國外空間目標(biāo)探測與識(shí)別系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀研究

王雪瑤

(北京空間科技信息研究所，北京 100086)

近年來，全球空間優(yōu)勢爭奪激烈，空間環(huán)境日益惡化，空間態(tài)勢感知作為開展各類空間活動(dòng)的基礎(chǔ)能力，已經(jīng)引起高度關(guān)注?？臻g態(tài)勢感知是空間安全與空間作戰(zhàn)的基礎(chǔ)，旨在盡可能徹底地描述在陸地環(huán)境和太空領(lǐng)域運(yùn)行的太空能力，確?？臻g操作與空間飛行安全，保護(hù)太空能力、軍事行動(dòng)和國家利益等，主要分為探測/識(shí)別(DT/ID)、威脅告警和評(píng)估(TW&A)、特征描述、數(shù)據(jù)集成和利用(DI&E)。其中，空間目標(biāo)探測與識(shí)別是指搜索、發(fā)現(xiàn)、跟蹤，對(duì)空間目標(biāo)和事件進(jìn)行監(jiān)視，辨別空間目標(biāo)，識(shí)別空間目標(biāo)的類別等。其主要作用是支持飛行安全并支持空間控制任務(wù)，為作戰(zhàn)中心構(gòu)建通用作戰(zhàn)圖提供數(shù)據(jù)支持。因此，空間目標(biāo)探測與識(shí)別是空間態(tài)勢感知的數(shù)據(jù)來源，是獲取未來空間優(yōu)勢的重要保證，已成為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。美國正試圖構(gòu)建天地一體化的空間目標(biāo)探測與識(shí)別系統(tǒng)，在地面升級(jí)部署多頻段雷達(dá)系統(tǒng)、發(fā)展新型空間監(jiān)視望遠(yuǎn)鏡(SST)等光學(xué)設(shè)備，探測識(shí)別全域空間目標(biāo)；在低軌(LEO)部署天基空間監(jiān)視系統(tǒng)-1(SBSS-1)及作戰(zhàn)響應(yīng)空間-5(ORS-5)等衛(wèi)星，探測地球靜止軌道(GEO)目標(biāo)；部署地球同步軌道空間態(tài)勢感知計(jì)劃(GSSAP)星座，以抵近偵察GEO目標(biāo)。俄羅斯也發(fā)展具有LEO目標(biāo)探測能力的地基大型相控陣導(dǎo)彈預(yù)警雷達(dá)網(wǎng)，同時(shí)發(fā)展窗口(Okno)系統(tǒng)、國際科學(xué)光學(xué)觀測網(wǎng)(ISON)等大型地面光學(xué)設(shè)備網(wǎng)，完善對(duì)GEO目標(biāo)的探測識(shí)別能力。歐洲以法國、德國的雷達(dá)和光學(xué)設(shè)備為主，主要對(duì)過境歐洲的LEO目標(biāo)進(jìn)行探測、跟蹤與識(shí)別。

目前，國內(nèi)對(duì)國外空間目標(biāo)探測與識(shí)別系統(tǒng)已有相關(guān)研究，但是缺乏對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀的系統(tǒng)性總結(jié)分析[1-3]。本文從天基與地基、雷達(dá)與光學(xué)的分類角度，介紹了美國、俄羅斯、歐洲空間目標(biāo)探測與識(shí)別系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)分析發(fā)展趨勢，可為我國在該領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。

1 美國

美國用于空間目標(biāo)探測識(shí)別的空間監(jiān)視網(wǎng)(SSN)是目前世界上最大的空間態(tài)勢感知網(wǎng)，包含地基系統(tǒng)和天基系統(tǒng)兩部分，每天進(jìn)行380 000～420 000次空間觀測[4]。

1.1 地基系統(tǒng)

目前，美國SSN地基系統(tǒng)由30多部雷達(dá)、光學(xué)系統(tǒng)及指揮控制中心組成，可對(duì)10 cm以上的LEO目標(biāo)、1 m以上的GEO目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。為進(jìn)一步提升探測識(shí)別性能，美國正在發(fā)展新型空間籬笆設(shè)備，升級(jí)或轉(zhuǎn)移部署SST等舊設(shè)備。

1.1.1 地基雷達(dá)系統(tǒng)

目前，美國用于探測識(shí)別的地基雷達(dá)系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了全球布站，包括低頻雷達(dá)、高頻雷達(dá)、高低頻兼具雷達(dá)，可對(duì)LEO和GEO目標(biāo)進(jìn)行初軌探測、精確定軌、窄帶成像識(shí)別和寬帶逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)成像識(shí)別等。

為提升地基雷達(dá)系統(tǒng)的探測識(shí)別能力，美國近年來開展了多方面的工作：①發(fā)展新型S頻段空間籬笆雷達(dá)[5]；②轉(zhuǎn)移部署C頻段雷達(dá)；③升級(jí)部分地基SSN雷達(dá)系統(tǒng)性能；④提升導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)的空間目標(biāo)監(jiān)視能力。

1)發(fā)展新型S頻段空間籬笆雷達(dá)

為提升SSN地基雷達(dá)系統(tǒng)的探測識(shí)別能力，擴(kuò)大對(duì)空間目標(biāo)的監(jiān)視范圍，增加對(duì)空間目標(biāo)的探測容量，提高對(duì)空間目標(biāo)的探測精度和時(shí)效性，特別是提高對(duì)小型空間目標(biāo)的探測能力，美國于2012年正式發(fā)展新型S頻段空間籬笆大型相控陣?yán)走_(dá)。新型空間籬笆建成后，將取代美國在2013年9月關(guān)閉的甚高頻(VHF)空軍空間監(jiān)視系統(tǒng)(AFSSS)。

新型空間籬笆夸賈林站計(jì)劃于2018年投入使用，建成后將成為美國空軍最大的雷達(dá)(650 m2)，設(shè)計(jì)壽命為25年?？臻g籬笆澳大利亞站預(yù)計(jì)在2021年建成使用，與夸賈林站共同提供互補(bǔ)式空間監(jiān)視覆蓋。每個(gè)觀測站的空間籬笆將每天對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行超過150萬次探測、跟蹤與編目，使SSN目標(biāo)編目能力提高10倍，達(dá)到20萬個(gè)，GEO目標(biāo)跟蹤量級(jí)可達(dá)到10 cm，LEO目標(biāo)跟蹤量級(jí)可達(dá)到1 cm。

新型空間籬笆相控陣?yán)走_(dá)使用元件級(jí)數(shù)字波束成形(DBF)技術(shù)，能產(chǎn)生多個(gè)同時(shí)作用的獨(dú)立雷達(dá)波束，可在相同的工作頻段內(nèi)以不同的頻率模式工作，使雷達(dá)具備靈活覆蓋能力?？臻g籬笆可在不影響日常監(jiān)視能力的前提下，對(duì)全軌道任意重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行及時(shí)探測跟蹤。例如，可利用長弧段跟蹤，對(duì)未知空間目標(biāo)進(jìn)行初軌確定與空間編目，同時(shí)可產(chǎn)生電子“微籬笆”，對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)跟蹤。另外，可根據(jù)用戶需求自動(dòng)調(diào)節(jié)雷達(dá)束數(shù)量和覆蓋范圍，以獲取任務(wù)所需的“微籬笆”。空間籬笆使用氮化鎵功率放大器產(chǎn)生高能長脈沖，探測跟蹤遠(yuǎn)距離空間目標(biāo)，增強(qiáng)空間態(tài)勢感知能力。表1為空間籬笆主要性能參數(shù)[6]。

2)轉(zhuǎn)移部署C頻段雷達(dá)

為進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)南半球及西太平洋上方LEO目標(biāo)的探測識(shí)別能力，美國從2014年開始將原本部署在加勒比海的安提瓜島的C頻段雷達(dá)逐步遷移至澳大利亞西部哈羅德霍爾特海軍通信站。2017年3月，C頻段雷達(dá)獲得全面運(yùn)行能力。

C頻段雷達(dá)是AN/FPS-14型單脈沖碟形機(jī)械跟蹤雷達(dá)，工作頻段5.4～5.9 GHz，探測距離達(dá)11 000 km，專用于空間目標(biāo)監(jiān)視，每天可準(zhǔn)確跟蹤約200個(gè)目標(biāo)，還可以識(shí)別衛(wèi)星特征、確定衛(wèi)星軌道、探測衛(wèi)星的潛在異常。作為首個(gè)部署在南半球的SSN傳感器，C頻段雷達(dá)盡管數(shù)據(jù)容量有限，但可提供非常精確的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和特征描述數(shù)據(jù)，提高美國對(duì)東、南半球空間目標(biāo)的探測跟蹤與識(shí)別能力。

表1 空間籬笆主要性能參數(shù)

3)升級(jí)部分地基SSN雷達(dá)系統(tǒng)性能

近年來，為解決多數(shù)SSN地面?zhèn)鞲衅鬈浻布匣涂臻g監(jiān)視能力不足的問題，美軍通過延長使用期計(jì)劃(SLEP)更新舊設(shè)施，例如升級(jí)并延長埃格林AN/FPS-85雷達(dá)、干草堆超寬帶衛(wèi)星成像雷達(dá)(HUSIR)、地球儀-2(GLOBUS-2)雷達(dá)設(shè)施，以維持關(guān)鍵的空間態(tài)勢感知能力。升級(jí)后的AN/FPS-85雷達(dá)采用現(xiàn)代軟件體系結(jié)構(gòu)，能提供LEO厘米級(jí)和深空目標(biāo)探測識(shí)別的能力。升級(jí)后的HUSIR雷達(dá)增加了W頻段，成像識(shí)別能力從25 cm提高到1 cm，并支持空間目標(biāo)特征描述。另外，從2017年起，美軍通過開啟地面雷達(dá)升級(jí)(GRU)項(xiàng)目研發(fā)L頻段高功率雷達(dá)系統(tǒng)，并對(duì)特高頻(UHF)雷達(dá)進(jìn)行操作升級(jí)，以提升對(duì)常駐空間物體(RSO)的跟蹤編目能力。

4)提升導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)的空間目標(biāo)監(jiān)視能力

美國不斷提升導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)的空間目標(biāo)監(jiān)視能力與部署數(shù)量，使預(yù)警雷達(dá)承擔(dān)大量的空間目標(biāo)探測任務(wù)，便于使專用型空間目標(biāo)監(jiān)視設(shè)備進(jìn)行精確定軌與目標(biāo)識(shí)別等高級(jí)任務(wù)。目前，除了早前部署并升級(jí)的L頻段丹麥眼鏡蛇雷達(dá)、P頻段相控陣?yán)走_(dá)外，美軍還在全球部署多部具備較強(qiáng)空間探測目標(biāo)識(shí)別能力的X頻段雷達(dá)，包括前沿部署可機(jī)動(dòng)X頻段(FBX-T)雷達(dá)、?；鵛頻段雷達(dá)、GBR-P雷達(dá)。另外，美國30多艘宙斯盾艦上的S頻段雷達(dá)也具備一定的空間目標(biāo)探測跟蹤能力。

1.1.2 地基光學(xué)系統(tǒng)

美國地基光學(xué)系統(tǒng)包括3部地基光學(xué)深空監(jiān)視系統(tǒng)(GEODSS)專用望遠(yuǎn)鏡、1部專用SST和5部毛伊島空間監(jiān)視系統(tǒng)(MSSS)協(xié)助望遠(yuǎn)鏡，主要用于探測識(shí)別深空目標(biāo)。美國為提升地基光學(xué)系統(tǒng)的探測識(shí)別能力，不僅對(duì)GEODSS進(jìn)行全面升級(jí)，還將SST轉(zhuǎn)移部署至西澳大利亞，增強(qiáng)對(duì)南半球和亞洲的監(jiān)視覆蓋。

1)全面升級(jí)GEODSS系統(tǒng)

GEODSS系統(tǒng)在夏威夷、印度洋、新墨西哥州3處布站，每個(gè)站上裝備2臺(tái)主鏡和1臺(tái)副鏡。主鏡為1 m口徑的里奇-克萊琴(R-C)反射鏡，焦距為218 cm，視場角為2°，主要用來搜索星等較低、運(yùn)動(dòng)較慢的高軌目標(biāo)，并具有對(duì)夜空2400 km2/h探測能力。副望遠(yuǎn)鏡為施密特相機(jī)，口徑為38 cm，焦距為76 cm，視場為6°，用于大范圍觀測運(yùn)動(dòng)較快的低軌目標(biāo)，具有15 000 km2/h搜索能力。GEODSS最早采用恒星工作模式，但是測量精度不高。后來，美國對(duì)GEODSS系統(tǒng)進(jìn)行全面升級(jí)，替換老化的傳感器控制組(SCG)、數(shù)據(jù)處理組(DPG)、數(shù)據(jù)通信組(DCG)，以維持對(duì)GEO目標(biāo)和深空目標(biāo)的跟蹤能力。升級(jí)后的GEODSS采用科學(xué)級(jí)CCD，像元尺寸24 μm，CCD像素1960×2560，能實(shí)時(shí)探測、跟蹤、辨識(shí)軌道高度為5600～40 000 km的空間目標(biāo)，GEO目標(biāo)分辨率為30 cm[7]。

2)轉(zhuǎn)移部署SST

SST采用梅森-斯密特同軸三反光學(xué)系統(tǒng)，采用曲面拼接薄膜焦平面CCD，口徑3.5 m，焦距3.5 m，視場角6°，每天能觀測到21 600個(gè)目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)寬視場清晰成像。SST是目前世界上探測最敏捷的大型望遠(yuǎn)鏡，使用世界最快的望遠(yuǎn)鏡相機(jī)快門，同時(shí)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可快速穩(wěn)定探測深空目標(biāo)，具有廣域空間探測與識(shí)別能力。SST主要作用于GEO區(qū)域，目標(biāo)分辨率為10 cm，一晚能對(duì)整個(gè)GEO進(jìn)行多次觀測，提升現(xiàn)有設(shè)備深空觀測能力，從一次只能觀測到少量大型空間目標(biāo)升級(jí)至一次性觀測到10 000多個(gè)空間目標(biāo)[8]。圖1為SST構(gòu)型。

圖1 SST構(gòu)型Fig.1 SST configuration

為增強(qiáng)對(duì)西太平洋和印度洋上空及南半球空間目標(biāo)的探測能力，美國正將SST轉(zhuǎn)移至澳大利亞西部哈羅德霍爾特海軍通信站。在轉(zhuǎn)移之前，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)對(duì)SST的微弱目標(biāo)監(jiān)測算法及搜索速度進(jìn)行了升級(jí)。2016年10月，DARPA將SST系統(tǒng)交付于美國空軍太空司令部，正式啟動(dòng)轉(zhuǎn)移工作。升級(jí)完成后，SST在2016年完成1000余萬個(gè)空間目標(biāo)探測。預(yù)計(jì)SST將在2020年完成重新組裝、校準(zhǔn)工作，并具備初始運(yùn)行能力。

1.2 天基系統(tǒng)

地基系統(tǒng)受地球曲率、云層遮蓋等諸多限制，為避免其探測缺陷，擴(kuò)大探測區(qū)域，美國還在發(fā)展高低軌配合的天基系統(tǒng)，重點(diǎn)提升對(duì)GEO目標(biāo)的監(jiān)視偵察能力。表2為美國目前在軌運(yùn)行的空間目標(biāo)監(jiān)視衛(wèi)星基本情況，其有效載荷都采用光學(xué)設(shè)備。

表2 目前在軌運(yùn)行的美國空間目標(biāo)監(jiān)視衛(wèi)星

1)SBSS衛(wèi)星

SBSS是美軍為增強(qiáng)實(shí)時(shí)空間態(tài)勢感知能力而研制的，SBSS-1衛(wèi)星已于2010年9月發(fā)射。它可編目1.7萬個(gè)直徑大于10 cm的空間目標(biāo)，跟蹤800多顆在軌衛(wèi)星。SBSS-1衛(wèi)星采用口徑30 cm的光學(xué)遙感器，具有240萬像元分辨率，且遙感器安裝在兩軸萬向架上，可通過萬向架的轉(zhuǎn)動(dòng)改變其觀測角度(達(dá)到3π立體角)和方向，能夠快速、靈活地發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標(biāo)。因此，SBSS-1衛(wèi)星兼顧寬視場搜索和精確測量的性能指標(biāo)要求，提供全天候、近實(shí)時(shí)的空間態(tài)勢感知數(shù)據(jù)，滿足LEO和GEO目標(biāo)探測編目及成像識(shí)別等多種任務(wù)需要。同時(shí)，SBSS-1衛(wèi)星遙感器雜光抑制性高，采用三反離軸系統(tǒng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)、濾光盤以及焦平面列陣等部件，可對(duì)太陽光照射下的地球臨近區(qū)域進(jìn)行探測。

2015年1月，美國空軍宣布啟動(dòng)天基空間監(jiān)視系統(tǒng)后續(xù)計(jì)劃(SBSS FO)，計(jì)劃用3顆衛(wèi)星組成的星座接替現(xiàn)有的SBSS-1衛(wèi)星，以增大覆蓋面積，縮短目標(biāo)重訪周期。2016年7月，美國空軍對(duì)SBSS FO的功能和進(jìn)展情況進(jìn)行了簡要介紹，但并未公布衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案、技術(shù)參數(shù)等詳細(xì)信息。SBSS FO將重點(diǎn)關(guān)注高價(jià)值空間資產(chǎn)與深空目標(biāo)的搜索、跟蹤與數(shù)據(jù)采集。美國空軍計(jì)劃在2020年完成SBSS FO關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審，并于2022年發(fā)射達(dá)到全面運(yùn)行能力(FOC)。2017年12月8日，美國稱暫停了SBSS FO項(xiàng)目，并表示與美國國家偵察局(NRO)合作研發(fā)能夠滿足未來空間態(tài)勢感知需求且成本更低的衛(wèi)星。

2)ORS-5衛(wèi)星

SBSS-1衛(wèi)星預(yù)計(jì)可運(yùn)行至2020年左右，為彌補(bǔ)SBSS-1衛(wèi)星退役之后存在的能力空檔期，美軍委托MIT林肯實(shí)驗(yàn)室研制ORS-5衛(wèi)星，驗(yàn)證低成本GEO空間態(tài)勢感知技術(shù)。該衛(wèi)星已于2017年8月26日發(fā)射，進(jìn)入600 km高的赤道軌道。

ORS-5衛(wèi)星是低成本、高自主化的小型衛(wèi)星，長約為1.5 m，質(zhì)量約為113 kg，可對(duì)GEO目標(biāo)持續(xù)觀測，觀測周期為104 min，每天約15次收集目標(biāo)的跟蹤信息。它采用幾何優(yōu)化太空望遠(yuǎn)鏡(GeOST)概念，可實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)、無提示的GEO目標(biāo)搜索與成像識(shí)別。ORS-5衛(wèi)星在赤道低軌道上運(yùn)行，遙感器指向自身位置前方的GEO目標(biāo)，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向與遙感器指向之間呈現(xiàn)“魔力角”，保證恒星在視場內(nèi)固定，以對(duì)穿越視場的GEO目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。選擇適當(dāng)?shù)摹澳Я恰保筄RS-5衛(wèi)星垂直于其視線的速度與目標(biāo)垂直于視線的速度相同，這一特殊的軌道幾何形狀可使目標(biāo)圖像在ORS-5衛(wèi)星遙感器上保持暫時(shí)不動(dòng)，從而增加目標(biāo)跟蹤積分時(shí)長，以收集更多的目標(biāo)信息。同時(shí)，ORS-5衛(wèi)星采用新型飛行幾何模式與遙感器時(shí)間延遲積分技術(shù)相結(jié)合，可對(duì)GEO目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)成像[9]。圖2為ORS-5衛(wèi)星“魔力角”示意。

圖2 ORS-5衛(wèi)星“魔力角”示意Fig.2 Magic angle of ORS-5 satellite

3)GSSAP衛(wèi)星

GSSAP衛(wèi)星是美國空軍發(fā)展的高軌巡視衛(wèi)星，目前已完成4顆衛(wèi)星組網(wǎng)，提升了美國對(duì)GEO衛(wèi)星的持續(xù)監(jiān)視與抵近識(shí)別偵察能力。

GSSAP衛(wèi)星采用萬向架偵察相機(jī)，既能通過與GEO目標(biāo)的相對(duì)漂移實(shí)現(xiàn)GEO全軌道巡視探測，對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行探測、編目和特征識(shí)別；還能通過轉(zhuǎn)動(dòng)的萬向架對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行多角度立體觀測；必要時(shí)還能通過軌道機(jī)動(dòng)抵近GEO目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)偵察，在最佳觀測距離和最優(yōu)拍攝角度獲取目標(biāo)高清視圖[10]。目前，美國并未透露GSSAP衛(wèi)星的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)和未來發(fā)射計(jì)劃。據(jù)推測，GSSAP衛(wèi)星可能具有靈活的高軌機(jī)動(dòng)能力，搭載高分辨率遙感器與高性能電子竊聽設(shè)備，可按需對(duì)GEO目標(biāo)進(jìn)行抵近“拍照”與“竊聽”，能夠在最佳位置清晰拍攝目標(biāo)外形并跟蹤機(jī)動(dòng)目標(biāo)，也能夠跟蹤目標(biāo)發(fā)射的無線電信號(hào)以獲取其通信信息。

加拿大觀測衛(wèi)星-L(SeeSat-L)衛(wèi)星觀測跟蹤小組曾公布GSSAP-1/2衛(wèi)星的觀測信息。GSSAP-1衛(wèi)星的GEO全軌道相對(duì)漂移速度為0.5～1(°)/d，GSSAP-2衛(wèi)星的GEO全軌道相對(duì)漂移速度為0.25～0.33(°)/d。據(jù)此計(jì)算：GSSAP-1在距離GEO的40～80 km運(yùn)行，GSSAP-2在距離GEO的20～25 km運(yùn)行，可能為巡視探測方式；GSSAP-1/2衛(wèi)星平時(shí)運(yùn)行在近地球同步的橢圓軌道上，對(duì)GEO全軌道目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視偵察；在執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)，按需求通過軌道機(jī)動(dòng)抵近目標(biāo)，進(jìn)行詳查拍攝或竊取通信信息。

2016年8月，美軍曾對(duì)GSSAP-1/2衛(wèi)星進(jìn)行機(jī)動(dòng)變軌，抵近詳查美國海軍故障衛(wèi)星移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)-5(MUOS-5)，以確定故障原因(該衛(wèi)星軌道提升推進(jìn)系統(tǒng)于2016年6月底發(fā)生故障，衛(wèi)星偏離目標(biāo)軌道16 100 km)。美國未公布GSSAP拍攝的圖像，但稱目標(biāo)圖像分辨率達(dá)厘米級(jí)，能清晰查看目標(biāo)的天線和遙感器。

2 俄羅斯

俄羅斯空間監(jiān)視系統(tǒng)(SSS)是世界上第二大空間監(jiān)視網(wǎng)，主要由地基雷達(dá)系統(tǒng)和地基光學(xué)系統(tǒng)組成。截至目前，俄羅斯尚未發(fā)展專用空間監(jiān)視衛(wèi)星，主要依靠地基空間監(jiān)視系統(tǒng)，當(dāng)前可對(duì)12 000多個(gè)空間目標(biāo)進(jìn)行探測和編目管理。由于受地面測站經(jīng)緯分布等限制，SSS對(duì)部分(0°W～160°W)高軌目標(biāo)、小傾角低軌目標(biāo)(傾角小于50°)和遠(yuǎn)地點(diǎn)在南半球的中高軌目標(biāo)等的探測能力有限，也不能達(dá)到全天時(shí)、全天候的要求。

2.1 地基雷達(dá)系統(tǒng)

地基雷達(dá)系統(tǒng)主要包括地基預(yù)警雷達(dá)網(wǎng)與部署在北高加索地區(qū)的專用型X頻段空間監(jiān)視雷達(dá)，分布在俄羅斯境內(nèi)或以前的蘇聯(lián)加盟國境內(nèi)，主要對(duì)俄羅斯全境附近、美國、中國、北極等國家和地區(qū)進(jìn)行導(dǎo)彈預(yù)警和空間目標(biāo)監(jiān)視。表3為SSS地基雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)與相關(guān)進(jìn)展(截至2017年底)[11]。

俄羅斯為增強(qiáng)對(duì)空間目標(biāo)的探測跟蹤與監(jiān)視識(shí)別能力，正在發(fā)展新一代沃羅涅日雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可通過更換設(shè)備模塊迅速完成日常維修和系統(tǒng)升級(jí)，以保持最先進(jìn)的技術(shù)性能。其中：沃羅涅日-VP雷達(dá)采用EHF，工作頻率高達(dá)30～300 GHz；沃羅涅日-SM雷達(dá)采用S～X工作頻段，工作頻率高達(dá)2～12 GHz，可能會(huì)用于目標(biāo)識(shí)別?？傮w來說，目前SSS主要用于對(duì)低軌目標(biāo)的探測、跟蹤，很少有寬帶雷達(dá)對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，也沒有作用于高軌目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)。不過，俄羅斯正在發(fā)展具有目標(biāo)識(shí)別能力的新一代高頻沃羅涅日雷達(dá)系統(tǒng)，預(yù)計(jì)到2020年可取代舊系統(tǒng)。圖3為沃羅涅日-M雷達(dá)。

圖3 沃羅涅日-M雷達(dá)Fig.3 Voronezh-M radar

2.2 地基光學(xué)系統(tǒng)

俄羅斯主要依賴Okno系統(tǒng)、國際科學(xué)光學(xué)觀測網(wǎng)(ISON)等地基光學(xué)設(shè)備探測識(shí)別深空目標(biāo)。這些光學(xué)設(shè)備在俄羅斯境內(nèi)及全球范圍內(nèi)廣泛布站，其望遠(yuǎn)鏡口徑類型多樣，作用軌道范圍廣。

Okno系統(tǒng)由14個(gè)子站的20多套光學(xué)觀測設(shè)備組成，位于塔吉克斯坦帕米爾高原，夜間能探測2000～40 000 km軌道范圍內(nèi)的空間目標(biāo)，可根據(jù)待觀測空間目標(biāo)的高度調(diào)整空間分辨率和觀測視場。其望遠(yuǎn)鏡口徑范圍為45～100 cm，分為短距望遠(yuǎn)鏡、普通望遠(yuǎn)鏡和遠(yuǎn)距望遠(yuǎn)鏡，有能力觀測LEO和GEO的目標(biāo)。Okno系統(tǒng)可把收集到的各類信息匯集至地面中央計(jì)算機(jī)中，通過自動(dòng)剔除無用信息精確定軌并識(shí)別空間目標(biāo)。為進(jìn)一步提升能力，俄羅斯計(jì)劃在2018年前訂購10套以上Okno-S新型光學(xué)空間監(jiān)視系統(tǒng)，部署在阿爾泰及濱海邊疆地區(qū)。

ISON是俄羅斯科學(xué)院管理運(yùn)行的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，由俄羅斯、烏克蘭、西班牙、瑞士、美國等十幾個(gè)國家的30多個(gè)觀測站組成，包括直徑12.5 cm～2.6 m的80多個(gè)不同類型的望遠(yuǎn)鏡。ISON可對(duì)整個(gè)GEO進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，定期觀測莫尼亞軌道區(qū)域，并跟蹤全軌道空間目標(biāo)，同時(shí)也能對(duì)小行星進(jìn)行天文觀測。

近期，俄羅斯又恢復(fù)重建樹冠偵察系統(tǒng)，將地基光學(xué)系統(tǒng)與地基雷達(dá)系統(tǒng)配合使用，其中，雷達(dá)系統(tǒng)提供光學(xué)系統(tǒng)跟蹤所需的指向數(shù)據(jù)，而光學(xué)系統(tǒng)主要完成對(duì)空間目標(biāo)的跟蹤、精確定位與識(shí)別。樹冠系統(tǒng)能夠擴(kuò)大跟蹤目標(biāo)的軌道傾角與高度范圍，增強(qiáng)對(duì)微小目標(biāo)的探測識(shí)別能力。樹冠系統(tǒng)包括樹冠和樹冠-N兩部分。樹冠位于北高加索地區(qū)，由2個(gè)大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、1個(gè)激光定位雷達(dá)、1個(gè)大型分米波VHF射頻雷達(dá)和1個(gè)厘米波UHF射頻雷達(dá)組成。其中，UHF射頻雷達(dá)有5個(gè)可輪換的拋物面天線，用于基礎(chǔ)干涉測量，可對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行探測定軌、特征描述與識(shí)別。樹冠-N位于俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)，主要用于探測跟蹤LEO目標(biāo)。目前，樹冠系統(tǒng)已結(jié)束深度改造，可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確定位和識(shí)別。

3 歐洲

歐洲正積極開展歐洲空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的建設(shè)，并考慮將歐洲各國現(xiàn)有的空間監(jiān)視設(shè)施進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，基于法、德兩國現(xiàn)有的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)獨(dú)立、完善、一體化的歐洲空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)(ESSS)。

3.1 地基雷達(dá)系統(tǒng)

歐洲ESSS地基雷達(dá)系統(tǒng)(見表4)較少，主要以法國空間監(jiān)視廣域網(wǎng)絡(luò)(GRAVES)雷達(dá)、德國跟蹤與成像雷達(dá)(TIRA)設(shè)備為主，法國蒙日(Monge)跟蹤船上的阿莫爾(ARMOR)雷達(dá)、英國奇爾波頓(Chilbolton)雷達(dá)等其他雷達(dá)設(shè)備作為補(bǔ)充[12]。ESSS地基雷達(dá)系統(tǒng)主要采用低頻工作模式，對(duì)過境歐洲的LEO目標(biāo)進(jìn)行探測跟蹤，探測能力達(dá)到低軌2厘米級(jí)。TIRA雷達(dá)具有高頻工作模式，可對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行成像識(shí)別。其中：法國ARMOR雷達(dá)使用高分辨率角度和距離數(shù)據(jù)執(zhí)行空間目標(biāo)跟蹤任務(wù)，可全天候、不間斷地對(duì)LEO和GEO目標(biāo)進(jìn)行探測識(shí)別；英國S頻段Chilbolton雷達(dá)主要用于大氣和電離層研究，兼具600 km空間目標(biāo)的跟蹤能力。

表4 ESSS地基雷達(dá)系統(tǒng)

此外，德國航空航天中心(DLR)還正在研制德國試驗(yàn)監(jiān)視與跟蹤雷達(dá)(GESTRA)，預(yù)計(jì)在2018年中期建成。GESTRA雷達(dá)采用準(zhǔn)單體設(shè)計(jì)，半固定式地集成在18 m×4 m×4 m的容器中，可移動(dòng)。GESTRA產(chǎn)生L頻段高脈沖輸出，能夠靈活觀測到高度在300～3000 km的空間目標(biāo)。雷達(dá)發(fā)射器和接收器均配有安裝在3D定位器上的大型相控陣天線，能在幾毫秒內(nèi)旋轉(zhuǎn)至任意所需位置。雷達(dá)使用數(shù)字多波束形成方法，利用高性能處理器和先進(jìn)算法形成高速數(shù)據(jù)流，同時(shí)實(shí)時(shí)合成多個(gè)天線波束，使雷達(dá)可以同時(shí)觀測不同方向。此外，GESTRA也可以在掃描模式下對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。GESTRA雷達(dá)還具有可擴(kuò)展性，非常適合未來集成擴(kuò)展成雷達(dá)網(wǎng)[13]。

3.2 地基光學(xué)系統(tǒng)

歐洲各國也在不斷發(fā)展地基光學(xué)系統(tǒng)，提高空間目標(biāo)的定軌精度及識(shí)別效率。目前，歐洲的地基光學(xué)系統(tǒng)包括ESA空間碎片望遠(yuǎn)鏡，法國天空觀測系統(tǒng)(SPOC)、瞬態(tài)目標(biāo)速動(dòng)望遠(yuǎn)鏡(TAROT)，德國靈巧網(wǎng)(SMARTnet)，瑞士ZIMLAT望遠(yuǎn)鏡，英國無源成像測量傳感器(PIMS)望遠(yuǎn)鏡等，主要分布在歐洲、南美洲和澳大利亞等地，有寬視場探測跟蹤望遠(yuǎn)鏡，也有窄視場目標(biāo)識(shí)別望遠(yuǎn)鏡，主要用于探測GEO目標(biāo)，GEO目標(biāo)空間分辨率已達(dá)到10 cm，部分設(shè)備還有激光觀測功能，增加夜視觀測能力。

ESA空間碎片望遠(yuǎn)鏡(見圖4)位于西班牙，采用孔徑1 m的蔡司鏡頭，視場為0.7°，能覆蓋GEO上120°的扇區(qū)，探測跟蹤15 cm直徑的GEO目標(biāo)，通過單次觀測推斷出目標(biāo)的原始軌道，并由此來完善軌道數(shù)據(jù)。

圖4 ESA空間碎片望遠(yuǎn)鏡Fig.4 ESA Space Debris Telescope

法國SPOC和TAROT分布在法國、智利和澳大利亞。SPOC是50°×50°寬視場望遠(yuǎn)鏡，在晴朗夜晚可探測到100～400個(gè)目標(biāo)。TAROT系統(tǒng)有0.25 m和1 m口徑的望遠(yuǎn)鏡，視場角分別為4°和0.1°，焦距分別為0.8 m和8 m。0.25 m口徑望遠(yuǎn)鏡用于目標(biāo)探測跟蹤；1 m口徑望遠(yuǎn)鏡用于目標(biāo)識(shí)別，能夠快速(大于60(°)/s)、高精度指向空間任意目標(biāo)，每月可執(zhí)行17 000多次GEO目標(biāo)觀測[14]。

4 發(fā)展趨勢分析

美國、俄羅斯和歐洲等國家和地區(qū)都在發(fā)展雷達(dá)、光學(xué)等不同類型的空間目標(biāo)探測與識(shí)別系統(tǒng)。美國的空間目標(biāo)探測與識(shí)別系統(tǒng)不僅在全球范圍內(nèi)布站，也正在建立高低軌結(jié)合的天基探測識(shí)別系統(tǒng)，其探測范圍廣，設(shè)備種類全。俄羅斯的空間目標(biāo)探測與識(shí)別系統(tǒng)主要分布在俄羅斯境內(nèi)及附近地區(qū)，對(duì)過頂俄羅斯境內(nèi)、周邊地區(qū)及北極地區(qū)的空間目標(biāo)進(jìn)行探測，部分地基光學(xué)系統(tǒng)在歐洲和亞洲等地分布。歐洲各國共同協(xié)作開發(fā)各類空間目標(biāo)探測與識(shí)別系統(tǒng)，以法國和德國為核心共同建立ESSS，為歐洲各國提供服務(wù)。

根據(jù)前文對(duì)國外空間目標(biāo)探測與識(shí)別系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀研究，可以獲得以下發(fā)展趨勢。

(1)地基雷達(dá)系統(tǒng)是低軌目標(biāo)探測識(shí)別的主要設(shè)備，國外通過發(fā)展新型高頻雷達(dá)、升級(jí)舊雷達(dá)至高頻等多種方式，提升雷達(dá)的空間目標(biāo)識(shí)別能力。例如：美國開發(fā)新型S頻段空間籬笆，升級(jí)HUSIR雷達(dá)增加W頻段，在全球范圍及多艘宙斯盾艦上部署多部S頻段、P頻段、X頻段雷達(dá)，大大增強(qiáng)成像識(shí)別能力。俄羅斯大力發(fā)展新型S～X頻段沃羅涅日-SM雷達(dá)，探測距離擴(kuò)展至10 000 km。歐洲TIRA雷達(dá)、ARMOR雷達(dá)、Chilbolton雷達(dá)分別采用Ku、C、S的高頻探測。各國大力發(fā)展雷達(dá)高頻探測識(shí)別技術(shù)，一方面是因?yàn)楦哳l雷達(dá)的波長短，穿透力強(qiáng)，配合雷達(dá)的大功率發(fā)射、合成等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)較遠(yuǎn)、較小空間目標(biāo)的探測；另一方面，通常高頻雷達(dá)的帶寬較寬，可獲得更豐富的雷達(dá)回波信息，具有距離分辨率高、目標(biāo)測量精度高、雜波中目標(biāo)檢測性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的精確識(shí)別。

(2)地基光學(xué)系統(tǒng)是高軌目標(biāo)探測識(shí)別的主要設(shè)備，隨著對(duì)高軌目標(biāo)探測要求尺寸越來越小，其對(duì)地基光學(xué)系統(tǒng)搜索探測能力和成像觀測分辨率要求也越來越高。目前，國外空間目標(biāo)探測光學(xué)系統(tǒng)圍繞暗弱目標(biāo)探測和高清晰成像2個(gè)技術(shù)目標(biāo)快速發(fā)展，具體有如下3種實(shí)現(xiàn)方式。①通過發(fā)展大口徑望遠(yuǎn)鏡技術(shù)提升空間目標(biāo)分辨率。大口徑望遠(yuǎn)鏡可以提升觀測集光能力，觀測暗弱目標(biāo)，并提高分辨率，例如美國SST口徑達(dá)3.5 m，俄羅斯ISON望遠(yuǎn)鏡最大口徑達(dá)2.6 m，法國SPOC光學(xué)系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡口徑也達(dá)到3.5 m。②通過發(fā)展大面陣曲面CCD探測技術(shù)提升寬視場清晰成像能力。隨著望遠(yuǎn)鏡口徑的增加，平面焦面的焦距小，可能會(huì)造成望遠(yuǎn)鏡成像失真，降低空間目標(biāo)的分辨率。但是，SST采用大面陣曲面CCD探測技術(shù)，將12個(gè)薄膜CCD安裝在5.44 m的球面上，形成彎曲的焦面，在擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡視場角的基礎(chǔ)上顯著提高望遠(yuǎn)鏡焦距，同時(shí)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量觀測與寬視場清晰成像。③通過發(fā)展光學(xué)與雷達(dá)、激光結(jié)合探測技術(shù)，提升空間目標(biāo)識(shí)別能力。目前，地基光學(xué)系統(tǒng)通常存在觀測視場小、不能全天候工作的缺陷，需要通過地基雷達(dá)探測與激光探測的配合，提高探測識(shí)別能力。將光學(xué)探測與雷達(dá)探測相結(jié)合，需要地基雷達(dá)系統(tǒng)事先對(duì)空間進(jìn)行掃描探測，獲得探測數(shù)據(jù)后，地基光學(xué)系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)導(dǎo)引進(jìn)行空間目標(biāo)的跟蹤識(shí)別。例如：俄羅斯Okno系統(tǒng)就采用大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡與VHF分米波雷達(dá)、UHF厘米波雷達(dá)相結(jié)合的方式，提升對(duì)空間目標(biāo)的探測定軌與特征識(shí)別能力。此外，可以將光學(xué)探測與激光探測相結(jié)合，這樣不僅可以進(jìn)行輔助激光測距定位，還可以擴(kuò)展觀測時(shí)長。激光發(fā)射器在夜間照射空間目標(biāo)，能夠輔助光學(xué)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行全天時(shí)觀測成像。

(3)天基設(shè)備是目前新型的探測識(shí)別設(shè)備，可以利用天基系統(tǒng)的優(yōu)勢對(duì)重要目標(biāo)進(jìn)行高精度定軌與高分辨率成像，避免可能發(fā)生的空間碰撞，或者針對(duì)己方存在威脅的目標(biāo)做出提前警示，具有很重要的軍事價(jià)值，是未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。天基空間目標(biāo)探測技術(shù)發(fā)展如下。①軌道機(jī)動(dòng)與在軌觀測技術(shù)。天基遙感器可以利用其獨(dú)特的軌道優(yōu)勢對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行近距離、長時(shí)間成像觀測。例如：位于GEO上的GSSAP衛(wèi)星通過與GEO目標(biāo)的相對(duì)漂移實(shí)現(xiàn)GEO全軌道巡視探測，對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行編目與特征識(shí)別，通過抵近GEO目標(biāo)進(jìn)行詳察，在最佳觀測距離和最優(yōu)拍攝角度獲取目標(biāo)高清視圖；位于LEO上的ORS-5則采用GeOST，配合延時(shí)積分技術(shù)，增加目標(biāo)跟蹤時(shí)長，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行凝視識(shí)別，實(shí)現(xiàn)更靈敏的成像，能收集更多GEO目標(biāo)信息。②多角度立體觀測技術(shù)。SBSS-1、GSSAP衛(wèi)星均采用萬向架支撐光學(xué)遙感器，通過萬向架的轉(zhuǎn)動(dòng)改變遙感器的觀測角度和方向，快速靈活發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多角度立體成像。③雜散光抑制技術(shù)。天基觀測時(shí)其背景雜光非常復(fù)雜，若要觀測高星等暗弱目標(biāo)，需要對(duì)雜散光進(jìn)行抑制，從而提高空間目標(biāo)的探測效果。例如，美國SBSS-1衛(wèi)星遙感器采用三反離軸系統(tǒng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)、濾光盤及焦平面列陣等部件，提高雜光抑制效果，增強(qiáng)對(duì)暗弱小型目標(biāo)的探測能力，有助于發(fā)現(xiàn)未知的空間目標(biāo)。

5 結(jié)束語

隨著空間目標(biāo)探測尺寸的要求不斷縮小，國外越來越重視空間目標(biāo)探測識(shí)別的高分辨率與實(shí)時(shí)性，通過發(fā)展高頻雷達(dá)探測、大面陣CCD探測等關(guān)鍵技術(shù)來提升探測性能。同時(shí)，國外空間目標(biāo)探測與識(shí)別系統(tǒng)也充分結(jié)合光學(xué)探測、雷達(dá)探測與激光探測的優(yōu)勢，提供更準(zhǔn)確多樣的跟蹤、精確定位與識(shí)別信息，提高觀測時(shí)長與觀測實(shí)時(shí)性。此外，美國還建立了高低軌互補(bǔ)的天基設(shè)備，充分發(fā)揮獨(dú)特的軌道優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)抵近偵察觀測、增加跟蹤凝視時(shí)間，在最佳位置獲取目標(biāo)的高清圖像，進(jìn)一步提高空間目標(biāo)的分辨率，根據(jù)不同的需求調(diào)整天基設(shè)備的軌道位置對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行探測與識(shí)別。目前，國外GEO目標(biāo)探測的分辨率已達(dá)到厘米級(jí)，且觀測時(shí)效性較高。國外在系統(tǒng)空間分辨率進(jìn)一步提升的基礎(chǔ)上，還在繼續(xù)發(fā)展不間斷連續(xù)觀測與實(shí)時(shí)觀測能力，提升空間目標(biāo)識(shí)別能力，以滿足保障空間安全的更高要求。

借鑒國外空間目標(biāo)探測與識(shí)別系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，建議我國建立雷達(dá)和光學(xué)相配合的空間目標(biāo)探測與識(shí)別系統(tǒng)，結(jié)合雷達(dá)系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢，利用有限的探測識(shí)別資源，最大化探測識(shí)別系統(tǒng)的能力。體系化發(fā)展空間目標(biāo)探測識(shí)別系統(tǒng)，進(jìn)一步發(fā)展以光學(xué)探測為主的高低軌結(jié)合的天基系統(tǒng)，同時(shí)利用地基系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)，對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行近距離、近實(shí)時(shí)、高清成像觀測，從而實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)天地一體化的探測與識(shí)別。

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