监视卫星的卫星美国天基监视系统.pdf

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1、监视卫星的卫星：美国天基监视系统 2009-11-11 19:19:16 来源:网易军事 自从 1957 年第一颗人造卫星发射以来，太空就不再平静。卫星占据着太空制高点，因此冷战时期美苏双方侦察彼此地面军事部署的重任就交给了侦察卫星，因此侦察卫星也被称为“间谍卫星”。美国即将发射的天基太空监视系统则可侦察这些太空中的间谍卫星，可谓“谍中谍”。波音的 SBSS（天基监视系统）构想图 自从 1957 年第一颗人造卫星发射以来，太空就不再平静。卫星占据着太空制高点，因此冷战时期美苏双方侦察彼此地面军事部署的重任就交给了侦察卫星，因此侦察卫星也被称为“间谍卫星”。美国即将发射的天基太空监视系统则可侦察

2、这些太空中的间谍卫星，可谓“谍中谍”。2009 年 2 月 10 日，一颗美国通信卫星与一颗俄罗斯报废的卫星在太空中相撞，这是历史上首次卫星相撞事故。因相撞概率之低，固令人瞠目结舌，而这次碰撞产生的约 12000块太空碎片，将会在很长一段时间围绕地球运转，必将给人类太空活动带来极大的威胁。那么，如何避免此类事件再次发生，如何避免航天器被太空碎片击中，将是我们不得不思考的。今年年初的美俄卫星相撞事故为太空“交通安全”敲响了警钟 而美国空军即将发射的“天基监视系统”（简称 SBSS）卫星，能够探测太空碎片的轨道数据，并将其传输给美国国家航空航天局（简称 NASA），从而避免碎片与国际空间站或者航天

3、飞机空中相撞。美国发射 SBSS 卫星貌似是为了保护美国自身的太空资产，但实际上等于变相增强自身太空进攻能力。SBSS 卫星是美国空军发射的，匀凰娜挝窬皇俏狽 ASA探测威胁太空安全的碎片这么简单。SBSS 卫星更重要的任务是监视太空中的他国卫星，所获取的卫星轨道数据将会交给美国国防部，以支持日后的军事行动。根据美国的国家太空政策，美国拥有“必要时拒止对手使用太空的权力”。这也就意味着，一旦别国被视为威胁，美国可以根据自己的安全需要对别国的太空设备发起攻击。SBSS 卫星所提供的有关目标的轨道、行踪等详细的数据，无疑都将转化成美军未来反卫星武器瞄准的座标。因此可以说，SBSS 本质上就是美军在

4、太空部署的侦察兵。技术背景 早在冷战期间，美国就已经建立起了一套由全球 25 个陆基雷达站点以及多个太空望远镜观察点组成的监视网，专门监视地球附近太空的各种物体。但是这个监视网并不完善，存在许多问题。由于这些监视点都建在地面上，受天气影响较大，太阳风暴会干扰雷达的探测效果，而云雨天气则会影响太空望远镜。另外由于地面监视视野有限，只有当太空物体飞越雷达所在地上空时，雷达才能发现；太空望远镜则得依靠太空物体反射的光线来识别物体，所以太空物体不但要在其视野内，而且要处于恒星光线的照射之下。而美国空军要发射的“天基监视系统”（简称 SBSS）卫星则可以弥补陆基太空监视网的这些不足。SBSS 卫星上搭载

5、高速自动运转的深空望远镜型数码相机，可随时捕捉到太空中物体的变化情况。作为美国发展天基太空监视能力的重要计划，SBSS 将分两个阶段进行：第一个阶段称为 Block 10，目标是研制和部署一颗“探路者”卫星，以此来替代美国目前唯一的天基探测器中段空间实验（简称 MSX）卫星上的天基可见光（简称 SBV）探测器，以此来提供一种过渡性的天基太空监视能力；第二个阶段称为 Block 20，这个阶段将部署由 4 颗卫星组成的卫星星座，并将应用更为先进的技术，而 Block 10 阶段得到的经验和技术将用来指导Block 20。“探路者”BLOCK 10 是整个天基监视卫星星座名符其实的探路者，而 BL

6、OCK 20 作为BLOCK 10 的后继者，将具备更多的功能。也可以说，“探路者”Block 10 将成为美国未来太空优势和组建 SBSS 星座的跳板。最初的计划是 SBSS 星座由 38 颗卫星组成，首颗“探路者”BLOCK 10 卫星在 2007 年发射，所有的卫星于 2010 年投入运行，每年的运行费用 600万美元，每颗星的寿命约为 7 年，投入使用后，该系统将能每天对大多数卫星的位置数据进行更新。但是由于国会对 SBSS 重要性的疑虑以及研制成本一增再增，研制与发射计划也一拖再拖，至今“探路者”卫星都没有升空。SBSS 星座将会对地球轨道上的所有常驻物体进行实时的探测和跟踪尤其是地

7、球同步轨道。任务包括对卫星距离和太空物体识别（简称 SOI）数据的收集、处理和通信。SBSS还将支持获取太空监视的关键性能参数（简称 KPPs），勾画出美国太空司令部（简称USSPACECOM）有关太空控制的最高需求文件(简称 CRD)。这一项目的预算活性为 7，属于可操作系统发展，因为它们是现有可操作探测器网络的发展或改进。美国空军位于夏威夷毛伊岛的太空监控站，这样的站点美军在全球有 25 个 研发历程千呼万唤始出来 2001 年 1 月，当时美国国防部长拉姆斯菲尔德手下的“美国国家安全空间管理和组织评估委员会”（简称拉姆斯菲尔德空间委员会）声称，针对美国设备的切实威胁不久就将会出现，要密切

8、关注美国太空设备的脆弱性。在 2002 财年，天基太空监视系统（简称 SBSS）计划得以展开，美国计划发射一系列携带可见光探测器的卫星，实现太空态势感知（简称 SSA）能力。多颗天基太空监视卫星组成的星座将会为美国提供太空态势的实时感知能力，以满足未来其争夺制太空权行动的需要。2004 年 3 月，诺斯罗普格鲁曼空间与任务系统公司得到了成本外金额达 4600 万美元的合同，诺斯罗普格鲁曼任务系统公司（简称 NGMS）负责开发和交付第一颗在轨的SBSS“探路者”（BLOCK 10）卫星，包括这颗载有光学探测器卫星的设计、制造、发射和操作所需的材料和人力成本，以及首颗卫星地面操作部分的设计、制造和

9、操作。这笔资金只是基本合同的补充。基本合同由加利福尼亚州的波音公司及其合作伙伴美国科罗拉多州的鲍尔宇航技术公司负责，波音/鲍尔团队是美国空军太空与导弹系统中心为诺斯罗普格鲁曼任务系统公司选择的子承包商。2004 年 5 月 20 日，波音公司及其合作伙伴鲍尔宇航技术公司获得了一份价值 1.89 亿美元的合同，在诺斯罗普格鲁曼公司的指导下，为美空军研制和部署天基监视系统（SBSS）。合同要求到 2007 年晚些时候，波音公司与其合作伙伴鲍尔宇航技术公司研制并发射一颗可跟踪空间移动目标的卫星。其中鲍尔公司负责研制卫星载体，波音公司团队负责任务计划制订、任务数据处理、发射。在该系统移交给空军之前，波

10、音公司的“幻影工作组”（Phantom Works unit）还将负责该系统一年的运行。2004 年 11 月 2 日，波音公司宣布，其已经与合作伙伴诺思罗普格鲁曼公司成功地完成了天基太空监视系统（简称 SBSS）“探路者”（BLOCK 10）项目的集成基线评审（简称IBR）。这是初步设计评审（简称 PDR）之前的一个意义重大的项目里程碑。波音公司空军太空系统副总裁说，“我们的集成基线评审证明了波音正在按时取得进展并引领着一个成熟的、可执行的项目。”2005 年 4 月 6 日，波音公司与诺斯罗普格鲁曼公司合作，成功地完成了天基太空监视（SBSS）“探路者”系统的初步设计评审（简称 PDR）。

11、初步设计评审在加利福尼亚州亨廷顿进行，包括来自政府和承包商在内的 100 多位参与者对天基太空监视探路者系统的基础结构和设计进行了全面评审。此次评审达到了地面段初步设计详细评审（由波音公司 1 月初进行）和航天器初步设计详细评审（由鲍尔航天公司 1 月末进行）的顶点。在为期四天的初步设计评审总结会上，美空军对评审水平十分满意。美军现有的天基探测器 MSX 卫星，MSX 卫星上的 SBV 探测器部分，上为太空望远镜，下为电子部件。但是 2005 年年底，一个独立的评审小组发现这一项目的基线不可行，装配、集成和试验计划存在风险，其需求也被夸大。由于成本增加和进度落后，SBSS 项目在 2006 年

12、做出调整，改进装配、集成和试验计划，成本增加了 1.3 亿美元，发射时间也向后推迟了 18 个月（原本计划推迟至 2009 年 4 月，但是又被推迟）。2006 年 4 月 14 日，SBSS 执行委员会与美国空军太空与导弹系统中心司令官迈克尔海默将军进行了会晤，商讨解决数千万美元的成本增长以及进度滞后的问题，以完成探路者项目的调整。诺斯罗普格鲁曼公司同意，在其作为美国空军太空对抗任务领域主承包商的管理角色问题上做出让步，将项目监督权归还给军方，从而使空军能够与建造实际硬件的工业团队波音公司及鲍尔公司直接进行交流。尽管诺斯罗普格鲁曼公司被解除了项目监管权，但其太空对抗任务领域主承包商合同依然存

13、在，因此授给波音及鲍尔公司的子合同无须花费额外的成本重做，也不会遭到推迟。不过，太空对抗任务领域主承包商合同将在“探路者”卫星发射后终止。2006 年 9 月，SBSS 团队选定卫星光学载荷的关键部分电荷耦合器件（简称 CCD）供应商半导体技术联合公司（STA）。CCD 是卫星上收集图像的光学载荷的重要部件，其研发被认为是 SBSS 项目中技术风险最高的工作。为了获得高质量、达到飞行级别的 CCD，STA 与亚利桑那大学成像技术实验室进行了合作，后者负责原料晶片的处理和涂层。STA公司的 CCD 最终成功通过了环境试验和寿命试验。推迟至今仍未升空的 SBSS 系统首颗试验卫星 2007 年 1

14、 月，经历了 2006 年的一系列设计评审后，SBSS“探路者”终于进入关键设计评审。在为期 4 天的评审过程中，来自政府和工业界的 100 多名代表对“探路者”系统的体系结构、设计、集成、总装与测试方法以及运行方案进行了审议。1 月 8 日，“探路者”系统成功通过关键设计评审，也意味着该系统已由研发阶段转入工程制造阶段。2007 年 12 月 12 日，波音公司成功完成了天基太空监视系统一系列的试验。完成的试验包括：用可见光探测器记录首幅图像、首次减少卫星舱的动力消耗、对可见光探测器望远镜进行成功的热真空试验。波音旗下的太空情报系统公司副总裁称，随着这些试验的成功完成，波音公司将继续满足为美

15、空军制造高质量太空态势感知系统的要求。2008 年 4 月 21 日，波音和鲍尔公司领导的天基太空监视系统 Block 10 团队宣布，已经完成了有效载荷电子装置、高速陀螺框架的研制工作，试验了太空飞行器的可见光探测器，启动了载荷集成和试验工作。SBSS 卫星的陀螺框架和可见光探测器能够在太空中响应任务。波音公司提供的星载计算机具有快速探测太空目标的特性，并能为改良的 Block 10 性能提供未来能力。集成前，成功的陀螺框架功能试验检验了其最大转速、加速度和机动范围等能力，这个两轴系统可旋转和支撑 226.8 千克的有效载荷。可见光探测器、陀螺框架和有效载荷电子装置的完成，标志着 SBSS

16、卫星已有 85%的飞行硬件完工。具有里程碑意义的集成工作，验证了 SBSS 团队研发先进系统的能力。硬件与相关软件的完成是 SBSS 计划的一个重大里程碑，也是支持太空态势感知技术升级的一次大飞跃，由此向发射就绪又靠近一步。美国“锁眼”侦察卫星，天空中有数百个各国的军用卫星，随时掌握这些卫星的动向一直是美国军方的希望 2008 年 5 月，波音公司表示，已经完成 SBSS 的卫星操作中心（简称 SOC）硬件安装，并开始与哈里斯公司、麻省理工学院的林肯实验室合作研发 SBSS 的地面系统。2009 年 2 月初，波音公司宣布，成功完成 SBSS 的首次卫星测试，显示出 SBSS 系统具备地面系统

17、和空间系统“端到端任务功能”的集成能力。鲍尔公司负责执行卫星的集成和功能测试，测试结果表明卫星满足所有的性能要求，而此前卫星的有效载荷在测试中则全面超过了模拟环境的要求。但是直至 3 月底，SBSS 系统的地面部分仍未完工，这也一定程度延误了原本定于 4 月的发射计划（当然，此次发射计划的流产，运载火箭未能及时交付是主要原因）。2009 年 6 月，波音公司成功完成 SBSS 地面部分的首次测试，至此 SBSS 的研制工作总算功德圆满，只待发射指令下达。性能要求犹抱琵琶半遮面 SBSS 虽已名声在外，但其技术要求和具体性能至今都没有公开，在此也只能透过波音公司透露的消息以及其前辈 MSX 卫星

18、搭载的可见光（即 SBV）探测器的性能参数，对其稍作揣测。美国国防部的 MSX 卫星是 1996 年由弹道导弹防御组织（简称 BMDO）发射的导弹防御试验卫星。MSX 卫星上安装有可见光、紫外线、红外线和光谱成像探测器。到 2002 年，紫外线、红外线和光谱成像探测器相继失效，只有可见光探测器还能够仍然可以利用可见光搜索和跟踪地球同步轨道（简称 GEO）上的卫星，有效降低了 GEO 轨道上未被发现的物体数目。BMDO 曾对 MSX 卫星上包括 SBV 在内的探测器的工作状况进行确认，观察其能否识别出飞入太空的弹道导弹的火箭残骸。实验证明，SBV 探测器在追踪太空中的火箭残骸方面具有很好的能力。

19、SBV 探测器（a）有一台高质量的杂散光抑制望远镜，包括一台像素为 420420 像素的电荷耦合器（简称 CCD），生成一幅粗糙的图像框架（b）；星载信号处理器（c）将此焦平面图像进行处理，生成恒星和条纹的报告，最终构建出框架图像（d）。SBV 探测器由两部分组成：一是 73 磅重的太空望远镜（视轴与其他探测器相同），二是位于卫星尾部的电子部件。SBV 探测器有两大优点，第一在轨道平台上其能够接近整个地球同步轨道带；第二，探测器的视野较宽，搜索效率高，能够同时对多个太空常驻物体（简称 RSO）进行探测。SBV 探测器依靠 RSO 反射的恒星光线对其进行探测，因此其收集数据模式类似于恒星的轨迹，

20、打个比方，恒星就是个点声源，而 RSO 就是声波传播时障碍物所反射的条纹。监视数据随后交由星载信号处理器提取数据。SBV 探测器性能参数 光谱范围 300-900nm 空间分辨率 12.1 弧度秒/像素 每个 CCD 的视角 1.41.4 光圈 15cm，f/3 平均每秒的帧数 4-16 帧 每帧图像生成所用时间 0.4 秒，0.625 秒，1 秒，1.6 秒 图像像素 420420 像素 标准-3 导弹发射，完备的监视信息意味着更高效率的拦截 作为 MSX/SBV 先进概念技术演示（简称 ACTD）的继承者，SBSS 的首颗卫星“探路者”也将搭载可见光（SBV）探测器，以及必不可少的 C4

21、设备。虽然 SBSS 所搭载的可见光（SBV）探测器性能尚未公开，不过可以肯定的是，其性能必然有较大提高。早期的先进概念技术演示（简称 ACTD）便已经开始改进 MSX 卫星，通过开发冗余处理能力来提高卫星的数据处理能力，提高卫星同时探测多个 RSO 的效率，这些改进极有可能也会应用于 SBSS。据称与MSX/SBV 系统相比，SBSS 卫星的探测能力提高了 80。SBSS 卫星上的摄像机重 226.8 千克（约 500 磅），用于跟踪太空物体，并辅助其它系统，如太空篱笆。而在对 SBSS 系统可见光（SBV）探测器、有效载荷电子设备、高速万向接头的试验中，进一步验证了 SBSS 改进后能力将

22、比目前在轨运行 MSX 的能力快一倍，精确度是目前的 10 倍，这将大大提高美国的太空探测能力。此外，SBSS 的升级空间很大。波音公司 SSA 领域主管，托德雪铁龙说，SBSS 卫星可以进行技术升级，即便是发射之后，也可以通过软件升级来提升卫星的整体性能。用美国人的话说，SBSS“将是太空态势感知的革命”，是实现太空态势的实时感知能力的必要组成部分，是提升全维空间态势感知能力的基本要素。SBSS 星座将为美国提供所需要的监视覆盖范围，确保压倒性的太空优势。美军对 SBSS 卫星的期望是，确保战时的制太空权，至少让对手明白，尽管美国依赖太空设施，但是美国有能力探测和跟踪任何太空中的物体特别是被视为威胁的。