國(guó)外典型立方體衛(wèi)星的軍事應(yīng)用及啟示

賈平（中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

國(guó)外典型立方體衛(wèi)星的軍事應(yīng)用及啟示

賈平（中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

近年來，美、歐、日等國(guó)家或組織的立方體衛(wèi)星已從演示驗(yàn)證和教學(xué)科研，發(fā)展到初期功能應(yīng)用階段，并開始探索挖掘立方體衛(wèi)星的軍事航天能力。

立方體衛(wèi)星采用商業(yè)現(xiàn)貨部件和標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)，研制發(fā)射成本低、周期短。相較于其他小衛(wèi)星，立方體衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化等優(yōu)勢(shì)使其更利于空間演示驗(yàn)證。通過驗(yàn)證后可直接轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作任務(wù)，綜合成本更低，效率更高，而且發(fā)射靈活，可快速組網(wǎng)。因?yàn)槠渫ǔ＿\(yùn)行在低地球軌道（LEO），立方體衛(wèi)星分布式空間體系可同時(shí)獲得較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率，可在戰(zhàn)術(shù)偵察與通信、空間態(tài)勢(shì)感知等方面發(fā)揮重要作用。美國(guó)國(guó)家偵察局（NRO）啟動(dòng)“集群”（Colony）計(jì)劃，研制通用軍用立方體衛(wèi)星平臺(tái)，用于驗(yàn)證情報(bào)、監(jiān)視與偵察（lSR）等關(guān)鍵載荷技術(shù)。目前，已發(fā)射入軌的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知、戰(zhàn)術(shù)通信和空間態(tài)勢(shì)感知等立方體衛(wèi)星，雖然均處于演示驗(yàn)證階段，但未來將實(shí)現(xiàn)裝備化運(yùn)營(yíng)。

隨著空間即插即用、微型集成化電子等技術(shù)的發(fā)展，利用立方體衛(wèi)星的上述優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，補(bǔ)充當(dāng)前以大衛(wèi)星為主的空間網(wǎng)絡(luò)，開始成為低成本發(fā)展軍事航天能力的途徑之一。通過典型項(xiàng)目分析國(guó)外立方體衛(wèi)星的軍事應(yīng)用，提前謀劃布局，對(duì)我國(guó)是否利用及如何利用立方體衛(wèi)星，以及增強(qiáng)現(xiàn)有軍事航天能力，都具有借鑒意義。

1　可用于軍事的典型立方體衛(wèi)星

未來，立方體衛(wèi)星以分布式空間體系形式應(yīng)用，可實(shí)時(shí)感知戰(zhàn)場(chǎng)和偏遠(yuǎn)地區(qū)的態(tài)勢(shì)，幫助作戰(zhàn)人員及時(shí)做出正確決策；極大提高空間網(wǎng)絡(luò)的可靠性，即使部分衛(wèi)星被摧毀，也能以較低成本快速發(fā)射補(bǔ)網(wǎng)。正在演示驗(yàn)證的立方體衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)具有逼近、操作、對(duì)接等能力，不僅能用于在軌機(jī)動(dòng)補(bǔ)充缺失軌位，還可作為空間攻防使能技術(shù)，執(zhí)行在軌偵察、守衛(wèi)主星、清除其他衛(wèi)星等任務(wù)。未來，立方體衛(wèi)星戰(zhàn)術(shù)支持技術(shù)一旦實(shí)用化，將有可能變革軍用衛(wèi)星的設(shè)計(jì)理念、體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)行管理、研制和發(fā)射模式。

戰(zhàn)術(shù)偵察：“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”

2012年3月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）提出“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”（SeeMe）戰(zhàn)術(shù)偵察衛(wèi)星項(xiàng)目，延續(xù)了“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”（ORS）的發(fā)展思路，以27U立方體衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)低成本、高效地對(duì)10°（S）～10°（N）區(qū)域的持續(xù)覆蓋，具有0.75～1.2m的空間分辨率?！疤岣哕娛伦鲬?zhàn)效能的空間系統(tǒng)”將為美國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)或超視距環(huán)境下面向最低作戰(zhàn)單元（士兵）用戶命令外發(fā)數(shù)據(jù)，通過智能終端按需近實(shí)時(shí)戰(zhàn)術(shù)成像。最低作戰(zhàn)單元采用智能移動(dòng)終端定位目標(biāo)區(qū)域位置后，發(fā)送直接指令至衛(wèi)星，快速在目標(biāo)區(qū)域響應(yīng)成像，并通過終端快速接收近實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)，從向衛(wèi)星提出偵察需求到接收偵察數(shù)據(jù)，用時(shí)不到90min，免除戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)從指揮部傳遞到最低作戰(zhàn)單元的過程。

該項(xiàng)目2014年完成了原型樣機(jī)硬件對(duì)用戶終端的無線電上行和下行鏈路的現(xiàn)場(chǎng)演示，進(jìn)行了功能和環(huán)境試驗(yàn)，并建立了具有高容量、低成本衛(wèi)星生產(chǎn)能力的首個(gè)太空工廠。目前，雷神公司（Raytheon）已將首顆“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”交付美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局，并計(jì)劃于2016年搭載獵鷹-9（Falcon-9）火箭入軌。

“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”為美軍發(fā)展軍用作戰(zhàn)小衛(wèi)星成像偵察能力做了技術(shù)儲(chǔ)備，開啟了應(yīng)用立方體衛(wèi)星從戰(zhàn)略向戰(zhàn)術(shù)成像拓展的新型偵察發(fā)展和應(yīng)用模式，填補(bǔ)了利用大型偵察衛(wèi)星獲取圖像數(shù)據(jù)的能力空缺。此外，千年空間系統(tǒng)公司（Millennium Space Systems）擬以50萬美元的價(jià)格出售“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”衛(wèi)星平臺(tái)，可在收到訂單后的90天內(nèi)交付。該衛(wèi)星平臺(tái)在價(jià)格及交付時(shí)間方面的突破，將創(chuàng)造新的商業(yè)模式空間，使超低價(jià)星座任務(wù)成為可能。

戰(zhàn)術(shù)通信：“空間與導(dǎo)彈防御司令部-作戰(zhàn)納衛(wèi)星效用”

2010年10月，美軍以“一箭多星”搭載發(fā)射方式部署了2顆3U立方體衛(wèi)星“空間與導(dǎo)彈防御司令部-作戰(zhàn)納衛(wèi)星效用”（SMDC-ONE）。這2顆衛(wèi)星是美國(guó)陸軍空間與導(dǎo)彈防御司令部（SMDC）的驗(yàn)證衛(wèi)星，采用了“集群”衛(wèi)星平臺(tái)，是基于小型通信衛(wèi)星星座演示快速設(shè)計(jì)和研制軍用低成本航天器能力的技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目，通過中繼無人臺(tái)站數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)戰(zhàn)術(shù)“超視距”（BLOS）通信。該項(xiàng)目首要目標(biāo)是從地面發(fā)射機(jī)［無人值守傳感器（UGS）］接收數(shù)據(jù)，通過“空間與導(dǎo)彈防御司令部-作戰(zhàn)納衛(wèi)星效用”將數(shù)據(jù)中繼至地面站［作戰(zhàn)場(chǎng)景-1（OV-1）］；次要目標(biāo)是將實(shí)時(shí)音頻與文本信息數(shù)據(jù)從一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（戰(zhàn)術(shù)終端）中繼至另一個(gè)無線電系統(tǒng)［作戰(zhàn)場(chǎng)景-2（OV-2）］。2012-2013年，共發(fā)射了4顆“空間與導(dǎo)彈防御司令部-作戰(zhàn)納衛(wèi)星效用”衛(wèi)星。

“空間與導(dǎo)彈防御司令部-作戰(zhàn)納衛(wèi)星效用”的地面站有2種運(yùn)行模式：一是指揮控制（C2）模式，二是無人值守傳感器模式。大多數(shù)地面站職能皆可通過指揮控制模式實(shí)現(xiàn)，允許用戶搜集衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)、發(fā)送任務(wù)請(qǐng)求、檢索中繼數(shù)據(jù)，以及提取地面?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)。指揮控制模式中，地面站以手工或自動(dòng)腳本指令的形式發(fā)起與過頂衛(wèi)星間的通信，這種模式中的典型操作包括向衛(wèi)星請(qǐng)求信息或調(diào)度衛(wèi)星運(yùn)行，是一種衛(wèi)星任務(wù)分配模式；無人值守傳感器模式要求一個(gè)地面站作為指揮控制任務(wù)分配代理，另一個(gè)地面站僅作為被動(dòng)的數(shù)據(jù)寄主，供過頂衛(wèi)星從中讀取數(shù)據(jù)。無人值守傳感器模式中，所有衛(wèi)星與地面站的通信皆由衛(wèi)星發(fā)起。

美國(guó)“空間與導(dǎo)彈防御司令部-作戰(zhàn)納衛(wèi)星效用”運(yùn)行方案UGS-無人值守傳感器；C2-指揮控制模式；OV-1-作戰(zhàn)場(chǎng)景-1；OV-2-作戰(zhàn)場(chǎng)景-2；UHF-特高頻

空間態(tài)勢(shì)感知：“可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡”

美國(guó)利用現(xiàn)有空間監(jiān)視網(wǎng)數(shù)據(jù)推算出來的地球靜止軌道（GEO）空間目標(biāo)定位精度只達(dá)到1000m，空間碰撞預(yù)警的準(zhǔn)確率非常低，無法滿足需求。

張錯(cuò)不同意論者認(rèn)為這首詩是“濁世的哀音”的論調(diào)，指出，“如果我們能仔細(xì)觀看這首沒有平民精神及社會(huì)價(jià)值的《尺八》，則不難發(fā)覺這‘濁世的哀音’正是中國(guó)近代抒情傳統(tǒng)里最優(yōu)美的聲音?！盵注]張錯(cuò)：《抒情詩的近代傳統(tǒng)》，《從莎士比亞到上田秋成》，臺(tái)北：聯(lián)經(jīng)出版事業(yè)公司，1989年，第247頁。接著，張錯(cuò)以精細(xì)的文本細(xì)讀來說明他的這個(gè)判斷，他認(rèn)為：

“可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡”（STARE）項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)家偵察局發(fā)起，海軍研究生院（NPS）與勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）負(fù)責(zé)研發(fā)。通過部署3U立方體衛(wèi)星星座執(zhí)行空間態(tài)勢(shì)感知任務(wù)，以期增加感知敏感度和重訪率，迅速察覺目標(biāo)變軌情況，提升天基監(jiān)視網(wǎng)的準(zhǔn)確性。具體目標(biāo)包括：聯(lián)合美國(guó)空軍太空司令部（AFSPC）的目錄分析，觀測(cè)預(yù)計(jì)經(jīng)由重要太空資產(chǎn)的物體；將拍攝的目標(biāo)圖像和位置傳輸?shù)降孛妫痪瘴矬w的軌道參數(shù)，降低位置評(píng)估的不確定性，提升聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心（JSpOC）的分析精度，從而提升天基監(jiān)視網(wǎng)（SSN）的能力。擬將GEO空間目標(biāo)的定位精度提高到100m，大幅降低空間碰撞誤報(bào)率。

“空間與導(dǎo)彈防御司令部-作戰(zhàn)納衛(wèi)星效用”項(xiàng)目的第一階段仍進(jìn)行技術(shù)演示驗(yàn)證，但技術(shù)成熟度已經(jīng)達(dá)到7級(jí)，于2012年和2013年已分別部署了“探路者”（Pathfinder）立方體衛(wèi)星的可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡-A和B，第3顆可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡-C尚未部署；第二階段即任務(wù)演示驗(yàn)證階段，將再發(fā)射5顆衛(wèi)星進(jìn)行任務(wù)驗(yàn)證，總共至少部署18顆太陽同步軌道（SSO）衛(wèi)星星座；第三階段即運(yùn)行階段，將星座轉(zhuǎn)交用戶，可能是軍方、政府或私營(yíng)部門。任務(wù)運(yùn)行過程：①在利用美國(guó)空軍太空司令部目錄實(shí)施關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)上，觀測(cè)即將接近太空資產(chǎn)的目標(biāo)；②向地面?zhèn)鬏斢^測(cè)圖像和觀測(cè)位置；③細(xì)化太空目標(biāo)的軌道參數(shù)，以減少位置評(píng)估的不確定性，提高關(guān)聯(lián)分析精確度；④告知太空資產(chǎn)運(yùn)行者可能發(fā)生的碰撞；⑤將太空資產(chǎn)轉(zhuǎn)移到安全軌道內(nèi)。

“可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡”地面運(yùn)行模式NPS-海軍研究生院；USU-猶他州立大學(xué)；UH-夏威夷大學(xué)；AFlT-空軍技術(shù)研究院；MC3-衛(wèi)星專用地面站

“可操作精化星歷表天基望遠(yuǎn)鏡”采用與“中段太空實(shí)驗(yàn)”（MSX）任務(wù)中“天基可視”（SBV）望遠(yuǎn)鏡以及“天基空間監(jiān)視系統(tǒng)”（SBSS）任務(wù)相同的“恒星跟蹤”運(yùn)行模式。只有一個(gè)位于海軍研究生院的采用“集群”平臺(tái)的衛(wèi)星專用地面站（MC3）與“空間與導(dǎo)彈防御司令部-作戰(zhàn)納衛(wèi)星效用”衛(wèi)星通信，該地面站每天傳輸2min，9600bit數(shù)據(jù)量。衛(wèi)星專用地面站通過廣域網(wǎng)連接多個(gè)政府和大學(xué)節(jié)點(diǎn)，分發(fā)衛(wèi)星搜集的數(shù)據(jù)；由用戶輸入指令安排；衛(wèi)星通過某節(jié)點(diǎn)上方時(shí)，將通過通用地面架構(gòu)（CGA）軟件自動(dòng)分配網(wǎng)絡(luò)資源跟蹤和傳遞數(shù)據(jù)/指令；美國(guó)國(guó)家偵察局立方體衛(wèi)星項(xiàng)目辦公室建議海軍研究生院負(fù)責(zé)控制衛(wèi)星專用地面站，協(xié)調(diào)所有安裝在各所大學(xué)的衛(wèi)星專用地面站節(jié)點(diǎn)。目前采用的模式為網(wǎng)絡(luò)模式：搜集的數(shù)據(jù)及用戶指令請(qǐng)求上傳至海軍研究生院批準(zhǔn)，通過網(wǎng)絡(luò)分派。未來將實(shí)現(xiàn)單機(jī)模式：由用戶安排數(shù)據(jù)與指令傳遞。

空間對(duì)抗：“立方體衛(wèi)星逼近操作演示驗(yàn)證”

“立方體衛(wèi)星逼近操作演示驗(yàn)證”（CPOD）任務(wù)將利用2顆3U立方體衛(wèi)星演示驗(yàn)證交會(huì)、逼近操作與對(duì)接技術(shù)。該任務(wù)將對(duì)若干微型化、低功率航天電子技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證與表征，將演示驗(yàn)證2顆小衛(wèi)星保持確定相對(duì)位置的能力（定位能力），以及利用成像傳感器和多發(fā)動(dòng)機(jī)冷氣推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行精確繞飛和對(duì)接的能力。

發(fā)射后，2顆立方體衛(wèi)星將被同時(shí)釋放入軌并接受檢查，以確保具有良好的作業(yè)和機(jī)動(dòng)能力。每顆衛(wèi)星將使用自身的“天對(duì)地”數(shù)據(jù)鏈傳輸另一顆衛(wèi)星的視覺圖像，衛(wèi)星內(nèi)部數(shù)據(jù)鏈將在2顆衛(wèi)星間共享“全球定位系統(tǒng)”（GPS）和其他數(shù)據(jù)。衛(wèi)星將利用星上處理器以及制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）飛行軟件，自動(dòng)執(zhí)行多次逼近操作試驗(yàn)。利用星上導(dǎo)航系統(tǒng)，立方體衛(wèi)星可以圍繞另一顆立方體衛(wèi)星實(shí)施一系列繞飛機(jī)動(dòng)，以驗(yàn)證并表征傳感器系統(tǒng)。完成這些機(jī)動(dòng)后，2顆衛(wèi)星將靠近并利用特殊裝置進(jìn)行對(duì)接。整個(gè)任務(wù)期間，可能嘗試多次對(duì)接機(jī)動(dòng)。

美國(guó)“光帆”衛(wèi)星在軌飛行示意圖

此外，繩系立方體衛(wèi)星［“多用途可生存系繩驗(yàn)”（MAST）衛(wèi)星、“繩系衛(wèi)星”（Tethersat）、“太空系繩自主機(jī)器人衛(wèi)星”（STARS）］、太陽帆立方體衛(wèi)星［“立方帆”（CubeSail）、“光帆”（LightSail）］采用的空間對(duì)抗使能技術(shù)，亦可用于進(jìn)攻性空間對(duì)抗。

2　幾點(diǎn)啟示

美國(guó)開始利用立方體衛(wèi)星增強(qiáng)軍事航天能力

（1）增強(qiáng)低成本空間快速響應(yīng)能力

（2）提升天基監(jiān)視網(wǎng)的定位精度，增強(qiáng)現(xiàn)有空間監(jiān)視能力

利用立方體衛(wèi)星星座增加感知敏感度和重訪率，將GEO空間目標(biāo)定位精度從1000m提升至100m，迅速察覺在軌目標(biāo)變軌情況，提高空間碰撞預(yù)警的準(zhǔn)確率，提早轉(zhuǎn)移保護(hù)空間資產(chǎn)。

（3）提高實(shí)時(shí)戰(zhàn)術(shù)通信與戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力

目前已研發(fā)部署的衛(wèi)星無法按需向最低作戰(zhàn)單元提供戰(zhàn)場(chǎng)圖像，也無法在偏遠(yuǎn)地區(qū)提供實(shí)時(shí)通信。美國(guó)研究利用立方體衛(wèi)星星座的低成本、高重訪率，提高最低作戰(zhàn)單元的按需、實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力和偏遠(yuǎn)地區(qū)通信能力。

國(guó)外通過立方體衛(wèi)星演示驗(yàn)證各種空間對(duì)抗使能技術(shù)

立方體衛(wèi)星的小尺寸、模塊化、低成本等特點(diǎn)，使其更適合演示驗(yàn)證新技術(shù)，演示驗(yàn)證是立方體衛(wèi)星發(fā)展的初始用途之一，也仍將是未來的主要用途之一。國(guó)外通過立方體衛(wèi)星演示驗(yàn)證的空間繩系電推進(jìn)、太陽帆推進(jìn)、交會(huì)對(duì)接等技術(shù)，可用來清除太空垃圾和攻擊他國(guó)太空資產(chǎn)。

美歐開始制定立方體衛(wèi)星管理規(guī)范應(yīng)對(duì)大規(guī)模發(fā)射帶來的問題

目前，立方體衛(wèi)星發(fā)展主要面臨以下幾方面問題：①多數(shù)立方體衛(wèi)星無離軌機(jī)動(dòng)能力，大規(guī)模發(fā)射入軌將造成軌道交通擁堵；②通信以業(yè)余無線電頻率為主，易對(duì)其他空間資產(chǎn)造成通信干擾；③缺乏包括對(duì)軌道、通信許可等規(guī)定的統(tǒng)一和成熟的管理規(guī)范。無論對(duì)于軍用衛(wèi)星還是民用衛(wèi)星，這些均是亟需解決的重要問題。目前，只有美國(guó)和英國(guó)于近年制定了相關(guān)指南和管理草案，但尚不完善。2012年11月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）將會(huì)議商討的立方體衛(wèi)星獲取許可證相關(guān)規(guī)定收錄在《小衛(wèi)星許可證獲取指南》中。2015年6月，英國(guó)發(fā)布《立方體衛(wèi)星管理建議》草案，針對(duì)立方體衛(wèi)星的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化審批流程，對(duì)統(tǒng)一發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)、平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)、軌道高度與推力器等要求，提出了8條建議。

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