说起光学侦察卫星.docx

说起光学侦察卫星，人们首先想到的就是美国“锁眼”系列卫星。以“锁眼”为代表的光学侦察卫星，为了保证成像效果尤其是分辨率，基本都运行在地球低轨道或是太阳同步轨道上，卫星的轨道高度普遍只有数百千米到一千千米左右，只有极少数光学侦察卫星为了追求幅宽的，才会运行在高度超过两千千米的轨道上。光学侦察卫星是人类拥有的前所未有的高效侦察手段，但现阶段光学侦察卫星也存在一个致命的缺点，那就是缺乏对时间敏感度目标的持续侦察跟踪能力。为了获得持续的天基侦察能力，以美国为首的航天大国先后开始了静止轨道光学侦察卫星的研究，静止轨道光学侦察卫星可以实现全时段的持续监视，把人类航天侦察能力提高到一个新的水平。 静止轨道光学侦察卫星的主要特点是持续监视能力。对比航空侦察等手段，光学侦察卫星虽然具有侦察范围大等特点，而且没有侵入他国领空的法律问题，但它却很难实现持续的侦察观测，要想弄清这个问题，我们首先要了解一下侦察卫星的轨道。中低轨道卫星星下点在地面不断移动，它们不可能持续监视一个区域，这是目前航天侦察的一个重要不足 目前光学侦察卫星一般在太阳同步轨道等低轨道上运行，虽然多数光学侦察卫星运行在太阳同步轨道上，能保证卫星每天都在特定的时刻经过特定地区，有利于在最好的光照条件下拍摄高质量的地面图像，但卫星相对于地面的位置变化就就相当复杂了。根据卫星的运动公式，我们很容易发现低轨道卫星不可能相对地面保持静止，如果我们用STK或是Orbiton等软件模拟，可以看到卫星星下点在世界地图上绘成了错综复杂的画面，这就意味着卫星无法停留在某个目标上空提供持续的侦察，只能用于对固定战略或是战术目标的间断性侦察。持续侦察能力在现代战争中却是不可缺少的，能否让航天侦察在具备大幅宽的同时，再实现持续侦察能力呢？ 为了实现持续的航天侦察能力，人们已经做了很多研究，提出了小型侦察卫星网或是静止轨道侦察卫星等方案。卫星组网是一种一力降十会的笨办法，既然单颗侦察卫星的视野是有限，那么就发射多颗卫星，组网接力探测实现对特定范围内目标的持续跟踪。美国类似构想的“智能卵石”方案曾计划部署约1000个天基拦截器，可以接力不间断的实现任何时间对任何地面发射的弹道导弹的拦截，太空光学侦察卫星高精度成像的幅宽小于“智能卵石”的拦截半径，即使降低对实时性的要求，所需要部署的卫星数量更是极为庞大。如果使用目前质量数百甚至数吨的大型侦察卫星，不仅对航天发射能力要求很高，大量侦察卫星的研制生产费用更是任何国家都无力承担的天文数字。为了实现近实时性的侦察，美国等国家曾设想研制微型侦察卫星，降低卫星的研制生产和发射运营成本，但目前进展十分缓慢。考虑到具有战术价值的高分辨率光学侦察卫星的成本并不会随着质量成线性降低，微卫星组网实现近实时观测无论是成本还是技术上，都存在很大的技术障碍，当然要降低实时性的要求，将侦察周期延长为数十分钟，卫星组网还是具有一定可行性的。 持续侦察能力的另一个主要途径，就是静止轨道侦察卫星了。英国科学家克拉克提出静止轨道的概念以来，人们就对静止轨道上卫星与地面保持相对静止的特点熟记于心，静止轨道通信卫星更是在商业上大获成功，美国军方还研制了静止轨道上的电子信号搜集卫星，携带大型天线搜集来自地面的电波信号。时至今日，静止轨道光学侦察卫星也已经提上了日程，但是静止轨道光学侦察卫星同样具巨大的难度，与低轨道卫星组网更多遭遇成本的困难不同，它遇到的主要是技术上的挑战。KH-11锁眼能在200千米高度拍摄优于0.1米分辨率的照片，但它在同步轨道上的理论分辨率也有十几米 静止轨道光学侦察卫星高悬在距离地球表面35800千米的赤道上空，与地面保持相对静止，可以持续的对热点区域进行跟踪观测，这是它近些年来备受关注的最主要原因。无论是美国或是中国，研制静止轨道侦察卫星的目的都是对战场热点区域进行24/7的全时段实时观测。静止轨道光学侦察卫星与地面的距离很远，轨道高度几乎是普通光学遥感卫星的将近一百倍。静止轨道光学侦察卫星更大的难题在于光学系统，光学侦察卫星可以用瑞利判据来确定其光学系统性能的上限，根据瑞利判据：=1.22/D，其中是极限分辨角，为光波波长，D为物镜口径，而对地面物体的分辨率R=H，其中H为轨道高度。为了获得有价值的图像，静止轨道侦察卫星的分辨率不能太低，由瑞利判据的公式出发，可知静止轨道光学侦察卫星的分辨率和物镜口径成正比，和轨道高度成反比，这意味着要获得同样分辨率的图像，静止轨道光学侦察卫星的物镜口径要达到低轨道运行的常规光学侦察卫星的将近一百倍，仅仅这一点就对人类的技术水平提出了太高的要求。 静止轨道光学侦察卫星的另一个难点是发射，虽然将卫星送入地球低轨道和地球静止轨道的花费和轨道高度并不成正比，但将同样质量的载荷送入静止轨道，其成本至少是送入近地轨道的两倍。仅仅是发射费用更高一些的话，对各个航天大国倒不是什么问题，和静止轨道光学侦察卫星的效能相比，发射成本提高一倍的代价完全不值得一提，但如上文所述，静止轨道光学侦察卫星需要超大口径的物镜，即使降低对分辨率的要求，整星质量仍然是一个庞大的数字。美国的KH-11B/KH-12侦察卫星可以在200千米高度拍摄到优于0.1米的图像，相应的说这样的光学侦察卫星直接放到静止轨道，仅仅从光学系统推断，不考虑其他因素的话，可以实现约18米的分辨率，但KH-11B卫星的质量将近20吨，目前世界上任何一种运载火箭都无法将其送入静止轨道。KH-11B卫星为了增强灵活性等因素，巨大的质量中很大一部分是燃料，性能相近的新型光学侦察卫星如法国的太阳神2（Helios2）可以在将近680千米高度上实现0.3米的分辨率，而卫星的质量仅有4.2吨左右，但是将太阳神2这样的卫星送入静止轨道，对多数国家来说仍然是不现实的。目前具备将载荷直接送入静止轨道的运载火箭虽然不少，但能将超过4吨的载荷送入静止轨道的，仅有美国的Delta IV Heavy火箭，早期的Delta IV Heavy火箭就可以将6.57吨载荷送入静止轨道，使用新的RS-68A发动机升级后，静止轨道发射能力进一步提高到6.75吨。光学系统要实现高分辨率需要足够大的口径，法国太阳神2卫星做到了很高的水平，但要直接作为静止轨道光学卫星使用仍然过大 如果只有这些困难，静止轨道光学侦察卫星倒也不是可望尚不可及的目标。为了具备战术价值，目前对静止轨道光学侦察卫星的成像分辨率要求也很高，美国提出的静止轨道光学侦察卫星试图实现优于2.5米的分辨率，如果从KH-11的光学系统反推，要求物镜口径至少要达到十几米的水平。如果使用常规整体镜片技术的话，卫星的体积和质量即使按目前的最高水平，仍将达到一个惊人的数字，如欧洲Astrium公司提出了10.3米长、8.8吨重的GO-3S静止轨道遥感卫星方案，它的主镜口径4.2米最高分辨率可达3米，视野范围100千米X100千米。 DARPA为了解决静止轨道光学侦察卫星的技术难题，提出使用可折叠伸展的光学薄膜，在轨道上展开作为卫星光学系统的物镜，满足静止轨道高分辨率成像苛刻要求的方案，这就是著名的薄膜光学成像器实时开发（MOIRE）项目。 MOIRE使用衍射薄膜技术，入轨后展开直径20米的大型光学薄膜，将在静止轨道上实现优于2.5米的高分辨率 2010年3月开始实施的MOIRE项目将为作战人员提供实时的战术视频以及实时的（弹道）导弹发射和跟踪情报，为了满足这样的战术要求，MOIRE对光学系统提出了很高的指标。根据DARPA的BAA公告，MOIRE可对其他侦察方式无法提供情报的地区提供24/7的可见光探测跟踪，拍摄照片的美国国家图像可判读等级（NIIRS）为3.5+（NIIRS 3的分辨率为2.54.5米，NIIRS 4的分辨率为1.22.5米），图像刷新频率至少要达到1赫兹，对移动目标的瞄准探测能力要达到0.1赫兹左右，卫星的视野范围（FOV）要超过100平方千米，凝视视场（FOR）超过一千万平方千米。要求中还特意提到要对“飞毛腿”级别弹道导弹的发射实现99%的探测概率，同时虚警的概率要小于每月一次。 尽管指标很高，但DARPA同时要求MOIRE系统的初期一次性工程费用(NRE)不能超过5亿美元。这样物美价廉的静止轨道光学侦察卫星，必然需要技术上的一系列突破，根据DARPA的文件，MOIRE项目要突破掌握的核心技术包括大型低成本的轻型衍射光学薄膜技术，地球静止轨道上大型结构的动力学性能和姿态稳定性控制，大光谱带宽的大型望远镜设计，对高速目标的移动探测能力以及近实时成像的稳定性和战术地理定位能力等。 高指标高性能的MOIRE研制不可能一蹴而就，DARPA的公告已经要求分三阶段进行MOIRE的预研。第一阶段的研制称之为载荷概念验证，DARPA发布了4、5百万美元的合同，这个阶段将测试一个1米直径的主镜，验证光学系统的设计能否满足性能需求，解决技术可行性问题，最终通过系统概念设计评审和载荷初步设计评审（PDR）。第二个阶段是系统设计阶段，这个阶段将制造和测试5米口径的望远镜，为下一步的发展铺平道路，这个阶段将以通过系统初步设计评审结束。第三阶段也就是系统验证阶段，DARPA预计将为此花费3、4千万万美元，目前正由Ball空天技术公司负责，这个阶段将设计、制造和发射并验证一个静止轨道上的10米口径衍射薄膜光学望远镜，对第一阶段和第二阶段掌握的技术进行验证，并为实际运行的20米口径系统做好准备。按照DARPA的公告，第三阶段的验证衍射薄膜望远镜的质量将小于1吨，作为中型渐进一次性运载火箭（EELV-M）的次级载荷，使用5米直径的整流罩发射。第三阶段望远镜载荷的性能指标已经达到了很高的水平，它要求在静止轨道可获得美国国家图像可判读等级2.5的图像（NIIRS 2为分辨率4.59.0米），地面采样距离（GSD）要达到小于3米的水平，视野范围超过100平方千米，凝视视场超过1万平方千米，视频频率1赫兹左右。如果按其他国家的标准看，它已经足以作为静止轨道光学侦察卫星了，但对美国而言它只是MOIRE的验证系统，设计上的要求也比较低，尤其是设计寿命仅有1年。 目前DARPA和USAF合作，使用FalconSat-7为MOIRE进行技术验证 根据DARPA的相关资料，MOIRE项目已经试验了0.6米口径的衍射光学薄膜，2011年9月MOIRE结束了第一阶段的研究，目前已经进入第二阶段的工作。为了降低研制风险，目前DARPA正在和美国空军合作，计划使用美国空军2014年发射的FalconSAT-7卫星进行光学薄膜的实际轨道验证，不过FalconSAT-7是典型的立方体卫星（CubeSat），其质量仅有5千克左右，所能验证的光学薄膜尺寸极为有限，MOIRE项目第二阶段的发展，仍然有待于进一步的信息确认。不过毫无疑问的是，MOIRE项目将分阶段验证5米、10米口径的衍射光学薄膜的技术，发射10米口径的衍射薄膜载荷，并最终把20米口径的衍射光学薄膜侦察卫星投入使用。MOIRE通过尖端的衍射光学薄膜技术的使用，大幅度降低了侦察卫星光学系统的质量和体积，DARPA明确要求它能使用现有的渐进一次性运载火箭（EELV）发射，如果未来能实现这个指标的话，使用现有的Delta IV或是Atlas V甚至是Falcon 9火箭发射，将扫除静止轨道光学侦察卫星的一个主要障碍。 DARPA原定分三阶段进行MOIRE的研制，预计在2015财年发射原型验证系统，但目前进度落后于预期 如果MOIRE项目在DARPA手中走完研制过程，并在不太遥远的未来成功转化为实际侦察卫星项目并投入使用的话，美国将获得空前的侦察能力。虽然MOIRE只明确提到了“飞毛腿”导弹，似乎只是为了克服历次战争中对“飞毛腿“侦察的漏洞，但从MOIRE的指标看，高达2.5米的分辨率不仅可以对”飞毛腿“导弹的发射车和导弹发射进行实时精确探测，对体积更大的中程弹道导弹发射车的实时探测效果只会更好。在美国提出”空海一体战”战略，试图打击我国内陆弹道导弹机动发射车的形势下，MOIRE如果最后转换为实际侦察卫星项目投入使用，将完全填补美国无力远距离定位我国内陆目标的侦察缺口，其战略意义怎么说也不过分。 我国已经研制大型轻质碳化硅镜片和高性能的CCD探测器，用于满足静止轨道光学成像的要求 不过话说回来，技术进步从来就是一把双刃剑，它给先发者带来更多优势的同时，也给后发者提供了快速追赶的可能。技术和力量强如美国，目前也缺乏可靠有效的远距离侦察手段，我国远程侦察能力就更弱了。在目前热炒的弹道导弹打航母方案中，最大的障碍恰恰就是对移动的航空母舰实时定位跟踪能力，无论是电子侦察卫星还是超视距雷达或是其他现有方案，都存在探测跟踪能力不及时也不可靠的问题，而静止轨道光学侦察卫星恰恰是填补这一空白的最好选择。根据目前的公开规划，我国“高分辨率对地观测系统”中已经包括50米分辨率的高分四号地球静止轨道光学卫星，这颗卫星属于民用用途，很可能也承担军用静止轨道光学卫星的技术演示任务。2011年国防科技成就展上的我国静止轨道遥感卫星光学系统模型，据称我国的目标很可能是达到10米分辨率的水平 上海航天局的论文中，也提出了地球静止轨道长寿命大型遥感卫星的设计方案，这颗静止轨道长寿命大型遥感卫星以一个巨大的光学望远镜作为核心，包括推进舱在内的总质量高达10吨，其中平台质量7.5吨载荷质量2.5吨，设计寿命15年。在光学载荷的研究上，我国也已经提上日程，根据长春光机所“高精度非球面组件先进制造技术”的介绍，目前长春光机所除了现有1米口径反射镜加工能力外，还在预研4米量级轻质反射镜加工技术研究，满足中地轨道0.10.5米分辨率相机和静止轨道520米分