美国GSSAP天基GEO卫星监视系统简析

　　来源 | 高端装备产业研究中心（chinaequip）

　　作者 | 太阳谷

　　导读

　　美军为了确保自己在太空中的优势，建立了天地结合的卫星监视系统，以实时监测它国卫星。其中天基系统主要有天基空间监视系统（SBSS）、作战空间响应-5卫星（ORS-5）和地球同步轨道空间态势感知计划（GSSAP）等。GSSAP于2014年首发，漂移运行在GEO轨道上下两侧，可监视和逼近各国运行在GEO轨道的所有卫星。由于GEO轨道上分布着通信导航、数据中继、导弹预警、电子侦查等众多战略卫星，所以美国对GEO轨道的监视和观测将对它国国家安全构成较大威胁。

　　概述

　　地球同步空间态势感知计划GSSAP（Geosynchronous Space Situational Awareness Program）是由美国空军运营的空间监视卫星系统，计划中的卫星数量达到六颗，已有四颗搭载Delta IV M +（4,2）火箭以一箭双星的方式分两次发射入轨，这些卫星可表征地球同步轨道上的所有其它卫星，并将数据传递给美国战略司令部。它可以与地面望远镜和雷达配合使用，以跟踪空间物体并确定对美国卫星的潜在威胁。

　　GSSAP使用的卫星总线可以以双星或四星形式发射

　　GSSAP卫星具有执行交会对接操作（RPO）的能力，RPO允许航天器在感兴趣的空间物体附近进行机动，从而能够表征异常情况并增强监视能力，同时保持飞行安全。这种交会对接技术既可以用于救援合作目标，又可用于摧毁非合作目标，是GSSAP卫星最重要的技术之一。随着地球静止轨道在未来几年变得越来越拥挤，这些卫星还将提供精确的轨道跟踪，用于避免卫星碰撞。

　　卫星的交会对接示意图

　　GSSAP的主要承包商是原Orbital ATK，该公司以制造灵活的卫星而著称，为低地球轨道和对地静止卫星提供平台。给定Delta IV M +（4,2）进入对地静止漂移轨道的有效载荷能力在1,550至1,650kg之间，并且GSSAP第一次发射是以两颗GSSAP卫星和一颗ANGELS卫星以一箭三星的形式发射，ANGELS卫星质量100kg左右，考虑到有效载荷适配器和辅助有效载荷的质量，两颗GSSAP卫星的质量在1,300至1,400千克之间。

　　GSSAP发射计划（AFSPC-4为此次发射计划的代号，顶部两颗卫星即为GSSAP卫星）

　　每颗GSSAP卫星的质量在650至700kg左右，可能会携带大量推进剂，以便在指挥部要求卫星漂移或停留在新位置时进行频繁的轨道调整并执行驻地机动。较小的脉冲燃烧会通过以较低的相对速度在目标卫星上方或下方低速运动来将卫星设置为目标星。

　　GEOStar-1 图片

　　结构

　　根据卫星质量可以推定GSSAP会使用原Orbital ATK的GEOStar-1总线，该总线是紧凑、敏捷的GEO卫星总线，可进行5到8年的任务期。该卫星专为美国国家安全太空应用而设计，可承载高达150kg的有效载荷，而功率需求则为200瓦。

　　GEOStar-1适用于多种任务应用，包括地球观测，情报，监视和侦察（ISR），空间态势感知（SSA），位置导航和定时（PNT）以及战术通信。该平台支持单字符串，选择性和完全冗余，以适应长达八年的任务持续时间。

　　GEOStar-1正在建造中

　　卫星发电装置使用两个可展开的太阳能电池阵列，该阵列可为有效负载提供200w的可用功率。扩展的太阳能电池板和增加的总线体积可以将有效负载功率提高到1.5kW。GEOStar-1卫星的主推进系统使用具有310秒特定脉冲的双推进剂主发动机。根据有效载荷的质量，卫星的delta-v预算最高可达每秒1000米，从而使它们能够在执行任务的过程中完成广泛的机动和轨道变化。单推进剂推进系统用于轨道的微调和位置保持。

　　卫星的姿态控制是通过星跟踪仪和陀螺仪完成的，而GPS单元则可以确定轨道和计时。卫星使用高扭矩反作用轮可支持高达每秒1度的回转速率。总体而言，GEOStar-1的指向误差优于0.4毫弧度，定位精度为50米。该卫星使用带有可选Ka波段下行链路系统的高速X波段终端，支持高达100 Mbps的下行链路数据速率。

　　原轨道ATK公司在2014年AMOS高级光学与监视会议上指出一种在商业卫星上搭载光学相机对GEO卫星进行拍照的模式，而GSSAP卫星也是一颗在GEO上方的漂移轨道上运行，而另一颗在地球静止轨道高度以下的轨道上运行，其采用的拍照方式可能与此类似。

　　GSSAP可能的工作模式

　　卫星上的光电传感器和无线电传感器将提供有价值的数据，以便能够跟踪对地静止卫星的光学特征、电磁特征和其他活动。GSSAP卫星使用空军卫星控制网络（AFSCN）地面站，这些地面站将下行链路数据中继到Schriever空军基地，该基地由第50太空联队的第1太空作战中队（1 SOPS）进行操作。

　　布局

　　2014年7月28日，前两颗GSSAP卫星在Delta IV M火箭上发射，进入地球静止轨道附近的运行轨道，轨道倾角0.5°，并在地球静止带上方和下方漂移，每天移动2.36°，漂移周期大概154天，可监视位于GEO轨道上的所有卫星。

　　GSSAP卫星在轨概念图

　　2016年8月，第三和第四颗GSSAP卫星发射升空，与先期入轨的两颗GSSAP卫星在轨组网。2017年9月，美国Schriever空军基地第1太空作战中队验收了GSSAP-3、4，宣布这两颗卫星具备初始运行能力，正式转为在轨运行状态。GSSAP-3、4与2014年发射的GSSAP-1、2正式完成四星星座组网，将大幅提高美国对GEO轨道上运行卫星的持续监视与抵近侦察能力，为美军提供执行太空作战所需的空间态势感知能力。

　　应用

　　2016年8月，美空军调用一颗GSSAP卫星进行机动变轨，抵近详查美海军发射时遇到故障的“移动用户目标系统-5”（MUOS-5）卫星以确定其故障原因，美军方也是在这次事件中首次公开承认GSSAP具有交会对接能力。

　　由俄罗斯科学院控制的ISON太空空间监测网络搜集的数据表明，自2014年以来，GSSAP卫星进行了数百次机动，在地球同步轨道上以10～15公里的距离靠近了12颗正在运行中的卫星或为接近它们实施变轨机动。这些卫星包括俄罗斯民用航天器“Ekspress-AM8”（2017年7月）和“光线”（2017年9月）以及军方设备“钟声”（俄罗斯代号“宇宙-2520”，2017年10月），“彩虹-1M3”号（2017年11月），“彩虹-1M2”号（2018年5月）。

　　此外，它们于2016年9月与中国军用卫星TJS-1靠近，并于2017年9月接近了由中国制造的巴基斯坦Paksat-1R和尼日利亚Nigcomsat-1R卫星。

　　总结

　　美军GSSAP卫星在地球同步轨道运行，具有绝佳的清晰视野用于侦察，无需担心地基太空监视系统才会遇到的气象干扰问题。由4颗卫星组成的GSSAP监视星座能以非常高的精度监视和测量目标航天器，并搜集这些航天器的在轨运行数据，便于美军未来战时对其实施干扰、捕获甚至摧毁。随着美国在太空领域的持续扩张，各国运行在GEO轨道的航天器都面临比以往更大的威胁。

　　【参考文献】

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　　[4].郝雅楠 陈 杰 张京男.美军天基空间态势感知系统的新发展 国防科技工业 2019

　　[5].杨自兴 李智.空间目标天基光学成像观测现状研究 研究与开发 2015

　　本文转载自“高端装备产业研究中心（chinaequip）”，原标题《美国GSSAP天基GEO卫星监视系统简析》，作者 | 太阳谷

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