國(guó)外衛(wèi)星搭載有效載荷發(fā)展綜述

王久龍 徐晨陽(yáng) 曾文彬 蔡盛

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033)

近幾年來，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展和航天產(chǎn)業(yè)的日益擴(kuò)大，以低軌巨型星座[1]為代表的商業(yè)航天得到迅速推進(jìn)，航天產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)新的發(fā)展態(tài)勢(shì)，大規(guī)模低成本進(jìn)入太空的時(shí)代已經(jīng)來臨。同時(shí)，為保持太空優(yōu)勢(shì)和太空行動(dòng)自由，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家全面調(diào)整了太空發(fā)展策略[2]，提出以下一代太空體系架構(gòu)、“黑杰克”項(xiàng)目等為典型代表的計(jì)劃，改變了以往以大型復(fù)雜單星為主的模式，將建設(shè)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向由多顆小衛(wèi)星組成的靈活、彈性、敏捷的低軌星座。

搭載有效載荷已經(jīng)成為太空體系彈性發(fā)展的重要方式之一，為推動(dòng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展，美國(guó)提出了一系列重要舉措。2010年，美國(guó)《國(guó)家太空政策》強(qiáng)調(diào)要聯(lián)合采辦可靠、進(jìn)度符合政府要求，且費(fèi)效比高的航天發(fā)射服務(wù)和搭載有效載荷，明確提出鼓勵(lì)政府發(fā)展搭載有效載荷，提高空間態(tài)勢(shì)感知和軌道碎片的監(jiān)測(cè)能力。2011年，美國(guó)波音、洛馬、勞拉、軌道科學(xué)、歐洲衛(wèi)星協(xié)會(huì)、國(guó)際通信衛(wèi)星、銥星等7家公司發(fā)起成立搭載有效載荷聯(lián)盟，旨在架起政府和私營(yíng)企業(yè)的溝通橋梁，促進(jìn)搭載有效載荷的實(shí)施。2013年，美國(guó)海軍研究生院開展了搭載有效載荷的應(yīng)用研究，建立了基于搭載有效載荷的天基局部空間態(tài)勢(shì)感知架構(gòu)，將搭載有效載荷放置在宿主衛(wèi)星平臺(tái)前后方，以對(duì)局部空間區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)威脅自感知、目標(biāo)檢測(cè)和碰撞預(yù)警，為實(shí)現(xiàn)天基態(tài)勢(shì)感知提供了新的解決思路[3]。2015年，美國(guó)空軍發(fā)布《在商業(yè)衛(wèi)星上搭載軍用載荷指南》[4]，分析了在商業(yè)衛(wèi)星上搭載有效載荷面臨的挑戰(zhàn)，成立搭載有效載荷管理辦公室，簡(jiǎn)化相關(guān)項(xiàng)目的授予流程，促進(jìn)商業(yè)衛(wèi)星搭載空軍有效載荷的實(shí)施。2018年，基于通用儀器接口項(xiàng)目，NASA聯(lián)合空軍空間和導(dǎo)彈中心的搭載有效載荷辦公室以及航天公司發(fā)布《搭載有效載荷接口指南提案》[5]，描述了搭載有效載荷與宿主平臺(tái)之間的接口協(xié)議，包括尺寸、質(zhì)量、功率和傳輸速率，旨在為相關(guān)組織開發(fā)基于低軌或高軌衛(wèi)星有效載荷提供標(biāo)準(zhǔn)。為了研究搭載有效載荷的發(fā)展現(xiàn)狀和軍事應(yīng)用價(jià)值，本文系統(tǒng)性的梳理了搭載有效載荷的概念和發(fā)展歷程，總結(jié)了典型項(xiàng)目的系統(tǒng)概況、指標(biāo)參數(shù)，并提出相關(guān)建議。

1 搭載有效載荷概念

搭載有效載荷[6]是指除主要載荷外搭載在衛(wèi)星平臺(tái)上的、為滿足特殊需求而設(shè)計(jì)的額外載荷(如轉(zhuǎn)發(fā)器、傳感器或者其他星載設(shè)備)。搭載有效載荷與主要有效載荷共用一個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)，使用戶能夠快速高效且低成本的將有效載荷送入太空。在某些情況下，搭載有效載荷也被稱為二級(jí)有效載荷或寄宿有效載荷。宿主衛(wèi)星平臺(tái)為搭載有效載荷提供結(jié)構(gòu)、能源和通信等資源，二者物理連接和傳輸接口關(guān)系如圖1所示。

圖1 搭載有效載荷接口Fig.1 Hosted payload interfaces

搭載有效載荷的費(fèi)用僅是研制、發(fā)射與運(yùn)行整顆衛(wèi)星費(fèi)用的一小部分，可以有效降低衛(wèi)星建設(shè)和部署成本，因此，逐漸受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，尤其是面臨預(yù)算壓力的機(jī)構(gòu)。當(dāng)然，在衛(wèi)星平臺(tái)上搭載有效載荷也面臨一些挑戰(zhàn)，比如怎樣實(shí)現(xiàn)宿主衛(wèi)星平臺(tái)與搭載有效載荷的接口標(biāo)準(zhǔn)化、如何確保搭載有效載荷與宿主衛(wèi)星的研制周期相一致、怎么改變用戶對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星項(xiàng)目的管理方法、如何確定搭載有效載荷的價(jià)格等。

2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

搭載有效載荷在國(guó)外已經(jīng)初步得到廣泛的應(yīng)用，任務(wù)領(lǐng)域包括空間態(tài)勢(shì)感知[7]、碎片監(jiān)測(cè)[8]、激光通信[9]、定位導(dǎo)航[10]以及氣象監(jiān)測(cè)[11]等領(lǐng)域；按照載荷的任務(wù)類型，本文從環(huán)境監(jiān)測(cè)類載荷、技術(shù)試驗(yàn)類載荷以及專用轉(zhuǎn)發(fā)器類載荷角度出發(fā)，介紹近年來國(guó)外搭載有效載荷的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

2.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)類載荷

為了研究空間天氣對(duì)氣候、全球定位系統(tǒng)、電力傳輸、高頻無線通信以及衛(wèi)星通信的影響，NASA牽頭研制了太陽(yáng)X射線成像儀(SXI Solar X-ray)[12]，工作波段為0.6～6.0 nm，可每分鐘成像一次，每周7×24 h運(yùn)行，2001年搭載環(huán)境觀測(cè)衛(wèi)星-12(GEOS-12)發(fā)射。2005年，由美國(guó)勞拉空間系統(tǒng)公司建造、日本國(guó)土交通省和日本氣象廳運(yùn)營(yíng)的地球靜止衛(wèi)星多用途運(yùn)輸衛(wèi)星-IR(MTSAT-IR)發(fā)射升空，搭載了航空類和氣象類2種有效載荷，航空類載荷分為通信載荷和導(dǎo)航載荷，為飛機(jī)提供通信和導(dǎo)航服務(wù)；氣象類載荷由1個(gè)可見光(分辨率1 km)成像載荷、4個(gè)紅外(分辨率2～4 km)成像載荷以及1個(gè)氣象通信載荷(S頻段、UHF頻段)組成。2008年，為執(zhí)行對(duì)地觀測(cè)任務(wù)，美國(guó)軍方將可見光CCD相機(jī)作為有效載荷搭載在美國(guó)回聲星-XI(EchoStar-XI)和中圓軌道-G1(ICO-G1)衛(wèi)星發(fā)射升空。2011年，為降低下一代天基紅外預(yù)警系統(tǒng)的研制風(fēng)險(xiǎn)，美國(guó)空軍啟動(dòng)了商業(yè)搭載紅外有效載荷(CHIRP)項(xiàng)目[13]，即用于導(dǎo)彈預(yù)警的寬視場(chǎng)紅外傳感器，搭載平臺(tái)為歐洲衛(wèi)星公司2號(hào)衛(wèi)星(SES-2)。2018年，美國(guó)導(dǎo)彈防御局啟動(dòng)天基殺傷評(píng)估(SKA)項(xiàng)目[14]，利用天基傳感器獲取導(dǎo)彈攔截狀態(tài)，并對(duì)攔截效果進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)攔截提供支持。2017年，為解決航天器異常、識(shí)別潛在敵對(duì)行為提供詳細(xì)的空間輻射數(shù)據(jù)，美國(guó)空軍啟動(dòng)商業(yè)搭載的響應(yīng)式環(huán)境評(píng)估(REACH)[15]項(xiàng)目，在銥星(Iridium)星座上搭載32個(gè)有效輻射載荷。

2.2 技術(shù)試驗(yàn)類載荷

搭載有效載荷為新技術(shù)的正式太空部署提供了一種測(cè)試、演示與驗(yàn)證的新方式，美國(guó)軍方、NASA等部門都紛紛利用這種方式進(jìn)行新技術(shù)的試驗(yàn)。2009年，為在軌驗(yàn)證思科公司的空間路由能力，美國(guó)國(guó)防部將空間因特網(wǎng)路由(IRIS)[16]有效載荷搭載在國(guó)際通信衛(wèi)星-14上發(fā)射升空，該載荷質(zhì)量90 kg，功率450 W，體積0.127 m3，用戶數(shù)據(jù)率60 Mbit/s。2011年，為驗(yàn)證地球同步軌道與地球之間雙向激光中繼通信的效果，美NASA啟動(dòng)了激光通信中繼演示(LCRD)項(xiàng)目[17]，載荷由2個(gè)單獨(dú)的收發(fā)光通信終端和1個(gè)高速電子單元組成，地面系統(tǒng)由1個(gè)任務(wù)運(yùn)營(yíng)中心和2個(gè)地面站組成，2021年12月搭載空間測(cè)試計(jì)劃衛(wèi)星-6(STPSat-6)上發(fā)射，初步研究結(jié)果表明：激光通信傳輸速率比射頻高10～100倍，可滿足空間科學(xué)和爆炸領(lǐng)域?qū)Ω邤?shù)據(jù)速率的日益增長(zhǎng)的需求。2018年，為將可釋放的有效載荷運(yùn)送到地球同步軌道，降低天基系統(tǒng)研制成本，作為“鳳凰”計(jì)劃[18]的一部分，美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了有效載荷在軌交付系統(tǒng)(POD)[19]項(xiàng)目，將由4顆小衛(wèi)星構(gòu)成的POD發(fā)射成功，順利進(jìn)入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。

2.3 專用轉(zhuǎn)發(fā)器類載荷

專用轉(zhuǎn)發(fā)器作為搭載有效載荷，不僅可提供可靠的通信能力，還能夠根據(jù)用戶需求選擇特定通信頻段，已逐漸成為各國(guó)快速構(gòu)建天基通信能力的主要手段。2003年，澳大利亞國(guó)防部在民用澳普?qǐng)D斯-C1(Optus-C1)衛(wèi)星平臺(tái)上搭載了軍用UHF/X/Ka頻段的通信載荷[20]，UHF頻段有5個(gè)5 kHz和1個(gè)25 kHz的轉(zhuǎn)發(fā)器，用于低數(shù)據(jù)速率雙向語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信；X頻段有4個(gè)60 MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器，用于中高數(shù)據(jù)速率單向、雙向視頻以及語(yǔ)音、數(shù)據(jù)通信；Ka頻段有4個(gè)33 MHz有源轉(zhuǎn)發(fā)器和1個(gè)備用轉(zhuǎn)發(fā)器，用于中高數(shù)據(jù)速率覆蓋和雙工視頻、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。2012年，由國(guó)際通信衛(wèi)星公司為主承包商，攜帶澳大利亞國(guó)防部隊(duì)專用超高頻有效通信載荷(ADF UHF)的國(guó)際通信衛(wèi)星-22(IntelSat-22)發(fā)射升空，載荷由波音公司研制，具有18個(gè)UHF轉(zhuǎn)發(fā)器，頻率為25 kHz，此外該星還搭載48個(gè)C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器、24個(gè)Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器。2005年，由美國(guó)勞拉航天公司和西班牙共同研制的“X星-歐洲”(XTAR-EUR)通信衛(wèi)星發(fā)射升空，搭載了北約可配置X頻段載荷，具有12個(gè)72 MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器，總功率100 W，用于加強(qiáng)西班牙與北約軍事、外交和保密通信業(yè)務(wù)。2006年，由美國(guó)勞拉公司研制的西班牙軍用電信衛(wèi)星(Spansat)發(fā)射升空，搭載有效載荷為在軌可重構(gòu)多波束天線(IRMA)[21]，該天線的4個(gè)波束可以從地面單獨(dú)重新定向，無需移動(dòng)天線本身，主要服務(wù)于西班牙國(guó)防部，與XTAR-EUR衛(wèi)星一起使用，為軍事行動(dòng)、圖像傳輸、大使館服務(wù)和政府通信提供支撐。2008年，美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)將國(guó)家自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(NAIS)的甚高頻通信載荷搭載在軌道通信衛(wèi)星(Orbcomm)上發(fā)射升空，該載荷質(zhì)量3 kg，功率8 W，體積0.003 m3，數(shù)據(jù)率10 kbit/s，用于增強(qiáng)現(xiàn)有的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海域態(tài)勢(shì)感知。2005年，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局將廣域增強(qiáng)系統(tǒng)[22]的L頻段轉(zhuǎn)發(fā)器作為有效載荷搭載在銀河-15(Galaxy-15)衛(wèi)星以及加拿大阿尼克-F1R通信(Telesat Anik-F1R)衛(wèi)星上發(fā)射升空，此后又分別于2008年、2016年、2017年、2022年搭載國(guó)際海事衛(wèi)星-4F3(Inmarsat-4F3)、墨西哥-9通信衛(wèi)星(Satmex-9)、歐洲衛(wèi)星公司15號(hào)衛(wèi)星(SES-15)以及銀河-30(Galaxy-30)衛(wèi)星進(jìn)行補(bǔ)充發(fā)射。2011年，搭載Ka頻段通信載荷[23]的高吞吐量衛(wèi)訊衛(wèi)星-1(ViaSat-1)發(fā)射升空，該載荷發(fā)射頻率為28.1～30.0 GHz，接收頻率為18.3～20.2 GHz，質(zhì)量34 kg，功率185 W，用戶速率可達(dá)10 Mbit/s，設(shè)計(jì)壽命15年，主要為加拿大農(nóng)村地區(qū)提供高質(zhì)量寬帶服務(wù)。2012年，歐洲衛(wèi)星公司5號(hào)衛(wèi)星(SES-5)成功發(fā)射，主載荷為24個(gè)C頻段和36個(gè)Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，搭載有效載荷為L(zhǎng)1和L5頻段的轉(zhuǎn)發(fā)器，作為歐洲地球靜止導(dǎo)航重疊服務(wù)(EGNOS)[24]一部分。2022年，美國(guó)空軍通過其增強(qiáng)型極地系統(tǒng)資本重組(EPS-R)計(jì)劃完成2顆超高頻通信有效載荷研制，旨在為北極地區(qū)的美軍提供安全、抗干擾的衛(wèi)星通信能力，計(jì)劃2023年搭載在挪威太空公司的北極衛(wèi)星寬帶任務(wù)上發(fā)射。

3 典型實(shí)例

近年來，國(guó)外成功開展了多項(xiàng)搭載有效載荷應(yīng)用案例，領(lǐng)域覆蓋導(dǎo)彈預(yù)警、定位導(dǎo)航、衛(wèi)星通信、殺傷評(píng)估等方面，本文選取其中比較有代表性的項(xiàng)目進(jìn)行介紹，如商業(yè)搭載紅外有效載荷、廣域增強(qiáng)系統(tǒng)、澳大利亞國(guó)防部超高頻通信有效載荷、天基殺傷評(píng)估，分析搭載有效載荷的應(yīng)用現(xiàn)狀。

3.1 商業(yè)搭載紅外有效載荷

商業(yè)搭載紅外有效載荷(CHIRP)由美國(guó)空軍于2010年提出，在一顆商業(yè)地球靜止軌道衛(wèi)星上搭載一個(gè)軍用紅外載荷，通過在軌收集紅外數(shù)據(jù)，以研究用于導(dǎo)彈預(yù)警和防御的寬視場(chǎng)相機(jī)、紅外凝視型傳感器的性能。歷經(jīng)39個(gè)月的研發(fā)，于2011年9月搭載SES-2衛(wèi)星發(fā)射升空，在軌運(yùn)行27個(gè)月后于2013年12月正式停止使用，運(yùn)行期間共采集超過300T紅外數(shù)據(jù)，為美國(guó)空軍分析70多次導(dǎo)彈/火箭發(fā)射事件以及150次其他紅外事件提供幫助。CHIRP上的寬視場(chǎng)紅外望遠(yuǎn)鏡由科學(xué)應(yīng)用國(guó)際公司開發(fā)，長(zhǎng)、寬、高尺寸為75 cm×54 cm×75 cm，質(zhì)量為75 kg，探測(cè)波段包括短波紅外、中波紅外以及直視地表波段(See-to-Ground)，像素規(guī)模2000×2000，可實(shí)現(xiàn)對(duì)1/4地球圓盤凝視觀測(cè)，外觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CHIRP紅外載荷Fig.2 CHIRP infrared payload

CHIRP載荷的宿主平臺(tái)為地球同步軌道通信衛(wèi)星SES-2，衛(wèi)星平臺(tái)為軌道科學(xué)公司開發(fā)的STAR 2.4，包含一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的次級(jí)載荷接口、專用的有效載荷熱輻射器以及由宿主轉(zhuǎn)發(fā)器提供的任務(wù)數(shù)據(jù)通信模塊，CHIRP載荷在宿主平臺(tái)上的布局如圖3所示。

圖3 安裝在宿主機(jī)上的CHIRP載荷Fig.3 CHIRP payload mounted on host

CHIRP的任務(wù)目標(biāo)包括：

(1)提供實(shí)戰(zhàn)環(huán)境數(shù)據(jù)，開發(fā)和評(píng)估寬視場(chǎng)(WFOV)地球圓盤凝視算法；

(2)驗(yàn)證凝視算法的性能；

(3)使用大規(guī)模焦平面陣列(FPA)評(píng)估WFOV性能；

(4)評(píng)估衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)WFOV傳感器約束邊界，包括視軸穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性指標(biāo)和性能。

3.2 廣域增強(qiáng)系統(tǒng)

廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)是美國(guó)專為民航開發(fā)的基于衛(wèi)星的導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，該計(jì)劃始于1992年，由美國(guó)聯(lián)邦航空局負(fù)責(zé)實(shí)施，2003年7月10日開始運(yùn)行。WAAS由38個(gè)廣域監(jiān)測(cè)站、3個(gè)廣域主控站、7顆地球靜止軌道衛(wèi)星、6個(gè)地面上行注入站、2個(gè)操作控制中心以及陸地通信網(wǎng)絡(luò)組成(見圖4)，可覆蓋美國(guó)本土、阿拉斯加、加拿大和墨西哥等大部分北美地區(qū)[25]。

圖4 WAAS系統(tǒng)體系架構(gòu)Fig.4 WAAS architecture

第11屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航年會(huì)上，美國(guó)國(guó)務(wù)院空間事務(wù)辦公室指出WAAS為北美4700多個(gè)民航機(jī)場(chǎng)提供帶垂直引導(dǎo)的航向道進(jìn)近程序(LPV)服務(wù)，其中1000多個(gè)民航機(jī)場(chǎng)具備決斷高度為60.96 m的帶垂直引導(dǎo)的航向道進(jìn)近程序(LPV-200)能力，達(dá)到I類精密進(jìn)近操作(CAT-I)服務(wù)水平[26]。近年來，美國(guó)政府積極采用搭載有效載荷的方式開展WAAS系統(tǒng)的研究工作。2005—2008年，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局采用在商用通信衛(wèi)星上搭載有效載荷的方式，將L頻段轉(zhuǎn)發(fā)器托管在Galaxy-15、Telesat Anik-F1R、Inmarsat-4F3衛(wèi)星上，有效載荷質(zhì)量為60 kg，功率達(dá)到300 W，體積為1 m3，用戶數(shù)據(jù)率為10 Mbit/s。2016年6月，WAAS系統(tǒng)有效載荷搭載Satmex-9衛(wèi)星發(fā)射升空，并于2018年3月投入使用，以取代Inmarsat-4F3衛(wèi)星上的舊載荷；2017年5月，WAAS系統(tǒng)有效載荷搭載SES-15衛(wèi)星發(fā)射升空，并于2019年7月投入使用，以取代Galaxy-15衛(wèi)星上的舊載荷；2018年，美國(guó)萊多斯公司擊敗雷神公司獲得聯(lián)邦航空管理局1.17億美元訂單，用于開發(fā)第7代靜止軌道通信載荷，2020年8月搭載Galaxy-30衛(wèi)星發(fā)射升空，2022年4月投入使用。圖5展示了WAAS系統(tǒng)歷史上所使用的商業(yè)衛(wèi)星平臺(tái)。

圖5 WAAS的衛(wèi)星Fig.5 WAAS satellites

3.3 澳大利亞國(guó)防部UHF有效載荷

超高頻(UHF)是指工作波長(zhǎng)范圍為1 m～1 dm、頻率為300～3000 MHz的無線電波，廣泛用于軍事衛(wèi)星通信領(lǐng)域，特別適合陸地、海上、空中部隊(duì)使用的移動(dòng)手持終端[27]。為了給部署在中東和阿富汗地區(qū)的澳大利亞軍隊(duì)提供超高頻通信能力，2009年4月，澳大利亞國(guó)防部與國(guó)際通信衛(wèi)星(Intelsat)公司簽訂1.67億美元合同，購(gòu)買國(guó)際通信衛(wèi)星-22(Intelsat-22)衛(wèi)星上的超高頻段載荷的全部容量，即18個(gè)25kHz信道；根據(jù)合同要求，Intelsat公司負(fù)責(zé)ADF UHF有效載荷的研制、集成和運(yùn)管，并且在衛(wèi)星發(fā)射后的15年間為澳大利亞提供相關(guān)的載荷管理服務(wù)，包括超高頻通信系統(tǒng)監(jiān)控和在軌測(cè)試等[28]。2012年3月，Intelsat-22衛(wèi)星發(fā)射成功，運(yùn)行在星下點(diǎn)72°E的地球同步軌道上，ADF UHF有效載荷擁有18個(gè)25 kHz的大功率轉(zhuǎn)發(fā)器，總體積為8 m3，約占Intelsat-22衛(wèi)星總有效空間容量的20%，質(zhì)量為450 kg，功率為2 kW。據(jù)澳大利亞政府估計(jì)，在ADF UHF載荷的15年壽命中，與單獨(dú)發(fā)射衛(wèi)星相比，采用搭載有效載荷的方式可以節(jié)省1.5億美元。

3.4 天基殺傷評(píng)估系統(tǒng)

美國(guó)2014財(cái)年《國(guó)防授權(quán)法案》要求美國(guó)導(dǎo)彈防御局應(yīng)為地基中段防御系統(tǒng)提供改進(jìn)的殺傷評(píng)估系統(tǒng)，并最晚在2019年12月31日前具備初始作戰(zhàn)能力[29]。于是，2014年4月，導(dǎo)彈防御局啟動(dòng)天基殺傷評(píng)估項(xiàng)目，截止到2019財(cái)年，總研發(fā)經(jīng)費(fèi)1.2億美元，實(shí)現(xiàn)了在軌初步運(yùn)行。單個(gè)SKA傳感器質(zhì)量約10 kg，由1個(gè)高速光譜傳感器、1個(gè)高速偏振成像傳感器和1個(gè)高速偏振非成像傳感器組成[30]，從圖6可以看出，3個(gè)傳感器共用一套處理器、控制器和基座。高速光譜傳感器用于對(duì)攔截中產(chǎn)生的輻射、熱和光譜等信息進(jìn)行成像，高速偏振傳感器主要用于確定攔截時(shí)產(chǎn)生物質(zhì)(碎片、顆粒、等離子體、氣體等)的粒度分布，以確定彈頭的類型。

圖6 天基殺傷評(píng)估傳感器Fig.6 Space-based kill assessment sensor

迄今為止，美國(guó)國(guó)防部和導(dǎo)彈防御局未公布SKA載荷具體搭載在何種衛(wèi)星上，結(jié)合美國(guó)2017財(cái)年導(dǎo)彈防御局預(yù)算申請(qǐng)文件[31]以及第二代銥星系統(tǒng)(Iridium NEXT)發(fā)射計(jì)劃，推測(cè)SKA載荷部署在Iridium NEXT通信衛(wèi)星星座中的22顆衛(wèi)星上。Iridium NEXT衛(wèi)星可以搭載多個(gè)有效載荷，每個(gè)載荷的質(zhì)量約為50 kg，體積30 cm×40 cm×70 cm，平均功率50 W(峰值200 W)，載荷的安裝方向可以選擇向下或向衛(wèi)星運(yùn)行速度矢量方向。SKA對(duì)美國(guó)彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)至關(guān)重要，可與彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的指揮控制元件連接，具備實(shí)時(shí)任務(wù)處理和報(bào)告能力，可與雷達(dá)數(shù)據(jù)融合用于綜合的、多現(xiàn)象學(xué)評(píng)估，主要用確定目標(biāo)是否被攔截、確定目標(biāo)的類型、確定是否是正面撞擊、確定目標(biāo)是否被摧毀等問題。SKA工作過程包括3個(gè)步驟：第一步是通過高速光譜和偏振傳感器獲取攔截狀態(tài)信息，如攔截產(chǎn)生的熱輻射、高速碎片、等離子體；第二步是進(jìn)行攔截時(shí)間評(píng)估，通過與毀傷數(shù)據(jù)庫(kù)、攔截彈數(shù)據(jù)庫(kù)、目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，建立基于時(shí)間序列的攔截時(shí)間評(píng)估模型，判斷攔截目標(biāo)類型以及是否正面攔截；第三步是殺傷效果評(píng)估，利用耦合熱力學(xué)和流體力學(xué)激波物理代碼和材料碎裂特征，建立基于物理的目標(biāo)攔截特征模型，以評(píng)估目標(biāo)是否被摧毀，并給出是否需要二次攔截建議[32]。

4 展望與思考

在未來空間安全的形勢(shì)下，太空已成為與陸、海、空、電、網(wǎng)并列的作戰(zhàn)域，各國(guó)圍繞太空的軍事競(jìng)爭(zhēng)與較量不斷升級(jí)。通過對(duì)國(guó)外搭載有效載荷的發(fā)展分析，可以看出：美國(guó)等國(guó)積極開展與其他國(guó)家、商業(yè)機(jī)構(gòu)和國(guó)際組織的合作，尋求采用搭載有效載荷的方式提升太空裝備的彈性，確保在對(duì)抗環(huán)境下依然具備強(qiáng)大的用天能力。經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，搭載有效載荷已經(jīng)廣泛應(yīng)用導(dǎo)彈預(yù)警、定位導(dǎo)航、衛(wèi)星通信、殺傷評(píng)估等方面，正在逐步形成在軌應(yīng)用能力。結(jié)合國(guó)外搭載有效載荷的主要用途，以及針對(duì)當(dāng)前搭載有效載荷面臨的主要問題，本文給出以下思考與建議。

4.1 搭載低軌商業(yè)衛(wèi)星，構(gòu)建天基偵察探測(cè)預(yù)警體系

高超聲速飛行器、超音速隱身戰(zhàn)機(jī)等空天目標(biāo)具有速度快、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、目標(biāo)特性不明顯等特性，僅依靠單一的天基探測(cè)平臺(tái)很難實(shí)現(xiàn)快速捕獲與穩(wěn)定跟蹤。為了探測(cè)、預(yù)警、跟蹤和識(shí)別高超聲速飛行器在內(nèi)的先進(jìn)空天目標(biāo)威脅，美國(guó)正大力發(fā)展新一代天基低軌預(yù)警系統(tǒng)，包括太空發(fā)展局的國(guó)防太空七層體系架構(gòu)和導(dǎo)彈防御局的超聲速與彈道跟蹤天基探測(cè)器。未來，加快推動(dòng)研制更具彈性和生存能力的天基低軌星座的同時(shí)，應(yīng)積極推動(dòng)低軌小衛(wèi)星搭載光學(xué)、紅外有效載荷的方案論證和系統(tǒng)研制，構(gòu)建功能完備的全天時(shí)、全天候天基偵察探測(cè)預(yù)警體系，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域乃至全球范圍內(nèi)高超聲速飛行器、F22隱身飛機(jī)等空天目標(biāo)全生命周期的探測(cè)-識(shí)別-預(yù)警-對(duì)抗。

4.2 依托低軌衛(wèi)星星座，提升軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)彈性

在未來戰(zhàn)爭(zhēng)中，太空是最先介入的作戰(zhàn)領(lǐng)域，專用的軍事通信衛(wèi)星首當(dāng)其沖遭受攻擊。近年來，低軌通信衛(wèi)星星座依靠其傳輸時(shí)延低、覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)帶寬高等特點(diǎn)，已掀起各國(guó)的研究熱潮，國(guó)外代表性系統(tǒng)有二代銥星、一網(wǎng)(OneWeb)、星鏈(Starlink)等，我國(guó)也提出“鴻雁”、“中國(guó)星網(wǎng)”等計(jì)劃。在低軌星座上搭載定制的通信有效載荷具有廣泛的應(yīng)用前景，不僅可構(gòu)建全球無死角高速衛(wèi)星軍事通信網(wǎng)，使天基信息傳輸能力得到空前提升；還可以建立大容量、低延遲、高速率的天基信息指揮平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、信息共享、目標(biāo)分配和智能決策，提升聯(lián)合作戰(zhàn)指揮效能。

4.3 彌補(bǔ)現(xiàn)有系統(tǒng)不足，增強(qiáng)高軌空間態(tài)勢(shì)感知能力

地球同步軌道上運(yùn)行著通信、氣象、數(shù)據(jù)中繼、電子偵察、導(dǎo)彈預(yù)警等高價(jià)值大型衛(wèi)星，對(duì)這類衛(wèi)星的監(jiān)視具有重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的空間態(tài)勢(shì)感知主要依靠地基雷達(dá)和大型天基系統(tǒng)，地基監(jiān)視系統(tǒng)存在盲區(qū)，而且容易受到天氣和大氣環(huán)境的影響，可能發(fā)生觀測(cè)誤差；天基監(jiān)視系統(tǒng)雖然能夠全天時(shí)、全天候的工作，但是系統(tǒng)建設(shè)成本昂貴、建設(shè)周期長(zhǎng)。隨著空間碎片急劇增加、空間目標(biāo)機(jī)動(dòng)性提升，傳統(tǒng)的空間態(tài)勢(shì)感知手段面臨極大挑戰(zhàn)。通過在高軌衛(wèi)星上搭載有效載荷的模式，同時(shí)發(fā)展近場(chǎng)威脅感知技術(shù)、主被動(dòng)防護(hù)技術(shù)，快速形成周邊全空域、大范圍、高時(shí)效性的長(zhǎng)期持續(xù)監(jiān)視、碰撞預(yù)警能力，從而提高天基高價(jià)值資產(chǎn)在強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下的態(tài)勢(shì)感知能力。

4.4 升級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，制定平臺(tái)與載荷標(biāo)準(zhǔn)化接口

為宿主衛(wèi)星平臺(tái)、載荷制定統(tǒng)一的接口與參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于加快搭載有效載荷的建設(shè)和應(yīng)用具有重要意義。統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)有助于打破平臺(tái)與載荷無法互聯(lián)、各自為戰(zhàn)的局面，促進(jìn)搭載有效載荷與宿主衛(wèi)星平臺(tái)在尺寸、質(zhì)量、功率方面的兼容。未來，衛(wèi)星平臺(tái)廠商與有效載荷研制單位應(yīng)積極參與標(biāo)準(zhǔn)接口制定工作，對(duì)不同功能和類型的衛(wèi)星平臺(tái)、有效載荷、相關(guān)器件進(jìn)行廣泛的標(biāo)準(zhǔn)化討論，加快通用化的接口規(guī)范制定，并建立高效合理的設(shè)計(jì)、制造、發(fā)射和使用流程，逐步完善搭載有效載荷的全鏈條應(yīng)用。

4.5 統(tǒng)籌考慮各方因素，建立合理有效載荷價(jià)格模型

搭載有效載荷是降低航天任務(wù)成本、分散任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)及實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射的有效手段，受到業(yè)界的重視并得到廣泛應(yīng)用。目前關(guān)于搭載有效載荷價(jià)格的相關(guān)研究較少，以往的案例中也沒有固定的價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)，所以確定搭載有效載荷的價(jià)格仍是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)。搭載有效載荷的相關(guān)方包括衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商、搭載客戶以及制造商，在制定搭載有效載荷的價(jià)格時(shí)，應(yīng)充分考慮相關(guān)方的需求、動(dòng)機(jī)、期望等因素。常見的價(jià)格模型有收入損失價(jià)格模型、資源成本價(jià)格模型、衛(wèi)星平臺(tái)或火箭升級(jí)價(jià)格模型，每種模型都有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，各自適用于不同的任務(wù)場(chǎng)景。為了降低搭載有效載荷的成本風(fēng)險(xiǎn)，建議搭載有效載荷相關(guān)方盡早參與制定合理有效的價(jià)格模型，以減少非技術(shù)因素導(dǎo)致的研制進(jìn)度的不可控。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了搭載有效載荷的概念、優(yōu)點(diǎn)以及面臨的挑戰(zhàn)，詳細(xì)闡述了國(guó)外主要國(guó)家搭載有效載荷的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)梳理了商業(yè)搭載紅外有效載荷、廣域增強(qiáng)系統(tǒng)、專用超高頻通信有效載荷、天基殺傷評(píng)估系統(tǒng)等典型項(xiàng)目的發(fā)展背景、系統(tǒng)概況及能力指標(biāo)，研判了搭載有效載荷在預(yù)警探測(cè)、衛(wèi)星通信、空間態(tài)勢(shì)感知等軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景。研究結(jié)果表明：在衛(wèi)星平臺(tái)上搭載有效載荷是將政府、部隊(duì)需求融合到宿主衛(wèi)星任務(wù)中的創(chuàng)新方法，也是降低航天任務(wù)成本、分散任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)及實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射的有效手段，已經(jīng)受到業(yè)界的重視并得到廣泛應(yīng)用。未來，隨著航天科技的飛速發(fā)展，搭載有效載荷將成為極具吸引力的選擇，具有重大的應(yīng)用前景，需要加強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域的工程應(yīng)用研究。