HBTSS。HBTSS搭載中視場(chǎng)（MFOV）探測(cè)器，具有更高的靈敏度，可提供支持滑翔段攔截所需的火控?cái)?shù)據(jù)。2021年1月14日和28日，美國(guó)導(dǎo)彈防御局分別授予L3哈里斯公司（L3Harris）和諾格公司（NG）價(jià)值1.21億和1.55億美元的合同，為HBTSS項(xiàng)目研制原型衛(wèi)星，計(jì)劃于2023年初開(kāi)展在軌測(cè)試。

HBTSS示意圖（來(lái)源：諾格公司）

國(guó)防太空體系架構(gòu)跟蹤層

2019年3月，美國(guó)國(guó)防部成立航天發(fā)展局，同年發(fā)布國(guó)防太空體系架構(gòu)信息征詢書(shū)，以應(yīng)對(duì)未來(lái)威脅。國(guó)防太空體系架構(gòu)計(jì)劃在近地軌道上部署數(shù)百顆小衛(wèi)星（質(zhì)量約50～500kg），構(gòu)建傳輸層、跟蹤層、監(jiān)管層、威懾層、導(dǎo)航層、作戰(zhàn)管理層以及支持層等7個(gè)衛(wèi)星星座。其中，跟蹤層設(shè)計(jì)用于探測(cè)、預(yù)警、跟蹤和識(shí)別高超聲速武器在內(nèi)的先進(jìn)導(dǎo)彈威脅。

整個(gè)國(guó)防太空體系架構(gòu)目前采取分階段的發(fā)展途徑，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的迭代升級(jí)。按照規(guī)劃，第0批次（2022財(cái)年）具備驗(yàn)證低軌體系架構(gòu)成本、進(jìn)度等可行性所需的最低能力；第1批次（2024財(cái)年）具備初始作戰(zhàn)能力，可提供區(qū)域性的持久戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路、先進(jìn)導(dǎo)彈探測(cè)以及超視距目標(biāo)瞄準(zhǔn)；第2批次（2026財(cái)年）將在第1批次的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全球覆蓋；第3批次（2028財(cái)年）為第2批次的升級(jí)改進(jìn)，包括敏感度更高的導(dǎo)彈跟蹤能力、受保護(hù)射頻通信以及超視距目標(biāo)瞄準(zhǔn)能力等。

跟蹤層示意圖（來(lái)源：美國(guó)航天發(fā)展局）

在跟蹤層方面，航天發(fā)展局于2022年3月公布跟蹤層星座的征詢書(shū)，計(jì)劃未來(lái)在低軌多個(gè)軌道面上部署約100余顆小衛(wèi)星。目前，已經(jīng)授出第0批次8顆跟蹤層衛(wèi)星合同，正在招標(biāo)第1批次28顆衛(wèi)星，之后還計(jì)劃授出第2批次跟蹤層衛(wèi)星生產(chǎn)合同，預(yù)計(jì)28～48顆。

航天發(fā)展局于2020年5月發(fā)布第0批次跟蹤層征詢書(shū)，采購(gòu)8顆寬視場(chǎng)（WFOV）衛(wèi)星。2020年10月，確定4顆由L3哈里斯公司負(fù)責(zé)研制，合同額約1.93億美元，另外4顆由美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）負(fù)責(zé)，合同額1.49億美元。目前，兩家公司都已經(jīng)通過(guò)了設(shè)計(jì)審查，計(jì)劃于2023年發(fā)射。第0批次衛(wèi)星的軌道高度約1000km，軌道傾角80°～100°，預(yù)計(jì)服役期限5年，部署在兩個(gè)相鄰軌道面上，盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)威脅目標(biāo)的立體覆蓋，可通過(guò)激光通信鏈路與傳輸層進(jìn)行通信。

2022年2月，航天發(fā)展局發(fā)布了第1批次跟蹤層衛(wèi)星星座的信息征詢書(shū)，計(jì)劃采購(gòu)28顆衛(wèi)星，預(yù)計(jì)采購(gòu)和發(fā)射成本25億美元。前14顆將于2024年發(fā)射，后14顆將于2025年發(fā)射。征詢書(shū)顯示，28顆衛(wèi)星將部署在4個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面7顆衛(wèi)星。衛(wèi)星上搭載1個(gè)紅外有效載荷、3個(gè)光學(xué)通信終端和1個(gè)Ka波段通信有效載荷。光學(xué)通信終端可實(shí)現(xiàn)軌道面內(nèi)、跨軌道面以及與傳輸層的交互連接。而且，所有衛(wèi)星之間都可以實(shí)現(xiàn)互操作。航天發(fā)展局計(jì)劃選擇2家供應(yīng)商，每家提供14顆衛(wèi)星，部署2個(gè)軌道面，可覆蓋半球。

先進(jìn)技術(shù)演示驗(yàn)證項(xiàng)目

在采購(gòu)衛(wèi)星的同時(shí)，航天發(fā)展局與導(dǎo)彈防御局共同啟動(dòng)“紅外成像有效載荷原型樣機(jī)”（PIRPL）實(shí)驗(yàn)，合作研制先進(jìn)紅外傳感器技術(shù)，旨在通過(guò)低軌預(yù)警衛(wèi)星探測(cè)并識(shí)別高超聲速滑翔飛行器。PIRPL是一種中視場(chǎng)多光譜相機(jī)，質(zhì)量為58kg，其探測(cè)譜段為短波紅外與中波紅外，由諾格公司負(fù)責(zé)研制生產(chǎn)。2021年8月，PIRPL搭載“天鵝座”（Cygnus）貨運(yùn)飛船飛往“國(guó)際空間站”。PIRPL在整個(gè)任務(wù)中收集圖像，持續(xù)約3個(gè)月。11月20 日，在“天鵝座”貨運(yùn)飛船離開(kāi)空間站之后，PIRPL與貨運(yùn)飛船分離，在自由飛行模式下運(yùn)行，觀測(cè)貨運(yùn)飛船再入大氣層時(shí)的一些紅外特性。航天發(fā)展局和導(dǎo)彈防御局將利用這些圖像創(chuàng)建低軌紅外雜波背景數(shù)據(jù)庫(kù)，用于導(dǎo)彈探測(cè)和跟蹤算法的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。

3 發(fā)展趨勢(shì)分析

美國(guó)STSS天基低軌預(yù)警系統(tǒng)受技術(shù)、進(jìn)度和經(jīng)費(fèi)等綜合因素的影響，在經(jīng)歷20余年的發(fā)展后被中止，未能實(shí)現(xiàn)最初的規(guī)劃目標(biāo)。因此，這也導(dǎo)致美國(guó)反導(dǎo)系統(tǒng)在目標(biāo)識(shí)別上至今仍然依賴于雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)。但近年來(lái)，隨著高超聲速武器等新興導(dǎo)彈威脅的出現(xiàn)以及太空環(huán)境競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，美國(guó)防部加速推動(dòng)新一代天基低軌預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)，并且確定發(fā)展更具彈性和生存能力的小衛(wèi)星星座，增強(qiáng)跟蹤、識(shí)別和瞄準(zhǔn)更復(fù)雜導(dǎo)彈威脅的能力。按照美國(guó)目前的規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2030年前形成較為完備的天基低軌探測(cè)能力，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域乃至全球范圍內(nèi)彈道導(dǎo)彈以及高超聲速導(dǎo)彈等高速、機(jī)動(dòng)目標(biāo)的持續(xù)探測(cè)與跟蹤。

美軍認(rèn)為當(dāng)前的作戰(zhàn)系統(tǒng)越來(lái)越依賴太空資源，但隨著反衛(wèi)星武器以及進(jìn)攻性網(wǎng)絡(luò)武器的發(fā)展，天基系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的威脅和挑戰(zhàn)。2013年，美軍在《彈性和分散太空體系》白皮書(shū)中已經(jīng)提出了“彈性太空”的概念。2019年，美國(guó)航天發(fā)展局明確指出，“彈性、靈活性、敏捷性”是美國(guó)太空軍事化的發(fā)展趨勢(shì)，在此理念引導(dǎo)下著手構(gòu)建新型太空架構(gòu)。作為該體系架構(gòu)的重要組成，跟蹤層也將向分布式的小衛(wèi)星星座轉(zhuǎn)型，逐步取代20世紀(jì)90年代以來(lái)美軍發(fā)展的低軌預(yù)警衛(wèi)星星座方案。

目前，航天發(fā)展局與導(dǎo)彈防御局均在發(fā)展天基低軌預(yù)警系統(tǒng)。美國(guó)政府和國(guó)會(huì)均已意識(shí)到多部門發(fā)展天基低軌預(yù)警項(xiàng)目可能帶來(lái)一定的負(fù)面影響。美國(guó)會(huì)對(duì)航天發(fā)展局的跟蹤層與導(dǎo)彈防御局的HBTSS之間的任務(wù)重疊表示擔(dān)憂，并認(rèn)為國(guó)防部的監(jiān)管不力，兩個(gè)部門之間缺乏協(xié)調(diào)與合作。2021年12月發(fā)布的《2022財(cái)年國(guó)防授權(quán)法案》明確要求國(guó)防部加強(qiáng)對(duì)HBTSS的監(jiān)督。因此，美國(guó)政府今后會(huì)盡快確定下一代天基預(yù)警系統(tǒng)的組織管理部門，明晰各機(jī)構(gòu)的具體職能分工，統(tǒng)籌建設(shè)包括跟蹤層在內(nèi)的太空體系架構(gòu)。從當(dāng)前發(fā)展看，未來(lái)HBTSS系統(tǒng)最終很可能將并入航天發(fā)展局太空體系架構(gòu)之中，成為其跟蹤層的一部分。

美國(guó)新一代低軌預(yù)警系統(tǒng)采用分布式的衛(wèi)星星座，預(yù)計(jì)跟蹤層在軌衛(wèi)星數(shù)量將達(dá)到百余顆的量級(jí)。較大規(guī)模的衛(wèi)星星座對(duì)于星間通信和數(shù)據(jù)處理能力都提出了更高的挑戰(zhàn)，需要解決所需的帶寬以及低延遲通信等問(wèn)題。因此，美國(guó)在提升天基低軌預(yù)警能力的同時(shí)，還將發(fā)展更為先進(jìn)的天基激光通信、信號(hào)處理以及數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，從而為天基低軌預(yù)警系統(tǒng)提供必要的支撐和保障。