天基目標(biāo)探測(cè)與監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展研究

李雁斌， 江利中， 黃 勇

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

空間目標(biāo)泛指離地球表面150 km以外空間（又稱外層空間）的所有目標(biāo)，在天文學(xué)科領(lǐng)域多指恒星、行星、流星等自然天體，在傳統(tǒng)航天領(lǐng)域則為大氣層外圍繞地球飛行的人造軌道飛行器［1］。

一個(gè)國(guó)家空間控制和空間作戰(zhàn)能力的體現(xiàn)主要在于三點(diǎn)：空間監(jiān)視和預(yù)警能力、空間部署能力和空間攻防能力。其中，空間監(jiān)視和預(yù)警致力于提供實(shí)時(shí)的全空域全譜態(tài)勢(shì)感知，為空間部署和攻防對(duì)抗提供必要的信息支援，因此在整個(gè)體系中具有基礎(chǔ)性作用。為較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤或識(shí)別，空間監(jiān)視系統(tǒng)在信息獲取上多采用雷達(dá)、可見光、紅外或其它無線電信號(hào)傳感器，以求寬頻譜覆蓋，而在監(jiān)視手段上主要運(yùn)用地基和天基兩種方式，達(dá)到廣時(shí)空覆蓋。

1 需求分析

近年來，隨著硬件性能和軟件計(jì)算水平的不斷提高，天基雷達(dá)、紅外、可見光等傳感器的探測(cè)能力取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，天基目標(biāo)探測(cè)與監(jiān)視技術(shù)在系統(tǒng)可靠性、執(zhí)行自主性、跟蹤精確度等方面隨之得到了迅猛發(fā)展。由于該技術(shù)在空間資源開發(fā)、空間攻防以及重大民用領(lǐng)域中具有關(guān)鍵作用，故而各國(guó)對(duì)其應(yīng)用高度重視，投入了大量的資金，科技人員進(jìn)行了廣泛深入的研究。以該技術(shù)為基礎(chǔ)面向各種復(fù)雜背景應(yīng)用的空間監(jiān)視和空間自主操作任務(wù)隨即大量涌現(xiàn)，其中相當(dāng)一部分目前已經(jīng)或者正得到具體實(shí)施。

1．1 目標(biāo)監(jiān)視

空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)是利用多星定位，運(yùn)用部署完畢的空間監(jiān)視網(wǎng)直接獲取目標(biāo)狀態(tài)信息，對(duì)所有人造天體向空間的進(jìn)入、在空間的運(yùn)行及離開空間的過程進(jìn)行探測(cè)，并結(jié)合情報(bào)資料，綜合處理分析出目標(biāo)軌道、功能、使用等信息，以掌握空間態(tài)勢(shì)，向空間攻防與航天活動(dòng)等提供空間目標(biāo)信息的國(guó)家戰(zhàn)略信息獲取系統(tǒng)。跟蹤的目標(biāo)包括軌道上現(xiàn)役、待用和廢棄的人造航天器、空間碎片以及其他自然物體。

1．2 自主交會(huì)

空間自主交會(huì)直接面向?qū)?、捕獲、裝配、維護(hù)、對(duì)抗等功能，是有人參與的空間活動(dòng)中的一項(xiàng)基本操作。其所包括的轉(zhuǎn)移、調(diào)相、尋的、逼近等各個(gè)階段均需要目標(biāo)跟蹤環(huán)節(jié)的支撐。對(duì)于遠(yuǎn)距離的調(diào)相轉(zhuǎn)移段，往往需要地面測(cè)控站或?qū)Ш叫l(wèi)星對(duì)目標(biāo)實(shí)行不間斷的跟蹤，為交會(huì)航天器提供準(zhǔn)確的目標(biāo)狀態(tài)，引導(dǎo)交會(huì)航天器以一定的時(shí)間和空間精度接近目標(biāo)。在近距離尋的接近段，目標(biāo)跟蹤則可由星載交會(huì)設(shè)備來完成，實(shí)時(shí)性提升，跟蹤結(jié)果能直接用于構(gòu)成閉環(huán)導(dǎo)引律和控制律。近年來，人們提出了幾乎無人值守的自主交會(huì)模式，這對(duì)跟蹤可靠性、精確性和實(shí)時(shí)性提出了更高的要求，使得空間目標(biāo)跟蹤變得更為關(guān)鍵。

1．3 防撞預(yù)警

空間碎片的存在嚴(yán)重地威脅著在軌運(yùn)行航天器的安全，它們和航天器的碰撞能直接改變航天器的表面性能，造成表面器件損傷，導(dǎo)致航天器系統(tǒng)故障，危害航天器正常運(yùn)行。同時(shí)空間碎片的不斷產(chǎn)生對(duì)有限的軌道資源也構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，尤其是當(dāng)某一軌道的空間碎片密度達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，碎片之間的鏈?zhǔn)脚鲎策^程將會(huì)造成軌道資源的永久性破壞。因此，為了安全、持續(xù)地開發(fā)和利用空間資源，就必須不斷提高對(duì)空間碎片的跟蹤監(jiān)視技術(shù)，增強(qiáng)對(duì)空間碎片環(huán)境的防撞預(yù)警能力。

1．4 深空探測(cè)

深空探測(cè)是人類在新世紀(jì)的三大航天活動(dòng)之一。一方面，深空探測(cè)器在空間運(yùn)行，地面站同它建立通信鏈路、保證通信質(zhì)量都需要知道探測(cè)器在相應(yīng)坐標(biāo)系中的位置和速度，使得天線主瓣方向能夠?qū)?zhǔn)探測(cè)器并接收信號(hào)，這種方式受到地域、氣候條件和大氣限制的制約。而利用天基目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)可以全天候、全方位、實(shí)時(shí)、連續(xù)、精確地觀測(cè)深空探測(cè)器；另一方面，星載深空雷達(dá)裝在發(fā)往太空的飛行器上，采用高功率發(fā)射器和大孔徑天線完成對(duì)深空目標(biāo)的觀測(cè)，用來研究深空目標(biāo)的物理特性如表面特征、密度、軌道、旋轉(zhuǎn)等。

1．5 編隊(duì)飛行

衛(wèi)星編隊(duì)在成本、功能、靈活性和覆蓋范圍上具有單顆衛(wèi)星所無法比擬的優(yōu)勢(shì)，在空間技術(shù)領(lǐng)域中擁有十分重要的地位。其實(shí)施的關(guān)鍵在于軌道構(gòu)型的設(shè)計(jì)、保持和重構(gòu)。然而，隊(duì)形保持和重構(gòu)的執(zhí)行離不開空間目標(biāo)跟蹤環(huán)節(jié)的支持。在衛(wèi)星編隊(duì)飛行中，主星往往會(huì)受到密切的監(jiān)視和人工干預(yù)，而輔星則需要自主或半自主跟蹤監(jiān)視主星狀態(tài)，從而能夠按照既定的指標(biāo)對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道進(jìn)行必要的修正。如果脫離了空間目標(biāo)跟蹤信息，編隊(duì)衛(wèi)星就等于失去了其間邏輯聯(lián)系的紐帶，編隊(duì)飛行也就失去了必要的動(dòng)力學(xué)保障及其固有的系統(tǒng)功能。

1．6 在軌服務(wù)

在軌服務(wù)如捕獲、維護(hù)、裝配、燃料加注等，是未來航天器所需具備的重要功能，飛行任務(wù)大體包括遠(yuǎn)距離軌道轉(zhuǎn)移和近距離空間操作兩個(gè)階段。較之于空間交會(huì)，最大區(qū)別在于其服務(wù)對(duì)象通常是故障衛(wèi)星、失效航天器、空間碎片等空間非合作目標(biāo)。然而，這并不意味著空間目標(biāo)跟蹤重要性的降低，相反，目標(biāo)主動(dòng)性的缺失對(duì)空間目標(biāo)跟蹤提出了更為苛刻的要求。尤其在近距離操作階段，目標(biāo)狀態(tài)幾乎要完全依賴服務(wù)航天器自身的跟蹤模塊來獲取，此時(shí)，針對(duì)具有非合作性質(zhì)的空間目標(biāo)的監(jiān)視和跟蹤顯得尤為重要。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

2．1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

2．1．1 目標(biāo)監(jiān)視

美國(guó)的空間監(jiān)視系統(tǒng)是從20世紀(jì)50年代末逐漸發(fā)展起來的，由分布在全球16個(gè)不同地點(diǎn)的20多種不同類型的30多臺(tái)（套）無線電探測(cè)器、光學(xué)探測(cè)器、天基探測(cè)器以及2個(gè)控制中心（1個(gè)主控，1個(gè)備份）組成，如圖1所示。美國(guó)目前監(jiān)視能力以地基空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）為主［2］。

觀測(cè)設(shè)備由于不受體積重量等限制，可采用大口徑天線來獲取高空間分辨率，并可提高發(fā)射功率來達(dá)到較遠(yuǎn)的探測(cè)距離。但是地面設(shè)備在觀測(cè)過程中要受到大氣傳播抖動(dòng)、蒙氣差、電離閃爍等因素影響，以及地球曲率和天光背景等條件限制，并且地基雷達(dá)監(jiān)視網(wǎng)用于低軌目標(biāo)監(jiān)視雖有效，但不能解決深空目標(biāo)監(jiān)視問題。為彌補(bǔ)地基監(jiān)視網(wǎng)對(duì)深空目標(biāo)跟蹤能力和覆蓋范圍的缺陷，以及在東半球地球同步帶存在的監(jiān)視空白區(qū)，空間目標(biāo)監(jiān)視網(wǎng)逐漸由地基向天基過渡，以達(dá)到減少布站、擴(kuò)大覆蓋率和提高時(shí)效性等目的。

圖1 美國(guó)空間目標(biāo)監(jiān)視網(wǎng)（SSN）

（1）天基可視計(jì)劃（Space－Based Visible Program，SBV）

1996年，美國(guó)空軍在范登堡基地發(fā)射了“中段空間試驗(yàn)”衛(wèi)星（MSX，Midcourse Space eX－periment），該衛(wèi)星屬?gòu)椀缹?dǎo)彈防御技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目。除用于探測(cè)和跟蹤來襲導(dǎo)彈的紅外傳感器之外，該衛(wèi)星還搭載了林肯實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的天基可見光傳感器，對(duì)天基空間監(jiān)視的技術(shù)和功能進(jìn)行驗(yàn)證。SBV探測(cè)器可覆蓋整個(gè)地球同步帶，所以其設(shè)計(jì)重點(diǎn)側(cè)重深空監(jiān)視。

SBV的主要任務(wù)是采集各種駐留空間目標(biāo)（Resident Space Object，RSO）的測(cè)軌和光度信息，其在軌運(yùn)行的前18個(gè)月主要用于確認(rèn)天基空間監(jiān)視的概念和評(píng)估SBV探測(cè)器的性能。期間進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)證明天基空間監(jiān)視不僅可行而且效率高，SBV探測(cè)器可用作空間監(jiān)視網(wǎng)的實(shí)用手段。

1997年10月，SBV探測(cè)器開始從空間監(jiān)視網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)探測(cè)器向關(guān)鍵探測(cè)器過渡，2000年10月，正式轉(zhuǎn)為美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)一部分，可使美空間司令部對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)重訪率增加50%，并使得衛(wèi)星跟蹤丟失數(shù)目減少80%。從搜集觀測(cè)次數(shù)方面已證實(shí)SBV的探測(cè)效率與一個(gè)地基GEODSS站相當(dāng)，且能夠提供比GEODSS探測(cè)器更為精確的觀測(cè)量。

（2）天基空間監(jiān)視系統(tǒng)（Space－Based Space Surveillance，SBSS）

SBSS系統(tǒng)是美國(guó)為提高對(duì)空間目標(biāo)的監(jiān)視、跟蹤和識(shí)別能力，增強(qiáng)對(duì)空間戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的實(shí)時(shí)感知能力而研制的支持空間作戰(zhàn)的武器裝備。SBSS系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)于美國(guó)空間目標(biāo)監(jiān)視能力將是很大提高，有助于美軍真正識(shí)別空間目標(biāo)。

SBSS項(xiàng)目由空軍空間和導(dǎo)彈系統(tǒng)中心負(fù)責(zé)，由5顆衛(wèi)星組成，分兩個(gè)階段建設(shè)。第一階段，發(fā)射一顆衛(wèi)星替代原來的MSX衛(wèi)星，該衛(wèi)星已于2010年9月發(fā)射，它是整個(gè)系統(tǒng)的先導(dǎo)星，稱為“探路者”，每天能收集40多萬條衛(wèi)星信息；第二階段，發(fā)射4顆衛(wèi)星，完成整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)，第二顆衛(wèi)星計(jì)劃于2014年年底發(fā)射，后三顆分別于2017～2022年發(fā)射。SBSS星座部署完畢后，將能夠覆蓋太空中每一個(gè)目標(biāo)，使美國(guó)對(duì)地球靜止軌道（GEO）目標(biāo)的跟蹤能力提高50%。

（3）軌道深空成像系統(tǒng)（Orbit Deep Space Imager，ODSI）

ODSI是美空軍空間和導(dǎo)彈系統(tǒng)中心開展的一項(xiàng)用于空間目標(biāo)監(jiān)視的全新項(xiàng)目，由運(yùn)行在地球同步軌道上的成像衛(wèi)星組成，衛(wèi)星成像系統(tǒng)采用望遠(yuǎn)鏡并可在空間機(jī)動(dòng)。ODSI不僅能探測(cè)和跟蹤目標(biāo)，其更主要的任務(wù)是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行描述和分析，提供目標(biāo)的高分辨率圖像，并實(shí)時(shí)或定期提供相關(guān)信息以支持整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)空間感知和防御性空間對(duì)抗作戰(zhàn)［3］。

（4）天基紅外低軌預(yù)警系統(tǒng)（Space Based Infrared System，SBRIS－Low）

SBRIS－Low為美國(guó)第二代天基紅外導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)的低軌星座部分，2002年起五角大樓將其稱為“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”（Space Tracking and Surveillance System，STSS）。該系統(tǒng)內(nèi)衛(wèi)星在多個(gè)軌道面上成對(duì)工作以提供立體監(jiān)視和探測(cè)，整個(gè)星座利用衛(wèi)星內(nèi)部交叉鏈路連接在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)中段彈道目標(biāo)的接力跟蹤。

2011年5月7日，美國(guó)首顆“天基紅外系統(tǒng)”地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO－1）從卡納維拉爾角空軍基地由宇宙神－5火箭成功發(fā)射升空。它將顯著提升美國(guó)的導(dǎo)彈預(yù)警能力和對(duì)其他重要國(guó)家安全任務(wù)的同步支持能力。如圖2所示，STSS是為導(dǎo)彈防御而研發(fā)部署，其第一位任務(wù)仍是導(dǎo)彈防御，它將替換導(dǎo)彈預(yù)警能力較弱的“國(guó)防支援計(jì)劃”（DSP）衛(wèi)星，具備空前的、穩(wěn)固的全球紅外監(jiān)視能力。除了可提供導(dǎo)彈發(fā)射預(yù)警外，它還支持導(dǎo)彈防御、技術(shù)情報(bào)和戰(zhàn)場(chǎng)空間感。STSS衛(wèi)星有效載荷包括一個(gè)寬視場(chǎng)短波紅外捕獲探測(cè)器、一個(gè)窄視場(chǎng)多光譜（中波、中長(zhǎng)波、長(zhǎng)波紅外以及可見光）跟蹤探測(cè)器和一個(gè)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)彈道導(dǎo)彈助推段、中段和再入段的連續(xù)觀測(cè)。也有學(xué)者提出利用其多光譜傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的監(jiān)視跟蹤，可大大提高空間目標(biāo)編目測(cè)軌能力。

圖2 STSS在軌飛行示意圖

表1列出了上述幾個(gè)系統(tǒng)的基本信息，可以看出，美國(guó)已經(jīng)部署的和正在計(jì)劃中的天基監(jiān)視系統(tǒng)所使用的探測(cè)手段都是采用可見光或者紅外等無源方式。

（5）其他天基監(jiān)視系統(tǒng)

除上述用于廣域空間監(jiān)視的大型系統(tǒng)外，美國(guó)還在重點(diǎn)研究進(jìn)行局部空間監(jiān)視的微小衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)，例如用于評(píng)估局部空間的自主納衛(wèi)星護(hù)衛(wèi) 者 （Autonomous Nano－satellite Guardian for Evaluating Local Space，ANGELS）計(jì)劃，以及自感知空間態(tài)勢(shì)感知（Self Awareness Space Situation Awareness，SASSA）計(jì)劃，期望形成通用的星載空間態(tài)勢(shì)感知產(chǎn)品，使空間目標(biāo)監(jiān)視與跟蹤成為關(guān)鍵航天器能夠普遍具備的一項(xiàng)功能。

天基探測(cè)和監(jiān)視技術(shù)對(duì)于提升本國(guó)的軍事能力至關(guān)重要，除了美國(guó)，其他國(guó)家也都非常重視研究相關(guān)技術(shù)和發(fā)展相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。今年3月，歐洲防務(wù)局指導(dǎo)委員會(huì)批準(zhǔn)一項(xiàng)新一代歐洲軍用地球觀測(cè)衛(wèi)星項(xiàng)目——多國(guó)天基成像系統(tǒng)（MUSIS）。該項(xiàng)目由比利時(shí)、德國(guó)、希臘、法國(guó)、意大利和西班牙六個(gè)歐盟成員國(guó)共同發(fā)起。旨在建立一個(gè)多國(guó)天基成像系統(tǒng)，進(jìn)行監(jiān)視、偵察和觀測(cè)，以確保目前的法國(guó)“太陽神”II系統(tǒng)、德國(guó)SAR LUPE系統(tǒng)、意大利Cosmo－Skymed系統(tǒng)和昴宿星系統(tǒng)的服務(wù)延續(xù)到2015年～2017年以后［4］，如圖3所示。

表1 美國(guó)SBSS、MSX、ODSI和SBIRS的基本信息

加拿大軍方也積極開展空間目標(biāo)探測(cè)技術(shù)研究，2003年5月30日發(fā)射了MOST空間探測(cè)小衛(wèi)星。在MOST基礎(chǔ)上，加拿大宇航局（Canadian space agency，CSA）和Dynacon公司等正在開展近地目標(biāo)探測(cè)衛(wèi)星（Near Earth Space Surveil－lance，NESS）研制計(jì)劃。加拿大國(guó)防部也啟動(dòng)了空間目標(biāo)監(jiān)視（Surveillance of Space，SOS）計(jì)劃，主要用于跟蹤地球同步軌道上通信衛(wèi)星和其他高軌衛(wèi)星。

圖3 “太陽神”Ⅱ系列

2．1．2 自主交會(huì)

（1）聯(lián)盟號(hào)飛船交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)

1969年，蘇聯(lián)聯(lián)盟4和5飛船實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接。交會(huì)對(duì)接測(cè)量敏感器全部采用多部微波雷達(dá)以及目標(biāo)器中的應(yīng)答機(jī)。由于搜索全方位空域，目標(biāo)器和跟蹤器共用9部天線，測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜、質(zhì)量重、功耗大。聯(lián)盟號(hào)飛船可以稱為世界上實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接次數(shù)最多的飛船，它先后與蘇聯(lián)禮炮號(hào)、和平號(hào)空間站實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，粗略估計(jì)在100多次以上。這種聯(lián)盟號(hào)飛船的交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)至今還在應(yīng)用，它是俄羅斯最經(jīng)典、最可靠的交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)，如圖4所示。

（2）“阿波羅”載人登月飛船交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)

圖4 聯(lián)盟號(hào)飛船交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)

從1969年7月美國(guó)成功發(fā)射阿波羅11飛船到1972年為止，成功實(shí)現(xiàn)多次交會(huì)對(duì)接?！鞍⒉_”飛船交會(huì)階段依靠X波段連續(xù)波雷達(dá)，接近和對(duì)接階段依靠宇航員目視目標(biāo)，由手控操作來完成。如圖5所示，X波段連續(xù)波雷達(dá)由安裝在登月艙的交會(huì)雷達(dá)和安裝在指揮服務(wù)艙的應(yīng)答機(jī)組成。交會(huì)雷達(dá)能測(cè)量從登月艙到指揮服務(wù)艙的距離、距離變化率、角度和角度變化率。交會(huì)雷達(dá)使用單脈沖比幅技術(shù)實(shí)現(xiàn)角跟蹤，以獲得最大的角靈敏度和視線瞄準(zhǔn)精度，測(cè)量應(yīng)答機(jī)回波信號(hào)的雙程多普勒來確定距離變化率，測(cè)量發(fā)射信號(hào)調(diào)制波形和接收信號(hào)的波形之間的時(shí)間延遲來確定距離。雷達(dá)還包含天線伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)角跟蹤。

圖5 “阿波羅”載人登月飛船交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)

（3）航天飛機(jī)Ku波段交會(huì)雷達(dá)

美國(guó)上世紀(jì)80年代成功發(fā)射航天飛機(jī)經(jīng)過多次在軌飛行演示，到了上世紀(jì)90年代，航天飛機(jī)已經(jīng)具備空間交會(huì)、捕獲和對(duì)接的能力。例如航天飛機(jī)用機(jī)械臂捕獲哈勃空間望遠(yuǎn)鏡回艙內(nèi)進(jìn)行修理，然后再釋放返回空間。

如圖6所示，1995年航天飛機(jī)與和平號(hào)空間站開始實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，經(jīng)過多次飛行試驗(yàn)，掌握了大型空間站交會(huì)對(duì)接技術(shù)，積累了寶貴操作經(jīng)驗(yàn)。航天飛機(jī)Ku頻段交會(huì)雷達(dá)是美國(guó)休斯公司為空間運(yùn)輸系統(tǒng)（STS）的軌道航天器研制的雷達(dá)通信集成子系統(tǒng)（IRACS），它為STS提供雷達(dá)和通信功能，是一部相干、距離選通、脈沖多普勒和頻率跳變雷達(dá)，提供快速會(huì)合所需要的空間測(cè)量數(shù)據(jù)［5］。在通信功能方面，IRACS搜索、截獲、跟蹤數(shù)據(jù)中繼與跟蹤衛(wèi)星系統(tǒng)，以提供航天飛機(jī)與地面跟蹤站之間的雙向通信。航天飛機(jī)Ku頻段交會(huì)雷達(dá)采用高增益拋物面單脈沖天線，對(duì)裝有應(yīng)答機(jī)的目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)556 km的作用距離，機(jī)構(gòu)隨動(dòng)系統(tǒng)覆蓋范圍為360°×120°。

圖6 航天飛機(jī)Ku波段交會(huì)雷達(dá)

（4）OMV系統(tǒng)交會(huì)對(duì)接雷達(dá)

OMV系統(tǒng)交會(huì)對(duì)接雷達(dá)是摩托羅拉公司替湯普遜公司研制的會(huì)合雷達(dá)裝置，它是一個(gè)相干、距離選通、脈沖多普勒和跳頻雷達(dá)，支持OMV系統(tǒng)和會(huì)合功能。OMV系統(tǒng)交會(huì)對(duì)接雷達(dá)采用平板裂縫天線，二維驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，工作在X頻段如圖7所示。

圖7 OMV系統(tǒng)交匯對(duì)接雷達(dá)

（5）日本HTV貨運(yùn)飛船與國(guó)際空間站（ISS）交會(huì)對(duì)接

日本從1997年開始研制HTV，它由H－IIA增強(qiáng)型運(yùn)載火箭發(fā)射，因此得名HTV。

如圖8所示，HTV－ISS接口包括近程通信系統(tǒng)、GPS接收器和雷達(dá)反射器。HTV靠近ISS期間，ISS上的GPS接收器通過GPS測(cè)定ISS的位置，并通過近程通信系統(tǒng)將相對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳送給HTV。HTV在軌飛行時(shí)，ISS GPS接收器測(cè)得的絕對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)則通過數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星傳送給地面，用于HTV機(jī)動(dòng)。

圖8 HTV貨運(yùn)飛船

近程通信系統(tǒng)安裝在ISS上的日本實(shí)驗(yàn)艙中。HTV接近或離開ISS時(shí)，相互間的通信采用近程通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。近程通信系統(tǒng)內(nèi)部裝有異頻雷達(dá)接收機(jī)，接收機(jī)可以測(cè)量ISS同HTV之間的相對(duì)距離和速度。

交會(huì)對(duì)接過程中，HTV首先利用相對(duì)GPS制導(dǎo)自動(dòng)到達(dá)ISS下方500 m。在到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)前，啟動(dòng)交會(huì)傳感器并開始搜索從ISS的日本實(shí)驗(yàn)艙上發(fā)回來的激光雷達(dá)反射信號(hào)。當(dāng)搜索到激光雷達(dá)反射信號(hào)后，HTV將利用激光雷達(dá)交會(huì)傳感器制導(dǎo)。最后，HTV在10 m處的地方停止運(yùn)行，該處被稱為“停泊位置”。在這里，ISS上的遙控系統(tǒng)開始抓捕HTV。

（6）歐空局ATV貨運(yùn)飛船與國(guó)際空間站（ISS）交會(huì)對(duì)接

2007年，歐洲從庫魯發(fā)射場(chǎng)用阿里安－5火箭發(fā)射新型貨運(yùn)飛船“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV），這將是歐洲履行ISS義務(wù)的重要里程碑。首飛的“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”以法國(guó)著名科幻小說家凡爾納的名字命名。如圖9所示，ATV與ISS的對(duì)接接口主要包括以下部分：

圖9 歐空局ATV貨運(yùn)飛船

a）無線電：利用無線電在ATV和ISS之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或指令傳輸，也用于ISS向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)和指令；

b）交會(huì)傳感器：利用交會(huì)傳感器（主動(dòng)部分、ATV機(jī)載部分）和目標(biāo)圖形進(jìn)行ATV／ISS的最終相對(duì)導(dǎo)航；

c）可視界面：包括安裝在ATV上的測(cè)距信號(hào)（用于空間站航天員監(jiān)視即將到來的飛行器情況），以及由安裝在服務(wù)艙后部的照相機(jī)和位于ATV前錐體上的視頻目標(biāo)組成的視頻系統(tǒng)；

d）對(duì)接系統(tǒng)（包括艙口）由俄羅斯提供。

2．1．3 防撞預(yù)警

美國(guó)使用“電磁籬笆（NAVSPASUR）”雷達(dá)系統(tǒng)來監(jiān)視近地軌道目標(biāo)。歐洲使用的是“GRAVES”的雷達(dá)系統(tǒng)。NAVSPASUR雷達(dá)系統(tǒng)是一個(gè)VHF雷達(dá)網(wǎng)，橫穿美國(guó)南部，總部在弗吉尼亞州的達(dá)爾格倫，1961年投入使用，它通過交叉干涉儀獲得目標(biāo)。

在天基觀測(cè)方面，雷達(dá)探測(cè)起步較晚。Texas A＆M University從1987年開始對(duì)探測(cè)需求和方法進(jìn)行研究，1989年提出了對(duì)空間碎片跟蹤的毫米波雷達(dá)的可行性報(bào)告，1991年針對(duì)高精度跟蹤定位的相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行了小型化，以適應(yīng)天基應(yīng)用的要求。該系統(tǒng)用于對(duì)國(guó)際太空站附近25 km范圍內(nèi)的4 mm～80 mm的空間物體跟蹤測(cè)量，提供沖撞警告以及為空間碎片的數(shù)據(jù)庫提供更新數(shù)據(jù)。在雷達(dá)設(shè)計(jì)方面，該系統(tǒng)采用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的單片集成的大規(guī)模相控陣天線、單脈沖跟蹤技術(shù)、低噪聲放大器以及脈沖壓縮技術(shù)。天基雷達(dá)的探測(cè)范圍在空間站的軌道面上，探測(cè)參數(shù)包括空間站與碎片的相遇時(shí)間、碎片的距離、徑向速度以及俯仰角等。

Johnson Space Center與洛克希勒工程科學(xué)公司合作的天基雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)綜合考慮了探測(cè)需求和當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平以及微波器件的能力以后，工作頻率選在Ku波段，天線采用了微帶線形式的相控陣天線。研究人員在1989年利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)成的設(shè)備研制了地面實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提出的概念、技術(shù)和總體性能進(jìn)行驗(yàn)證，主要是驗(yàn)證對(duì)通過雷達(dá)視場(chǎng)的高速小目標(biāo)測(cè)速的精度。為了減小體積、功耗和成本，并在幾分鐘的處理時(shí)間內(nèi)獲得準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果，該探測(cè)系統(tǒng)需要與多個(gè)地面雷達(dá)站聯(lián)合探測(cè)，并與地面大型計(jì)算機(jī)聯(lián)合處理，還需要已知的空間碎片數(shù)據(jù)庫的支持。天基雷達(dá)對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行精確探測(cè)，再將結(jié)果傳回地面，由地面處理系統(tǒng)得到該碎片的精確軌道數(shù)據(jù)，判斷沖突的可能性，然后給空間站發(fā)送機(jī)動(dòng)規(guī)避的信息，包括是否必要規(guī)避、規(guī)避時(shí)間、規(guī)避類型等［6］。

俄羅斯在1998年提出了采用毫米波天基雷達(dá)系統(tǒng)觀測(cè)1 mm～3 mm的空間碎片。該系統(tǒng)搭載于宇宙飛船上。工作頻率選在 W波段，95 GHz。天線采用7單元天線組成的相控陣列天線，每個(gè)掃描扇區(qū)由4個(gè)天線探測(cè)單元組成。天線探測(cè)單元的波束寬度為1．6 mrad，一個(gè)掃描扇區(qū)的波束寬度為4 mrad，天線掃描扇區(qū)與平臺(tái)軌道垂直。整個(gè)天線口徑2 m，由7個(gè)380 mm的大口徑輻射單元組成，成軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。雷達(dá)采用脈沖工作體制，脈沖寬度0．6 us，重復(fù)頻率30 k Hz，峰值功率1 400 W。利用相位相干檢波進(jìn)行速度測(cè)量。信號(hào)檢測(cè)采用恒虛警，設(shè)兩個(gè)檢測(cè)門限，則目標(biāo)檢測(cè)的角度均方根誤差不超過0．6′，距離誤差不超過9 m，有效散射截面誤差不超過1 dB～2 d B，測(cè)速誤差不超過1 km／s。整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的總質(zhì)量不超過100 kg，功耗不超過2．5 k W。

法國(guó)空間局于1998年提出研制小衛(wèi)星平臺(tái)搭載的天基空間碎片觀測(cè)雷達(dá)。利用多個(gè)小衛(wèi)星分布在觀測(cè)區(qū)域，就可以減小每個(gè)雷達(dá)的測(cè)量范圍以及雷達(dá)的整體指標(biāo)。例如對(duì)于太陽同步軌道區(qū)域的觀測(cè)，采用2～3個(gè)小衛(wèi)星就可以覆蓋了。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)單個(gè)衛(wèi)星的要求低，整個(gè)探測(cè)任務(wù)周期短，可以盡快實(shí)現(xiàn)［7］。

我國(guó)關(guān)于空間碎片的研究于2000年正式啟動(dòng)，其中天基觀測(cè)危險(xiǎn)碎片的研究工作也同期展開，提出了空間多波束測(cè)量雷達(dá)的思想。在國(guó)家財(cái)政的大力支持下，中國(guó)空間碎片工作從無到有，取得了跨越式發(fā)展。作為世界上主要的航天國(guó)家，中國(guó)為保護(hù)空間環(huán)境、保障航天器在軌安全，于1995年6月加入“機(jī)構(gòu)空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)”（IADC），并于2000年啟動(dòng)“空間碎片行動(dòng)計(jì)劃”，全面規(guī)劃了十五期間我國(guó)空間碎片研究的總目標(biāo)，即初步具備空間碎片觀測(cè)能力。

但國(guó)內(nèi)由于空間飛行器發(fā)展起步較晚，有效載荷數(shù)量及種類不及國(guó)外齊備，因此在空間預(yù)警系統(tǒng)上的發(fā)展尚處于論證階段，雖有部分衛(wèi)星已經(jīng)裝備有防撞雷達(dá)，但是在測(cè)量精度、測(cè)量效能上不具備技術(shù)優(yōu)勢(shì)，無法為未來高價(jià)值航天器提供有效的、有價(jià)值的防護(hù)能力，而且此類產(chǎn)品的安裝維護(hù)不靈活，不適合大量使用。

2．1．4 深空探測(cè)

雷達(dá)在深空探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要有以下幾種方面：

a）對(duì)深空探測(cè)器進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)、精確地遠(yuǎn)距離觀測(cè)，確定其運(yùn)行軌道，輔助地面站完成對(duì)深空探測(cè)器的測(cè)控通信任務(wù)；

b）利用多頻、寬帶、超寬帶、多極化微波信號(hào)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射，根據(jù)目標(biāo)的反射信號(hào)特征及特征的變化，進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別；

c）利用寬帶、超寬帶技術(shù)，提高距離測(cè)量分辨率，結(jié)合ISAR技術(shù)，對(duì)空間目標(biāo)成像。

目前，對(duì)深空探測(cè)器的測(cè)控通信主要還是依靠地基目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)，如美國(guó)的赫斯臺(tái)克雷達(dá)、赫斯臺(tái)克附屬雷達(dá)、GLOBUSⅡ雷達(dá)和AN／FPS－85相控陣?yán)走_(dá)。

而星載深空雷達(dá)一般是多模式雷達(dá)，通過不同的設(shè)置可以完成不同的功能。如Cassini星載深空雷達(dá)有四種功能：作為散射測(cè)量?jī)x，測(cè)量后向散射系數(shù)；作為高度計(jì)，測(cè)量地表輪廓信息；作為合成孔徑雷達(dá)，得到微波圖像；作為射線探測(cè)儀，感知物體的輻射。表2列出了歐洲宇航局發(fā)展的幾種主要星載深空雷達(dá)及其特性。

表2 幾種星載深空探測(cè)雷達(dá)的特性比較

2．1．5 編隊(duì)飛行

小衛(wèi)星編隊(duì)飛行分布式衛(wèi)星系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，主要表現(xiàn)在以下方面：星群編隊(duì)飛行的幾何形狀和衛(wèi)星的數(shù)目可以根據(jù)任務(wù)需求來設(shè)計(jì)和配置，從而具有“可增長(zhǎng)性”和“可重構(gòu)性”，既可以通過階段性配置逐步提高和擴(kuò)充星群性能，也可以通過“剪裁”方式來適應(yīng)逐步惡化的外界條件，還可以通過有限變軌機(jī)動(dòng)修改基線或星群間衛(wèi)星的相對(duì)位置來適應(yīng)變化了的飛行任務(wù)。

為了完成不同的飛行任務(wù)，小衛(wèi)星的編隊(duì)可能采用不同的模式，如圖10所示。就目前對(duì)國(guó)外技術(shù)文獻(xiàn)的分析與研究來看，主要有以下幾種應(yīng)用模式的研究：

a）對(duì)地面目標(biāo)的立體成像編隊(duì)飛行；

b）對(duì)地面或空間目標(biāo)的精確定位編隊(duì)飛行；

c）編隊(duì)飛行衛(wèi)星星座；

d）合成孔徑雷達(dá)編隊(duì)飛行；

e）高分辨率合成孔徑光學(xué)干涉技術(shù)編隊(duì)飛行。

圖10 小衛(wèi)星鐘擺式編隊(duì)飛行

而高精度的軌道控制和定位是小衛(wèi)星編隊(duì)飛行的關(guān)鍵技術(shù)，利用微波雷達(dá)、激光雷達(dá)和光學(xué)成像系統(tǒng)等敏感器，可對(duì)編隊(duì)衛(wèi)星軌道進(jìn)行測(cè)量。微波（激光）雷達(dá)等具有窄波束、小天線、高精度、空間傳輸基本不受大氣影響等優(yōu)點(diǎn)，在航天器跟蹤和目標(biāo)航天器中近距離測(cè)量方面有很大優(yōu)勢(shì)。微波（激光）測(cè)量?jī)x可容易地測(cè)出伴星與空間實(shí)驗(yàn)室間的相對(duì)位置，但較難直接測(cè)出其相對(duì)速度。因此，通常用伴星與實(shí)驗(yàn)室相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程及Kalman濾波理論構(gòu)造相對(duì)軌道估計(jì)器，根據(jù)微波（激光）儀已測(cè)出的相對(duì)位置信息，用相對(duì)軌道估計(jì)器確定相對(duì)速度信息。當(dāng)距離小于1 km時(shí)，激光測(cè)距精度優(yōu)于0．5 m～1 m。

目前國(guó)際上對(duì)小衛(wèi)星的編隊(duì)飛行已進(jìn)行了很多研究，其中相當(dāng)大的一部分尚處于技術(shù)驗(yàn)證探索階段。雖然也有一些進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，但是相對(duì)于需求蓬勃的軍事、民用市場(chǎng)而言，小衛(wèi)星編隊(duì)?wèi)?yīng)用飛行的實(shí)施力度還不夠。所以，在未來幾年中，如何加快小衛(wèi)星編隊(duì)飛行系統(tǒng)的應(yīng)用速度，拓展小衛(wèi)星編隊(duì)飛行的應(yīng)用市場(chǎng)是國(guó)際空間技術(shù)領(lǐng)域所面臨的主要問題。同時(shí)，盡快彌補(bǔ)目前小衛(wèi)星編隊(duì)飛行試驗(yàn)探索中所發(fā)現(xiàn)的缺陷與不足，也是亟待攻關(guān)的技術(shù)問題。

2．1．6 在軌服務(wù)

隨著小衛(wèi)星技術(shù)的日益成熟，美國(guó)空軍研究實(shí) 驗(yàn) 室 （Air Force Research Laboratory，AFRL）、太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心（Space and Missile Systems Center，SMC）、海軍研究實(shí)驗(yàn)室（Naval Research Laboratory，NRL）等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展了試驗(yàn)衛(wèi)星系列（Experimental Satellite System，XSS）研究計(jì)劃。其目的在于研制一種具有自主控制能力的微小衛(wèi)星，能夠在對(duì)空間目標(biāo)自主跟蹤的基礎(chǔ)上進(jìn)行在軌檢查、交會(huì)對(duì)接以及近距離機(jī)動(dòng)，完成維修、加裝和其它特殊任務(wù)。該項(xiàng)目的第一顆衛(wèi)星XSS－10于2003年發(fā)射，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)低軌道航天器近距離拍照，并演示驗(yàn)證了半自主運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)近距離空間目標(biāo)的跟蹤、監(jiān)視、接近、位置保持等能力。在2005年發(fā)射的XSS－11衛(wèi)星則對(duì)高精度的空間目標(biāo)自主跟蹤、監(jiān)視、交會(huì)與位置保持進(jìn)行了在軌驗(yàn)證。

2．2 發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，地基空間目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)較為成熟，世界各國(guó)包括美國(guó)主要的監(jiān)視手段也是依靠地基系統(tǒng)。然而，地基系統(tǒng)易受地域、時(shí)間和天氣等多種因素的制約，而且觀測(cè)視場(chǎng)較小，分辨率不高。而通過衛(wèi)星平臺(tái)上的探測(cè)設(shè)備，即天基系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)則不受上述因素制約，尤其適宜觀測(cè)中小尺度空間目標(biāo)和高軌空間目標(biāo)。

從天基在軌跟蹤測(cè)量手段來看，目前主要為以天基雷達(dá)（Space－Based Radar，SBR）為代表的有源方式和以天基光學(xué)（Space－Based Visible，SBV）為代表的無源方式。其中，SBR能夠不受日照和天氣條件的限制，全天候、全天時(shí)的對(duì)地、對(duì)空進(jìn)行探測(cè)，具有可見光和紅外遙感系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，目前在空間碎片觀測(cè)、天基預(yù)警與地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方面有大量研究，美國(guó)與法國(guó)等一些國(guó)家計(jì)劃在數(shù)年之內(nèi)部署相應(yīng)系統(tǒng)。然而，從美國(guó)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)來看，存在費(fèi)用過高和技術(shù)難度較大的問題，因此距離真正實(shí)用還有一段較長(zhǎng)的時(shí)間。相對(duì)而言，SBV已經(jīng)處于試驗(yàn)階段，與SBR相比具有探測(cè)范圍大、分辨率高、信號(hào)傳輸損失小和功耗低等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。表3是二者性能參數(shù)的簡(jiǎn)單對(duì)比。

表3 SBV與SBR的性能參數(shù)對(duì)比

由上表可以看出，SBV與SBR相比，具有如下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：

a）從在軌平臺(tái)監(jiān)視空間目標(biāo)，可以充分利用自然光作為信息載體；

b）探測(cè)波長(zhǎng)短，目標(biāo)提取精度高；

c）凝視成像，幀信息量大，具備多目標(biāo)實(shí)時(shí)識(shí)別跟蹤能力；

d）空間小型化問題易于解決；

e）系統(tǒng)能源消耗低，易于空間應(yīng)用。

綜合以上分析，可以預(yù)見未來的空間目標(biāo)監(jiān)視將從目前的以地基監(jiān)視為主向天地基聯(lián)合監(jiān)視過渡，并可能最終發(fā)展到以天基監(jiān)視為主。同時(shí)，基于SBV的上述優(yōu)點(diǎn)以及當(dāng)前大量的相關(guān)研究和空間試驗(yàn)，SBV將可能在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)成為主要的天基觀測(cè)手段。

3 結(jié)論

天基觀測(cè)設(shè)備包括光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、微波雷達(dá)以及激光雷達(dá)等。對(duì)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，其觀測(cè)能力與目標(biāo)距離的平方成反比，對(duì)于有源的微波雷達(dá)和激光雷達(dá)，則是與目標(biāo)距離的4次方成反比。可見，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在作用距離方面有優(yōu)勢(shì)。

因此，目前的天基傳感器主要是光傳感器，但是光學(xué)設(shè)備受觀測(cè)時(shí)間段的限制，觀測(cè)效率低，在實(shí)際應(yīng)用中有其局限性。激光雷達(dá)近年來發(fā)展較快，在對(duì)地觀測(cè)中應(yīng)用受到阻礙是由于激光在大氣中衰減嚴(yán)重，在太空中則可以發(fā)揮作用。由于受到激光技術(shù)的限制，天基激光雷達(dá)目前主要用于近距離空間目標(biāo)的探測(cè)。

對(duì)于遠(yuǎn)距離、大范圍的空間目標(biāo)的觀測(cè)，有效的手段首推微波雷達(dá)。由于天基雷達(dá)在觀測(cè)過程中不受地球大氣的影響，可以工作在較高的信號(hào)頻率上，使得雷達(dá)可以采用比地面設(shè)備小得多的天線口徑和發(fā)射功率，就能夠探測(cè)到距離較遠(yuǎn)、尺度較小的空間目標(biāo)。雷達(dá)技術(shù)發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，理論完備、技術(shù)成熟、手段多樣，因此天基雷達(dá)探測(cè)成為目前空間目標(biāo)探測(cè)的發(fā)展方向，尤其是探測(cè)目前無法觀測(cè)的中小尺度的危險(xiǎn)碎片的主要手段。隨著毫米波雷達(dá)技術(shù)的突破，為天基雷達(dá)的小型化、高精度、高效率提供了技術(shù)支持。

目前，我國(guó)在空間目標(biāo)監(jiān)視上與美俄等國(guó)存在較大差距，尤其是我國(guó)還沒有自己的天基監(jiān)視系統(tǒng)，這與我國(guó)航天大國(guó)的地位極不相稱。天基空間目標(biāo)監(jiān)視雖然處于試驗(yàn)驗(yàn)證階段，但是已經(jīng)展現(xiàn)了其優(yōu)越的探測(cè)性能?？梢灶A(yù)見，對(duì)空間目標(biāo)，特別是對(duì)深空目標(biāo)的監(jiān)視，必將轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴旎O(jiān)視為主體，地基為輔的體系結(jié)構(gòu)，未來的空間信息支持將由天地一體化的監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成。

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