美軍小衛(wèi)星的發(fā)展應用

崔瀟瀟 趙煒渝 慈 穎 /文

Kestrel Eye 衛(wèi)星在軌示意圖

小衛(wèi)星成為航天發(fā)展的熱點

當前全球范圍內，以信息化為主要特征的新型作戰(zhàn)模式強調力量資源集成，注重作戰(zhàn)行動協(xié)調，驅動軍事航天發(fā)展開始轉型，使得小衛(wèi)星獲得廣泛軍事應用，催生了全新的作戰(zhàn)理念和作戰(zhàn)模式，推動航天裝備從支撐作戰(zhàn)開始向融入作戰(zhàn)轉變，縮短了從天基敏感器到戰(zhàn)場指揮官的指控鏈條，提升了信息化條件下的網絡中心戰(zhàn)效能。

隨著衛(wèi)星技術與應用的不斷發(fā)展，人們在要求降低衛(wèi)星成本、減小風險的同時，迫切需要加快衛(wèi)星研制和部署周期，為此小衛(wèi)星技術應運而生。國際上對衛(wèi)星劃分主要以衛(wèi)星質量為依據(jù)。較為通用的劃分標準由英國薩瑞大學制定，界定500kg 以下的衛(wèi)星為小衛(wèi)星，一般分為迷你衛(wèi)星、微衛(wèi)星、納衛(wèi)星、皮衛(wèi)星和飛衛(wèi)星。

近年來，隨著小衛(wèi)星單星功能密度、敏捷機動能力、自主生存能力和在軌壽命的不斷提升，該領域逐漸成為全球航天發(fā)展的熱點，發(fā)射數(shù)量不斷增長。尤其在軍用領域，小衛(wèi)星在降低系統(tǒng)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(yōu)勢非常突出，又兼具機動靈活、運營管理便捷等優(yōu)勢，備受軍方青睞。在此背景下，美國近十余年相繼發(fā)展了多項小衛(wèi)星項目，旨在探索小衛(wèi)星軍事應用和融入作戰(zhàn)模式，推動基層作戰(zhàn)部隊軍事航天能力發(fā)展。

美軍典型小衛(wèi)星的發(fā)展

美軍ORS 系列衛(wèi)星?！白鲬?zhàn)響應空間”（ORS）是美國軍方提出構建靈活的、具備更強的響應能力且面向戰(zhàn)術應用的空間體系概念。ORS 計劃中的衛(wèi)星主要分兩類。一類是試驗型戰(zhàn)術衛(wèi)星系列，另一類是業(yè)務型作戰(zhàn)快速響應空間衛(wèi)星系列。以2011 年發(fā)射的ORS-1 衛(wèi)星為標志，美軍快速響應空間系統(tǒng)由關鍵技術驗證向裝備定型轉變。

“隼眼”系列衛(wèi)星。美國陸軍最早于2009 年提出了Kestrel Eye 衛(wèi)星概念設計，并于2017 年8 月14 日利用“獵鷹”-9 運載火箭將KE2M 光學成像偵察小衛(wèi)星成功發(fā)射至國際空間站，同年10 月24 日，該衛(wèi)星通過國際空間站釋放方式成功部署。未來，陸軍有望大規(guī)模部署小型光學成像偵察衛(wèi)星星座。

KE2M 衛(wèi)星質量50kg，運行在400km 高度、傾角51.6°的軌道上，單景圖像面積3km×5km，地面分辨率1.5m，相機口徑0.25m，星上可存儲約600 幅衛(wèi)星圖像。KE2M 衛(wèi)星基于馬里蘭宇航公司的MAGICBus 衛(wèi)星平臺研制，具有通信加密、軌道推進維持和星座相對軌位控制功能。精確姿態(tài)控制和快速指向控制在一個結構緊湊的衛(wèi)星平臺上實現(xiàn)，這使得該衛(wèi)星可以通過搭載的方式發(fā)射或者是采用小型運載火箭發(fā)射。

“軍事作戰(zhàn)空間使能效果”衛(wèi)星。DARPA 于2012 年3 月正式提出“軍事作戰(zhàn)空間使能效果”（SeeMe）衛(wèi)星研發(fā)項目。該項目旨在利用低軌道上運行的小型低成本衛(wèi)星，為戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)人員提供可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為軍事作戰(zhàn)提供快速支持。SeeMe 衛(wèi)星的能力要求如下：

衛(wèi)星系統(tǒng)：SeeMe 衛(wèi)星星座計劃由24 顆小衛(wèi)星組成，單星質量為45kg，設計壽命為45～90 天。不算發(fā)射與地面支持和運行費用，單顆衛(wèi)星成本為50萬美元，24 顆衛(wèi)星總成本共計1200 萬美元。

軌道設計：SeeMe 衛(wèi)星星座將運行在軌道高度為200～350km 的低地球軌道上，實現(xiàn)對南北緯10°區(qū)域的持續(xù)覆蓋，重訪周期小于90 分鐘。根據(jù)軍事作戰(zhàn)需求，衛(wèi)星星座可以以不均勻分布方式進行部署。

性能指標：每顆衛(wèi)星都能同時支持10個地面用戶，從地面用戶通過手持設備或通信系統(tǒng)直接向衛(wèi)星提出成像請求到接收圖像數(shù)據(jù)用時不超過90 分鐘。在標稱300km 軌道高度上，能夠獲取天底點分辨率優(yōu)于NIIRS 5 的可見光圖像，對應分辨率為0.75～1.2m。將24 顆SeeMe 衛(wèi)星至少分成3 組，利用現(xiàn)有商業(yè)或軍事運輸方法運送到全球范圍內的民用機場或軍事基地等待發(fā)射，進而驗證SeeMe 衛(wèi)星系統(tǒng)像常規(guī)軍需品一樣，能利用商業(yè)或軍事集裝箱進行儲存和運輸。衛(wèi)星和運載火箭之間采用“即插即用”接口，并確保能夠在12～96 小時快速完成衛(wèi)星與運載火箭的總裝工作，之后進行自主檢測。SeeMe 衛(wèi)星發(fā)射入軌后，需要在12～96 小時自主完成在軌檢測與校準工作，之后開始正式在軌運行，為軍事作戰(zhàn)提供支持。

雷聲公司SeeMe 衛(wèi)星概念圖

“航天與導彈防御中心納衛(wèi)星作戰(zhàn)效果”衛(wèi)星?！昂教炫c導彈防御中心納衛(wèi)星作戰(zhàn)效果”（SMDCONE）計劃由美陸軍航天司令部實施開展，旨在探索小衛(wèi)星在軍事衛(wèi)星通信領域的應用潛力。2010 年12 月發(fā)射首顆SMDC-ONE 演示驗證衛(wèi)星，衛(wèi)星由SpaceX 公司Falcon 9 火箭發(fā)射，3U 立方體星，衛(wèi)星研發(fā)、制造、轉運在一年內完成，約4.5kg；2012年發(fā)射2 顆；2013 年12 月，發(fā)射SMDC-ONE 2.3與SMDC-ONE 2.4 兩顆質量4kg 納衛(wèi)星，形成支持戰(zhàn)術作戰(zhàn)的低軌通信衛(wèi)星星座，提供無人臺站數(shù)據(jù)采集和戰(zhàn)場短報文通信能力。

“可操作精化星歷表空間望遠鏡”衛(wèi)星。2012 年和2013 年，美國相繼發(fā)射2 顆“可操作精化星歷表空間望遠鏡”（STARE）衛(wèi)星，以3U 立方體衛(wèi)星驗證空間目標監(jiān)視能力，該衛(wèi)星能監(jiān)測到200～1000km范圍、尺寸大于10cm、速度小于10km/s 的目標。

STARE 衛(wèi)星采用3U 立方體架構，衛(wèi)星平臺為波音公司建造的“集群”-2，該平臺使用了反作用輪，以保證成像所需的較高指向精度。衛(wèi)星有效載荷為改進型光學成像系統(tǒng)，尺寸約為1.5U，由一臺修正反光卡塞格倫望遠鏡及CMOS 探測器組成，用于捕獲小型空間目標的圖像。

空間攻防小衛(wèi)星試驗項目。2000 年以來，美國在低軌道空間攻防領域基于小衛(wèi)星開展了一系列技術驗證試驗，對在軌衛(wèi)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。

美國試驗小衛(wèi)星系列（XSS）是一種全自主控制的微小衛(wèi)星，具有極強的軍事意義。XSS-11 系統(tǒng)是計劃中的第二個系統(tǒng)，重量145kg，攜帶15kg 推進劑。XSS-11 系統(tǒng)試驗的關鍵部件包括：星上計算機、電壓和推進分系統(tǒng)；低功率收發(fā)機和3u PCI 存儲器；低功率快速掃描激光雷達和組合遙感相機。它的主要任務是驗證星載監(jiān)視設備對空間目標的監(jiān)測能力，驗證衛(wèi)星的軌道機動和位置保持能力，演示其自身對空間威脅的感知能力。

2006 年，美國國防高級研究計劃局和美國空軍聯(lián)合實施“微衛(wèi)星技術試驗衛(wèi)星”計劃，驗證了將小衛(wèi)星送入GEO 軌道的能力和小衛(wèi)星在GEO 軌道執(zhí)行軍事任務的潛在效用。MiTEx 由美國海軍研究實驗室研制的先進上面級以及由美國軌道科學公司和洛克希德·馬丁公司分別研制的1 顆MiTEx衛(wèi)星三部分組成。2006 年6 月DARPA 利用德爾它-2 火箭將MiTEx 空間飛行器送入GTO 軌道，然后由上面級將2 顆MiTEx 衛(wèi)星送入GEO 軌道。MiTEx-A 和B 衛(wèi)星質量均為225kg，部署在地球靜止軌道上，入軌后進行了軌道機動和相互觀測試驗。

總體來看，小衛(wèi)星尚未大規(guī)模實現(xiàn)裝備化、業(yè)務化軍事應用。但是，美國已在偵察監(jiān)視、通信中繼、預警監(jiān)視和空間對抗等領域開展了小衛(wèi)星技術驗證和應用探索。

在偵察監(jiān)視領域，美軍當前發(fā)展的小衛(wèi)星能力全球領先，以ORS 計劃為先導，將技術研發(fā)和業(yè)務能力開發(fā)相結合，美軍圍繞戰(zhàn)術應用、低成本、模塊化等啟動了多個面向軍兵種的情報、監(jiān)視和偵察（ISR）應用項目。

在通信廣播領域，美軍在ORS 計劃中發(fā)射Tacsat-4 衛(wèi)星，驗證了面向戰(zhàn)術應用的信息傳輸能力；此后，為確保戰(zhàn)術通信能力延伸至偏遠山區(qū)、雨林等多遮擋地區(qū)，發(fā)展了支持超視距通信和數(shù)據(jù)滲漏的低成本小衛(wèi)星系統(tǒng)。

在空間安全領域，小衛(wèi)星具有從地面難以探測、在軌道機動靈活優(yōu)勢，具備平時隱蔽監(jiān)視、戰(zhàn)時立即攻擊能力，是發(fā)展空間對抗系統(tǒng)的重要組成力量。

小衛(wèi)星將獲得廣泛軍事應用

美國作為全球范圍內推動小衛(wèi)星實戰(zhàn)化應用的主力軍，其在該領域發(fā)展受內、外因雙重驅動決定，除了小衛(wèi)星自身性能的不斷提升，應看到其現(xiàn)有裝備能力不足的需求牽引作用和航天發(fā)展戰(zhàn)略政策變化的頂層推動作用。

性能提升，應用創(chuàng)新，全面滿足軍事作戰(zhàn)應用需求。從近年來的技術發(fā)展來看，小衛(wèi)星性能已滿足軍事作戰(zhàn)需求，完全具備了在戰(zhàn)區(qū)成像偵察中全面應用的技術可行性。另外，小衛(wèi)星不斷沖擊和變革傳統(tǒng)大衛(wèi)星設計和運營理念，催生了諸多創(chuàng)新應用模式，也成為提升其軍用能力的重要因素。小衛(wèi)星的各項全新工作模式具有重要軍事應用前景，提升了小衛(wèi)星軍事應用價值。

成本低廉，發(fā)射靈活，高效費比成小衛(wèi)星突出優(yōu)勢。一是小衛(wèi)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；二是小衛(wèi)星能以一箭多星、空中發(fā)射、在軌彈射等手段實現(xiàn)快速批量部署，大幅降低了進入空間成本；三是小衛(wèi)星通過星座組網和優(yōu)化軌道設計，能力足以與大衛(wèi)星相媲美。

體系轉型，確保彈性，小衛(wèi)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(wèi)星發(fā)展轉向大小衛(wèi)星并行發(fā)展。小衛(wèi)星能夠通過快速發(fā)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。

未來，小衛(wèi)星獲得廣泛軍事應用將是衛(wèi)星技術發(fā)展和能力需求增長的必然結果。美國在小衛(wèi)星軍事應用領域已取得的諸多經驗，既有體系發(fā)展戰(zhàn)略思考和系統(tǒng)設計理念革新，也有衛(wèi)星能力提升途徑和作戰(zhàn)應用模式流程，值得開展深入研究與思考。