美國“一箭三星”發(fā)射同步軌道空間態(tài)勢感知衛(wèi)星

宋博（北京空間科技信息研究所）

2014年7月28日，美國空軍從卡納維拉爾角發(fā)射場，用德爾他－4M+火箭以“一箭三星”方式成功將3顆高軌態(tài)勢感知衛(wèi)星送入近地球同步軌道，即2顆業(yè)務(wù)型高軌巡視衛(wèi)星“地球同步軌道空間態(tài)勢感知計劃”（GSSAP）衛(wèi)星和1顆技術(shù)試驗衛(wèi)星“評估局部空間自主守衛(wèi)納衛(wèi)星”（ANGELS）。此次發(fā)射任務(wù)的成功標(biāo)志著美國高軌空間監(jiān)視技術(shù)走向成熟，高軌目標(biāo)探測、跟蹤和偵察能力快速提升，引起航天界高度關(guān)注。

1 項目背景

隨著空間擁擠、競爭、對抗（3C）趨勢日益加劇，空間安全問題已成為航天界關(guān)注的焦點。美國作為世界上擁有空間資產(chǎn)最多、對空間依賴性最強的國家，近年來的全球空間環(huán)境變化引發(fā)了其對空間安全的高度擔(dān)憂，主要表現(xiàn)在以下3個方面：一是全球空間力量格局由美國一超獨霸向多極化發(fā)展，美國的空間優(yōu)勢受到削弱；二是常駐空間物體數(shù)量快速增加，除了可跟蹤編目的23000余個空間目標(biāo)，還存在數(shù)十萬計難以探測跟蹤的空間碎片，對空間系統(tǒng)形成潛在威脅；三是空間準(zhǔn)入門檻大幅降低，越來越多的國家已經(jīng)擁有或正在發(fā)展空間系統(tǒng)和具有反衛(wèi)星潛力的進入空間系統(tǒng)，使美國空間系統(tǒng)在面臨碎片撞擊等自然威脅之外，還面臨人為攻擊威脅。

空間態(tài)勢感知（SSA）作為了解和應(yīng)對空間安全威脅的基礎(chǔ)能力受到高度重視。美國近年來發(fā)布的《國家航天政策》、《國家安全空間戰(zhàn)略》等頂層文件都明確提出要大力發(fā)展空間態(tài)勢感知能力，2013年美軍發(fā)布的新版《空間作戰(zhàn)條令》（JP 3-14）將空間態(tài)勢感知提升為空間作戰(zhàn)的一級任務(wù)領(lǐng)域，進一步強調(diào)空間態(tài)勢感知對空間作戰(zhàn)的重要性。在需求牽引和政策支持下，服務(wù)于軍、民的空間態(tài)勢感知成為美國當(dāng)前空間能力發(fā)展的重要方向和優(yōu)先領(lǐng)域。美國近年來啟動地基“空間籬笆”（Space Fence）雷達系統(tǒng)換代升級，發(fā)射首顆“天基空間監(jiān)視”（SBSS）衛(wèi)星，并開展空間監(jiān)視微納衛(wèi)星技術(shù)演示驗證等一系列工作，發(fā)展和完善空間態(tài)勢感知能力。

美國空間監(jiān)視網(wǎng)跟蹤的空間目標(biāo)示意圖

地球同步軌道是空間中的戰(zhàn)略要地，其上運行著各國的導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星、軍事通信衛(wèi)星等核心空間系統(tǒng)，因此對地球同步軌道目標(biāo)的監(jiān)視尤為重要。目前地球同步軌道空間目標(biāo)監(jiān)視主要依靠地基光學(xué)探測系統(tǒng)，但因其受部署位置、觀測時間和氣象條件等因素限制，美國逐漸將發(fā)展的重點轉(zhuǎn)向天基空間監(jiān)視系統(tǒng)。美國曾于2006年秘密發(fā)射了2顆“微衛(wèi)星技術(shù)試驗”（MiTEx）衛(wèi)星，演示驗證了地球同步軌道巡視衛(wèi)星技術(shù)，成功進行了目標(biāo)抵近偵察和技術(shù)分析任務(wù)。GSSAP衛(wèi)星正是在MiTEx衛(wèi)星的基礎(chǔ)上發(fā)展的業(yè)務(wù)型高軌巡視衛(wèi)星，與低軌SBSS衛(wèi)星構(gòu)成綜合天基空間目標(biāo)監(jiān)視體系，大幅提升了高軌空間態(tài)勢感知能力。

SBSS衛(wèi)星在軌飛行示意圖

2 衛(wèi)星概況

發(fā)射及入軌方式

此次任務(wù)采用“一箭三星”發(fā)射，2顆GSSAP衛(wèi)星為主載荷，ANGELS衛(wèi)星為次載荷，置于火箭次級載荷適配器（E S P A）上?；鸺厦婕壎啻吸c火，直接將3顆衛(wèi)星送入地球同步軌道，到達預(yù)定軌道后，先行釋放2顆GSSAP衛(wèi)星，之后再釋放ANGELS衛(wèi)星。

GSSAP和ANGELS衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)

GSSAP衛(wèi)星

G S S A P是美國空軍秘密發(fā)展的業(yè)務(wù)型高軌巡視衛(wèi)星項目，又稱為空軍航天司令部任務(wù)－4（AFSPC－4）。GSSAP項目一直被美軍嚴(yán)格保密，直到2014年2月，美國空軍航天司令部司令謝爾頓在一次講話中高調(diào)宣布，美軍將在2014年發(fā)射2顆GSSAP衛(wèi)星，外界才知曉其存在。但美軍并未公開衛(wèi)星技術(shù)途徑與載荷參數(shù)等核心信息，仍處于保密狀態(tài)。

根據(jù)美國空軍在官方網(wǎng)站公布的信息，2顆GSSAP衛(wèi)星將部署在比地球同步軌道略低或略高的軌道上，通過與地球同步軌道目標(biāo)的相對漂移實現(xiàn)地球同步軌道全軌道巡視探測。GSSAP衛(wèi)星采用光電探測載荷，可提供準(zhǔn)確的目標(biāo)軌道和特征數(shù)據(jù)，觀測結(jié)果匯入空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）。衛(wèi)星由位于施里弗空軍基地的美國第50航天聯(lián)隊第一空間操作中隊運行管理。

此次發(fā)射的2顆G S S A P衛(wèi)星由軌道科學(xué)公司（OSC）擔(dān)任總承包商，美國空軍計劃在2016年再發(fā)射2顆替代衛(wèi)星。

ANGELS衛(wèi)星

即將入軌的GSSAP和ANGELS衛(wèi)星示意圖

ANGELS衛(wèi)星是美國空軍研究實驗室（AFRL）發(fā)展的高軌抵近巡視技術(shù)試驗衛(wèi)星。軌道科學(xué)公司為ANGELS衛(wèi)星主承包商。衛(wèi)星質(zhì)量約100kg，設(shè)計壽命1年。

ANGELS衛(wèi)星進入預(yù)定的地球同步軌道后，從德爾他－4火箭上面級上釋放，并以上面級為目標(biāo)進行逼近、繞飛、懸停等操作，測試星上導(dǎo)航系統(tǒng)和態(tài)勢感知載荷性能，評估衛(wèi)星自主探測、跟蹤、監(jiān)視空間目標(biāo)，掌握目標(biāo)特性和活動意圖的能力。

在演示驗證任務(wù)中，ANGELS衛(wèi)星將在軌試驗自主任務(wù)規(guī)劃與執(zhí)行技術(shù)和地球同步軌道GPS接收機結(jié)合高性能加速度計的測定軌技術(shù)。衛(wèi)星采用了美國航空航天局（NASA）開發(fā)的先進算法，能夠利用GPS旁瓣信號進行連續(xù)導(dǎo)航定位。

ANGELS衛(wèi)星在軌演示驗證任務(wù)完成后，美軍可能在其技術(shù)基礎(chǔ)上進一步發(fā)展能夠自主伴飛在己方高軌衛(wèi)星周圍的護衛(wèi)小衛(wèi)星，提供實時連續(xù)的威脅告警、攻擊防御和受損評估等功能。

3 對GSSAP衛(wèi)星的初步分析

ANGELS衛(wèi)星在軌飛行示意圖

GSSAP衛(wèi)星是美軍在MiTEx高軌巡視技術(shù)試驗衛(wèi)星基礎(chǔ)上發(fā)展的業(yè)務(wù)型系統(tǒng)，標(biāo)志著美軍高軌巡視技術(shù)已發(fā)展成熟，開始正式裝備部隊，形成實戰(zhàn)能力。以下將根據(jù)美國官方和權(quán)威航天網(wǎng)站發(fā)布的GSSAP衛(wèi)星的公開信息，結(jié)合美軍已完成的MiTEx衛(wèi)星的情況，對美軍未公開的GSSAP衛(wèi)星的載荷設(shè)計和任務(wù)能力進行初步分析。

衛(wèi)星質(zhì)量

承擔(dān)此次“一箭三星”發(fā)射任務(wù)的德爾他－4 M+(4,2)火箭是由美國波音公司生產(chǎn)的中型運載火箭，根據(jù)美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）公布數(shù)據(jù)，其地球同步軌道運載能力為2208 k g。ANGELS衛(wèi)星、載荷適配器及其他附件總質(zhì)量約為200～400kg，扣除后得到GSSAP雙星質(zhì)量共1800～2000kg，即單星質(zhì)量約900～1000kg，比MiTEx衛(wèi)星（225kg）大幅增加。

衛(wèi)星軌道

美國空軍發(fā)布的信息稱，2顆GSSAP衛(wèi)星運行在近地球同步軌道，但未具體給出衛(wèi)星軌道高度和兩星的相對位置分布。初步分析，GSSAP雙星可能采用3種軌道配置方案。方案一是雙星分別以180°相位角運行在比地球同步軌道（GEO）略高或略低的同一條軌道上，二者通過與GEO目標(biāo)同方向的相對運動實現(xiàn)全軌道覆蓋，每顆衛(wèi)星各負責(zé)50%GEO軌道弧段的探測，雙星完成GEO全軌道探測的周期最短。方案二與方案一的區(qū)別在于2顆GSSAP衛(wèi)星以較近相位角分布，形成一定的基線，對目標(biāo)進行雙視角立體觀測和目標(biāo)定位。假設(shè)衛(wèi)星運行軌道高度與GEO相距約500km，則衛(wèi)星每天相對GEO目標(biāo)沿經(jīng)度方向漂移約6°，方案一、二的全軌道覆蓋周期分別為30天和60天。方案三是GSSAP雙星分別運行在GEO附近的高低2條軌道上，通過與GEO目標(biāo)反方向的相對運動進行全軌道覆蓋。假設(shè)雙星分別運行于同步軌道上、下約500km的軌道，此時全軌道掃描的周期約30天，與周期最短的方案一相同。此外，方案三與方案一、二相比還具有獨特優(yōu)勢，即2顆衛(wèi)星分別在同步軌道目標(biāo)的背地面和對地面兩側(cè)飛躍目標(biāo)，可獲取目標(biāo)的全向視圖。據(jù)此推測，GSSAP雙星采用方案三軌道配置的可能性較大。

GSSAP雙星軌道配置方案示意圖

衛(wèi)星載荷

GSSAP衛(wèi)星的主載荷是光電探測設(shè)備。根據(jù)GSSAP衛(wèi)星與MiTEx衛(wèi)星在任務(wù)設(shè)定上的相似性，以及GSSAP衛(wèi)星的主承包商軌道科學(xué)公司曾經(jīng)也承制了一顆MiTEx衛(wèi)星，推測GSSAP衛(wèi)星在設(shè)計上與軌道科學(xué)公司研制的MiTEx衛(wèi)星具有延續(xù)性，偵察載荷選用可連續(xù)指向目標(biāo)，更適合軌道巡視探測的萬向架偵察相機設(shè)計，而相機口徑可能比MiTEx衛(wèi)星的更大，具有更高的分辨率。另外，與MiTEx衛(wèi)星相比，GSSAP衛(wèi)星可能還載有新增載荷，以及更多的燃料。

任務(wù)能力

GSSAP衛(wèi)星具有地球同步軌道巡視探測和抵近詳查能力。日常運行在近地球同步軌道，利用與地球同步軌道的相對漂移進行軌道掃描，對目標(biāo)進行探測、編目和精確偵察，還能通過轉(zhuǎn)動的萬向架對特定目標(biāo)進行多角度立體觀測；必要時還能通過軌道機動，抵近地球同步軌道目標(biāo)進行詳細偵察，獲取目標(biāo)高清視圖?？梢?，GSSAP衛(wèi)星的空間態(tài)勢感知能力已超越空間目標(biāo)編目這一基礎(chǔ)應(yīng)用層級，向及時、精細感知發(fā)展，向支持空間作戰(zhàn)的情報獲取、技術(shù)能力分析、行動意圖判斷、威脅評估和應(yīng)對決策支持發(fā)展。

4 結(jié)束語

空間系統(tǒng)在國家政治、經(jīng)濟、軍事等領(lǐng)域的地位日益提升，已成為國家安全的重要組成部分?？臻g態(tài)勢感知作為保障空間安全的基礎(chǔ)能力，已成為美國等航天大國高度重視和優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域。GSSAP和ANGELS項目的實施將使美軍對高軌高價值空間目標(biāo)監(jiān)視的精細度和實時性得到進一步提升。美軍不僅將實現(xiàn)對GEO上運行的各國高價值衛(wèi)星的嚴(yán)密跟蹤和監(jiān)視，并通過技術(shù)偵察和分析，掌握每顆衛(wèi)星的任務(wù)功能、構(gòu)型配置、性能指標(biāo)、活動規(guī)律等信息，還能用于監(jiān)視各國的空間行動和技術(shù)試驗，全面了解其意圖、過程和效果，強化空間態(tài)勢的單向透明優(yōu)勢。此外，GSSAP衛(wèi)星作為地球同步軌道機動平臺，還可能具備空間進攻潛力，應(yīng)引起我國高度重視，加緊研究應(yīng)對策略。