太空目標(biāo)識別的探測技術(shù)

1、1 前言隨著全球太空資源開發(fā)熱潮的進(jìn)一步高漲和未來太空作戰(zhàn)趨勢的加劇, 地球外層空間正逐步變成新的軍事斗爭領(lǐng)地。在這種新的軍事斗爭形式中, 空間目標(biāo)探測系統(tǒng)起著基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性的作用?？臻g目標(biāo)主要指衛(wèi)星, 也包括各種空間碎片, 如進(jìn)入空間軌道的助推火箭、保護(hù)罩和其他物體, 還包括進(jìn)入地球外層空間的各種宇宙飛行物, 如彗星和行星?？臻g目標(biāo)探測系統(tǒng)的任務(wù)是對重要空間目標(biāo)進(jìn)行精確探測和跟蹤, 確定可能對航天系統(tǒng)構(gòu)成威脅的目標(biāo)的任務(wù)、尺寸、形狀和軌道參數(shù)等重要目標(biāo)特性對目標(biāo)特性數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類和分發(fā)。空間目標(biāo)探測具有重要的軍事價值, 不僅可以幫助確定潛在敵人的空間能力 , 還可以預(yù)測空間物體的軌道, 對可能

2、發(fā)生的碰撞和對己方空間系統(tǒng)的攻擊告警等。傳統(tǒng)的空間目標(biāo)探測多采用地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、雷達(dá)探測器及無線電信號探測器組成的監(jiān)視網(wǎng), 對空間目標(biāo)進(jìn)行探測和跟蹤。這種方式的優(yōu)點是技術(shù)較成熟、投資成本低 , 能夠?qū)臻g目標(biāo)進(jìn)行有效地搜索和跟蹤, 但易受氣象、地理位置和時間的限制。為了提高對空間目標(biāo)的監(jiān)視能力, 美國、 俄羅斯等國都開展了建立天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的計劃。天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的優(yōu)點是不受地理位置和氣象條件限制, 探測效果好 , 且戰(zhàn)時生存能力強(qiáng), 但造價高, 星上信息處理能力有限, 功率也無法和地基監(jiān)視系統(tǒng)相比。天基空間目標(biāo)探測系統(tǒng)是未來進(jìn)行空間目標(biāo)探測和跟蹤的重要發(fā)展方向。精品2 地基空間目標(biāo)

3、光電探測系統(tǒng)地基光電探測器實際上就是用望遠(yuǎn)鏡收集空間物體反射的光。像所有的望遠(yuǎn)鏡一樣 , 它們的使用是受限制的。除非這些物體自己發(fā)光, 云、霧、大氣污染、城市的輝光或滿月時的輝光, 都可能降低光學(xué)探測器的觀測能力, 甚至使之不能進(jìn)行觀測。目標(biāo)的尺寸及其與地球的距離, 也是限制光學(xué)探測器能力的因素。美國地基空間光電探測系統(tǒng)當(dāng)前 , 美國的空間探測與跟蹤系統(tǒng)是由遍布世界各地的雷達(dá)和光學(xué)探測器組成的監(jiān)視網(wǎng)。組成空間監(jiān)視網(wǎng)的各種探測器, 依據(jù)其性質(zhì)和隸屬關(guān)系的不同, 可以分為三大類: 專用空間探測器、兼用空間探測器、可用空間探測器。美國的這3大類探測器共同組成了一個遍布全球的地基空間目標(biāo)監(jiān)視網(wǎng)。探測距

4、離超過36000km, 對同一空間目標(biāo)重復(fù)監(jiān)視的時間間隔為5 天。2.1 地基光電深空探測系統(tǒng)地基光電深空探測系統(tǒng)( GEODSS) 是美國空間測控網(wǎng)的重要組成部分，主要用以探測深空目標(biāo)，以彌補(bǔ)空間探測和跟蹤雷達(dá)的不足，該系統(tǒng)能跟蹤軌道高度5600km- 40000km 的空間目標(biāo)。地基光電深空探測系統(tǒng)1974 年開始研制1982 年完成第一套設(shè)備 到 1997 年在全球先后布設(shè)了5 個站 ,這 5個站分別位于新墨西哥州的白沙靶場、印度洋英屬迪戈加西亞島、夏威夷州的毛伊島、韓國大邱和西班牙的Moron 航空基地。地基光電深空探測系統(tǒng)每個測站配置3 臺望遠(yuǎn)鏡。兩臺主望遠(yuǎn)鏡口徑101. 6cm,焦

5、距218cm,視場2.1; 一臺輔助望遠(yuǎn)鏡口徑38cm,焦距76cm,視場6度。主望遠(yuǎn)鏡主要 用于對星等較低、運動速度較慢的高軌道空間目標(biāo)的搜索,并具有對夜空進(jìn)行每小時2400km2 探測的能力；輔助望遠(yuǎn)鏡主要用于低高度大范圍地對快速運動目標(biāo)的搜索具有每小時搜索15000km2 的能力。地基光電深空探測系統(tǒng)可觀測到40000km 高度足球般大的物體。地基光電深空探測系統(tǒng)采用微光攝像技術(shù),對空間物體反射光有良好的響應(yīng)。它白天可以觀測8等星的空間目標(biāo)，晚上可以觀測16.5 等星目標(biāo)。攝像器件初期用硅靶增強(qiáng)管,，后改用CCD 器件。目標(biāo)圖像經(jīng)攝像器件轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并即時送計算機(jī)處理和顯示,， 實現(xiàn)了

6、準(zhǔn)實時對空間目標(biāo)的精密跟蹤。每臺望遠(yuǎn)鏡還帶有一臺輻射計 , 用以獲取空間目標(biāo)的光學(xué)特征信息, 這為目標(biāo)識別提供了重要手段。地基光電深空監(jiān)視系統(tǒng)可以在幾秒鐘之內(nèi)把獲取的觀測數(shù)據(jù)傳送到空間監(jiān)測中心。2.2 美國 MODEST 空間探測系統(tǒng)MODEST探測是NASA對同步軌道目標(biāo)的一項新的光學(xué)跟蹤項目。該項目的主要目的是探測出同步軌道處盡可能小的目標(biāo)數(shù)目。系統(tǒng)采用了密西根大學(xué)研制的望遠(yuǎn)鏡(MODEST)。系統(tǒng)CCD是一個很薄的、背面受光的2048X2048像素的SITe陣歹1,視場1.3度乘1.3度。可以探測到同步軌道處直徑小于20cm 的目標(biāo)。每晚望遠(yuǎn)鏡可掃描 1.3度乘100度的天空帶。在 5m

7、in 之內(nèi)有多達(dá)8 個獨立探測器對同一疑似目標(biāo)進(jìn)行掃描 , 測出目標(biāo)的亮度、位置、和角度變化等。從2001 年起 , 這個系統(tǒng)就對同步軌道進(jìn)行了大量的觀測, 測出了大量的直徑小于1m 的目標(biāo)。因為整夜都在掃描一個相同的星區(qū), 所以系統(tǒng)還可以在天空亮度和大氣透明度的各種變化下跟蹤, 因而從一整夜的各張圖片就可以測到這個區(qū)域的最小可探測尺寸和最小量級的目標(biāo)了, 同時云的影響也被探測到和校準(zhǔn)。晴朗的夜里系統(tǒng)每37.9s 做一次 5s 的曝光 , 這樣就基本沒有間斷地覆蓋了1.3度乘100度的天空帶。第二晚將望遠(yuǎn)鏡調(diào)偏1. 2度 , 但在相同的高度。真正的周期為23h56min 的同步軌道目標(biāo)僅在一個

8、晚上的數(shù)據(jù)里出現(xiàn)。14 個晚上即可完成整個同軌道探測。探測結(jié)果經(jīng)一個200nm 濾波器得到, 可以探測到19 等星的目標(biāo)。2.3 俄羅斯地基空間光電探測系統(tǒng)為了探測與跟蹤空間目標(biāo), 俄羅斯也建立了自己的空間監(jiān)視系統(tǒng), 不斷地搜索宇宙空間, 探測和跟蹤各種軍用航天器, 測定目標(biāo)的軌道參數(shù), 以供實施空間攻防對抗使用。俄羅斯在利用光電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行空間目標(biāo)監(jiān)視方面水平很高, 某些方面超過了美國。這里介紹的典型系統(tǒng)是”傘 ”系統(tǒng)。“傘 ”系統(tǒng)是一套用于對空間運行的物體, 尤其是對敵方空間軍事系統(tǒng)進(jìn)行高靈敏探測、精確識別、精密軌道跟蹤的地基防天對抗系統(tǒng)。(1)傘系統(tǒng)的儀器設(shè)備與設(shè)施組成發(fā)現(xiàn)與測量軌道參數(shù)的

9、設(shè)施發(fā)現(xiàn)與測量軌道參數(shù)的設(shè)施由光輻射記錄設(shè)備(ORR)、激光軌道測量設(shè)備(LTMS)、多用途相位測距儀(MPF)組成。ORR 設(shè)備為無源光學(xué)系統(tǒng), 它利用衛(wèi)星對太陽、月亮和其他恒星光線的反射進(jìn)行工作 , ORR 系統(tǒng)每天工作24h, 記錄所有可視區(qū)域中的飛行器, 當(dāng)飛行器大于等于 0. 5 角秒時就被記錄下來。這些記錄信息將作為今后采取對抗措施時的原始數(shù)據(jù)。激光軌道測量設(shè)備是進(jìn)行空間坐標(biāo)精確測量的高精度測量站, LTMS 是一個有源系統(tǒng) , 包括激光輻射源, 能夠精確測量飛行器的軌道參數(shù)并對其進(jìn)行跟蹤。另外 , 它也可以用激光輻射對飛行器進(jìn)行光學(xué)干擾。MPF 站是一個無源測量系統(tǒng), 它利用飛行

10、器上任何無線電信號輻射源的信號來確定飛行器的軌道特性。( 2)產(chǎn)生光學(xué)干擾的設(shè)施光學(xué)干擾產(chǎn)生設(shè)施具有一個激光發(fā)射機(jī), 該機(jī)為 LTMS 站的組成部分, 除此之外，它可和LTSM一起利用其他設(shè)備進(jìn)行工作，不僅僅是產(chǎn)生光學(xué)干擾，也可通過其 他設(shè)備采取另外的對抗措施。( 3)無線電干擾產(chǎn)生的設(shè)施( RJC)在無線電干擾設(shè)施中包括一個干擾產(chǎn)生站, 該站可在無線電波段形成一個強(qiáng)的無線電干擾, 以破壞和阻止偵查衛(wèi)星有關(guān)設(shè)備的工作。對無線電導(dǎo)航設(shè)備產(chǎn)生干擾的設(shè)施( RNJ)該設(shè)施用轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星的真實信號的方法來形成三個以上偽信號, 這些偽信號與導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的信號相似; 如果衛(wèi)星使用了GPS 信號進(jìn)行姿態(tài)控制,

11、則偽信號將導(dǎo)致姿態(tài)控制系統(tǒng)出錯。( 3)控制與處理中心(CCP)控制與處理中心將對進(jìn)入系統(tǒng)的所有信息進(jìn)行處理, 測量并計算軌道參數(shù), 并控制系統(tǒng)運行和對相應(yīng)產(chǎn)生干擾的設(shè)備發(fā)出干擾指令進(jìn)行干擾。3 天基空間目標(biāo)探測系統(tǒng)天基空間目標(biāo)探測系統(tǒng)工作在較高的高度, 不受地理位置和氣象條件等因素的限制 , 探測效果好, 且戰(zhàn)時生存能力強(qiáng)。因而對天基系統(tǒng)的研究勢在必行。3.1 “空間中段監(jiān)視”試驗衛(wèi)星1996年4月24日，美國空軍發(fā)射了 1顆空間中段監(jiān)視試驗衛(wèi)星（MSX）。發(fā)射MSX 的目的是對星載探測器進(jìn)行試驗, 為途中階段導(dǎo)彈偵察和跟蹤探索途徑, 以改進(jìn)目前的偵察和跟蹤模式。試驗內(nèi)容除對導(dǎo)彈途中階段進(jìn)行

12、監(jiān)測和跟蹤以外, 還涉及太空目標(biāo)監(jiān)測、天空背景光探測和地球背景環(huán)境的探測試驗研究。星上裝載了3 臺光學(xué)遙感器, 其波段范圍從紫外到熱紅外。紫外可見成像儀與光譜成像儀（U-VISI）,天基可見光相機(jī)（SBV）,以及空間紅外成像望遠(yuǎn)鏡（SPIRIT_III）等。3.2 天基紅外系統(tǒng)（SBIRS）天基紅外系統(tǒng)是一個包括多個空間星座和地面設(shè)施的綜合系統(tǒng), 它由高軌道衛(wèi)星、低軌道衛(wèi)星和地面設(shè)施組成。（1）天基紅外系統(tǒng)的高軌道部分高軌道衛(wèi)星包括4顆地球同步軌道衛(wèi)星（GEO）（另外還有一顆備用星）以及2顆 大橢圓軌道衛(wèi)星（HEO） 。GEO主要用于探測、發(fā)現(xiàn)和跟蹤助推上升段的導(dǎo)彈，衛(wèi)星上帶有凝視型和掃描型兩

13、種紅外探測器。掃描型探測器采用一種小型陣列掃描整個地區(qū)以建立整個地區(qū)的完整圖像, 它用于提供快速的全球覆蓋。在凝視型探測器中, 一個正方形或長方形焦平面陣列連續(xù)地觀測一個特定的區(qū)域以及紅外輻射的變化。它用于精確的戰(zhàn)區(qū)探測和跟蹤。 掃描型探測器對導(dǎo)彈在發(fā)射時所噴出的尾焰進(jìn)行初始探測,然后將探測信息提供給凝視型探測器, 后者進(jìn)行精確跟蹤, 它不僅能夠確定彈道的方位角還能提供導(dǎo)彈進(jìn)入其彈道時的速度和高度。HEO 在與赤道平面成大傾角的軌道上運行,它的遠(yuǎn)地點處于北半球上空,可長期觀測北半球的情況, 能夠探測從北極區(qū)域的潛艇上發(fā)射的彈道導(dǎo)彈。高軌道衛(wèi)星能在1min內(nèi)將導(dǎo)彈發(fā)射數(shù)據(jù)從空間傳輸給戰(zhàn)區(qū)的部隊，

14、估計精度為不到1km（DSP衛(wèi)星地面分辨率約為3km）。（2） 天基紅外系統(tǒng)的低軌道部分天基紅外系統(tǒng)的低軌道部分將由約24 顆部署在1600km 左右高度的小型、低軌道、大傾角衛(wèi)星組成。這些飛行在多個軌道面上的低軌道衛(wèi)星將成對地工作, 以提供立體觀測, 從而獲得目標(biāo)的立體三維圖像。每對衛(wèi)星通過60GHz 的衛(wèi)星間鏈路進(jìn)行相互通信。每一顆衛(wèi)星將包括捕獲探測器和跟蹤探測器。捕獲探測器是一種寬視野掃描短波紅外探測器。通常情況下, 用預(yù)警衛(wèi)星提供的引導(dǎo)信息輔助, 捕獲探測器可以通過對著地球背景觀察導(dǎo)彈的明亮尾焰探測助推飛行中的導(dǎo)彈（ 這時導(dǎo)彈還處于地平線以下 ） 。一旦搜索探測器鎖定了一個目標(biāo), 信息

15、將傳送給跟蹤探測器。跟蹤探測器是一種窄視野、高精度凝視型多色（ 中波、 中長波、 長波紅外及可見過光） 探測器 , 可以在地平線以上觀察目標(biāo), 它能鎖定一個目標(biāo)并對整個彈道中段和再入階段的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。它將工作在以下幾個頻率范圍：可見光（0.3 0.7Um）,短波紅外（1 3um）, 中波紅外（3 6um）,長波紅外（6 16um）。盡管美國對SBIRS_low衛(wèi)星紅外探測器的 技術(shù)參數(shù)嚴(yán)格保密, 但是通過分析MSX 衛(wèi)星的技術(shù)信息可以推測出SBIRS_low 衛(wèi)星紅外探測器的有關(guān)性能。3.3 EKV 探測系統(tǒng)隨著空間探測技術(shù)的發(fā)展, 基于小衛(wèi)星的天基空間目標(biāo)探測也得到了長足的進(jìn)步。 Exoa

16、tmospheric Kill Vehicle （ EKV） 就是一個十分典型的空間目標(biāo)探測、識別及跟蹤系統(tǒng)。EKV是位于以地面為基礎(chǔ)的攔截導(dǎo)彈（GBI）尖端的一種小型的、靈巧的、非核的、靠直接碰撞殺傷的飛行設(shè)備, 上面安裝有紅外線傳感器、數(shù)據(jù)處理制導(dǎo)系統(tǒng)、變軌推進(jìn)系統(tǒng)。它全長1.4m,重54kg（另一說長四英寸半，約1.5m,重58kg ）,由雷神 （Raytheon） 公司制造。每一套EKV 的造價在2 億至 2. 5 億美金之間。與傳統(tǒng)攔截器工作的不同之處在于, EKV 自身帶有紅外探測器, 在離開天基、地基和雷達(dá)的導(dǎo)航后, 依然能夠自主追蹤彈頭。傳統(tǒng)的攔截器只需要偵察特別熱的火箭尾焰,

17、 大可以用比較容易制造并且便宜的短波段傳感器, 而 EKV 能夠區(qū)分脫離運載火箭以后的冷的彈頭和誘餌, 需要長波段傳感器。4 空間目標(biāo)光電探測與識別關(guān)鍵技術(shù)4.1 目標(biāo)特性分析技術(shù)目標(biāo)特性的分析是目標(biāo)探測、識別的前提條件, 對目標(biāo)認(rèn)識越深, 得到目標(biāo)的信息越多 , 就越能提高對其探測、識別的能力。可以說目標(biāo)特性的研究是一切工作的基礎(chǔ)。目前對目標(biāo)特性的研究主要集中在光學(xué)特性及運動特性方面。目標(biāo)與環(huán)境的光學(xué)特性是可探測的頻率參量的科學(xué)描述, 它反映了光波同目標(biāo)與環(huán)境相互作用而產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。它揭示了目標(biāo)與環(huán)境的固有屬性。如果能很好的認(rèn)識目標(biāo)的光學(xué)特性, 利用相關(guān)、多分辨分析、數(shù)據(jù)融合等數(shù)學(xué)方法就可

18、以得到目標(biāo)唯一所具有的特性, 從而實現(xiàn)對目標(biāo)的探測、識別。 目標(biāo)的運動特性是與目標(biāo)的功能、特性、所處軌道等一系列參數(shù)相關(guān)的, 當(dāng)多目標(biāo)同時出現(xiàn)在視場中時, 可以根據(jù)目標(biāo)在探測器上運動投影的特性而唯一確定的目標(biāo)。目前對運動特性的處理方法主要有 : 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、小波檢測、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。對目標(biāo)外形特性的研究發(fā)展得并不理想, 主要原因是目標(biāo)的外形變化大。同類的目標(biāo)可能外形不同, 而外形相似, 功能卻完全不同。但是目標(biāo)的外形特性卻能提供更多的信息, 大大超過了頻率和運動特性所能提供的, 隨著探測系統(tǒng)性能的提高將是一個十分有價值及有前途的研究方向。4.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)是空間目標(biāo)探測系統(tǒng)中十分關(guān)鍵的部

19、分, 它設(shè)計的合理性、工作可靠性、圖像清晰度和畸變等方面, 都對目標(biāo)探測距離、探測及識別概率等多方面有著巨大的影響。光學(xué)系統(tǒng)的重量幾乎占了整個探測系統(tǒng)的40% 60%, 可見光學(xué)系統(tǒng)的輕量化問題也十分重要。4.3 高速信號處理技術(shù)由于在整個系統(tǒng)中有大量的數(shù)據(jù)傳輸與計算過程, 因而要求一個高速處理數(shù)據(jù)的模塊。 目前比較常用的方法是用DSP 為中心的高速處理模塊, 但由于高速DSP 的可靠性及其對數(shù)據(jù)的處理能力仍然十分有限, 于是也限制了軟件系統(tǒng)的復(fù)雜程度及有效性 , 因而對高速信號處理技術(shù)的需求處于一個十分迫切的情況。4.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件系統(tǒng)可以說是整個空間目標(biāo)探測系統(tǒng)的核心, 它直接決定著

20、對目標(biāo)的探測及識別的準(zhǔn)確性。目前對空間目標(biāo)的算法研究較少, 主要分為空間目標(biāo)成點像和成面像兩種情況。由于目標(biāo)與探測系統(tǒng)距離較遠(yuǎn), 多數(shù)的研究都開展在點目標(biāo)的基礎(chǔ)上。但隨著焦面探測器、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、高速信號處理技術(shù)的提高, 完全有能力在遠(yuǎn)距離對空間目標(biāo)成面像, 因而開展面目標(biāo)識別技術(shù)有很大的價值。經(jīng)過前人工作的積累 , 產(chǎn)生了光譜多分辯識別、多傳感器數(shù)據(jù)融合識別、目標(biāo)運動特征識別、外形及紋理識別等幾個研究方向。然而算法的效率與有效性之間的矛盾仍然是制約算法應(yīng)用的關(guān)鍵問題。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟, 算法將變得更復(fù)雜, 更有效。4.5 跟瞄控制系統(tǒng)光電跟瞄平臺的控制要求是使光電探測器的視軸跟蹤目標(biāo)視線, 所以關(guān)鍵性能指標(biāo)是跟蹤精度, 即視軸跟蹤目標(biāo)視線的精確性、穩(wěn)定性和快速性。由于空間平臺環(huán)境的復(fù)雜性和被控對象的特殊性, 要實現(xiàn)以上控制要求必須解決以下問題: 衛(wèi)星的振動、參照系誤差、軌道預(yù)測誤差和背景光噪聲、裝置內(nèi)部的探測器噪聲、應(yīng)力和安裝結(jié)構(gòu)等誤差。只有綜合考慮以上問題設(shè)計出的控制器才能真正提高跟瞄平臺的跟蹤精度。5 未來的發(fā)展趨勢5.1 成像目標(biāo)探測隨著光學(xué)系統(tǒng)、高速大尺寸焦面探測器、高速信號處理技術(shù)的提高, 完全有可能使目標(biāo)在較遠(yuǎn)的距離時成面像, 于是就可以利用目標(biāo)外形及表面紋理的特性去對目標(biāo)探測、識別, 這樣可以大大的提高探測概率。