太空态势感知系统——太空篱笆
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前言
美国天军2020年3月27日宣布，经过5年建设，其称为“太空篱笆”的空间监视雷达场站已可投入使用。位于马绍尔群岛共和国夸贾林环礁、耗资15亿美元的“太空篱笆”是一个地基雷达系统，主要用于跟踪低地轨道上的卫星和空间碎片。
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什么是太空篱笆
“太空篱笆”的前身可以追溯到冷战初期，1957年苏联发射第一颗人造卫星后不久，美国海军就开始建立太空监视系统之后又逐步发展成为美国海军的“海上太空监视系统”，这就是“太空篱笆”的雏形。整套系统于2004年由美国国防部长下令交给美国空军管理，并更名为“美国空军太空监视系统”。目前的太空篱笆系统为美国计划研制的新一代空间目标监视雷达——电磁篱笆系统，是现有的系统的升级改造，期望通过该系统大幅提升跟踪太空垃圾和较小其他物体的能力[1-2]该系统采用相控阵天线以数字波束形成方式控制波束方向，同时搜索和测量不同方向的多个波束，在空间形成一道拦截屏，对空间碎片进行发现、探测和跟踪编目[3]。
当前，空间态势感知数据主要由美国空军太空监视系统提供，当前的空军太空监视系统也被称为“篱笆”，这是因为数部发射机和接收机在空间域建立了一个狭窄的、大洲宽度的平面能量场，穿越能量场或“篱笆”的卫星可被探测到。
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太空篱笆的发展背景
在役的美国空军太空监视系统只能在空间目标穿过波束时才能被探测到，如果目标在其他时间变轨，就可能出现探测空白。而且，美国空军空间监视系统对一般空间目标重复监视的时间隔长，不能满足美军的需求。同时，该系统中的深空探测雷达数量不足、性能也不高，对深空目标的探测能力存在较大缺陷。
针对这些情况，美空军发展 “太空篱笆”，既是美军太空监视系统推陈出新、新旧替换的结果，也是美军基于“太空系统受到日益严重的威胁”的判断，大力提升现有太空态势感知能力的充分体现。美军此前运行的“太空篱笆”是甚高频相控阵地基雷达，因系统老化、维护成本高昂，且不能满足更远距离、更小目标的探测需求，已于2013年9月关闭。“太空篱笆”项目的启动，可以提高美军太空目标探测与跟踪能力，尤其是环太平洋太空活动感知能力。
图2 美军太空监视网地基装备部署图[4]
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太空篱笆的工作原理
旧一代的美国空军太空篱笆系统共有9个站点，由3个发射站与6个接收站组成，是一种收发分置的地基雷达。该系统的工作频率为217 MHz，利用连续波多基地雷达原理，干涉测量法定位[5]。雷达天线发出的电磁波不是一条细细的波束，而是一个薄薄的面，系统根据空间目标的轨道特性设计，一般在东西向的波束宽度非常宽，而在南北向的波束宽度很窄。太空篱笆系统工作时运行时在空间形成东西宽115°，南北为0.02°的扇形波束屏，可覆盖西经77. 5°~120°上空的空间目标，可对轨道倾角约30°-150°范围进行搜索，能够探测小至10cm的中低轨目标，如图3和图4所示。
空间目标穿过电磁波形成的扇形波束区域时，会反射雷达发射的信号，地面的多个接收站在目标穿屏的瞬间会接收到目标的雷达发射信号，通过干涉检测测量目标的俯仰角和多普勒值从而实现对空间目标的特征识别，通过几个站对同一空间目标的观测来确定空间目标的位置，利用目标多次穿越篱笆，即可推测出该目标的轨道。该系统可监测美国空间监视网编目目标数中40%的LEO空间目标[3]。
图3 美国旧一代太空篱笆系统（UHF频段）工作示意图[6]
新一代的太空篱笆系统采用大型单基地相控阵雷达体制，只需要单个基地就可以实现以前多个基地的监视任务。该雷达采用全数字化体制收发体制、每个通道的发射和接收波束形成单独可控。利用GaN功放和数字波束形成技术，提高了发射效率和波束形成的速度、精度，并且可以完成电扫描，其波束覆盖和工作原理如图4所示。通过单一雷达发射阵面的多个通道形成多个发射波束覆盖120°×0.2°的扇形面电磁区域，较之前的系统有了更广的天域覆盖范围。目标穿过扇形电磁区域时，会反射信号，接收阵列接收到反射信号以后，利用数字信号处理的方式，可以对目标的运动特征进行提取，从而可以实现对该飞行器的监视。
图4 美国天军新一代太空篱笆系统（S频段）工作示意图[4,8]
通过升级使得该系统可以同时捕获与探测到多个空间目标。目前，该系统已经初步完成升级改造，整个系统预计2022年达到全面工作能力。由于改造后的系统采用了数字波束形成技术，并将工作频率提高到了S波段，将极大提升空间探测的分辨率，可探测LEO轨道直径5 cm的空间目标。
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其他太空态势感知系统
(1)天基光学型空间目标监视技术，主要是天基空间监视(Space Based Space Surveillauce, SBSS)系统。由美国空军主导开发，包括一个使用光电望远镜的卫星，以及相关的指挥、控制、通信与地面处理设备。天基空间监视系统预期能够提高及时的探测、追踪与识别数据的能力，从而提高国防部了解空间内，尤其是地球同步轨道上卫星与其他目标位置信息与任务信息的能力。2010年该系统首颗卫星发射升空，标志着该系统Block10阶段初步完成。该卫星的任务周期预计约为五年半。空军与国防部正在研究为天基空间监视系统提供后继能力的方案[9]。
(2)地基光学型空间目标监视技术，主要两个重点项目:空间监视望远镜(Space Surveillance Telescope, SST)和空间目标跟踪系统(Space Object Tracking, SPOT) 。SST项目旨在通过研发大型弧形焦面阵列传感器技术，制造一种新型望远镜，实现对地球静止轨道空间口标的宽视场跟踪。该望远镜的研制在2002年启动，并于2014年迁移至澳大利亚西部，预计从2016年开始正式运行[10]。
(3)快速攻击识别探测与报告系统(Rapid Attack Identification Detection and Reporting System，RAIDRS)。美国空军的快速攻击识别探测与报告系统为陆基系统，包括天线阵与数据处理设备。该系统能够通过C,X,Ku三个波段，快速探测并报告针对国防部卫星通信资产的电磁干扰攻击。空军于2005年3月开始启动该项目，2008年该系统具备初始作战能力。
其他国家和地区虽然也由部分态势感知系统，但是其规模和性能远远不及美国，且主要以侦察卫星、导弹预警卫星为主。美国形成的地基+天基的天地一体化立体空间态势感知系统能够有效为美国提供发现、 追踪、识别和区分基本所有太空物体的能力，提升美国的太空战略优势。
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总结
随着美军太空篱笆系统的升级完成，美国对于亚太地区的太空态势感知能力有了更进一步的提升，为了应对该系统，需要发展雷达隐身的空间飞行器，提升隐身能力。太空领域在21世纪得到了快速的发展，太空篱笆系统也凸显了美国对于未来太空战略的重视，我国在太空相关领域也需要加强发展，以应对未来的各种机遇与挑战。
参考文献
[1]曹秀云.美国空间监视系统的新发展[J].中国航天,2010 (4):32-35.
[2]李铁军,陆鹏程,马晓静,等.基于GRAVES体制的电子篱笆系统设计[J].雷达科学与技术，2012,10 (2):138-142.
[3]汪洋,韩民喜.美国“太空篱笆”计划概述[J].现代雷达,2014,36(3):16-18.
[4]刘海印.美军太空目标监视又添利器——“太空篱笆”即将测试运行.星际智汇微信公众号.
[5]金林,王晓红.国外空间日标监视系统发展现状与趋势分析[J].先进雷达探测技术，2013 (4) :8-21.
[6]李佳威,高鹏骐,沈鸣,金旺,赵有,. 基于天籁射电阵的空间目标探测与测向方法研究[J]. 天文研究与技术,2018,(3).
[7] Shumacher P. W. J. US naval space surveillance upgrade program 1999-2003 [C] //Proceedings of 5th European Conference on Space Debris. 2009.
[8] Agraz, J.; Muse, D.; Grunfeld, A.; Allston, F.; Pozos, R..Effects of polarization rotation in the detection and tracking of orbiting objects using LabVIEW[C]//, 2014.
[9] 童炜,. 美军空间态势感知能力建设初探[J]. 国际研究参考,2014,(2).
[10]许红英.美国将在澳人利亚部署的太空监视系统简介[EB/OL].(2014-09-10) [2014-12-20]. http://www. dsti net/Information/News/90352.
本文来源：宇航智控
投稿邮箱：liuyali@c2.org.cn
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