微納電子偵察衛(wèi)星發(fā)展淺析

王利偉，林鯤鵬，洪　源，夏宇垠

(1. 中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007；2.北京衛(wèi)星導航中心,北京 100094)

0　引言

信息化進程的不斷推進，數(shù)量龐大、體制復雜、種類多樣的電子設備和信息化裝備在軍事領域的廣泛應用，使得戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復雜[1-3]。電子對抗是信息化戰(zhàn)場中雙方爭奪“制電磁權(quán)”的主要作戰(zhàn)方式，其中,以各種陸基、?；?、空基、天基平臺為依托實施電子偵察是戰(zhàn)場電磁態(tài)勢感知和電子情報獲取的核心手段[4]。

近年來，隨著微電子、微機電、新材料、納米等技術的飛速發(fā)展，微納衛(wèi)星以一種全新的概念、嶄新的設計思想成為衛(wèi)星技術的研究熱點。與傳統(tǒng)的衛(wèi)星相比，微納衛(wèi)星具有研制成本低、周期短、發(fā)射快速、機動靈活、性價比和功能密度高等優(yōu)勢，已經(jīng)在通信、遙感、導航、新技術科學實驗和深空探測等領域得到了迅速發(fā)展和廣泛應用[5-8]。微納衛(wèi)星可以滿足戰(zhàn)術應用中快速響應、協(xié)同組網(wǎng)、快速部署等要求，因此在情報偵察、目標探測和監(jiān)視等方面具有廣闊的應用前景。在這樣的背景下，微納電子偵察衛(wèi)星的概念也隨之形成[9-11]，并成為航天電子偵察下一階段的重要發(fā)展方向。文獻[9]指出，通過微納電子偵察衛(wèi)星組網(wǎng)可以解決大型專用電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)成本高、數(shù)量少、重訪周期長等諸多問題，并對微納衛(wèi)星組網(wǎng)電子偵察的系統(tǒng)架構(gòu)、星間組網(wǎng)通信技術等做了探討。文獻[10]則對微納電子偵察衛(wèi)星總體設計中小衛(wèi)星特點、面臨的問題和挑戰(zhàn)等進行了較為系統(tǒng)的分析，針對微納電子偵察衛(wèi)星的設計和實現(xiàn)提出部分技術思路。

本文在上述背景下，結(jié)合相關領域的已有成果分析了微納電子偵察衛(wèi)星發(fā)展的必要性，并梳理了近年來國內(nèi)外微納衛(wèi)星發(fā)展的現(xiàn)狀，最后針對微納衛(wèi)星小型化載荷設計、智能化協(xié)同、應用策略三個方面提出研究和發(fā)展建議。

1　微納電子偵察衛(wèi)星發(fā)展的必要性分析

1.1　在兩極化發(fā)展趨勢下，微納衛(wèi)星作用不斷加強

如今衛(wèi)星技術發(fā)展已呈現(xiàn)出兩級分化的態(tài)勢：一方面是大力發(fā)展綜合型、功能強的大型衛(wèi)星；另一方面是大量廉價、優(yōu)質(zhì)、滿足功能需求的小型衛(wèi)星，甚至是利用微型衛(wèi)星在太空組成星座。在電子偵察衛(wèi)星方面，美國的大衛(wèi)星數(shù)量、類型和技術性能以及應用等諸多方面都代表了當今世界最高水平。近年來，美國高度重視小型戰(zhàn)術功能衛(wèi)星的發(fā)展，并圍繞“作戰(zhàn)快速響應空間”(ORS)計劃啟動了眾多項目[12]，旨在充分發(fā)揮小衛(wèi)星(包括微納衛(wèi)星)在快速響應和戰(zhàn)術偵察方面的優(yōu)勢，強化對重點區(qū)域的覆蓋、重訪和情報收集能力。未來，以微納衛(wèi)星為主流的小衛(wèi)星將在戰(zhàn)場通信、空間對抗、戰(zhàn)場監(jiān)視、電子情報獲取以及新技術演示方面發(fā)揮越來越重要的作用。

1.2　在新技術的強力推動下，微納衛(wèi)星載荷性能不斷提升

當前，先進微電子、計算機、輕型復合材料和小型傳感器等技術的進步，為研制和開發(fā)高技術含量、高性價比的小衛(wèi)星及其功能載荷提供了有力支撐。以光學成像載荷為例，近年來光學集成和COMS成像器件研制技術的進步，使得成像傳感器的微型化幾乎發(fā)展到了極至。配合成熟的數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)傳輸技術，研制具有業(yè)務應用能力的對地或?qū)臻g目標觀測的微納衛(wèi)星已經(jīng)成為現(xiàn)實，并且快速形成了應用服務能力。類似地，與電子偵察載荷相關的先進封裝工藝、專用芯片設計、輕質(zhì)天線等新興技術，并配合標準化、模塊化的軟/硬件設計、可重構(gòu)、平臺載荷綜合一體化、新體制測向定位算法等技術的發(fā)展，可有力地支撐微型電子偵察載荷的研發(fā)以及其性能的提升。

1.3　在作戰(zhàn)快速響應需求下，微納衛(wèi)星戰(zhàn)術應用優(yōu)勢突出

隨著各國在空間對抗領域的激烈競爭，空間中的衛(wèi)星都可能面臨各種軟殺傷、硬殺傷空間武器的嚴重威脅。為了保持空間優(yōu)勢，美國國防部長和國家情報總監(jiān)辦公室在2011年曾聯(lián)合發(fā)布了《國家安全空間戰(zhàn)略》，針對“空間的對抗性”問題首次明確提出多層空間威懾措施。在這樣的背景下，發(fā)展可快速部署、發(fā)射靈活、機動性強的微納衛(wèi)星用于特定任務的支援和支持顯得尤為必要，而且具備突出的優(yōu)勢。這些衛(wèi)星的重要目的就是確保己方具有即時的太空作戰(zhàn)支持能力，在必要情況下提供突擊發(fā)射有效載荷的能力，包括通信、信號偵察、雷達探測、光學成像偵察等載荷，在受到傷害或能力受損時可以快速在軌補充，進而實現(xiàn)能力重建。同時，通過組成星座或編隊，衛(wèi)星系統(tǒng)可具備很強的重構(gòu)性、功能冗余性和可靠性。因此，在情報偵察和戰(zhàn)術電子支援應用方面，可以作為快速響應能力形成的有力支撐手段。

2　國內(nèi)外微納衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

2.1　國外發(fā)展現(xiàn)狀分析

微納衛(wèi)星自20世紀80年代伴隨微電子、微機電等技術的興起而發(fā)展至今。傳統(tǒng)航天巨頭美、俄、歐、日等均已將微納衛(wèi)星確立為航天領域的重點發(fā)展方向。早在20世紀90年代，美國國防部和空軍就通過美國“大學納星”計劃，聯(lián)合資助斯坦福大學、亞利桑那大學等10余所高校設計和研制微納衛(wèi)星，并得到航天工業(yè)部門的大力支持，催生了大量新概念、新技術與新應用，極大地帶動了美國微納衛(wèi)星技術的整體提升。隨著工業(yè)界和軍方紛紛投入到微納衛(wèi)星的設計、研制與試驗之中，自2013年以來，微納衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量呈現(xiàn)“井噴”式增長，通信、遙感、導航、海洋監(jiān)視、科學探測等領域都得到了迅速發(fā)展，業(yè)務型微納衛(wèi)星已經(jīng)占據(jù)主導地位。成為大型、中型衛(wèi)星等傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)外的有效補充，并帶來了全新的應用模式和應用理念。例如，美國行星公司基于3U立方體衛(wèi)星構(gòu)建的大規(guī)模“鴿群”(Flock)光學成像星座，旨在為商業(yè)用戶提供中等分辨率(3～5 m)的地球圖像。最新的“Flock-3p”星座于2017年2月部署完成，共100顆衛(wèi)星，可全天候?qū)φ麄€地球進行掃描成像。

美國在“作戰(zhàn)響應空間”(ORS)計劃的驅(qū)動下，相繼提出面向戰(zhàn)術應用的偵察小衛(wèi)星項目，具有代表性的項目包括[6-7]：“鷹眼”(Kestrel Eye)衛(wèi)星、“納眼”(Nano Eye)衛(wèi)星、“空間與導彈防御司令部-作戰(zhàn)納衛(wèi)星效果”(SMDC-ONE)、“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”(SeeMe)計劃等，重點發(fā)展快速響應能力，并與主戰(zhàn)場大衛(wèi)星系統(tǒng)形成能力互補。其中，“Kestrel Eye”是美國陸軍航天導彈防御司令部研制的光電成像偵察微納衛(wèi)星星座，單顆星質(zhì)量為18 kg,具備1.5 m成像分辨率。該項目旨在演示驗證戰(zhàn)術級天基成像納星，可通過大量組網(wǎng)為地面部隊提供強大的持續(xù)偵察能力，目前星座還在持續(xù)部署過程中?！癗ano Eye”衛(wèi)星功能與“Kestrel Eye”相似，但是可用于更低軌道，對地可拍攝分辨率達到0.5～0.7 m的圖像。第一代Kestrel Eye衛(wèi)星樣機實物圖如圖1所示。

圖1　Kestrel Eye 衛(wèi)星樣機實物圖

SMDC-ONE星座任務共計劃在LEO部署8顆衛(wèi)星，現(xiàn)已發(fā)射5顆，包括第一代2顆立方體星及3顆升級版衛(wèi)星(數(shù)傳效率提升5倍，具備軌道機動能力)，主要用于驗證小衛(wèi)星的戰(zhàn)場超視距通信能力。“SeeMe”計劃由美國國防高級研究計劃局(DARPA)啟動，旨在通過空中發(fā)射方式進行快速部署，以向前線基層作戰(zhàn)人員手持設備按需提供近實時的戰(zhàn)場圖像數(shù)據(jù)，提升美軍基層作戰(zhàn)部隊在軍事作戰(zhàn)中的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力。雷聲公司2016年就已完成SeeMe項目衛(wèi)星的地面測試工作，并計劃在2017年發(fā)射，具體發(fā)射情況未見公開報道。可以看出，美國在微納衛(wèi)星的軍事成像偵察、戰(zhàn)場通信方面已經(jīng)開展了大量的應用研究工作。

2.2　國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀分析

國內(nèi)在微納衛(wèi)星相關技術方面也開展了大量的研究和試驗工作，并且成果顯著。近年來，以清華大學、國防科技大學和哈爾濱工業(yè)大學為代表的高校開展了多型微納衛(wèi)星的研制工作，例如：清華大學研制的“清華一號”、“納星一號”和“納星二號”等微納衛(wèi)星，進行了環(huán)境和災害監(jiān)測、民用特種通信等方面的試驗測試；國防科技大學研制的“天拓一號”、“天拓二號”、“呂梁一號”、“天拓三號”集群衛(wèi)星系統(tǒng)(由6顆小衛(wèi)星組成，“呂梁一號”為其主星，其它衛(wèi)星包括1顆手機衛(wèi)星“智能號”，4顆飛衛(wèi)星“星塵號”)等微納衛(wèi)星，開展了星載船舶自動識別系統(tǒng)偵收、光學成像、動態(tài)目標探測與識別、集群組網(wǎng)等多項功能驗證以及新技術試驗工作；哈爾濱工業(yè)大學研制的“紫丁香一號”、“紫丁香二號”也都搭載了多種電子設備和新型傳感器。此外，在更小型的皮納衛(wèi)星方面，浙江大學還研制了皮星-1、皮星-2(包括皮星-2A、2B)，用于在軌驗證微機電系統(tǒng)、微型輕質(zhì)展開機構(gòu)、皮納衛(wèi)星組網(wǎng)等技術。

除了上述單位，中國航天科技集團所屬東方紅衛(wèi)星有限公司、中國科學院空間中心等工業(yè)部門也開展了微納衛(wèi)星設計、載荷設備研發(fā)工作。例如，2017年6月15日發(fā)射的“珠海一號”遙感微納衛(wèi)星星座首批2顆視頻成像衛(wèi)星OVS-1A和OVS-1B，就為航天科技集團所屬東方紅衛(wèi)星有限公司研制，單顆衛(wèi)星質(zhì)量為55 kg，光學分辨率為1.98 m，具有凝視視頻和條帶成像兩種工作模式，衛(wèi)星實物圖如圖2所示。根據(jù)規(guī)劃，“珠海一號”星座將由多顆視頻微納衛(wèi)星、高光譜衛(wèi)星和雷達衛(wèi)星組合而成的“遙感微納衛(wèi)星星座”，具備全天候?qū)Φ赜^測能力。預計將在未來2～3年內(nèi)發(fā)射部署完成。該星座對于增強我國對地觀測、遙感數(shù)據(jù)采集等能力具有重要的意義。

圖2　OVS-1A和OVS-1B衛(wèi)星實物圖

2.3　發(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)

從上面的微納衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀分析可以看出：

1)微納衛(wèi)星技術在眾多民用商用領域已經(jīng)由試驗階段向業(yè)務化運行階段發(fā)展，而且應用領域和功能不斷拓展，衛(wèi)星性能持續(xù)提升，星座規(guī)模不斷擴大。

2)微納衛(wèi)星小型化、微型化趨勢明顯，憑借其成本低、功能密度高、機動靈活等特點，已成為發(fā)展天基偵察系統(tǒng)的重要平臺。

3)當前國內(nèi)外鮮見微納電子偵察衛(wèi)星相關的發(fā)展計劃、試驗及應用情況公開報道，在一定程度上說明現(xiàn)階段微納電子偵察衛(wèi)星相關技術尚不成熟。

4)微納電子偵察衛(wèi)星星座在設計理念、應用模式和運行管理等方面具備全面創(chuàng)新的可能，應用潛力巨大。

3　微納電子偵察衛(wèi)星的發(fā)展與應用思考

在各種高新技術的推動下，信息化戰(zhàn)爭中信息裝備的持續(xù)發(fā)展、電磁環(huán)境的日益復雜、作戰(zhàn)樣式的不斷豐富等因素對現(xiàn)代電子戰(zhàn)提出了新的要求。為了實施有效的電磁對抗，只有通過有效的途徑準確、及時地獲取敵方信息系統(tǒng)和信息武器裝備的目標屬性、技術特征參數(shù)、狀態(tài)和威脅程度等，全面掌握戰(zhàn)場電磁頻譜態(tài)勢和作戰(zhàn)態(tài)勢，才能為作戰(zhàn)指揮和決策提供多維度、高價值的信息支撐。

在新時期情報偵察任務需求的驅(qū)動下，以電子情報偵察任務為導向，充分發(fā)揮微納衛(wèi)星的平臺和技術優(yōu)勢，研究適用于微納衛(wèi)星的高性能微型載荷、情報數(shù)據(jù)與信息處理、衛(wèi)星組網(wǎng)體系架構(gòu)等方面的關鍵技術，對于牽引新的情報偵察作戰(zhàn)樣式和提升在現(xiàn)代信息化條件下聯(lián)合作戰(zhàn)中的綜合信息對抗能力具有重要意義。因此，在微納電子偵察衛(wèi)星發(fā)展和創(chuàng)新應用方面提出以下幾點建議。

1)重視微小型電子偵察載荷技術研究

近年來隨著微波與數(shù)字集成技術的飛速發(fā)展，電子偵察載荷小型化的發(fā)展非常迅速。微納衛(wèi)星的自身特點決定其載荷在體積、質(zhì)量和功耗等方面嚴格受限。因此，微納電子偵察衛(wèi)星載荷在結(jié)構(gòu)、標準、功能設計等方面必然不同于傳統(tǒng)大衛(wèi)星平臺的載荷，迫切需要研究新技術、拓展新思路。

以微納衛(wèi)星平臺實現(xiàn)具有效費比、可快速響應作戰(zhàn)、滿足特定需求的電子偵察任務，需要在載荷高密度集成、高效的信號處理算法[11]，甚至平臺載荷一體化等方面開展深入研究，形成標準化、模塊化、系列化的載荷設計架構(gòu)，滿足快速、批量生產(chǎn)需求。而且需要重點開發(fā)COTS器件的使用以及其對空間輻射環(huán)境適應能力的試驗驗證和防護設計，充分發(fā)揮微納衛(wèi)星低成本優(yōu)勢。

2)加強組網(wǎng)偵察星座的智能化協(xié)同技術研究

大型電子偵察衛(wèi)星一般多采用單星體制，實現(xiàn)對輻射源信號的偵測和定位。通常，采用多星組網(wǎng)偵察的系統(tǒng)可能更關注的是其在定位體制的配對設計，缺乏面向目標的多星任務自主規(guī)劃、多星間對目標區(qū)域偵察協(xié)同、多星之間的偵察結(jié)果自適應配對等方面的研究。鑒于偵察任務中單顆微納衛(wèi)星在覆蓋范圍、數(shù)據(jù)處理、重點區(qū)域持續(xù)偵察等方面的能力有限，星座組網(wǎng)必然成為微納電子偵察衛(wèi)星發(fā)揮應用效能的核心途徑。

針對微納衛(wèi)星的星座組網(wǎng)偵察，研究多星之間的自主協(xié)同策略，使星座系統(tǒng)可以根據(jù)各個衛(wèi)星位置、任務需求和載荷能力實現(xiàn)智能化的動態(tài)調(diào)整，從而增強任務執(zhí)行的可靠性和有效性。同時，由于星座中衛(wèi)星數(shù)量可能較多，智能化的任務協(xié)同還可有效降低星座系統(tǒng)對地面測控的依賴，自主發(fā)揮預期的作戰(zhàn)效能。

3)注重創(chuàng)新性戰(zhàn)術應用模式與應用策略研究

從整體上分析，微納電子偵察衛(wèi)星作為現(xiàn)有天基偵察體系的重要補充手段，與大型電子偵察衛(wèi)星在功能、能力、戰(zhàn)術應用等方面具有很強的互補性。微納衛(wèi)星還可以通過星座多星、多任務和多模式綜合應用，形成新的工作體制。特別是在局部戰(zhàn)場，微納衛(wèi)星具有大型衛(wèi)星所不具備的戰(zhàn)場快速部署、響應和機動能力，而且通過大規(guī)模部署及在軌重構(gòu)，可大幅提高空間系統(tǒng)的生存能力和系統(tǒng)彈性，戰(zhàn)術應用價值極高。

因此，根據(jù)作戰(zhàn)需求以及微納電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)特點，圍繞戰(zhàn)術應用方式、信息獲取與處理方式、定位技術體制等方面進行進一步研究和論證，探索微納電子偵察衛(wèi)星的創(chuàng)新型應用模式及策略，特別是發(fā)掘大規(guī)模微納衛(wèi)星星座的數(shù)據(jù)采集能力，與當前先進的人工智能技術、云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術相結(jié)合，實現(xiàn)新型衛(wèi)星情報獲取與處理模式。

4　結(jié)束語

在微納衛(wèi)星研究和應用推廣的熱潮下，基于微納衛(wèi)星開展新的應用性探索與試驗已然成為航天領域的研究熱點?，F(xiàn)階段，國外已有的基于光學成像的微納偵察衛(wèi)星成果及其應用模式為微納衛(wèi)星的軍事應用提供了較好的示范。微納電子偵察衛(wèi)星是微納衛(wèi)星發(fā)揮效用的另一極具潛力的應用方向，目前該方面的研究仍處于起步階段，尚有很多技術難題亟待突破，相關研究值得同領域研究工作者的關注和推動。■