美國(guó)“太空籬笆”計(jì)劃概述

汪 洋，韓長(zhǎng)喜

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

隨著全球政治和技術(shù)的變革，近地空間來(lái)自人類(lèi)活動(dòng)的碎片殘骸越來(lái)越多，比如:火箭殘骸和飛行器碎片。根據(jù)NASA在軌碎片項(xiàng)目辦公布的報(bào)告，截至2012年3月，地球軌道上直徑10 cm以上的碎片超過(guò)21 000個(gè)，1 cm～10 cm的約為50萬(wàn)個(gè)，小于1 cm的超過(guò)1億個(gè)。這些碎片以7 km/s～8 km/s的速度高速運(yùn)行，而平均碰撞速度約為10 km/s。這意味著厘米級(jí)或更小的碎片也能對(duì)衛(wèi)星或人造航天器造成嚴(yán)重?fù)p害。為了保護(hù)空間基礎(chǔ)設(shè)施，空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)需要完成太空垃圾和外國(guó)衛(wèi)星或火箭擴(kuò)增的探測(cè)和軌道估測(cè)、威脅分析、太空任務(wù)支持(包括機(jī)動(dòng)過(guò)程中的軌道、運(yùn)動(dòng)和方向檢測(cè)，也包括損毀評(píng)估和脫軌觀測(cè))。為了完成這些任務(wù)，空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)必須建立一個(gè)太空垃圾及其軌道的全目錄，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并登記新的空間目標(biāo)，并刪除返回地球的目標(biāo)，自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)和破碎目標(biāo)，預(yù)報(bào)可能的碰撞。

1 太空監(jiān)視系統(tǒng)現(xiàn)狀

當(dāng)前，空間態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)主要由美國(guó)空軍太空監(jiān)視系統(tǒng)提供，當(dāng)前的空軍太空監(jiān)視系統(tǒng)也被稱(chēng)為“籬笆”，這是因?yàn)閿?shù)部發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在空間域建立了一個(gè)狹窄的、大洲寬度的平面能量場(chǎng)，穿越能量場(chǎng)或“籬笆”的衛(wèi)星可被探測(cè)到。當(dāng)前，空軍太空監(jiān)視系統(tǒng)共有9個(gè)站點(diǎn)(3個(gè)發(fā)射站，6個(gè)接收站)，工作頻率為217 MHz，利用雙多基地雷達(dá)原理，干涉測(cè)量法定位［1］。沿北緯33°沿線部署，橫跨美國(guó)南部，從喬治亞州的塔特納爾延伸到加利福尼亞州的圣地亞哥，如圖1所示。發(fā)射站發(fā)射的能量在南北方向形成一個(gè)固定的、非常窄的扇形波束，在東西方向沿美國(guó)本土延伸。一個(gè)或多個(gè)接收站接收穿過(guò)該波束的物體反射的能量。該系統(tǒng)每月記錄超過(guò)500萬(wàn)次空間目標(biāo)的觀測(cè)，大約占美國(guó)空軍空間監(jiān)視網(wǎng)監(jiān)視量的40%，可判定目標(biāo)特征、位置和運(yùn)動(dòng)情況，具有較強(qiáng)的解體和軌道移動(dòng)發(fā)現(xiàn)能力。

圖1 美空軍太空監(jiān)視系統(tǒng)雷達(dá)站點(diǎn)部署

然而，在役的美國(guó)空軍太空監(jiān)視系統(tǒng)只能在空間目標(biāo)穿過(guò)波束時(shí)才能被探測(cè)到，如果目標(biāo)在其他時(shí)間變軌，就可能出現(xiàn)探測(cè)空白，美空軍太空監(jiān)視系統(tǒng)雷達(dá)覆蓋如圖2所示。而且，美國(guó)空軍空間監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)一般空間目標(biāo)重復(fù)監(jiān)視的時(shí)間間隔長(zhǎng)達(dá)5 d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足美軍的需求。同時(shí)，該系統(tǒng)中的深空探測(cè)雷達(dá)數(shù)量不足、性能也不高，使得美空軍對(duì)深空目標(biāo)的探測(cè)能力存在很大缺陷。針對(duì)這些情況，美空軍提出研制新一代“太空籬笆”的計(jì)劃，期望通過(guò)該項(xiàng)目大幅提升空軍跟蹤太空垃圾和其他較小物體的能力。

圖2 美空軍太空監(jiān)視系統(tǒng)雷達(dá)覆蓋示意圖

2 “太空籬笆”計(jì)劃

2.1 系統(tǒng)組成及功能

“太空籬笆”計(jì)劃由監(jiān)視雷達(dá)和聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心任務(wù)系統(tǒng)(JMS)所組成。監(jiān)視雷達(dá)使用比甚高頻頻率更高的S波段雷達(dá)，取代空軍空間監(jiān)視系統(tǒng)中用于完成在軌空間目標(biāo)探測(cè)的甚高頻波段雷達(dá)。更高的頻率可提供更好的精度和分辨率［2］，將使系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤能力從籃球大小提高到高爾夫球大小的量級(jí)，這種對(duì)微衛(wèi)星和碎片的探測(cè)能力是當(dāng)前系統(tǒng)所不具備的。“太空籬笆”系統(tǒng)雷達(dá)站點(diǎn)將減少至2個(gè)或3個(gè)，而根據(jù)美國(guó)政府問(wèn)責(zé)署2013年3月提交給美國(guó)國(guó)會(huì)委員會(huì)的報(bào)告，“太空籬笆”將由兩部位于不同位置的雷達(dá)構(gòu)成，其中一部部署于夸賈林環(huán)礁，另一部部署于澳大利亞?！疤栈h笆”的分開(kāi)部署是為了提供更好的空域覆蓋，特別是在南半球。

“太空籬笆”中的大型S波段雷達(dá)會(huì)與其他傳感器一起加入到空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)(SSN)中，為美國(guó)空軍提供態(tài)勢(shì)感知能力?！疤栈h笆”數(shù)據(jù)將被饋送到加利福尼亞州的范登堡空軍基地聯(lián)合空間作戰(zhàn)中心(JSpOC)，與空間監(jiān)視網(wǎng)的其他數(shù)據(jù)整合，以提供更加綜合的一體化空間圖像，如圖3所示。

圖3 太空籬笆系統(tǒng)的組成

在更大的層面上，美國(guó)政府問(wèn)責(zé)署將空間態(tài)勢(shì)感知的特征歸納為四個(gè)方面，這是一個(gè)總稱(chēng)并不限定于跟蹤空間碎片:

(1)探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。發(fā)現(xiàn)、跟蹤和區(qū)分空間物體。“太空籬笆”具備該功能，但并不是完成此功能的唯一裝備。

(2)威脅預(yù)警和評(píng)估。在潛在攻擊、實(shí)際攻擊、空間氣象環(huán)境效應(yīng)以及空間系統(tǒng)異常中做出預(yù)測(cè)和區(qū)分。“太空籬笆”能夠幫助完成該任務(wù)，但屬于其次要任務(wù)。

(3)情報(bào)特征。確定當(dāng)前和未來(lái)的國(guó)外空間和空間攻擊系統(tǒng)能力的性能和特征，以及外國(guó)不利意圖。更好地空間監(jiān)視可以幫助情報(bào)搜集，但這屬于第三位任務(wù)。

(4)數(shù)據(jù)集成。能夠?qū)⒍嘣磾?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)并集成到單一共同作戰(zhàn)圖像中，并能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)決策。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)/風(fēng)險(xiǎn)

“太空籬笆”夸賈林環(huán)礁靶場(chǎng)點(diǎn)雷達(dá)系統(tǒng)包括七項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，這也是主要的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，分別是評(píng)估軌道的軟件算法、高效率的氮化鎵(GaN)功率放大器、低成本分布式接收器、單片微波集成電路、規(guī)?？烧{(diào)數(shù)字波束形成器、雷達(dá)陣列的大規(guī)模集成和校準(zhǔn)，以及信息安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)。

這七項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都有成熟的備用技術(shù)，但是這些備用技術(shù)會(huì)降低系統(tǒng)性能并增加能量需求。計(jì)劃辦公室認(rèn)為不會(huì)用到這些備用技術(shù)，這是因?yàn)樗嘘P(guān)鍵技術(shù)已通過(guò)初步設(shè)計(jì)評(píng)審。

除了以上七項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)外，還要求聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心任務(wù)系統(tǒng)與監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)同步建成，且必須具有更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心任務(wù)系統(tǒng)需要處理來(lái)自“太空籬笆”和其他空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的探測(cè)數(shù)據(jù)。“太空籬笆”系統(tǒng)建成后，獲取的數(shù)據(jù)量會(huì)顯著增加，聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心任務(wù)系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤能力也要從10 000個(gè)增加到100 000個(gè)，超出現(xiàn)有指揮控制系統(tǒng)的處理極限。另外，聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心任務(wù)系統(tǒng)還需要升級(jí)系統(tǒng)軟件和增強(qiáng)集成。聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心任務(wù)系統(tǒng)計(jì)劃辦計(jì)劃在2015年末使聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心任務(wù)系統(tǒng)具備可操作性，能夠輸入和處理來(lái)自“太空籬笆”的數(shù)據(jù)。然而，關(guān)于聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心任務(wù)系統(tǒng)初始能力的2011年測(cè)試報(bào)告指出該系統(tǒng)的許多設(shè)備能力有限或沒(méi)有作業(yè)能力，并且一些設(shè)備的能力還不如原來(lái)的舊設(shè)備，其原因包括設(shè)備設(shè)計(jì)、軟件故障、數(shù)據(jù)不一致，以及開(kāi)發(fā)不充分。

2.3 實(shí)施階段及項(xiàng)目進(jìn)展

如圖4所示，“太空籬笆”計(jì)劃被分解為初步設(shè)計(jì)評(píng)估、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、部署及后續(xù)支持。第一個(gè)“太空籬笆”雷達(dá)站點(diǎn)將于2017財(cái)年提供初始作戰(zhàn)能力，最后一個(gè)則要等到2020年后。

圖4 “太空籬笆”項(xiàng)目進(jìn)度

2007年5月1日，美國(guó)政府發(fā)布了“太空籬笆”系統(tǒng)性能規(guī)格和設(shè)施需求文檔草案供工業(yè)界評(píng)估。

2010年11月2日，雷聲公司對(duì)外宣布成功完成了“太空籬笆”計(jì)劃的系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)估，系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)估包括系統(tǒng)關(guān)鍵單元的原型機(jī)設(shè)計(jì)，用以驗(yàn)證提升的技術(shù)和制造就緒等級(jí)。

2010年11月18日，洛·馬公司宣布提交了其“太空籬笆”標(biāo)書(shū)。

2012年2月，該計(jì)劃完成了初步設(shè)計(jì)評(píng)估，驗(yàn)證了相關(guān)環(huán)境中所有關(guān)鍵技術(shù)的可行性。

2012年3月8日，洛·馬公司宣布“太空籬笆”雷達(dá)原型機(jī)正在跟蹤在軌空間目標(biāo)。

2012年11月14日，雷聲公司和洛·馬公司都宣布他們已經(jīng)提交了完成美國(guó)新“太空籬笆”項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和建設(shè)的標(biāo)書(shū)。標(biāo)書(shū)意在完成“太空籬笆”操作中心站點(diǎn)1及可選站點(diǎn)2的開(kāi)發(fā)和建設(shè)。

2013年4月24日，美國(guó)國(guó)防部已與澳大利亞國(guó)防部簽訂了一份空間態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)國(guó)際共享協(xié)議，所簽署的這份政府間備忘錄是首份允許空間態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)高級(jí)交換的協(xié)議。

2013年12月，美國(guó)空軍與洛·馬公司和雷聲公司簽署了兩份總價(jià)值約1 000萬(wàn)美元的合同，督促兩家公司進(jìn)一步驗(yàn)證“太空籬笆”如何應(yīng)對(duì)各種太空活動(dòng)，并重點(diǎn)監(jiān)視不同軌道的目標(biāo)(如中地球軌道、大橢圓軌道和地球同步軌道)，以及展示“太空籬笆”對(duì)地球軌道目標(biāo)編目的能力。

2.4 項(xiàng)目管理

“太空籬笆”項(xiàng)目由美空軍裝備司令部(AFMC)電子系統(tǒng)中心(ESC)主導(dǎo)。無(wú)論中標(biāo)單位是雷聲公司還是洛·馬公司，林肯實(shí)驗(yàn)室和MITRE公司都在項(xiàng)目進(jìn)展中扮演至關(guān)重要的角色。

美空軍采用了以下六項(xiàng)措施來(lái)推進(jìn)“太空籬笆”項(xiàng)目:

(1)關(guān)注系統(tǒng)級(jí)性能要求，而不是設(shè)計(jì)要求，以給工業(yè)界留出盡可能多的靈活性。

(2)采用現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)中心架構(gòu)，提供一體化的決策支持。

(3)在設(shè)計(jì)階段考慮與相關(guān)老系統(tǒng)以及未來(lái)系統(tǒng)之間的融合。

(4)在站點(diǎn)選擇上注意合理布局，充分利用海外盟友的地理資源，強(qiáng)化對(duì)南半球的探測(cè)缺口，同時(shí)加強(qiáng)國(guó)外合作，分散項(xiàng)目資金開(kāi)支。例如，2013年4月，美國(guó)與澳大利亞簽署了《太空態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)國(guó)際共享協(xié)議》。

(5)采用遞增式、分批次的方法采購(gòu)“太空籬笆”設(shè)施，持續(xù)改進(jìn)系統(tǒng)功能。第二部雷達(dá)站雷達(dá)的配置可能會(huì)與第一部雷達(dá)站的雷達(dá)配置不同，然而，其基本設(shè)計(jì)構(gòu)成模塊，如部件和子系統(tǒng)，將是相同的。

(6)引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，同時(shí)培養(yǎng)了相關(guān)工業(yè)基礎(chǔ)。項(xiàng)目在階段A有諾·格、洛·馬和雷聲3家公司在2009年6月獲得系統(tǒng)設(shè)計(jì)合同。2011年2月，空軍從這三家中挑選了洛·馬和雷聲兩家公司，讓其各開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有完全工作能力的樣機(jī)，降低了項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。2012年11月14日，雷聲和洛·馬同時(shí)宣布已經(jīng)各自提交了“太空籬笆”項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和建設(shè)的投標(biāo)方案。美國(guó)空軍計(jì)劃于2014年4月從上述兩家公司中選取一個(gè)作為項(xiàng)目的總承包商。

3 結(jié)束語(yǔ)

2013年9月，美國(guó)空軍關(guān)閉了老化的空軍太空監(jiān)視系統(tǒng)，加強(qiáng)了國(guó)防部和國(guó)會(huì)投資下一代系統(tǒng)的壓力。第一部“太空籬笆”將于2018年下半年部署，“太空籬笆”將與未來(lái)的其他系統(tǒng)，如天基空間監(jiān)視衛(wèi)星、地基快速識(shí)別探測(cè)和報(bào)告系統(tǒng)、電磁干擾檢測(cè)系統(tǒng)、地基空間監(jiān)視望遠(yuǎn)鏡等一起提供空間目標(biāo)監(jiān)視服務(wù)。這些項(xiàng)目將提升現(xiàn)有空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)，以及用于數(shù)據(jù)處理的主操作中心以及替代性操作中心的工作效能，使空間態(tài)勢(shì)感知能力實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

［1］ 金 林，王曉紅.國(guó)外空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析［J］.先進(jìn)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，2013(4):8-21.Jin Lin，Wang Xiaohong.Current status and trend of the development of foreign space target surveillance system［J］.Advanced Radar Detection Technology，2013(4):8-21.

［2］ 張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.Zhang Guangyi，Zhao Yujie.Technology of phased array radar［M］.Beijing:Publishing House of Elelctronics Technology，2006.