美軍小衛(wèi)星“三化”前沿技術發(fā)展探析

齊心 周思卓 林屹立（北京空間科技信息研究所）

質量小于1000kg的衛(wèi)星從廣義上被稱為小衛(wèi)星。小衛(wèi)星具有設計簡單、研制周期短、投資與運行成本低、易于發(fā)射、靈活性強、抗毀能力強等一系列優(yōu)勢，特別是單一任務的專用衛(wèi)星、衛(wèi)星組網或衛(wèi)星星座，投資小、見效快，戰(zhàn)術應用多變。美國是最早開始啟動小衛(wèi)星研發(fā)的國家之一，近年來開展了一系列小衛(wèi)星技術驗證和應用探索研究，在逐步推動美國軍事航天體系變革的同時，也推動著小衛(wèi)星通用化、系列化、模塊化（“三化”）設計理念、研究方法、實施機制等方面的快速發(fā)展和不斷創(chuàng)新。

1 美軍小衛(wèi)星發(fā)展現狀

美國國防部（DoD）2007年正式實施“快速響應空間”（ORS）小衛(wèi)星計劃，成立ORS辦公室，主要圍繞小衛(wèi)星低成本、高靈活性、組網協同和快速響應能力建設，實現在全球范圍內快速有效地與敵方交戰(zhàn)，通過空間信息系統(tǒng)向戰(zhàn)區(qū)指揮官提供實時的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力，并將空間能力集成于各種武器裝備上，以支持聯合作戰(zhàn)。ORS小衛(wèi)星計劃是美國軍事轉型十分重要的指導思想，是其未來軍事航天的發(fā)展方向。多年來美國相繼研制了戰(zhàn)術衛(wèi)星－1～6（TacSat－1～6）和業(yè)務運行衛(wèi)星ORS－1～5等快速響應衛(wèi)星。同時，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）及軍方其他項目中均有與ORS發(fā)展主旨一致的研究項目，包括快速響應運載器、快速響應航天器，以及美國國家偵察局（NRO）研制的立方體衛(wèi)星、美國康奈爾大學（Cornell University）研制的“精靈”衛(wèi)星等。

美國ORS發(fā)展歷程

美國是推動小衛(wèi)星實戰(zhàn)化應用的主力軍，針對面向技術基礎的TacSat衛(wèi)星系列和面向作戰(zhàn)實用的ORS衛(wèi)星系列任務，美軍提出了基于預算的小衛(wèi)星設計思想。由于TacSat－1要在較短的研制周期和有限的經費投入條件下完成預定目標，因此計劃管理者和研制者大量采用現貨產品，同時采用創(chuàng)新的研制流程和設計、測試手段，通過TacSat計劃研究ORS技術。ORS－1衛(wèi)星是美國作戰(zhàn)及時響應和支持作戰(zhàn)指揮操作的第一顆衛(wèi)星，它致力于使用小衛(wèi)星和運載火箭為戰(zhàn)場指揮官提供創(chuàng)新的傳感器技術，縮短發(fā)射時間間隔，ORS－1衛(wèi)星的重要優(yōu)勢在于它的快速發(fā)射，從授權建造到發(fā)射不超過24個月。

ORS計劃的快速響應思想、應用理念和關鍵技術也呈現出明顯的牽引、輻射和帶動效果。美國軍方圍繞戰(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。美國陸軍于2008年啟動“納眼”（NanoEye）、“小型靈巧戰(zhàn)術航天器”（SATS）和“隼眼”（KestrelEye）項目，研究超低軌道亞米級高分辨率成像技術和指定目標跟蹤的視頻成像技術，發(fā)展低軌道、低成本、近實時連續(xù)偵察監(jiān)視能力；DARPA在 2012 年啟動“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”（SeeMe）項目，發(fā)展利用低成本小衛(wèi)星星座向前線基層作戰(zhàn)人員快速、按需提供近實時的戰(zhàn)場圖像數據的能力。據統(tǒng)計，截至2019年，美軍現役軍用衛(wèi)星中小衛(wèi)星占比約9%，美國現役商業(yè)衛(wèi)星中小衛(wèi)星占比約48%，美軍通過租用商業(yè)衛(wèi)星來滿足多達80%的軍用衛(wèi)星通信需求，雖然目前軍用小衛(wèi)星尚不足以使大衛(wèi)星為主導的美國軍用衛(wèi)星架構出現重大轉向，但近年來美軍并未忽視小衛(wèi)星的技術驗證和應用探索研究，美國DARPA已啟動“黑杰克”（BlackJack）項目，研究利用低軌小衛(wèi)星星座替代軍用衛(wèi)星執(zhí)行監(jiān)視與通信等任務的可能性。

2 美軍小衛(wèi)星“三化”前沿技術分析

美軍針對天基支持聯合作戰(zhàn)、作戰(zhàn)快速響應等需求，近年來開發(fā)了面向多領域小衛(wèi)星研制的有效載荷通用集成、面向快速響應衛(wèi)星研制的模塊化設計、發(fā)射裝置通用化等一系列小衛(wèi)星領域“三化”前沿技術，雖然小衛(wèi)星“三化”在美軍事航天中的應用尚處于探索和驗證階段，但其總體發(fā)展策略和“三化”設計創(chuàng)新理念值得借鑒。

小衛(wèi)星“模塊化開放體系架構”設計策略

“模塊化開放體系架構”（MOSA）不是航天領域的專屬概念，而是由美國國防部提出并不斷推廣使用的一種系統(tǒng)工程實施方法，對所有武器裝備系統(tǒng)的采辦和研制管理具有普遍指導意義。在系統(tǒng)設計中，模塊化設計是MOSA策略實現的關鍵，也是實現系統(tǒng)重構的基礎，始于系統(tǒng)研制初期，并始終作為系統(tǒng)不斷發(fā)展擴充的手段。模塊化的設計方法可使系統(tǒng)更容易開發(fā)、維持、修改和升級。此外，對單個模塊而言，其升級或修改對其他系統(tǒng)模塊的影響也較小。國防部采辦文件明確規(guī)定，要把模塊化設計要求明確寫入裝備研制合同中。其模塊化設計具有3個鮮明特點：

1）依據功能將系統(tǒng)分解為若干個規(guī)模適當的可重復使用的模塊，每個模塊擔負一種功能，而每個模塊內部又包含一些彼此獨立的功能要素；

2）要求對模塊的功能目標進行明晰描述，并以此準確定義模塊接口；

3）易于進行設計更改，從而有利于隨時吸納新技術，有利于采用業(yè)界通用的關鍵接口標準，有效實現系統(tǒng)互操作性。

功能模塊劃分是模塊化設計的基礎和前提。美軍快速響應衛(wèi)星功能模塊的劃分流程包括：

1）收集具有不同任務要求或不同有效載荷要求的用戶需求；

2）確定功能，即將用戶需求轉換成相應的任務模塊和總功能要求；

3）對任務模塊和總功能要求進行層次分解，將其分解成一系列可實現的功能單元，形成功能要求的層次結構即功能樹。

根據模塊化設計思想，可以加強平臺功能模塊的定型設計和載荷模塊的通用化設計，形成多系列產品型譜和規(guī)范。在此基礎上發(fā)展預先加工技術，進行批量化流水線生產，快速組裝模塊，最終實現貨架式貯存。接到戰(zhàn)場請求后，可以進行單星多模塊組合或多星多模塊組合一箭發(fā)射。模塊化設計便于系統(tǒng)重構、擴張、修改和維護，可大幅度地提高可用性，保證ORS衛(wèi)星可隨時處于待命作戰(zhàn)狀態(tài)，快速響應作戰(zhàn)需求。

在硬件開發(fā)領域，ORS衛(wèi)星基于模塊化設計方法，形成了模塊化衛(wèi)星平臺和有效載荷產品清單，并使用即插即用（Plug-and-Play）標準接口，可實現按需組裝，即根據任務的不同靈活選取不同功能模塊進行快速組裝，迅速響應作戰(zhàn)用戶需求，提升作戰(zhàn)效率和速度。滿足空間快速響應的有效載荷不是在既有技術體制上單純的成熟化設計，必須為滿足戰(zhàn)場應急條件快速反應建立新的載荷機制。快響衛(wèi)星作為“快速響應空間”技術的關鍵元素，必須要解決小衛(wèi)星平臺及有效載荷的模塊化、標準化設計問題。

在軟件開發(fā)領域，ORS軟件的設計思想也與傳統(tǒng)開發(fā)方式不同，從為特定的任務設計專門的軟件，轉變?yōu)楦鶕煌墓δ茉O計不同的軟件模塊，并形成具備不同功能的軟件單元模塊庫，使基礎軟件（如操作系統(tǒng)）與應用軟件相對隔離、系統(tǒng)設計者與子系統(tǒng)設計者隔離，保證可以在多個不同的任務中使用通用的軟件模塊庫，實現軟件的模塊化設計。同時，ORS軟件模塊化設計取消了傳統(tǒng)的交叉調用模式，在通用軟件架構基礎上調用功能模塊，降低了ORS在執(zhí)行不同任務時的軟件復雜性，也避免了在增加新的軟件功能時頻繁改動其他軟件模塊。目前，美國空軍研究實驗室（AFRL）已構建了完成低軌成像衛(wèi)星功能所必需的全部軟件應用程序庫，ORS衛(wèi)星可以根據任務和載荷需要選擇軟件模塊。

基于通用化集成化的衛(wèi)星組網協同

小衛(wèi)星應用的特點是分布式的，主要包括星座和編隊飛行，衛(wèi)星星座是小衛(wèi)星系列化的表現形式。相比于大而復雜的傳統(tǒng)衛(wèi)星，共同完成某項任務的衛(wèi)星群或衛(wèi)星星座具有更高的性價比。小衛(wèi)星通過“功能分解、結構分離、無線連接、編隊飛行”的形式進行組網協同，從而顯著增強系統(tǒng)的靈活性和可靠性，降低了全壽命周期費用和風險，以多顆較低成本和較低可靠性的衛(wèi)星實現復雜多變的軍事任務，在全球定位和導航、全球通信和信息傳輸、全球偵察以及空間科學等方面上具有廣闊的應用前景。

典型小衛(wèi)星星座如美軍近期正在開展的BlackJack演示驗證項目，DARPA希望工業(yè)部門幫助研發(fā)一種小型的軍用通信與監(jiān)視衛(wèi)星，并對其進行演示驗證。DARPA希望利用商業(yè)領域的進步，演示驗證其軍事應用價值，強調通用化平臺、低成本可互換有效載荷，能夠短周期研制，更快速地技術更新。其目標是在總成本不高于一顆單獨的大型軍用衛(wèi)星的預算下，演示驗證能夠提供全球持續(xù)覆蓋的低地球軌道（LEO）衛(wèi)星分布式星座，這對小衛(wèi)星的通用化模塊化設計提出了較高的要求。由此，BlackJack項目招標書中創(chuàng)新性地提出了有效載荷的通用集成模式，有效載荷的設計將與現有的方式相反，即在初始設計時不考慮特定的衛(wèi)星平臺，而是基于現有的、能夠承載各類軍用有效載荷的通用化衛(wèi)星平臺，有效載荷可作為模塊安裝并適應多種尺寸多種類別的通用平臺，盡量簡化有效載荷對機械、電子和網絡接口的設計要求，同時通過功能的模塊化劃分使平臺能夠更高效地承載多個載荷。

在有效載荷通用集成模式基礎上，DARPA期望在BlackJack星座中使用一個通用衛(wèi)星平臺搭載多種軍用有效載荷的模式，在設計過程中盡可能考慮后續(xù)支持任何BlackJack的商業(yè)衛(wèi)星平臺和有效載荷配對的可能性，最大限度地實現通用化。在衛(wèi)星平臺模塊化方面，目前美軍應用較多的是諾格公司（Northrop Grumman）設計建造的模塊化航天飛行器平臺（MSV），該平臺基于MOSA原則設計建造，采用開放式標準，具有模塊化、可升級、快速配置和多用途特征。MSV是基于開放式標準、面向多種任務設計的平臺，不同于傳統(tǒng)的“標準化”平臺，MSV無需為不同的任務做大量的修改、訂制工作，大幅節(jié)省了實現不同任務時“裁剪”衛(wèi)星平臺的成本。另外，DARPA要求其衛(wèi)星平臺盡可能與商業(yè)平臺保持一致，且不允許對商業(yè)現貨（COTS）的衛(wèi)星平臺進行重大更改，禁止在價格高昂的航天器基礎上進行改進等。

與小衛(wèi)星組網協同類似的是美國近年來提出并發(fā)展的分離模塊航天器。分離模塊航天器設想將傳統(tǒng)整體式航天器按功能合理地分解為多個分離異構的功能模塊，這些模塊在空間采用編隊飛行和無線連接方式構成一個虛擬的大型航天器或航天器系統(tǒng)，從而顯著增強系統(tǒng)的靈活性和抗風險能力，降低了全生命周期的費用和風險。分離模塊航天器概念不是片面的強調新技術，而是強調面向多種應用的新系統(tǒng)重構和集成。

小衛(wèi)星自主運行能力建設

部署衛(wèi)星星座能增加覆蓋區(qū)域和縮短重訪時間，通過不同的編隊飛行可構成新的功能衛(wèi)星，獲得小衛(wèi)星星座和單顆衛(wèi)星不能獲得的觀測效果，具有較高的軍事價值，也對小衛(wèi)星星座的自主運行能力提出了更高的要求。另一方面，人工智能技術的發(fā)展與應用，使得衛(wèi)星具有故障診斷、失控狀況判斷，以及調用相應對策的能力，可以自主完成不同模式之間的切換與銜接。開放式、模塊化的星上通用處理平臺架構的開發(fā)，使得小衛(wèi)星具有更高的“智能”。衛(wèi)星自治可以減少對地面資源的依賴，節(jié)省能源消耗，是美軍未來航天領域將重點發(fā)展的前沿技術。

BlackJack衛(wèi)星概念框圖

為降低平臺和有效載荷集成風險，DAPRA計劃在BlackJack項目中開發(fā)一個全新的星上電子設備單元“賭臺官”（Pit Boss）。Pit Boss是一個自主的協同任務管理系統(tǒng)，是BlackJack實現天基自主運行的核心模塊，其目的是把海量處理能力搬到太空，從而能夠在短時間內把關鍵數據交到軍事用戶手中。Pit Boss是BlackJack為實現多有效載荷集成管理和承擔復雜接口管理而單獨開發(fā)的新模塊，它可以使各有效載荷功能模塊最大限度的保持通用性和互換性，同時使各功能模塊間保持結構的獨立性，該系統(tǒng)為每個載荷提供與平臺的電連接接口和網絡接口，提供數據包路由，并作為星座組網以及與其他星座連接的信息節(jié)點。

Pit Boss同時提供網絡防護和數據加密，以及有效載荷管理、功率控制、任務安排和調度、整星資源管理、星座管理和時鐘信號等功能。Pit Boss能夠從每個單獨的BlackJack傳感器中獲取數據，將其融合并將其提供給需要的用戶，而不需要來自衛(wèi)星操作員的命令。作為星座組網以及與其他星座連接的信息節(jié)點，Pit Boss將每個BlackJack衛(wèi)星的大腦連接起來，使其成為一個高度智能的網絡系統(tǒng)。

目前，德國正在開展的一項名為“網絡衛(wèi)星”（NetSat）的項目也在開展相似的研究。在該項目中，研究人員讓一組小型自主衛(wèi)星編隊飛行，彼此直接通信并組織和協調任務，通過增加衛(wèi)星的星上控制能力，減少遠程持續(xù)監(jiān)控和干預，使衛(wèi)星無需地面監(jiān)管，獨立工作，完成更復雜的任務，同時利用自主小衛(wèi)星編隊，覆蓋范圍更大，也將顯著降低生產和運營成本。

快速總裝、測試與試驗流程優(yōu)化

美軍快速總裝、測試與試驗（AIT）技術已發(fā)展多年且頗具成效，已逐漸由試驗驗證向實際應用轉變，其具有代表性的是針對ORS計劃的快速AIT，包括“軌道通信衛(wèi)星”（Orbcomm）、“全球星”（Globalstar）和“銥星”（Iridium）等。美國一直非常重視快速進入太空的能力建設，為尋求快速AIT的最優(yōu)方案，調研并參考了多個國家航天器的研制經驗，進行了一系列快速AIT演示試驗，并最終總結出適用于ORS系統(tǒng)的AIT流程。ORS衛(wèi)星快速AIT流程包括4個主要組成部分：第一步，根據用戶需求和可用組件進行衛(wèi)星設計；第二步，組裝、集成和測試衛(wèi)星平臺及有效載荷；第三步，衛(wèi)星平臺與有效載荷集成；第四步，衛(wèi)星系統(tǒng)地面測試。

為適應Orbcomm衛(wèi)星系統(tǒng)的36顆衛(wèi)星密集測試和發(fā)射任務，美國采用了8顆衛(wèi)星并行測試方法，并用基本功能測試替代性能測試。另外，隨著后續(xù)衛(wèi)星的設計趨于成熟和可靠，在AIT中刪減了一些測試，如只在前4顆后繼衛(wèi)星中進行熱真空試驗等。其他縮短流程的措施包括改變傳統(tǒng)的測試標準、嚴格AIT紀律等。

為達到Globalstar衛(wèi)星系統(tǒng)每周一顆衛(wèi)星的發(fā)射速度，美國拋棄了傳統(tǒng)的AIT測試方法。首發(fā)衛(wèi)星作為模型衛(wèi)星進行完整的質量評定測試，而后繼衛(wèi)星只進行簡化的驗收測試。后繼衛(wèi)星的熱真空試驗和熱平衡試驗均縮略成一個熱循環(huán)，振動試驗減少為只做一個隨機振動。最終，AIT流程縮短至1周，一年半內完成了64顆衛(wèi)星的發(fā)射工作。

Iridium衛(wèi)星系統(tǒng)通過采用標準化的設計工具、自動化開發(fā)環(huán)境和自動化測試方法，以及簡化發(fā)射場測試等手段，將AIT過程縮短至22天，一年之內完成了66顆衛(wèi)星和12顆備份衛(wèi)星的發(fā)射。

發(fā)射裝置通用化模塊化與新型運載技術研發(fā)

雖然小衛(wèi)星的發(fā)展及應用前景廣闊，但發(fā)射費用昂貴，在一定程度上制約了小衛(wèi)星的發(fā)展。隨著近年來小衛(wèi)星數量激增，與之匹配的發(fā)射問題日益凸顯。利用傳統(tǒng)的發(fā)射場進行發(fā)射，受發(fā)射條件制約，發(fā)射機會少，發(fā)射周期長，發(fā)射成本高，且傳統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射場存在不同型號、工位之間的設備不兼容、不同發(fā)射場裝備系統(tǒng)設計方案差異性大、設備自動化程度較低等一系列標準化問題，因此低成本小型運載工具的發(fā)展將成為限制微小衛(wèi)星軍用化應用的關鍵問題之一。在考慮“一箭多星”發(fā)射的同時，利用通用化模塊化的手段進行組裝、改造和復用，開發(fā)新型低成本運載技術和運載模式，將是未來小衛(wèi)星發(fā)射的主要方式。

美軍在2015年成功把退役的噴氣式飛機改裝成小衛(wèi)星發(fā)射器并進行了發(fā)射任務，初步探索了小衛(wèi)星的新型運載模式；DARPA計劃在2021年或2022年使用兩架改裝的軌道飛機發(fā)射20顆BlackJack試驗驗證衛(wèi)星，每架軌道飛機由10顆衛(wèi)星組成，用以演示Pit Boss的概念。這些發(fā)射方式，總的目標均為降低小衛(wèi)星的發(fā)射費用。太空探索技術公司(SpaceX)推出了復用型獵鷹－9（Falcon－9）火箭，以重復使用來大幅降低發(fā)射成本，從而為小衛(wèi)星發(fā)射提供助力。同時，獵鷹－9火箭擁有超過20t的LEO運載能力，可實現組網式小衛(wèi)星的批量化發(fā)射。未來將會有更多的中型火箭具備可重復使用的能力，批量發(fā)射將會是一種有益選擇。

3 結論

美軍小衛(wèi)星經過多年的發(fā)展，已經基本形成了一套完善可靠的需求分析、設計研制、測試試驗、演示驗證等機制，標準化、模塊化、開放式架構成為美軍小衛(wèi)星未來發(fā)展及軍事化應用的基礎。同時，小衛(wèi)星研制更加強調低成本、短周期，以及高效靈活和快速技術更新，注重商用現貨部件選用、研制和測試流程優(yōu)化、發(fā)射模式創(chuàng)新等，以降低技術難度、壽命要求和進入門檻。在此基礎上，通過提高小衛(wèi)星的智能化水平和自主運行能力，實現衛(wèi)星的自主高效運行，是美國未來小衛(wèi)星實現大規(guī)模軍事應用的重點。