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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

太空侦察兵-天基太空监视系统  

2010-10-02 18:16:54|  分类: BMDS |  标签: |举报 |字号 订阅

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太空侦察兵-天基太空监视系统 - squirrel - 松鼠的空天随笔
 范登堡空军基地SLC-8工位,Minotaur IV发射SBSS系统的PathFinder卫星

备受瞩目同时也是屡经推迟的天基监视系统(SBSS)首颗卫星于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,即使在冷战高峰期苏联的太空监视能力也无法与其相比。北美的太空篱笆(Space Fence)久负盛名,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30~150°范围的卫星进行搜索,有效观测中低轨道目标,它是美国对太空监视的主要手段,此外还有光电望远镜等设施辅助观测。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影响极大,即使是雷达也经常受到雷暴和太阳风暴的影响,更致命的是地面监视系统视野极其有限,如太空篱笆需要卫星穿过它的波束时才能观测,确定轨道需要的时间较长,雷达使用VHF波段对小型目标的探测能力和精度都有所不足。

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 美国太空电磁篱笆地面天线
       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放弃了,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),它运行于地球同步轨道开始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,随后2002财年天基监视系统(SBSS)正式展开,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。SBSS系统是MSX先进概念技术演示的后继者,SBSS卫星设计之初就可以比MSX卫星多探测80%的深空目标,它将用于探测和跟踪卫星以及轨道碎片等目标,为美国太空军事行动提供支持,NASA也将使用SBSS强大的探测能力,为国际空间站以及包括航天飞机和更遥远的载人飞船等航天器避开轨道碎片提供支持。
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MSX和SBSS卫星,最右部为SBSS结构图

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诺斯鲁普格鲁曼和波音公司广为人知,Ball宇航公司也是太空光学领域的老牌选手承接了天文的哈勃、韦伯和开普勒望远镜,商业遥感领域也出品了QuickBird和WorldView-1/2等诸多卫星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),美国空军呢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。

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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,但是美国空军仍然对SBSS青睐有加。

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SBSS具备强大的探测和跟踪能力,无愧太空态势感知的革命的美誉

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。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,它可以提供全天候接近实时的太空态势感知数据。美国原有太空监视网络对可变轨卫星如间谍卫星的跟踪具有滞后性,SBSS颗对变轨卫星完美的实现近乎实时的跟踪,提高了美军的反侦察能力。这种及时探测新目标的能力对于探测跟踪共轨反卫星武器极为有利的,未来SBSS系统4颗卫星的星座成型后,甚至可以做到在部分时间对特定区域的上升式动能反卫星武器做到实时监测,加强美国的太空防御能力。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。

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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。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规误差高达数百米,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系统和陆基雷达与光学望远镜的一个重要区别是它不是跟踪监视某一特定目标,而是抽查目标并利用数据预测目标的轨道。强大的探测跟踪能力使SBSS系统不仅能探测到航天器和轨道碎片在哪里,而且能跟踪它们要去何处,以何种轨道到达目的地。
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SBSS空间系统与地面系统架构示意图
      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。
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 SBSS的Logo,豺狼头暗示着它的军用潜力
      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。可以预料随着SBSS系统的逐步建设,美国将进一步强化压倒性的太空优势。尽管美国经济和军事上极为依赖卫星,但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,足以确保制天权,避免"太空珍珠港"的发生。
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