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太空侦察兵:天基监视系统

2010-10-13 16:45:28 来源: 网易军事 举报
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天基监视系统首颗卫星在多次推迟发射后终于在2010年9月26日成功发射。尽管美国已经拥有独步全球的太空监视能力,但此举将让美国自此能够及时跟踪探测任何可能的太空威胁,让美国率先在外层空间中建立起非对称太空优势。

太空侦察兵:天基监视系统

太空侦察兵:天基监视系统

美国太空电磁篱笆地面天线。太空篱笆可以探测到小至10厘米大小的中低轨道目标,是美国对太空监视的主要手段之一。

备受瞩目的天基监视系统(SBSS)首颗卫星在多次推迟发射后终于在2010年9月26日UTC时间4时41分(北京时间12时41分)成功发射,这是轨道科学公司米诺陶4型火箭的首次轨道发射,火箭自位于范登堡空军基地的SLC-8工位发射,14分50秒后天基监视系统卫星与火箭成功分离,卫星进入541X538千米高度的太阳同步轨道,再过8分钟后太阳能电池板成功展开,按照预定程序,这颗卫星最后将定点于630千米高度的太阳同步圆轨道。

美国是世界上导弹预警和太空监视能力最强的国家,即使巅峰时期的苏联,太空监视能力也无法与其相比。美国经济军事的优势和正常运转极为依赖其众多的太空资产,美国认为自己需要强大的空间控制能力,利用并保护自己的太空资产,阻止敌方使用太空。空间监视能力或者说空间态势感知能力,是空间控制必备的能力。

北美太空篱笆

美国太空监视网络(SSN)由众多的地面雷达与光学系统构成,其中北美的太空篱笆(Space Fence)久负盛名。太空篱笆开始由美国海军建设维护,称之为海军空间监视系统,2004年10月1日后移交给美国空军第20太空控制中队。整个系统沿北纬33°线部署,包括3个VHF雷达发射站和6个接收站,形成了东西向数千千米的波束篱笆,可保证对轨道倾角约30~150°范围的卫星进行搜索,当然对于倾角太低或太高的目标就鞭长莫及了。它可以探测到小至10厘米大小的中低轨道目标,是美国对太空监视的主要手段之一。

太空侦察兵:天基监视系统

美国空军(GEODSS)系统的巨大光学望远镜,该系统具有较远距离的深空目标探测能力。它与太空篱笆在太空监视上形成了互为补充的关系。

陆基光电深空探测系统(GEODSS)

空军此前也有自己的监视网络,包括陆基光电深空探测系统(GEODSS)和兼职做太空监视的导弹预警雷达网组成。GEODSS目前包括三个地面跟踪站,此外西班牙Moron空军基地有一部望远镜也用于为GEODSS提供数据。三个地面站分别配备了3台光学望远镜,其中2台主望远镜40英寸直径视场2°,1台附属望远镜15英寸直径视场6°,不过2002年完成的升级中原有的附属望远镜替换为主望远镜。GEODSS用于探测距离地面高度3000英里(5500公里)到同步轨道的深空目标,它对暗目标的探测能力比人眼高10000倍,不过GEODSS只能在夜间使用而且对于天气和光学污染极为敏感,1993年韩国的地面站就因为附近城镇的烟雾污染被迫关闭。空军用于太空监视的地面雷达包括福罗里达州埃格林空军基地部署的UHF波段AN/FPS-85大型相控阵雷达和挪威部署的X波段AN/FPS-129 Globus II大型单脉冲雷达。前者探测距离小于7000公里可同时跟踪月200个近地目标,基本没有深空探测能力,后者可跟踪到同步轨道的目标。

除此之外,就是众多兼职雷达了,包括科里尔(Clear),比尔(Beale),鳕鱼角(Cape Cod),图勒(Thule),菲林戴尔斯(Fylingdales)的远程预警雷达雷达和卡凡利(Cavalier)等地AN/FPQ-16雷达,他们在用于导弹预警的同时也兼职做太空跟踪任务,当然也只具备有限的低轨道探测跟踪能力。

太空侦察兵:天基监视系统

太空侦察兵:天基监视系统

地面监视系统受到多种局限存在许多空白,对于极度依赖卫星的美国来说这是一个很大的安全空档。图为GEODSS系统的迪戈加西亚观测站,小图为中段空间试验卫星(MSX)。

不过这些传统观测手段都部署在地面,具有很多局限性。且不说光学望远镜受云雨雪和大气环境质量影响极大而且局限于夜间使用,即使是雷达也经常受到雷暴和太阳风暴的影响,而且地面监视系统监视能力存在大量空白,如太空篱笆需要卫星穿过它的波束,其他时间内航天器变轨它就无能为力了。此外对一般空间目标重复监视的时间间隔高达5天,这个能力虽然远强于其他国家,但还不足与满足美军太空监视的要求。更糟糕的,GEODSS无法在白天工作,深空探测雷达数量不足质量也不高,现有监视网络对于深空目标的探测能力在存在很大缺陷。

面对这些缺陷,美国早在20世纪80年代就提出发展天基卫星监视系统。当时美国空军计划投资22亿美元在90年代初研制完成标准模型星、样星和4颗实用卫星以及一个地面站,使用长波红外遥感器探测和跟踪卫星,对近地60海里到同步轨道高度范围内的空间进行扫描,这个系统的主要任务是探测监视苏联的反卫星武器。这个的计划虽然最后取消了, 但相关的研究并未放弃。

1996年美国弹道导弹防御组织(BMDO)发射了中段空间试验卫星(MSX),它在地球同步轨道用于跟踪洲际导弹等目标,2000年转交空军后用于空军态势感知的相关试验。2001年拉姆斯菲尔德空间委员会对美国太空设施的脆弱深表忧虑,美国经济与军事力量严重依赖于太空卫星,美国对太空态势感知的重视也在意料之中。

太空侦察兵:天基监视系统

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美媒发布的2007年中国反卫星试验图,中国这一试验的成功反而加速了美国对太空监视系统发展。

中国反卫星试验成为SBSS系统发展助力

面对地面系统的不足,在已有MSX的基础上,2002年财年美国迅速开始天基监视系统 (SBSS)的研制工作。美国计划发射多颗天基监视系卫星组成星座,提供及时的太空态势感知能力,满足未来争夺制天权行动的需要。2002年美军提出转型路线图,同年9月《美国国家安全战略》指出保护卫星及其空间能力是确保美国向全球快速部署军事力量的关键所在,提出美国必须拥有空间态势感知能力,同时强调空间态势感知是最优先发展的能力。2007年中国的反卫星试验和2009年美俄卫星碰撞事件,都为美军加强空间态势感知能力提供了依据,成为推进SBSS系统的助力。

SBSS在太空监视系统中具有无可替代的作用,美国人的评价来说是太空态势感知的革命 (Revolutionizing Space Awareness)。SBSS系统将革命性的提高美国空军对空间目标的探测和跟踪能力,通过对从近地轨道和同步轨道的各种人造太空目标进行及时的探测、搜集、识别和跟踪,大幅度提高了美国对太空目标尤其是同步轨道等深空轨道目标的探测能力,与现有的太空监视网络(SSN)配合缩短了美国空间目标编目的更新周期,从原来的5天缩短到1天。SBSS系统将为美国空军及时探测新发射的卫星,在近地轨道到同步轨道的广阔空间搜索失效和未知的卫星,利用更高效的太空光学传感器探测跟踪更小的轨道碎片,维护空间目标的编目,它可以提供全时段和接近实时的太空态势感知数据。SBSS系统的投入使用,将极大的提升美国空军的太空态势感知能力,强化美国的太空优势。

SBSS系统承包商的强强组合

SBSS的发展将分为两个阶段进行,第一个阶段Block10的目标是发射一颗卫星用于替代2008年就彻底失效的MSX卫星,这也就是本次发射的SBSS卫星,它是完整星座全功能卫星的先导星称之为探路者(Pathfinder)。随后Block20阶段将发射4颗卫星,形成全功能的完整星座,具备全天候的完善天空监视能力。2004年诺斯罗普格鲁门公司作为主承包商得到了开发第一颗SBSS卫星的合同,子承包商为波音公司和Ball宇航公司,合同规定2007年6月完成SBSS探路者卫星的开发并随后进行发射。Ball宇航公司是太空光学领域的老牌选手,承接了天文学的哈勃、韦伯和开普勒望远镜光学系统的开发,商业遥感领域也制造了QuickBird和WorldView-1/2等诸多卫星。

太空侦察兵:天基监视系统

SBSS系统首颗卫星26日深夜从位于加利福尼亚州的范登堡基地成功发射升空。最初计划于2007年进行发射的首星多次推迟发射时间后直至近日才最终发射。

发射时间遭遇多次推迟

2005年4月波音公司和诺斯鲁普格鲁曼公司合作完成了天基监视系统的初步设计评审(PDR),美国空军对评审结果十分满意,但随后不久一个独立的评审小组发现 SBSS项目基线不具可行性,组装、集成和测试计划都存在风险,同时太空战对SBSS的需求被夸大了。2006年初由于费用超支和进度延后,SBSS项目进行了重组,重组增加了预算和进度余量,精简了组装、集成和测试计划,放宽了需求,这次重组导致首颗卫星的发射时间延迟到2009年4月,并比原计划增加了1.3亿美元的研制成本。2006年9月SBSS系统确定了最关键的光学载荷CCD的供应商为半导体技术联合(STA)公司,并在2006年完成了CCD环境与寿命试验。STA公司曾为开普勒和费米天文望远镜分别提供了2200X1024像素与2048X4064像素的CCD,它为SBSS项目提供的 CCD为240万像素。2007年1月8日,SBSS的探路者卫星成功通过了关键设计评审(PDR),从此SBSS从研发阶段转入工程制造阶段。

2008年4月21日,波音和Ball宇航公司组成的SBSS Block 10团队宣布他们实现了SBSS项目新的里程碑:完成了载荷电子设备,高速万向常平架 (gimbal)的研制,对太空可见光传感器进行了测试,并开始载荷的整合测试工作。2009年2月5日,波音公司宣布成功完成了卫星的初步测试,验证了 SBSS地面与空间系统之间端到端任务功能。SBSS 的卫星系统历经挫折,导致SBSS首颗卫星发射不断推迟。2009年后SBSS的卫星完成了测试,但是发射用的轨道科学公司运载火箭又频频出现问题,导致发射时间从2009年4月推迟到10月,又推迟到2010年7月,最后确定为2010年9月26日。尽管屡经拖延,而且卫星项目预算从最初的1.89亿美元暴增到4.25亿美元,项目总成本更是增长到8.25亿美元,但它的地位仍然是无可替代的。

太空侦察兵:天基监视系统

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SBSS卫星艺术想象图,双轴万向常平架上就是高灵敏度光学探测器。

SBSS卫星成像能力显著提高

SBSS系统盛名在外,但是其具体性能数据公开并不多。SBSS系统卫星由Ball宇航技术公司负责开发,卫星使用Ball宇航技术公司的BCP2000卫星平台,采用三轴稳定设计,卫星设计寿命7年,平均任务持续时间5.5年。卫星发射质量1031千克,轨道为630千米太阳同步轨道。太阳能电池板可提供约1100瓦电力,在寿命末期仍可提供840瓦电力。

卫星的传感器为高灵敏度可见光传感器,质量约227千克,安装在可高速转动的双轴万向常平架上。高速常平架可在不改变卫星姿态的条件下快速转移传感器的视野,灵活探测跟踪太空目标。

SBSS卫星的太空可见光传感器(SBV)口径为30厘米,比前辈MSX卫星的SBV传感器15厘米的口径大一倍,具有更宽广的视野,STA公司提供的CCD具有更高的灵敏度和更好的成像能力,240万像素比 MSX卫星上420X420总计不到20万像素高得多,星上载荷的电子器件噪声也非常低,降低了对探测能力的干扰。

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SBSS具备监视近地轨道到静止轨道广阔空间内航天器和轨道碎片的能力。

SBSS系统可提供更高的定轨精度

波音提供的的处理器用于提取运动目标和参考星像素,从而减小下行数据量,它还具备可再编程能力,可以通过软件升级提升卫星性能。SBSS系统还提供了更高的定轨精度,目前陆基雷达对近地轨道空间目标定轨误差高达数百米,同步静止轨道的误差更大,而SBSS卫星对近地轨道空间目标定轨误差约10米,高轨道空间目标定轨误差500米左右,这对于规避轨道碎片和太空作战都提供了更大的帮助。此外SBSS还具备更大的占空比,MSX 卫星只具有每天8小时的占空比,而SBSS实现了每天24小时的全时段工作能力,波音公司透露SBSS首颗卫星每天能收集大约40万条卫星信息。

SBSS可完整观测地球同步轨道

SBSS系统作为MSX先进概念技术演示的后继者,将用于探测和跟踪卫星以及轨道碎片等目标,它在设计之初就能比MSX卫星多探测80% 的深空目标。对比原有的陆基空间监视网,SBSS宣传中探测更暗的深空目标可以说言过其实,地面站40英寸/1.02米直径的光学望远镜在晴朗的夜空下要比太空中SBSS卫星30厘米直径的望远镜灵敏得多。SBSS的关键是提供了全时段和全天候的太空监视能力,尤其是对深空目标的监视能力有极大加强,这使得美国将具备及时探测跟踪几乎任何太空目标尤其是敌方威胁的能力。正式建成后4颗Block20卫星和刚发射的Block10探路者卫星可以保证任意时刻都有1颗卫星能完整的观测到整个地球同步轨道(GEO),这是更高灵敏度的GEODSS系统永远无法实现的能力。

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SBSS具备强大的探测和跟踪能力,将能及时跟踪敌方的太空威胁,进一步强化了美国的压倒性太空优势。

SBSS的地面站系统由波音公司开发并负责维护,卫星操作中心位于科罗拉多州的施里弗空军基地,第50太空联队的第1太空作战中队负责最终的操作工作。地面站负责卫星的操作通讯与控制,对回传的数据进行分析处理,并分发处理后的太空目标数据。地面系统具有快速的任务规划能力,可以迅速的上传指令执行任务,并将处理后的数据及时移交给作战人员。2010年9月27日,波音公司宣布天基监视系统的卫星正常运转并发送信号,卫星将进入2个星期的调试阶段,准备进行轨道机动,随后将进行载荷的测试,波音公司计划在60天内将卫星移交给美国空军,SBSS系统的探路者卫星投入使用的日子为期不远了。

值得注意的是SBSS系统实时的态势感知能力,极大加强了中轨道(MEO)GPS星座和GEO轨道通信卫星的安全性,提高了美军太空战能力。比如中国在八月曾成功进行了实践卫星的对接试验,这在军事方面如果得到进一步发展的话,就可以通过共轨来对敌方卫星进行杀伤和摧毁,但这里由于SBSS系统的存在,就能及时对这类卫星进行跟踪和探测起到预警的作用。这等于是让美国在太空中第一次拥有了一部国家之盾。可以预料随着SBSS系统的逐步建设,美国将在太空中率先建立其他航天国并不具备的非对称优势。

此外SBSS系统也加强了美国太空监视网对中低轨道的监视能力,缩短了目标更新周期,这是监视和规避低轨道侦察卫星的关键环节。NASA也将使用SBSS强大的太空态势感知能力,为各种民用卫星、国际空间站和未来的载人飞船在内的各种航天器避开轨道碎片提供技术支持。

太空侦察兵:天基监视系统

尽管美国一再宣称和号召各国不要进行太空军备竞赛,但实际上随着SBSS系统建设的逐步开展,美国将率先在外层空间中建立起单方面的非对称优势,这显然打破了现有的太空军事平衡。就像美国当年执意进行反导试验而导致各国争相进行反导试验,并最终演变为一场世界范围内的反导竞赛一样,随着现有太空军事平衡被打破,美国打造的这部太空之盾必将引发新一轮的太空军备竞赛。

冯家杰 本文来源:网易军事 作者:松鼠 责任编辑:王晓易_NE0011
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