航天地面站在空間非合作目標監視中的應用*

劉軍鋒，張力軍，史艷陽，王 戈，黃先靜，徐 建

(中國人民解放軍63769部隊，西安 710043)

0 引 言

空間非合作目標監視是空間態勢感知的重要組成部分，空間目標監視系統的主要任務是對敵方重要空間目標進行精確探測與跟蹤，確定可能對己方航天系統構成威脅的空間目標的特征和軌道參數[1]。空間目標的特征包含尺寸、形狀、光度等多方面信息，豐富的特征信息能更加迅速地進行目標匹配，完成目標監視任務。當前，美國和俄羅斯正通過多種手段完善其空間目標監視體系，實現探測目標更小、監視時效更強、軌道精度更高、目標識別更細、作戰響應更快的空間目標監視能力[2]。

美國空間非合作目標監視工作起步于20世紀50年代，在理論研究、體系建設等方面具有深厚基礎。理論研究方面，美國在1998年《空間作戰條令》以及后來《空間聯合作戰條令》中，對空間非合作目標監視、空間態勢感知的任務做了明確規定[3-4]，不斷強化空間非合作目標監視在空間作戰領域的地位和作用。體系建設方面，從空間非合作目標監視入手，已建成天地基結合、全球分布的一體化態勢感知系統，包含了目標軌道監視、雷達測量成像、可見光測量成像、紅外測量成像、激光測量成像、紅外輻射譜測量、無線電信號特征、高亮度測量等多種監視手段，具備極強的探測、跟蹤、編目和識別能力[5]，并通過整合商用、民用和高校的監視手段，創建了空間數據采集平臺，組建了全球最大的空間態勢感知網絡服務體系。該體系運用大數據技術融合處理各類傳感器提供的實時數據，大大提升了空間非合作目標監視體系的作戰效能[6-7]。

俄羅斯在空間非合作目標監視方面持續開展能力建設和試驗驗證。一方面，俄羅斯通過組建俄羅斯航天國家公司、空天軍部隊，從指揮管理上實現了航空航天與防空防天的集中統一[2]。另一方面，俄羅斯通過應用新技術，不斷提升其空間非合作目標監視系統能力指標：其新一代導彈預警系統“沃羅涅日”超視距地基雷達站網絡，可覆蓋西北、西南、南部和東南部的導彈來襲危險方向[6]；新型地基光電空間態勢感知裝備“窗口-M”系統可識別軌道高度在120～40 000 km、大小10 cm以上的空間目標[2]；實施在軌衛星抵近偵察探測試驗，通過釋放子衛星對空間目標開展抵近探測，驗證了其衛星在軌機動技術[8]。同時，俄羅斯正在加快開展基于人工智能的太空機器人自主操作技術研究，為后續太空目標在軌偵察、在軌攻擊及在軌維修任務進行技術儲備。

美俄憑借在空間態勢感知領域的先發優勢和技術積累，不斷增大在該領域對其他國家的領先優勢。為增加我國對己方空間資產的安全管理能力，必須統籌各類探測資源，綜合運用各類感知數據，加速提升我國空間態勢感知能力。

本文著眼空間非合作目標監視體系發展方向，論述了航天地面站在空間非合作目標監視體系中的應用場景，并提出航天地面站融入空間非合作目標監視體系的建設構想、關鍵技術及發展路線，以期為空間非合作目標監視體系的發展建設提供思路。

1 航天地面站在空間非合作目標監視中的作用

1.1 航天地面站簡介

航天地面站是衛星測量控制和運行控制的重要組成部分，主要承擔己方衛星的在軌管理任務，完成衛星的軌道測量、指令發送、遙測接收和載荷數據接收等工作。典型航天地面站組成如圖1所示，主要包括天線、饋源、高頻接收、上行發送、數據處理等部分，以及時間、頻率等支持系統。

圖1 航天地面站組成示意圖

美國航天地面站包括專用航天地面站和共享航天地面站。專用航天地面站包括全球導航衛星地面站、國防氣象衛星系統地面站、先進極高頻衛星系統地面站等，主要完成特定衛星的測控工作和數據接收任務。共享航天地面站指除專用航天地面站以外的公用航天地面站資源，包括空軍航天地面站、陸軍航天地面站和海軍航天地面站，主要承擔特定衛星以外其他航天飛行器的測控任務。俄羅斯航天地面站的建設和發展與其載人航天、深空探測以及空間站等任務緊密結合，與其海上測量船、空間通信系統一起構成俄羅斯的航天測控網。

我國已建成覆蓋多頻段、分布廣泛的航天地面站網，能夠滿足載人航天、探月工程、深空探測等多任務的飛行器測控需求。我國航天地面站覆蓋L、S、C、X、Ka等多個頻段，廣泛分布于我國喀什、佳木斯、三亞等國內站點，以及阿根廷、納米比亞等國外站點，具備低軌、中高軌、月球、火星等不同軌道的測控能力，保障了我國在軌航天器的測控任務和數據接收工作。

1.2 航天地面站在空間非合作目標監視中的優勢

傳統地基空間目標監視裝備主要包括光學、雷達和全頻段信號偵收設備等。光學設備可獲取目標天文數據、軸系數據及光度數據，一般在傍晚或凌晨工作，工作時間相對固定，但受當時當地天氣的影響，云層、雨雪、沙塵等均會影響光學設備的工作。雷達設備通過發射信號并接收目標回波來獲取目標的特征，包括測距測速測角等外測數據、雷達散射截面積數據、形狀特征等，但雷達工作需發射大功率上行信號，容易被目標衛星感知，隱蔽性不好。全頻段接收設備工作頻段寬，可對目標下行信號進行全頻段掃描，獲取目標疑似信號頻段，但其在不同頻段的天線增益太小，當目標下行信號電平較低時，全頻段設備難以發現目標信號，難以執行目標信號實時監視任務。

相比而言，航天地面站可全時工作，受云層、雨雪、沙塵等異常天氣影響較小，可滿足長時間監視的任務要求。同時，航天地面站主要接收目標下行信號，目標衛星無法感知；且航天地面站天線增益高，能夠發現目標微弱下行信號或寬帶信號，具備開展空間非合作目標監視的能力與優勢。

由于美俄已建成相對完善的空間態勢感知體系，航天地面站在空間非合作目標監視任務中的作用未能凸顯，主要為其空間監視平臺的提供作戰支援保障。我國空間非合作目標監視起步較晚，在空間非合作目標的監視識別方面還存在較大發展空間，利用航天地面站在空間非合作目標頻譜特征感知方面的優勢和能力，能夠為空間非合作目標的識別和監視提供更多數據支撐。

2 航天地面站在空間非合作目標監視中的應用場景

2.1 空間非合作目標下行信號確定

開展目標跟蹤監視的一個首要前提條件是確定空間非合作目標的下行信號，應用場景為：首先，根據空間態勢感知系統提供的目標軌道，計算目標理論彈道，對非合作目標進行觀測，記錄目標空域內的所有疑似信號；其次，持續跟蹤非合作目標下行信號，利用目標位置機動與疑似信號關聯特點，排除錯誤信號，確定目標下行信號。

(1)記錄疑似信號

根據目標軌道根數，利用航天地面站高增益天線對目標開展觀測，獲取天線波束內的所有疑似信號，錄入數據庫。使用的天線口徑越大，波束越窄，波束內疑似信號相對較少。同時，由于大口徑天線動態速度較小，在目標動態較大情況下難以滿足目標搜索的要求，因此，需根據目標軌道特征，在滿足目標動態跟蹤要求的情況下，優先選擇大口徑航天地面站天線進行跟蹤觀測。在目標疑似信號搜索階段，由于目標開關機規律未知，短時間的觀測可能錯過目標開機時段，無法獲取目標疑似信號，需進行持續跟蹤觀測，記錄跟蹤時段內出現的所有疑似信號。

(2)目標信號確定

在確定目標疑似信號后，重點對疑似信號進行持續跟蹤觀測。利用單個或多個航天地面站在跟蹤該目標不同疑似信號的指向數據，通過天線指向與空間非合作目標位置的關聯關系，可計算出目標在空間的位置[9]。隨著對該目標的持續觀測，當目標進行軌道機動或位置漂移時，航天地面站跟蹤不同疑似信號對應的天線指向數據差別逐漸增大，與之對應的空間位置也逐漸分開，此時，將不同疑似信號對應的空間位置與態勢感知系統計算的目標空間位置進行比對，與態勢感知統計算的位置結果一致的疑似信號，即為該空間非合作目標的下行信號。

(3)空間目標識別

目標信號確定后，將目標與其下行信號頻譜特征進行匹配，建立數據庫，在進行目標識別時，可綜合利用目標多個維度的特征數據，提高目標識別的準確性和時效性。

航天地面站開展空間非合作目標觀測試驗的典型過程如圖2所示。觀測初期，航天地面站根據目標理論軌道指向目標，在目標點位發現多個頻譜信號，由于非合作目標的頻譜未知，無法直接判斷目標的下線頻譜信號。持續對發現的多個頻譜信號開展觀測，隨著時間推進，不同頻譜信號對應的空間位置逐漸遠離。在目標確定階段，將不同頻譜信號對應的空間位置與目標理論空間位置進行比對，即可準確確定目標的下行信號頻譜。目標信號頻譜確定后，將目標及其頻譜信號建立一一對應關系存入數據庫，后續發現該頻譜信號時，可輔助進行目標識別。

圖2 航天地面站確定目標頻譜信號過程示意圖

2.2 非合作空間目標跟蹤監視

通過航天地面站確定目標頻譜信號后，航天地面站可對目標開展全時跟蹤觀測，典型應用場景如下：首先，安排航天地面站設備跟蹤目標，并在目標區域內進行搜索，搜索并記錄該區域內的信號頻譜；其次，將搜索到的信號頻譜與已確定的目標頻譜進行匹配，發現與目標已確定頻譜一致的頻譜信號后，控制航天地面站天線對準該信號，對目標開展長期跟蹤觀測，并實時記錄航天地面站天線指向。

當空間非合作目標發生軌道機動時，通過航天地面站天線指向的變化，可快速感知目標的機動方向及機動速度，為判斷目標機動意圖提供數據支撐；當目標丟失時，可根據目標信號消失前的理論位置、機動方向和機動速度，計算目標的可能位置，并在該位置及其附近一定范圍內進行信號搜索，重新捕獲跟蹤目標。

我國航天地面站分布范圍廣、數量多，可覆蓋較為廣泛的同步軌道帶目標，當目標在同步軌道帶進行大范圍機動時，可利用不同區域的航天地面站持續對目標開展觀測，實現對目標的全時觀測。

3 空間非合作目標監視體系構想

空間非合作目標監視體系主要解決對非合作目標識別的準確性和實效性兩個方面的問題，這兩個方面缺一不可又相互矛盾，要實現準確性和實效性的同時提升，需要依靠多種監視手段和綜合數據分析。

美軍正在從裝備能力、體系建設、信息分析評估能力等方面強化其空間非合作目標監視體系，大力推進包括新一代“太空籬笆”“天基空間監視系統”“同步軌道空間態勢感知計劃”“軌道阿特拉斯”等項目[10]，不斷豐富完善其空間目標監視手段，獲取目標更多維度的特征數據，利用人工智能技術分析來自衛星、無人機和其他目標的數據，開展大數據分析，以保持在該領域的壓倒性優勢。美國空間目標監視網每天進行38～42萬次空間探測，其新型“空間籬笆”每天對空間目標進行超過150萬次探測、跟蹤與編目，使得其空間監視網的目標編目能力提高10倍，達到20萬個，地球同步軌道目標跟蹤量級可達到10 cm，低軌道目標跟蹤量級達到了1 cm[11-12]。其同步空間態勢感知系列衛星在同步軌道帶上下運行，具備大范圍高速機動能力，搭載高分辨率遙感器與高性能電子竊聽設備，可按照任務需求對地球同步軌道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO) 目標進行抵近巡視偵察。通過天基和地基多類型空間態勢感知裝備獲取的多維特征數據，美軍空間目標監視系統的監視范圍已基本覆蓋全球，編目能力超過20萬量級，響應時間由幾周縮短到幾小時[4]，基本達到全天候、全天時的目標，正在向時間無縫、空間無盲的目標邁進。

俄羅斯空間目標監視系統主要由地基光學和雷達裝備以及數據處理中心組成，目前管理著12 000余顆空間目標。俄羅斯空間目標監視主要依靠地基裝備，而地基探測裝備因地理條件限制，對超出地基裝備可見范圍的空間目標無法進行監視和編目管理，達不到全天候、全天時的目標。俄羅斯新一代“樹冠”偵察系統能夠實現地基光學系統與雷達系統的統籌使用：雷達系統提供光學系統跟蹤所需的指向數據，而光學系統主要完成對空間目標的跟蹤、精確定位與識別，從而提高其偵察系統的作戰效能。

迅速而準確地識別空間目標需要綜合多維度的特征數據以及對多維度特征數據的綜合運用，而多維度特征數據的獲得需要依賴于不同的觀測裝備及手段，多維度特征數據的綜合運用離不開大數據分析技術，因此，全面實時獲取空間目標的特征信息以及綜合運用這些特征信息是目前空間目標態勢感知領域的一個難題，而體系化云平臺+大數據分析中心將成為空間非合作目標監視體系效能躍升的重要途徑。采用體系化云平臺能夠實現各類觀測數據的即時共享，體系中每一個裝備采集到的目標信息均可快速傳輸至監視中心及到其他裝備。大數據分析中心能夠根據采集到的各類信息及歷史數據進行分析，并將分析結果通過體系化云平臺傳輸至體系內所有裝備，為裝備的跟蹤觀測提供數據支撐。

航天地面站融入空間非合作目標監視體系可提供更多維度的觀測數據，為開展目標識別提供數據支撐，其典型應用場景如下：監視中心利用雷達、光學裝備的觀測數據確定目標軌道，體系內的裝備以目標軌道為理論引導數據開展目標監視；天地基成像裝備對目標進行偵照，獲取目標光學數據和雷達特征；全頻段接收裝備通過頻率搜索，確定目標下行信號的頻段；航天地面站對目標進行長期監視，搜索確認目標下行信號頻譜；通過體系內裝備獲取的外測、光學、頻率等各類信息，監視中心可實現對目標的立體描繪，提高目標識別的準確性和時效性。空間非合作目標監視體系構想如圖3所示。

圖3 空間非合作目標監視體系建設構想

4 航天地面站融入空間非合作目標監視的關鍵技術及發展路線

4.1 關鍵技術

航天地面站融入空間非合作目標監視體系需解決裝備能力及運行模式中存在的問題，開展關鍵技術研究，推動任務自動化、綜合數據分析以及隨遇接入等關鍵技術進步，加快航天地面站的改造升級以及空間非合作目標監視中心建設。

(1)任務自動化技術

任務自動化、智能化水平關系航天地面站以及監視體系的作戰效能，自動化、智能化水平越高，航天地面站遂行任務能力越高，作戰響應時間越短，作戰效能就越高。航天地面站融入空間非合作目標監視體系，必須根據空間非合作目標監視任務要求，研究設計任務自動化流程，在任務受領、捕獲跟蹤、特征提取、信息傳輸等多個環節的自動化、智能化領域持續用力，全面提升航天地面站裝備效能。

(2)大數據綜合分析技術

航天地面站可獲取目標電磁頻譜特征，并通過天線指向數據計算目標的實時位置，推斷目標的機動方向及機動速度，對開展目標行動意圖研判具有較強的支撐作用。利用大數據綜合分析技術，深入挖掘目標機動與行動意圖之間的耦合關系，能夠為空間非合作目標監視工作提供指導，并以此為基礎建立分析評估預測模型，不斷提升空間非合作目標監視體系分析預測能力。

(3)隨遇接入技術

航天地面站的觀測數據必須融入到空間非合作目標監視體系中才能發揮最大效能，空間非合作目標監視體系建設必須考慮多種手段共用、多源數據融合的問題。隨遇接入技術能實現航天地面站從監視體系中獲取所需的歷史數據和先驗信息，同時，也保證了航天地面站及其跟蹤觀測數據無縫接入空間非合作目標監視體系，在提升航天地面站運行效能的基礎上，也為空間非合作目標監視體系穩定運行提供數據支持。

4.2 技術發展路線

航天地面站融入空間非合作目標監視體系需緊密結合當前航天地面站現狀、發展及任務需求。近期，首先從航天地面站功能性能出發，梳理制約航天地面站遂行空間非合作目標監視任務的關鍵因素，包括航天地面站自動化流程優化、跟蹤數據應用、目標電磁頻譜庫建設等多方面入手，推動航天地面站效能升級；中期，結合空間非合作目標監視體系建設，重點突破航天地面站隨遇、數據共享共用等關鍵技術，進一步順暢航天地面站與空間非合作目標監視體系之間的數據交互，實現航天地面站隨遇接收、各類數據實時共享、分析結果按需獲取；遠期，重點研究大數據的分析技術，特別是針對空間非合作目標體系當中存在的光學、雷達、頻譜、軌道等多維度海量數據，突破大數據分析技術在空間目標識別當中的應用的關鍵難點，提升空間非合作目標識別的準確性和實效性。

5 結束語

綜上所述，空間非合作目標監視體系的效能提升將更加依賴多元的目標特征，航天地面站可獲取空間非合作目標的信號頻譜，并實時監視目標的空間位置，能夠為空間非合作目標的快速識別和實時監視提供數據支持。加快推進航天地面站接入空間非合作目標監視體系，實現空間目標監視體系各類數據的融合和分析，能夠提升空間非合作目標識別的準確性和實效性，在未來空間非合作目標監視體系建設中占有重要一環。研究航天地面站任務自動化、智能化以及隨遇接入技術，并提升多維度特征數據綜合分析能力，對發揮航天地面站的作戰效能具有重要意義。