深度 | 小衛(wèi)星技術典型軍事應用分析

目前航天領域裝備建設更加強調戰(zhàn)略性、時效性和靈活性，為有效實施太空戰(zhàn)略威懾、快速靈活反應和空天一體化軍事力量生成提供了重要保障。隨著微電子技術、快速發(fā)射、和衛(wèi)星模塊化等技術的發(fā)展成熟，現代小衛(wèi)星逐漸成為一支新的航天裝備隊伍。由于其高技術密集、高功能密集和高性價比，小衛(wèi)星產業(yè)迅速發(fā)展，并促使航天軍事應用發(fā)生深刻的變革。

近年來，全球小衛(wèi)星產業(yè)技術發(fā)展強勁，發(fā)射數量逐年大幅增長，從近十年各航天大國衛(wèi)星發(fā)射活動情況統(tǒng)計來看，小衛(wèi)星逐步成為世界航天活動的主要構成部分之一。據統(tǒng)計，從2013年開始，全球小衛(wèi)星發(fā)射數量呈爆發(fā)式增長態(tài)勢，2013年共成功發(fā)射小衛(wèi)星146顆，2014年，全球共成功發(fā)射小衛(wèi)星162顆，與2013年相比數量增 加了22.7％。2015年，全球共成功發(fā)射小衛(wèi)星149顆，由于火箭發(fā)射事故損失了小衛(wèi)星21顆，造成小衛(wèi)星數量較去年較少，但入軌小衛(wèi)星數量占同期入軌航天器總數從2013到2015年實現連續(xù)3年占比超過60％。

制太空權決定了?？盏绕渌茩?，航天裝備建設也更加突出隱蔽性和全球性。當前以美國為代表的航天強國在航天感知體系、信息支援以及作戰(zhàn)響應等領域更加強調力量資源的集成和融合。以小衛(wèi)星為代表的新型航天器的更能滿足新型空間力量的需求，同時現代小衛(wèi)星的額應用也進一步促進了作戰(zhàn)理念和作戰(zhàn)模式的改革。指揮鏈條的簡化、作戰(zhàn)手持終端顆直接參與決策，更進一步提升了空天一體化的作戰(zhàn)效能。

自美國國防部啟動“作戰(zhàn)響應空間”計劃以來，美軍以其為先導，輻射帶動了一大批面向軍事應用的小衛(wèi)星項目，驅動小衛(wèi)星業(yè)務化水平不斷提升。當前，小衛(wèi)星在戰(zhàn)場態(tài)勢感知、戰(zhàn)場通信、空間攻防等領域具備裝備化應用能力。

１、快速響應空間

最近的幾場局部戰(zhàn)爭使美國逐步意識到預警、偵察等空間力量在其戰(zhàn)術體系中重要的支撐作用，為進一步鞏固太空戰(zhàn)略優(yōu)勢，拓展太空偵察應用，美國國防部在2001年 首次提出了快速響應空間（operationally responsive space，ORS）的概念。

美國國防部在2005年提出了快速響應空間的發(fā)展戰(zhàn)略，并于2007年發(fā)布了給國防委員會的報告，報告中正式提出ORS發(fā)展的4個倡議，包括戰(zhàn)術衛(wèi)星（TacSat）、運載火箭、空間靶場以及臨近空間系統(tǒng)。

第一顆TacSat衛(wèi)星計劃于2016年3月發(fā)射，質量約150kg，屬于低分辨率成像衛(wèi)星，由美海軍研究試驗室研制，星上搭載紅外相機、戰(zhàn)術無線電信號識別系統(tǒng)、以及可見光相機等有效載荷，主要用于戰(zhàn)場觀測。由于火箭故障最終取消發(fā)射。TacSat-2衛(wèi)星質量約379kg，由研究實驗室研制，主要用于可見光成像，現已失效。TacSat-3衛(wèi)星質量為396kg，主要利用海洋數據遙測微衛(wèi)星鏈路驗證星上實時數據處理能力，利用超光譜成像儀進行隱蔽目標的探測，目前已失效。TacSat-4衛(wèi)星2011年發(fā)射，屬于通信試驗衛(wèi)星，主要用于驗證超視距通信以及數據中繼服務，目前在軌服務。

除戰(zhàn)術衛(wèi)星外，美軍還開展了作戰(zhàn)響應空間衛(wèi)星計劃，該計劃包括4顆ORS衛(wèi)星。2011年6月ORS-1和ORS-2衛(wèi)星發(fā)射升空，屬于成像小衛(wèi)星，主要為阿富汗和 其他戰(zhàn)場提供高分辨率偵察圖像，目前仍在軌服務。此外，ORS-3和ORS-4衛(wèi)星也在2013年發(fā)射，目前主要用于技術驗證。 快速響應空間項目是美空間戰(zhàn)術應用的最早項目之一，前期高度重視，但由于對項目的認識不統(tǒng)一、衛(wèi)星在軌時長與作戰(zhàn)需求能力不匹配以及發(fā)射上的短板等問題導致目前項目經費在逐步縮減。但ORS項目進行中發(fā)展起來的小衛(wèi)星技術、軌道重復使用技術、分離模塊航天器以及作戰(zhàn)模式的更新對新的小衛(wèi)星發(fā)展和應用起到了很好的支撐作用。 

2、SeeMe項目

美國國防先進研究計劃局（DARPA ）在2012年提出 了“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”（SeeMe，space enabled effects for military engagements）項目發(fā)展計劃。該項目主要通過手持設備為海外以及超視距戰(zhàn)場作戰(zhàn)人員提供態(tài)勢感知圖像，力求作戰(zhàn)人員在90min內收到精確位置的衛(wèi)星圖像。與傳統(tǒng)的中高軌偵察大衛(wèi)星相比，SeeMe項目從一個新的角度來看待天基衛(wèi)星偵察問題，通過短尋訪周期可按需操作的衛(wèi)星星座部署來發(fā)送戰(zhàn)場態(tài)勢信息。該項目設計采用空基發(fā)射的方式，90d之內完成24顆衛(wèi)星的星座部署，單顆衛(wèi)星質量約50kg，軌道高度200～350km，掃 描幅度為±10°。項目綜合考慮軌道高度、成像精度、衛(wèi)星壽命和重防周期等多種因素。該項目作戰(zhàn)支撐體系如圖1所示。

快速響應空間項目實施過程中就驗證了小衛(wèi)星進行通信和數據中繼的能力，在2012年TacSat-4衛(wèi)星發(fā)射使用中，衛(wèi)星搭載了UHF通信轉發(fā)器，目的是為戰(zhàn)區(qū)提供特高頻頻段“動中通”業(yè)務以及海上浮標數據采集等。該衛(wèi)星主要利用了衛(wèi)星橢圓軌道的特點，可以針對特定戰(zhàn)區(qū)進行持續(xù)性通信，戰(zhàn)術目標是持續(xù)通信時間4h。

另外一個小衛(wèi)星軍事通信的典型應用是美軍的“空間與導彈防御司令部－作戰(zhàn)納衛(wèi)星效用（SMDC-ONE）”衛(wèi)星。第一代SMDC-ONE衛(wèi)星于2010年10月發(fā)射成功，共兩顆，屬于立方體衛(wèi)星，該項目是美軍為演示驗證低成本小型通信衛(wèi)星星座組網而設計，主要通過無人中繼臺站進行超視距數據傳輸。該衛(wèi)星項目有兩種運行模式：一種是戰(zhàn)場人員將數據發(fā)送到地面無人值守傳感器，然后通過衛(wèi)星中繼至指揮部；另外一種是戰(zhàn)場人員直接發(fā)送指令或者信息到衛(wèi)星，進行數據請求或者衛(wèi)星任務調度。

在2015年10月，美軍發(fā)射了該項目升級版衛(wèi)星3顆，這3顆衛(wèi)星屬于3U立方體衛(wèi)星，單顆造價在50萬美元。與上一代衛(wèi)星相比，升級版的數據傳輸效率增加了5倍，并增加了軌道機動能力，使衛(wèi)星組網星座構型保持更加穩(wěn)健。

隨著太空技術的快速發(fā)展，在太空軍事應用領域，空間態(tài)勢感知對于提高太空軍事效率，應對空間威脅、確?？臻g安全，增強目標確認、毀傷評估以及空間環(huán)境的監(jiān)測預報起到了極大的推動作用，近年來受到各個航天大國高度重視和發(fā)展。天基目標監(jiān)視系統(tǒng)覆蓋范圍廣、近距監(jiān)測能力強，具有全天時、全天候監(jiān)視的特點，有效彌補了地基監(jiān)視系統(tǒng)的不足。目前天基空間目標監(jiān)視主要包括不同軌道高度的空間目標監(jiān)視衛(wèi)星、空間環(huán)境探測衛(wèi)星、預警衛(wèi)星等。

隨著微電子、即插即用等技術的發(fā)展，微小衛(wèi)星在空 間目標監(jiān)視中的作用逐漸凸顯，21世紀初美國和加拿大等國就進行了空間望遠鏡技術驗證項目。比較典型的空間目標監(jiān)視項目包括：加拿大MOST項目、Sapphire衛(wèi) 星、NEOSSat衛(wèi)星，歐洲的UNISAT-5項目，美國的J-MAPS項目、STARE項目、GSSAP項目等。下面以加拿 大的Sapphire衛(wèi)星和美國的GSSAP項目為例，分析典型的小衛(wèi)星空間目標監(jiān)視項目。

Sapphire衛(wèi)星是加拿大首顆軍事空間監(jiān)視衛(wèi)星，2013年發(fā)射，整星質量約為50kg，搭載空間可見光相機，主要探測距離6000～40000km的空間飛行器。該衛(wèi)星與美國的空間目標監(jiān)視網共同運行，可同時跟蹤探測6～15顆空間目標。Sapphire衛(wèi)星的工作流程相比前幾代衛(wèi) 星更加系統(tǒng)化、規(guī)范化。首先由衛(wèi)星操作中心和國防部共同制定觀測計劃需求，以確定衛(wèi)星相機指向，衛(wèi)星調度機構接收到觀測計劃后形成指令文件，由地面站將指令上傳到衛(wèi)星；Sapphire衛(wèi)星接到指令后，按照計劃調姿、控制傳感器指向，并將獲得的圖像下傳至地面站；由衛(wèi)星處理與調度機構進行目標的精確測量與數據處理。

地球同步軌道衛(wèi)星主要是預警衛(wèi)星、通信衛(wèi)星以及部分導航和環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星，共約600顆。同步軌道具有很大的對地觀測和通信范圍，而且軌位具有唯一性，各航天大國對同步軌道軌位的爭奪和搶占一直比較激烈。為更好進行同步軌道衛(wèi)星的監(jiān)視和跟蹤，美國空軍空間司令部著手開發(fā)了地球同步軌道空間態(tài)勢感知計劃（geosynchronous space situational awareness program，GSSAP）。與中低軌衛(wèi)星監(jiān)視相比，地球同步軌道衛(wèi)星空間感知項目的情報搜集能力是前者的600倍。 

GSSAP-1和GSSAP-2衛(wèi)星于2014年7月搭載Delta IVM+（4，2）火箭發(fā)射升空。2015年10月，美國空軍宣布兩顆GSSAP衛(wèi)星已于9月29日完成在軌測試，獲得初始運行能力。在2016年8月19日，GSSAP-3和GSSAP-4兩顆衛(wèi)星也發(fā)射成功，GSSAP項目計劃的4顆衛(wèi)星目前均在軌正常運行。

GSSAP衛(wèi)星由軌道科學公司建造，主要載荷包括光電傳感器和探測設備，運行軌道在近地球同步軌道，在執(zhí)行監(jiān)視任務時，在地球同步帶上下機動。GSSAP衛(wèi)星通過軌道相對漂移獲得監(jiān)視目標的圖像信息，根據其任務設定也可近距離探測目標的三維屬性及高清視圖，甚至可進行目標的撞毀等。

在空間對抗領域，主要是利用小衛(wèi)星進行目標的探測、在軌操作，以及利用機械臂等手段進行衛(wèi)星捕獲和重組。早在2006年美國就發(fā)射了2顆“微衛(wèi)星技術試驗”（MiTEｘ）衛(wèi)星，試驗了地球同步軌道監(jiān)視任務和目標抵近技術，驗證了小衛(wèi)星進行在軌操作的軍事利用潛能。 2008年底，美軍利用 MiTEｘ衛(wèi)星對導彈預警衛(wèi)星進行巡視，演示了近距交匯能力，暴露了其軍事用途。

另一項最具代表的空間捕獲重組小衛(wèi)星應用是美國的“鳳凰”計劃。2011年，美國國防高級研究計劃局開展了“鳳凰”項目立項，利用母星攜帶小衛(wèi)星進入預定軌道，利用機械臂等設備抓捕并切割衛(wèi)星部件?！傍P凰”計劃第一階段重點進行可行性論證，對細胞機器人以及子衛(wèi)星進行論證，該階段已在2014年10實施。第二階段主要是對“鳳凰”計劃關鍵技術進行研究攻關，主要包括空間機器人、“細胞衛(wèi)星”、“軌道交付系統(tǒng)”等，并在2015年成功完 成“細胞衛(wèi)星”（Satlets）關健技術首次在軌飛行驗證。“細胞衛(wèi)星”總質量約50kg，標志著 “鳳凰”計劃關鍵技術已邁人實質性驗證段。

近年來，我國對于航天事業(yè)支持力度不斷加大，在軍事應用方面也取得了新的突破，微小衛(wèi)星的生產應用也取得了長足進步。但發(fā)展過程中也暴露出一些急需解決的問題，主要表現在以下三個方面：一是微小衛(wèi)星關鍵技術快速發(fā)展，但尚未形成體系化，沒有形成發(fā)展合力；二是運載技術發(fā)展相對于小衛(wèi)星技術滯后，影響了小衛(wèi)星產業(yè)鏈形成與發(fā)展；三是小衛(wèi)星軍事應用方面受體制限制沒有得到有效集成，軍民融合體系還不夠完善。

借鑒國外航天強國的小衛(wèi)星發(fā)展經驗，為我國發(fā)展小衛(wèi)星產業(yè)及軍事應用提出以下三點建議。

軍民融合是世界航天發(fā)展的必然趨勢，代表了航天發(fā)展的發(fā)達程度。美、俄等主要國家在長期的航天發(fā)展過程中不斷摸索，逐漸尋找到了符合自身國情的航天軍民融合道路。

結合我國實際，在小衛(wèi)星軍民融合發(fā)展過程中首先要綜合考慮軍用、民用和商業(yè)市場的綜合需求，在國家層面統(tǒng)一規(guī)劃制定小衛(wèi)星技術發(fā)展和產業(yè)應用的型譜目錄以及相關標準和政策法規(guī)；其次是政策扶持、有效利用民用市場經濟優(yōu)勢，建立軍方采購模式。

隨著微小衛(wèi)星的數量逐年猛增，“星多站少”的問題愈發(fā)突出。現有地面系統(tǒng)的資源和信息無法共享，造成了衛(wèi)星測控應用效率較低，不能滿足衛(wèi)星的測控需求。未來微納衛(wèi)星的發(fā)展，要充分發(fā)揮衛(wèi)星組網、系統(tǒng)運行、全球資源共享的優(yōu)勢，既可以實現衛(wèi)星工作效率、工作范圍及信息的時效性的大幅提升，同時也可以避免重復投資，充分發(fā)揮航天系統(tǒng)和測控網的利用率和效益。 

在國內，要健全軍民資源互通共享機制，完善軍民通用衛(wèi)星測控運控技術標準；在國際要借鑒國際空間數據系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）的辦法，促進衛(wèi)星運控與數據接收的國際合作，通過采用該標準的數據結構和信息傳輸體制，單個測控站可以滿足多個星座、不同用戶的測控要求，同時適應多用戶、多數據類型的任務，便于實現國際測控資源的交互支持。

隨著微小衛(wèi)星產業(yè)的迅猛發(fā)展，數量激增，與之匹配的發(fā)射問題日益凸顯。受發(fā)射場和發(fā)射窗口制約，商業(yè)發(fā)射機會少，協(xié)調及等待周期長，存在延期等不確定性。同時，發(fā)射價格高，低成本小型運載工具發(fā)展不充分，都成為限制微小衛(wèi)星發(fā)展的瓶頸問題。 

就國內而言，尚未建成商業(yè)化運作發(fā)射場，存在著發(fā)射機會少、發(fā)射審批流程復雜及周期較長、市場和價格體系不規(guī)范等問題。要解決這一問題首先是要加快小型運載工具的研制以及一箭超多星等技術的發(fā)展，加強運載技術的研發(fā)；其次是要精簡發(fā)射申請手續(xù)，優(yōu)化發(fā)射審批流程，甚至有必要建立一套專門針對微小衛(wèi)星的快速響應機制，以適應微小衛(wèi)星快速發(fā)射的特殊需求。

軍事、經濟、技術等諸多因素促使以美國為代表的航天強國持續(xù)不斷地發(fā)展微小衛(wèi)星項目，并逐步擴展到各類軍事應用領域。本文對小衛(wèi)星項目在戰(zhàn)場態(tài)勢感知、軍事通信、天基目標監(jiān)視以及空間對抗等領域的典型應用進行分析，結合我國現狀提出了發(fā)展建議，希望能夠為我國開展基于小衛(wèi)星的太空技術研發(fā)提供一定的參考。