美國深挖小衛星潛力，欲提升軍事用天能力

● 文| 北京空間科技信息研究所 張召才

美國深挖小衛星潛力，欲提升軍事用天能力

● 文| 北京空間科技信息研究所 張召才

近年來，隨著小衛星（質量低于500kg的衛星）單星功能密度、敏捷機動能力、自主生存能力和在軌壽命不斷提升，逐漸成為全球航天發展熱點，發射數量急劇增長。尤其是在軍用領域，小衛星在降低系統成本、增強抗毀能力、應急補充增強和快速組網服役等方面優勢突出，又兼具機動靈活、運營管理便捷等特點，備受軍方青睞。在此背景下，美國近十余年相繼發展了“作戰響應空間”（ORS）、“軍事行動空間使能效果”(SeeMe)、“隼眼”（Kestrel Eye）、“航天與導彈防御司令部-作戰納衛星效果”（SMDC-ONE）等項目，探索小衛星軍事應用和融入作戰模式，推動基層作戰部隊軍事用天能力發展。

一、美國小衛星軍事應用動因分析

美國大力發展小衛星，將其融入軍事作戰是受內、外因雙重驅動決定的，不能僅簡單歸結于小衛星性能提升，也應看到現有裝備能力不足的需求牽引作用和航天發展戰略政策變化的頂層推動作用。

1.性能提升，應用創新，全面滿足軍事作戰應用需求

根據美國空軍科學委員會2007年發布的《小衛星作戰應用》報告，1m分辨率的光學系統能夠較好地滿足作戰需求。以美國天空衛星-1（SkySat-1）為例，該星質量91kg，可獲取0.9m分辨率圖像和1.1m分辨率視頻數據。可見，美國商用遙感小衛星已滿足軍事作戰需求，完全具備了在戰區成像偵察中全面應用的技術可行性，見圖1。

圖1 小衛星性能不斷提升，逐步獲得廣泛應用

小衛星變革傳統大衛星設計和運營理念，催生了諸多創新應用模式，也成為提升其軍用能力的重要因素。小衛星通過星座組網大幅縮短重訪周期，實現近實時連續觀測成像，將傳統航天裝備“偵察”能力提升至“監視”能力。以美國“鴿群”（Flock）星座（見圖2）為例，Flock采用“永遠在線”（Always On）工作模式，無需對衛星下達成像指令即可自動獲取全球持續圖像，實現“熱點”與全局兼顧的變化監測能力。這種全新工作模式具有重要軍事應用前景，提升了小衛星軍事應用價值。

圖2 “鴿群”星座

2.成本低廉，發射靈活，高效費比成小衛星突出優勢

在有限的國防預算下，小衛星成為平衡美國航天成本和能力需求的重要砝碼。第一，小衛星短周期、批量化制造使得單星成本低廉，能以較低成本滿足基本軍用需求；第二，小衛星能以一箭多星、空中發射、在軌彈射等手段實現快速批量部署，大幅降低了進入空間成本；第三，小衛星通過星座組網和優化軌道設計，能力足以與大衛星相媲美。美國研究機構研究結果表明，在任意軌道高度上，每提高2倍分辨率，則衛星質量和成本需分別提高8倍和4.5倍。而降低軌道高度則可將小衛星分辨率提高至大衛星的能力水平。

3.體系轉型，確保彈性，小衛星組網可提高生存能力

進入21世紀后，美國逐漸推動軍事航天體系從只注重大衛星發展轉向大小衛星并行發展。美國總統奧巴馬曾表示：“我們必須通過發展能夠躲避攻擊和快速恢復的新技術和能力來保護我們的空間資產。”小衛星能夠通過快速發射補充受損空間能力或采用星座、編隊等方式應對空間安全威脅，是提高航天裝備體系生存能力和抗毀能力的重要手段。2013年8月，美國空軍航天司令部發布《彈性和分散空間體系》白皮書，明確指出，“更小的衛星更容易生產，結合快速響應發射能力，可提高快速重構能力，降低敵人攻擊造成的損失。”

4.政府主導，業界參與，小衛星軍事應用引各方關注

美國政府高度重視小衛星技術軍事應用價值，由國防部、空軍和國家偵察局（NRO）等部門持續投入，開展相關項目研究。國防部“空間測試計劃”（STP）、空軍“大學納衛星計劃”（UNP）以及NRO的“群落”（Colony）計劃，都是由政府部門主導，科研機構、高校和新興公司積極參與的軍用小衛星計劃。NASA啟動了“立方體衛星發射倡議”（CSLI），利用火箭運力余量提供小衛星免費搭載機會，為小衛星技術在軌驗證提供更多舞臺。NRO也于2012年起開放共享發射能力，提供小衛星搭載發射機會。在政府激勵下，以大衛星為主要業務的宇航高速開始積極參與軍用小衛星研制工作。如波音公司在2013年初推出了“幻影鳳凰”（Phoenix Phantom）系列平臺，涵蓋10kg以下納衛星平臺，并與NRO合作，為其Colony計劃提供立方體衛星平臺。

二、“起步”階段的美國小衛星軍事應用發展現狀

總體來看，小衛星尚未大規模實現裝備化、業務化軍事應用。但是，美國已在成像偵察、環境監視、數據中繼、預警監視和空間對抗等領域開展了小衛星技術驗證和應用探索，正在論證小衛星融入GPS系統的可行性，計劃利用小衛星實現導航信號增強。成像偵察方面，美國成像偵察小衛星最高分辨率已優于1m；數據通信方面，美國陸軍已完成基于3U立方體衛星的話音通信測試；空間對抗方面，美國已具備低軌道小衛星空間攻防能力，正在采用微納衛星星座進行高低軌空間目標監視的可行性和有效性驗證。

1.成像偵察系統均支持即指即拍，近實時連續偵察監視成熱點

當前，美國小衛星偵察監視能力全球領先，以ORS計劃為先導，將技術研發和業務能力開發相結合，牽引出一系列成像偵察和環境監視小衛星項目，積極探索小衛星的戰術應用和能力發展。美國支持軍事作戰的成像偵察小衛星能力對比見圖3。

圖3 美國支持軍事作戰的成像偵察小衛星能力對比

美國國防部ORS計劃自2003年啟動以來，相繼發射了3顆光學成像偵察衛星，逐步建立了可直接融入作戰的天基成像偵察能力：戰術衛星-2（TacSat-2）發展了優于1m分辨率光學偵察和原始圖像數據星上實時處理能力，并初步驗證了小衛星“即指即拍”（point and shoot）作戰模式 ；戰術衛星-3（TacSat-3）衛星發展了高光譜成像、星上數據實時處理和壓縮能力，驗證了以“戰區指控-任務響應-成像偵察-星上處理-信息下傳”為流程的小衛星的軍事應用模式，作戰用戶接收到的圖像產品是一幅標記有戰術目標位置的全色圖像；ORS-1衛星完全面向作戰用戶設計，為美國中央司令部（USCENTCOM）提供實戰型ISR能力支持，具備1～1.2m成像偵察和直接響應戰區指令并下傳數據至作戰部隊的能力。2014年2月，ORS-2衛星模塊化空間平臺（MSV）交付空軍，ORS辦公室后續將發展天基SAR成像能力，預計分辨率1.5m。

ORS計劃快響思想、應用理念和關鍵技術也呈現出明顯的牽引、輻射和帶動效果。美國軍方圍繞戰術應用、低成本、模塊化等啟動了多個面向軍兵種的情報、監視和偵察（ISR）應用項目。美國陸軍于2008年啟動“納眼”（NanoEye）、“小型靈巧戰術航天器”（SATS）和“隼眼”（Kestrel Eye）（見圖4）項目，研究超低軌道亞米級高分辨率成像技術和指定目標跟蹤的視頻成像技術，發展低軌道、低成本、近實時連續偵察監視能力。DARPA 在2012年啟動SeeMe項目，發展利用低成本小衛星星座向前線基層作戰人員快速、按需提供近實時的戰場圖像數據的能力。該項目雖已取消，但已完成作戰概念驗證和平臺研制工作，為美軍發展可用于軍事作戰的小衛星成像偵察能力完成了技術儲備。NRO也啟動Colony計劃，驗證小衛星ISR關鍵載荷技術，推動其軍事應用能力發展。

圖4 “隼眼”衛星外形圖

2.通信廣播系統可支持話音通信，靈巧通信能力納入發展規劃

美國國防部ORS計劃和陸軍SMDC都基于小衛星發展了面向戰術應用的信息傳輸能力。TacSat-4衛星瞄準美軍高緯度地區通信能力不足，采用大橢圓軌道設計，可提供包括高緯度地區在內的近似全球的、非連續的覆蓋。單次過頂可以保證對一個戰區（3.7km范圍內）有2小時以上的連續覆蓋；同時每天可對多個戰場進行覆蓋。TacSat-4衛星可提供動中通 、“數據滲漏” （Data-X）和“藍軍跟蹤系統” （BFT）等服務。2013年，ORS辦公室又發射了TacSat-6衛星，發展基于3U立方體的超視距通信能力。

美國陸軍為確保戰術通信能力延伸至偏遠山區、雨林等多遮擋地區，發展了支持超視距通信和數據滲漏的低成本小衛星系統。2008年啟動的SMDC-ONE星座直接服務于作戰部隊，驗證了戰場短報文通信、話音通信和無人臺站（UGS）數據采集能力。2013年，美國陸軍南方司令部在SMDC-ONE衛星基礎上，研制發射了“航天導彈防御司令部納衛星計劃”（SNaP）衛星，具有三軸姿態穩定和在軌推進能力，可提供超視距通信和數據滲漏服務，數傳速率是SMDC-ONE衛星的5倍。為進一步推動微納型通信衛星融入作戰，SMDC于2013年底授出UHF頻段靈巧通信載荷研制合同，發展支持戰區單兵手持終端與立方體衛星直接通信的技術，并具備在軌頻率調整能力。

3.空間對抗能力已向高軌道發展，微納衛星實用水平不斷提高

小衛星具有從地面難于探測、在軌道機動靈活優勢，具備平時隱蔽監視、戰時立即攻擊能力，是發展空間對抗系統的重要組成力量。2005年，美國發布的《軍用航天系統研究》認為，小衛星在空間攻防中具有重要價值。

目前，美國低軌道空間攻防技術較為成熟，已具備業務應用能力。2000年以來，美國在低軌道空間攻防領域基于小衛星開展了一系列技術驗證試驗，如美國空軍2005年發射的試驗衛星系統-11（XSS-11）以及DARPA 于2007年發射的“軌道快車”（Orbital Express）計劃等，對在軌衛星檢測、交會和對接、在軌維修與器件更新、近距離機動等進行了技術驗證，形成了基本應用能力。

完成低軌道技術研究和能力驗證后，美國將空間攻防能力推向高軌，當前正重點推進高軌道空間攻防能力驗證。2006年，DARPA和美國空軍聯合實施“微衛星技術試驗衛星”（MiTEx）計劃，驗證了將小衛星送入GEO軌道的能力和小衛星在GEO軌道執行軍事任務的潛在效用。MiTEx衛星兩次抵近失效衛星，執行拍照和故障診斷操作，其涉及的在軌抵近、繞飛、拍照和無線電截收技術，證明美國已具備靜止軌道的小衛星攻防能力。隨后，美國空軍在XSS計劃取得成功的基礎上，提出研制“局部空間自主導航與守護試驗”（ANGELS）衛星，已于2014年7月送入地球靜止軌道，具備自主制導導航與控制能力和廣域監視能力，用于為大衛星提供預警和防護。2011年，DARPA啟動“鳳凰”（Phoenix）計劃，成為美國近期高軌道空間攻防的重點項目。Phoenix計劃旨在利用空間機器人從地球靜止軌道內大量退役或失效的衛星上抓取仍能工作的天線等載荷，并安裝在從地面發射的微小型“細胞”（satlet）衛星上，組裝成新的全功能衛星，其實質是借助在軌服務技術來發展空間攻防能力。2014年4月，Phoenix計劃完成對空間機器人和細胞衛星的概念可行性論證，開始進入空間機器人、細胞衛星和有效載荷軌道交付系統研究開發階段，并力爭2015年完成首次在軌演示驗證。

圖5 洛馬公司基于立方體衛星的GEO軌道目標監視星座方案

基于小衛星發展空間目標監視能力具有降低觀測距離、提高觀測精度等優勢。2012年和2013年，美國相繼發射2顆“可操作精化星歷表空間望遠鏡”（STARE）衛星，以3U立方體衛星驗證空間目標監視能力，將空間碎片預警距離降低至100m，碰撞虛警率減小99%，該衛星視場3°×3°，能監測到200～1000km、尺寸大于10cm、速度小于10km/s的目標。美國國防部ORS計劃也將后續重點瞄準空間目標監視能力，于2014年4月宣布啟動ORS-5衛星項目，計劃2017年發射入軌，單星質量約80～110kg，作為專用天基空間監視系統-1（SBSS）衛星的后續型號，填補能力空隙。洛馬公司也提出利用立方體衛星星座發展靜止軌道目標監視能力的構想（見圖5），設計了9星星座（目標24小時平均重訪率30%）和18星星座（目標24小時平均重訪率100%）兩種方案。

三、美國小衛星未來實戰化軍事應用分析

當前，小衛星軍事應用還處于“起步”階段，沒有脫離“實戰化”應用能力不足、應用領域有限的局面，也沒有完全從支持軍事作戰過渡到融入軍事作戰階段。但從長遠趨勢看，小衛星獲得廣泛軍事應用將是衛星技術發展和能力需求增長的必然結果。

1.應用能力進一步實戰化，從支撐作戰向融入作戰發展勢頭逐漸加速

一方面，美國國防部致力于“恢復ORS計劃”，繼續創新快響衛星軍事應用模式，發展面向作戰部隊的小衛星軍事應用能力，同時兼顧發展安全自主的快速響應發射技術。美國陸軍發展的1.5m分辨率成像偵察微納衛星即將在軌飛行驗證，高速率、超視距戰術通信衛星能力不斷升級。另一方面，美國已研制出具備視頻成像能力的小衛星平臺，小衛星視頻數據獲取能力將廣獲發展并取得應用。美國小衛星具備0.9米分辨率視頻采集能力，薩瑞美國公司發布星下點分辨率優于1m的全彩色視頻成像小衛星平臺。光學成像偵察小衛星視頻能力或將成主流配置，驅動未來天基ISR能力進一步完善，實現持續覆蓋、動態跟蹤與監視。

2．應用領域進一步全面化，從局部應用向全體系擴展已成為必然趨勢

未來小衛星軍事應用領域將進一步擴展，從當前有限的局部應用，向涵蓋各領域全體系應用方向發展。美軍已通過ORS計劃驗證發展了多光譜與可見光成像偵察能力，目前正推動研制ORS-2和ORS-5衛星，將小衛星軍事應用能力擴展至雷達成像偵察和空間目標監視應用。同時，在分散空間體系和“彈性”戰略驅動下，美軍為增強航天裝備體系抗毀能力，開始重視發展小衛星在導航、戰場環境監測、空間環境測量、空間態勢感知等領域的業務化應用能力，相繼啟動“空間環境納衛星試驗”（SENSE）、“作戰響應空間技術”（ORS Tech）等技術驗證衛星項目。未來，小衛星將逐步在這些應用領域完成裝備化部署。

3.應用軌道進一步立體化，立足低軌、邁向中高軌發展格局已露端倪

隨著應用需求增長和衛星能力提高，軍用小衛星將向中地球軌道和高地球軌道發展，并逐步實現業務應用。美國AFRL已與薩瑞公司簽訂合同，探索論證小衛星在提高GPS系統彈性、信號增強服務方面的潛力，將小衛星軍事應用擴展至MEO軌道；洛馬公司提出將立方體衛星融入高軌道空間態勢感知體系方案，正開展可行性論證與分析；Phoenix計劃第二階段任務繼續推進，預計將有大批微小型“細胞衛星”（satlet）發射進入高地球軌道。因此，未來小衛星軍事應用將遍布高、中、低不同軌道，應用軌道更趨立體化。

4.業務衛星進一步微型化，微納衛星將在軍事作戰中實現裝備化部署

一方面，50kg以下微納衛將逐步具備業務應用能力，尤其是10kg以下立方體衛星能力提升顯著。在美國國防部主導下，美軍開展“ORS使能者”（ORS Enabler）項目，評估10kg以下立方體衛星軍事作戰用途和實用效能。NRO也將納衛星視作未來重點發展方向，發起Colony計劃，探索以立方體衛星為代表的納衛星在國家偵察體系中的作用，重點關注平臺和超光譜相機等技術，推動實現軍用立方體衛星業務化應用。美國陸軍、海軍推出的戰術應用微納衛星將邁入在軌驗證階段，衛星能力和作戰概念將得到實際驗證，推動實現50kg以下小衛星的業務化應用。另一方面，美軍正探索論證利用小衛星部分替代大型衛星的可行性。2014年4月，千禧年空間系統公司完成美國空軍氣象衛星后續計劃方案論證，提出以重約180kg的天鷹座-M2（AQUILA-M2）小衛星平臺為基礎研制美軍下一代氣象衛星系統，軍用氣象衛星領域小衛星數量和能力貢獻占比將進一步加大。

四、結束語

美國小衛星軍事應用已取得諸多經驗，既有體系發展戰略思考和系統設計理念革新，也有衛星能力提升途徑和作戰應用模式流程，值得各方開展深入研究與思考。

1.扭轉慣性思維是基礎，小衛星軍事應用自成一派

美國提出以20%成本投入獲得80%能力的全新設計思想，明確小衛星軍事用的核心是瞄準短周期、高時敏戰術應用需求，為基層作戰部隊和低優先級用戶提供戰術支持能力。在這種設計思想驅動下，小衛星能力發展不過度追求高性能（如超高分辨率、大帶寬容量）、長壽命（設計壽命一般低于2年，如SeeMe衛星設計壽命僅45天）、高可靠（少做甚至不做單星冗余備份，一般以星座形式確保體系能力不降級）指標，而是聚焦發展好使夠用的軍事航天裝備，即滿足基層用戶的基本需求即可。衛星設計思維轉變是小衛星能夠面向軍事應用，發揮作戰支持能力的基礎。

2.創新技術體制是關鍵，全體系支撐實戰化應用能力

小衛星面向軍事應用提供作戰支持是一種全新作戰概念和作戰模式，需要創新綜合技術體系，提供從發射、衛星到地面應用的全鏈路能力支撐。

發展低成本快速響應發射系統，確保天基能力按需發射。小衛星提供作戰支持，必須解決低成本進入空間問題，提高衛星發射自動化和安全性水平。美國國防部ORS計劃研制“超級斯屆比”（Super Strypi）固體火箭、美國陸軍發展“士兵作戰響應空間部署器”（SWORDS）以及DARPA保留“空間進入機載發射輔助”（ALASA）小型火箭項目，均可見美國對低成本進入空間能力的重視。

小衛星系統設計以快速提升作戰信息支持能力為優先。美國注重提高成像偵察小衛星星上數據處理能力和信息分析能力，縮短原始圖像生成支持作戰的有價值信息的時間，避免大量無效信息下傳造成數傳能力浪費，提升戰術應用支持效能。如TacSat-3星載處理器就具備光譜數據分析、目標探測和標注能力，并可將這些有效信息提取以文本形式下傳至作戰用戶便攜終端。

地面系統注重便捷易用，強調與現有裝備集成。地面系統是連接衛星與作戰指揮官的樞紐。美國支持小衛星的地面系統采用標準化、開放式架構設計，強調與現有地面處理分發系統和終端裝備集成，避免另起爐灶，降低體系能力建設成本。

3.小衛星聚焦戰術應用，與大衛星構成完整航天體系

受平臺承載能力有限和有效載荷原理性瓶頸約束，小衛星性能無法比肩大衛星，發展小衛星并不能完全替代大衛星。小衛星與大衛星各有優勢，任務設計各有分工，二者共同構成完整的軍事航天裝備體系。大衛星具有長壽命、大功率、高可靠優勢，可以搭載數量眾多、機制多樣的有效載荷，能部署在高、中、低不同軌道提供綜合成像偵察、環境監測或中繼通信服務，并且具有任務擴展能力。小衛星則面向專業任務設計，具備任務定制和快速響應服務能力，并可以過星座組網或編隊飛行的方式彌補單星能力不足，滿足大尺度、全球化需求，在解決用戶專業應用、通信時延或分布式原位測量方面具有優勢。

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