随着全球低地球轨道卫星星座规模持续扩张，空间态势感知能力已成为保障轨道安全的关键基础设施。2026 年 1 月 30 日，SpaceX 正式发布了名为 Stargaze 的空间态势感知系统，该系统通过整合部署在超过 9,500 颗星链卫星上的近 30,000 个星跟踪器，实现了检测能力的数量级跃升。系统每日可处理约 3,000 万次天体过境观测，将传统数小时的碰撞预警窗口压缩至分钟级别，标志着从地基雷达主导向天基多传感器融合的技术范式转变。本文将深入剖析 Stargaze 系统的工程架构，聚焦实时数据融合算法设计，并给出可落地的关键参数配置。
多传感器数据源与系统架构设计
Stargaze 系统的核心创新在于将原本用于姿态确定的星跟踪器重新定义为空间目标观测节点。每个星跟踪器本质上是一个高灵敏度的光学传感器，能够在卫星日常运行过程中捕获视场内的其他空间目标。这种设计避免了传统专用空间监视载荷带来的额外质量与功耗开销，实现了传感器的多功能复用。从数据链路角度观察，系统采用三级架构：边缘采集层负责星跟踪器的原始图像处理与目标检测；星间链路层实现跨卫星的观测数据聚合；地面处理层完成全局轨道解算与交会分析。
在传感器特性层面，星跟踪器具有约 1 角秒的姿态测量精度，视场范围通常在数度至十余度之间。由于卫星平台处于持续运动状态，单个传感器的观测窗口呈现周期性特征。这种分布式部署带来了显著的空间覆盖优势 —— 近 30,000 个传感器在全轨道高度形成稠密的观测网络，弥补了单点传感器的时间盲区。值得注意的是，系统需要处理极高的数据吞吐量：3,000 万次每日过境意味着每秒约 350 次观测产生，这要求星上计算系统具备每秒处理数千次目标关联匹配的能力。
实时数据融合算法设计与工程挑战
实时数据融合算法是 Stargaze 系统的技术核心，其设计需要在计算效率与估计精度之间取得平衡。从算法架构角度，可将融合过程分解为四个关键环节：观测关联、状态初始化、序贯估计与轨道预测。
观测关联环节面临的核心挑战在于如何在缺乏先验信息的情况下，将来自不同卫星、不同时刻的观测归属于同一空间目标。传统多目标跟踪算法依赖于显式的数据关联假设，但在高密度观测场景下计算复杂度呈指数增长。工程实践中，Stargaze 可能采用了基于网格的粗关联策略：首先将空间划分为若干立方体区域，将落入同一区域的观测初步关联；随后通过运动特性一致性检验剔除错误关联。这种两级关联机制将计算复杂度从 O (n²) 量级降低至 O (n) 量级，使其能够应对每秒数百次的观测处理需求。
状态初始化环节采用几何约束解析解算。当单个目标被首次观测到时，系统可根据观测站址位置、观测时刻与观测方向的几何关系，快速估计目标的初轨参数。由于星跟踪器的姿态基准精度极高，观测方向的角度误差可控制在角秒级，结合卫星平台的精确轨道位置，初轨解算的典型精度可达公里量级。这一精度水平虽不足以支撑精密轨道预测，但足以支持后续的序贯滤波过程。
序贯估计环节是实现高精度轨道预测的关键。考虑到 LEO 轨道目标的动力学特性 —— 受 J2 项摄动、大气阻力与日月引力等多重因素影响 —— 扩展卡尔曼滤波成为工程首选方案。在滤波器的状态向量设计中，除位置与速度矢量外，通常还需纳入大气阻力系数与辐射压系数等动力学参数，以吸收模型不确定性。每当新的观测数据到达，系统执行状态预测与观测更新的两步迭代，实时修正轨道估计。值得强调的是，为降低星上计算负载，滤波器采用简化的动力学模型：J2 项摄动解析表达式替代数值积分，大气阻力采用指数密度模型近似。
轨道预测环节承担着将当前状态估计外推至未来时刻的任务。由于交会风险窗口通常在数小时以内，系统需要执行小时量级的预测外推。在此时间尺度上，大气密度变化与空间天气扰动成为预测误差的主要来源。Stargaze 采用集成预测策略：针对不同的空间天气情景运行多组预测轨迹，通过概率加权获得最终预测结果。这种方法虽增加了计算开销，但能够更准确地量化预测不确定性，为后续碰撞概率计算提供可靠的误差分布输入。
从性能参数角度评估，上述算法架构在工程实现中需关注以下配置要点：观测关联的网格划分粒度建议为 10 公里量级，既能保证关联精度又避免网格数量过多；扩展卡尔曼滤波的过程噪声协方差矩阵需根据目标类型动态调整 —— 对于已知高轨目标采用较小的过程噪声，对于机动目标或未知目标则增大噪声水平以增强滤波器鲁棒性；轨道预测的时间步长建议为 60 秒，平衡精度与计算效率。
碰撞规避决策与端到端处理流程
从传感器数据到规避机动决策的端到端处理流程，体现了 Stargaze 系统的工程完整性与实时性保障。完整的处理链路包括：传感器原始数据采集、目标检测与关联、全局轨道解算、交会筛选与概率评估、机动策略生成与指令下达。
在交会筛选阶段，系统采用距离阈值法进行初步筛选：当预测最近距离超过预设安全裕度时，直接判定为安全并跳过后续计算；当距离低于阈值时，调用蒙特卡洛采样或解析近似方法计算碰撞概率。概率阈值通常设置为 10⁻⁴至 10⁻⁵量级 —— 低于此阈值认为碰撞风险可接受，高于此阈值则触发规避流程。
2025 年末的一次真实事件充分验证了系统性能。当时一颗第三方卫星在距交会点仅 5 小时时实施了机动，将原定 9,000 米的安全错过距离压缩至约 60 米。Stargaze 在机动发生后迅速检测到轨迹变化，更新预测结果并生成了新的交会数据报文，分发至相关卫星平台。最终，星链卫星在 1 小时内完成了规避机动规划，将碰撞风险降至零。这一案例表明，在分钟级反应时间窗口内，传统雷达系统与人工审批流程难以实现有效响应，而 Stargaze 的自动化处理链路是关键能力保障。
从统计数据看，截至 2025 年 11 月 30 日的六个月内，星链卫星累计执行了 148,696 次避碰机动。如此高频的机动需求反映出当前空间环境日趋拥挤的现实，也凸显了高置信度轨道预测与快速决策能力的重要性。在机动策略设计上，系统遵循风险最小化原则：优先选择速度增量需求最小的机动方案，同时考虑燃料消耗与任务影响的权衡。
工程落地建议与参数配置参考
对于计划构建类似空间态势感知系统的工程团队，以下参数配置可作为设计参考基准。在传感器层面，建议采用视场不小于 8 度、帧率不低于 10Hz 的星跟踪器型号，以平衡目标捕获概率与数据处理负载。每颗卫星配置 3 至 4 个传感器，可实现近全天空覆盖。在星间链路层面，建议采用 Ka 频段相控阵天线，支持数百 Mbps 的观测数据传输速率，端到端时延控制在秒级以内。在地面处理层面，建议部署分布式计算集群，每节点配置不少于 64 核 CPU 与 256GB 内存，以支撑全球轨道解算的实时性需求。
在算法实现层面，有几点工程经验值得分享。首先，观测关联阶段引入时间容差机制 —— 允许存在数秒时间偏差的观测参与关联，以应对星上时钟同步误差与数据传输时延抖动。其次，对于机动目标的跟踪问题，建议在滤波器中引入机动检测模块，当观测残差显著偏离预期时，自动切换至自适应滤波模式或增大过程噪声水平。再次，轨道预测的不确定性量化至关重要 —— 建议在交会概率计算中采用非高斯分布模型，以更准确地反映预测误差的尾部特性。
此外，系统设计应充分考虑与其他运营商的数据交互需求。Stargaze 通过空间交通管理平台免费发布交会数据报文，这一开放策略值得借鉴。建议在系统架构中预留标准化的数据接口，支持 18_SPACE、CCSDS 等主流空间数据交换格式的编解码。
SpaceX Stargaze 系统的发布，标志着空间态势感知进入天基多传感器融合的新阶段。通过复用星链卫星平台的星跟踪器资源，系统实现了检测能力的数量级提升；通过优化实时数据融合算法，系统将碰撞预警窗口压缩至分钟级别。这些工程实践经验对于未来大规模星座的空间安全管理具有重要参考价值。随着轨道资源竞争加剧，类似系统的规模化部署将成为保障太空可持续发展的关键基础设施。
资料来源：SpaceX Stargaze 官方页面；Spaceflight Now 2026 年 1 月 30 日报导。