日本“超低軌道技術試驗衛星”任務及應用

何慧東（北京空間科技信息研究所）

2017年12月23日，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）研制的“超低軌道技術試驗衛星”（SLATS）搭乘H－2A運載火箭從種子島航天中心發射升空，該衛星是世界首顆具有變軌能力的超低軌道衛星，將在軌驗證超低軌道高度保持、高分辨率對地觀測等一系列關鍵技術。超低軌道衛星技術能夠迅速增強戰場信息獲取能力，軍事應用潛力巨大。

1 任務概況

衛星基本情況

日本宇宙航空研究開發機構于2017年12月23日發射了SLATS衛星，該衛星將部署在高180～268km的軌道，用于驗證超低軌道高度保持技術，并利用小型光學遙感器開展高分辨率對地觀測，同時開展大氣低熱層探測，獲取大氣密度、原子氧密度等數據，研究原子氧對材料性能惡化的影響，為未來發展超低軌道衛星系統提供工程驗證。

SLATS衛星由日本宇宙航空研究開發機構設計、研制、發射和運管，三菱電機公司是衛星主承包商，負責與設計機構和供貨商的溝通和協調。衛星項目總經費34.15億日元（合3138萬美元），其中研制經費26億日元（合2389萬美元）。

SLATS衛星由平臺和有效載荷兩大部分組成。衛星展開尺寸2.5m×5.2m×0.9m，星體呈長條形，有利于減小超低軌道運行階段的阻力，同時使用了大太陽電池翼，通過調整姿態可改變橫截面積，調節飛行阻力，輔助進行軌道轉移。SLATS衛星整星質量400kg，功率大于1140W，設計壽命2年；采用三軸穩定控制，衛星控制器（SCU）集遙測/遙控、姿態/軌道控制、數據記錄和熱控等功能于一體；推進系統使用化學推進分系統（RCS）執行變軌任務，使用氙離子發動機（IES）執行超低軌道高度保持任務。

SLATS衛星搭載了3套有效載荷：氙離子發動機主要用于超低軌道高度保持和軌道機動；小型高分辨率光學遙感器（SHIROP）用于高分辨率對地成像；原子氧監控系統（AMO）包括原子氧測量遙感器（AOF）和材料性能惡化監控器（SMDM），分別用于在軌實時測量原子氧分布，以及監控原子氧作用下13種材料的性能變化。

任務基本情況

SLATS衛星任務為期2年，包括以下5個實施階段。

SLATS衛星結構圖

SLATS衛星系統組成

1）發射階段。利用H—2A運載火箭執行“一箭雙星”發射任務，首先將“全球變化觀測任務—碳循環”（GCOM-C）衛星發射進入高798km的太陽同步軌道；隨后火箭再次點火降低軌道，將SLATS衛星送入高530km的太陽同步軌道。

2）初始軌道控制階段。SLATS衛星入軌后進行初始軌道高度控制，利用化學推進系統在約1個月時間內將衛星軌道高度降至408km。

3）軌道轉移階段。通過調整衛星姿態增加大氣阻力，利用約1年時間將衛星緩慢轉移至268km的超低軌道。

4）超低軌道運行階段。衛星利用氙離子發動機進行超低軌道高度保持，分別在268km（運行31天）、250km（運行7天）、240km（運行7天）、230km（運行7天）、220km（運行31天）和180km（運行7天）的軌道驗證軌道高度保持技術，并開展對地觀測、空間環境探測、材料性能研究等一系列活動。

5）后期應用階段。超低軌道穩定運行階段結束后，衛星將進行為期180天的后期應用，根據燃料剩余情況進一步開展降軌或升軌試驗。

通過實施SLATS衛星任務，預期實現以下三大目標。

1）驗證超低軌道的軌道保持技術。200km軌道附近的大氣密度是600～800km太陽同步軌道的近1000倍，大氣阻力顯著增大，衛星運行軌道高度將難以保持。SLATS衛星利用高比沖氙離子發動機持續提供小推力，抵消大氣阻力的作用，并根據大氣阻力的變化持續調節推力，保證衛星在超低軌道長期穩定運行，軌道高度保持精度優于1km。

SLATS衛星任務軌道概況

2）開展超低軌道衛星高分辨率成像。超低軌道的大氣阻力和離子發動機的推力將引起衛星姿態擾動，造成相機成像模糊，對地觀測性能下降。SLATS衛星采用了高精度姿態控制系統，提升衛星指向精度和穩定度，降低擾動因素對成像效果的負面影響。同時，由于衛星運行在超低軌道，成像分辨率將顯著提高。

3）獲取環境數據，積累超低軌道衛星工程經驗。超低軌道衛星目前仍存在諸多基礎性問題尚未解決，大氣環境數據匱乏為任務帶來不確定性，軌道附近的原子氧易與衛星表面的抗輻射、耐高溫、耐低溫的隔熱材料發生反應，引起材料受損、性能惡化，導致衛星故障概率增大。SLATS衛星在軌實時測量大氣密度、原子氧密度等數據，修正大氣預測模型，能夠支持后續超低軌道衛星設計和軌道控制，同時開展抗原子氧材料研究和在軌試驗，可有效延長任務壽命，為未來超低軌道衛星實際應用積累基礎數據和工程經驗。

2 軍事應用潛力分析

以低成本方式實現高性能偵察

超低軌道通常是指在臨近空間以上，且低于300km高度的軌道。在超低軌道部署衛星，能夠大幅縮短成像距離，提升光學和雷達成像性能，利用小衛星搭載成像載荷即可達到目前世界領先的成像能力，衛星研制和發射成本也將大幅降低。對于光學成像系統，隨著軌道高度降低，衛星分辨率提升，當衛星使用相同的光學遙感器，運行在180km高度軌道的分辨率是在900km軌道的5倍。對于雷達成像系統，采用超低軌道設計方案可以顯著降低雷達功耗，提高成像分辨率和綜合觀測能力，實現成像載荷的小型化、輕型化。

變軌能力實現“平時普查”與“戰時詳查”應用

為滿足全球覆蓋和每日目標重訪的偵察需求，偵察衛星大多采用三星一組方式部署，同時要求具備大角度側擺能力。在單星部署的情況下，衛星回歸周期從數天至數十天不等，主要執行全球普查任務。268km的太陽同步回歸軌道是一條特殊的軌道，可實現衛星每天過頂特定地區，開展熱點地區高頻度詳查任務，軍事應用潛力巨大。以具備多次靈活變軌能力的SLATS衛星為例，平時可運行在高320km的太陽同步軌道，重訪周期5天，執行全球觀測任務；戰時利用大推力的化學推進分系統將衛星快速變軌至高268km的太陽同步回歸軌道，開展熱點地區每日定點偵察任務，以“平戰結合”的方式實現天基資產高效率利用。

靈活部署開展快速響應戰術支持

盡管超低軌道衛星具備成像分辨率高、回歸軌道可定點偵察的優勢，但由于大氣阻力大，衛星設計壽命通常不到半年，大規模應用受到限制。國外大多數超低軌道衛星在1970年前部署，開展短期對地觀測、空間科學、技術試驗任務，此后長期發展緩慢，2000年以后超低軌道衛星的代表是俄羅斯的超低軌道光學偵察衛星、歐洲的“重力場與穩態洋流探測器”（GOCE）等。隨著技術的進步，航天大國重視發展快速響應空間能力，超低軌道衛星快響應用潛力巨大，可組批研制超低軌道小衛星并地面封存，在緊急情況下快速發射部署，開展短期戰術支持任務。對于具備軌道保持能力的衛星，則可在超低軌道開展長期業務運行，進一步提升響應速度和實戰應用能力。

3 結束語

降低衛星運行軌道高度是除研發先進成像載荷之外，提升衛星成像能力的一個重要途徑。目前，超低軌道衛星技術尚未成熟，超低軌道小衛星平臺、電推進、防護材料等關鍵技術有待突破，提前進行技術儲備，對實現超低軌道衛星長期在軌運行，成倍提升成像能力具有積極意義。