深度 | 小衛(wèi)星技術(shù)典型軍事應(yīng)用分析

目前航天領(lǐng)域裝備建設(shè)更加強(qiáng)調(diào)戰(zhàn)略性、時(shí)效性和靈活性，為有效實(shí)施太空戰(zhàn)略威懾、快速靈活反應(yīng)和空天一體化軍事力量生成提供了重要保障。隨著微電子技術(shù)、快速發(fā)射、和衛(wèi)星模塊化等技術(shù)的發(fā)展成熟，現(xiàn)代小衛(wèi)星逐漸成為一支新的航天裝備隊(duì)伍。由于其高技術(shù)密集、高功能密集和高性價(jià)比，小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，并促使航天軍事應(yīng)用發(fā)生深刻的變革。

近年來，全球小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展強(qiáng)勁，發(fā)射數(shù)量逐年大幅增長，從近十年各航天大國衛(wèi)星發(fā)射活動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)來看，小衛(wèi)星逐步成為世界航天活動(dòng)的主要構(gòu)成部分之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2013年開始，全球小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量呈爆發(fā)式增長態(tài)勢，2013年共成功發(fā)射小衛(wèi)星146顆，2014年，全球共成功發(fā)射小衛(wèi)星162顆，與2013年相比數(shù)量增 加了22.7％。2015年，全球共成功發(fā)射小衛(wèi)星149顆，由于火箭發(fā)射事故損失了小衛(wèi)星21顆，造成小衛(wèi)星數(shù)量較去年較少，但入軌小衛(wèi)星數(shù)量占同期入軌航天器總數(shù)從2013到2015年實(shí)現(xiàn)連續(xù)3年占比超過60％。

制太空權(quán)決定了海空等其他制權(quán)，航天裝備建設(shè)也更加突出隱蔽性和全球性。當(dāng)前以美國為代表的航天強(qiáng)國在航天感知體系、信息支援以及作戰(zhàn)響應(yīng)等領(lǐng)域更加強(qiáng)調(diào)力量資源的集成和融合。以小衛(wèi)星為代表的新型航天器的更能滿足新型空間力量的需求，同時(shí)現(xiàn)代小衛(wèi)星的額應(yīng)用也進(jìn)一步促進(jìn)了作戰(zhàn)理念和作戰(zhàn)模式的改革。指揮鏈條的簡化、作戰(zhàn)手持終端顆直接參與決策，更進(jìn)一步提升了空天一體化的作戰(zhàn)效能。

自美國國防部啟動(dòng)“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”計(jì)劃以來，美軍以其為先導(dǎo)，輻射帶動(dòng)了一大批面向軍事應(yīng)用的小衛(wèi)星項(xiàng)目，驅(qū)動(dòng)小衛(wèi)星業(yè)務(wù)化水平不斷提升。當(dāng)前，小衛(wèi)星在戰(zhàn)場態(tài)勢感知、戰(zhàn)場通信、空間攻防等領(lǐng)域具備裝備化應(yīng)用能力。

１、快速響應(yīng)空間

最近的幾場局部戰(zhàn)爭使美國逐步意識(shí)到預(yù)警、偵察等空間力量在其戰(zhàn)術(shù)體系中重要的支撐作用，為進(jìn)一步鞏固太空戰(zhàn)略優(yōu)勢，拓展太空偵察應(yīng)用，美國國防部在2001年 首次提出了快速響應(yīng)空間（operationally responsive space，ORS）的概念。

美國國防部在2005年提出了快速響應(yīng)空間的發(fā)展戰(zhàn)略，并于2007年發(fā)布了給國防委員會(huì)的報(bào)告，報(bào)告中正式提出ORS發(fā)展的4個(gè)倡議，包括戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星（TacSat）、運(yùn)載火箭、空間靶場以及臨近空間系統(tǒng)。

第一顆TacSat衛(wèi)星計(jì)劃于2016年3月發(fā)射，質(zhì)量約150kg，屬于低分辨率成像衛(wèi)星，由美海軍研究試驗(yàn)室研制，星上搭載紅外相機(jī)、戰(zhàn)術(shù)無線電信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)、以及可見光相機(jī)等有效載荷，主要用于戰(zhàn)場觀測。由于火箭故障最終取消發(fā)射。TacSat-2衛(wèi)星質(zhì)量約379kg，由研究實(shí)驗(yàn)室研制，主要用于可見光成像，現(xiàn)已失效。TacSat-3衛(wèi)星質(zhì)量為396kg，主要利用海洋數(shù)據(jù)遙測微衛(wèi)星鏈路驗(yàn)證星上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，利用超光譜成像儀進(jìn)行隱蔽目標(biāo)的探測，目前已失效。TacSat-4衛(wèi)星2011年發(fā)射，屬于通信試驗(yàn)衛(wèi)星，主要用于驗(yàn)證超視距通信以及數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，目前在軌服務(wù)。

除戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星外，美軍還開展了作戰(zhàn)響應(yīng)空間衛(wèi)星計(jì)劃，該計(jì)劃包括4顆ORS衛(wèi)星。2011年6月ORS-1和ORS-2衛(wèi)星發(fā)射升空，屬于成像小衛(wèi)星，主要為阿富汗和 其他戰(zhàn)場提供高分辨率偵察圖像，目前仍在軌服務(wù)。此外，ORS-3和ORS-4衛(wèi)星也在2013年發(fā)射，目前主要用于技術(shù)驗(yàn)證。 快速響應(yīng)空間項(xiàng)目是美空間戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的最早項(xiàng)目之一，前期高度重視，但由于對(duì)項(xiàng)目的認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一、衛(wèi)星在軌時(shí)長與作戰(zhàn)需求能力不匹配以及發(fā)射上的短板等問題導(dǎo)致目前項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)在逐步縮減。但ORS項(xiàng)目進(jìn)行中發(fā)展起來的小衛(wèi)星技術(shù)、軌道重復(fù)使用技術(shù)、分離模塊航天器以及作戰(zhàn)模式的更新對(duì)新的小衛(wèi)星發(fā)展和應(yīng)用起到了很好的支撐作用。 

2、SeeMe項(xiàng)目

美國國防先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA ）在2012年提出 了“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”（SeeMe，space enabled effects for military engagements）項(xiàng)目發(fā)展計(jì)劃。該項(xiàng)目主要通過手持設(shè)備為海外以及超視距戰(zhàn)場作戰(zhàn)人員提供態(tài)勢感知圖像，力求作戰(zhàn)人員在90min內(nèi)收到精確位置的衛(wèi)星圖像。與傳統(tǒng)的中高軌偵察大衛(wèi)星相比，SeeMe項(xiàng)目從一個(gè)新的角度來看待天基衛(wèi)星偵察問題，通過短尋訪周期可按需操作的衛(wèi)星星座部署來發(fā)送戰(zhàn)場態(tài)勢信息。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用空基發(fā)射的方式，90d之內(nèi)完成24顆衛(wèi)星的星座部署，單顆衛(wèi)星質(zhì)量約50kg，軌道高度200～350km，掃 描幅度為±10°。項(xiàng)目綜合考慮軌道高度、成像精度、衛(wèi)星壽命和重防周期等多種因素。該項(xiàng)目作戰(zhàn)支撐體系如圖1所示。

快速響應(yīng)空間項(xiàng)目實(shí)施過程中就驗(yàn)證了小衛(wèi)星進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)中繼的能力，在2012年TacSat-4衛(wèi)星發(fā)射使用中，衛(wèi)星搭載了UHF通信轉(zhuǎn)發(fā)器，目的是為戰(zhàn)區(qū)提供特高頻頻段“動(dòng)中通”業(yè)務(wù)以及海上浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集等。該衛(wèi)星主要利用了衛(wèi)星橢圓軌道的特點(diǎn)，可以針對(duì)特定戰(zhàn)區(qū)進(jìn)行持續(xù)性通信，戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)是持續(xù)通信時(shí)間4h。

另外一個(gè)小衛(wèi)星軍事通信的典型應(yīng)用是美軍的“空間與導(dǎo)彈防御司令部－作戰(zhàn)納衛(wèi)星效用（SMDC-ONE）”衛(wèi)星。第一代SMDC-ONE衛(wèi)星于2010年10月發(fā)射成功，共兩顆，屬于立方體衛(wèi)星，該項(xiàng)目是美軍為演示驗(yàn)證低成本小型通信衛(wèi)星星座組網(wǎng)而設(shè)計(jì)，主要通過無人中繼臺(tái)站進(jìn)行超視距數(shù)據(jù)傳輸。該衛(wèi)星項(xiàng)目有兩種運(yùn)行模式：一種是戰(zhàn)場人員將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面無人值守傳感器，然后通過衛(wèi)星中繼至指揮部；另外一種是戰(zhàn)場人員直接發(fā)送指令或者信息到衛(wèi)星，進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求或者衛(wèi)星任務(wù)調(diào)度。

在2015年10月，美軍發(fā)射了該項(xiàng)目升級(jí)版衛(wèi)星3顆，這3顆衛(wèi)星屬于3U立方體衛(wèi)星，單顆造價(jià)在50萬美元。與上一代衛(wèi)星相比，升級(jí)版的數(shù)據(jù)傳輸效率增加了5倍，并增加了軌道機(jī)動(dòng)能力，使衛(wèi)星組網(wǎng)星座構(gòu)型保持更加穩(wěn)健。

隨著太空技術(shù)的快速發(fā)展，在太空軍事應(yīng)用領(lǐng)域，空間態(tài)勢感知對(duì)于提高太空軍事效率，應(yīng)對(duì)空間威脅、確?？臻g安全，增強(qiáng)目標(biāo)確認(rèn)、毀傷評(píng)估以及空間環(huán)境的監(jiān)測預(yù)報(bào)起到了極大的推動(dòng)作用，近年來受到各個(gè)航天大國高度重視和發(fā)展。天基目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)覆蓋范圍廣、近距監(jiān)測能力強(qiáng)，具有全天時(shí)、全天候監(jiān)視的特點(diǎn)，有效彌補(bǔ)了地基監(jiān)視系統(tǒng)的不足。目前天基空間目標(biāo)監(jiān)視主要包括不同軌道高度的空間目標(biāo)監(jiān)視衛(wèi)星、空間環(huán)境探測衛(wèi)星、預(yù)警衛(wèi)星等。

隨著微電子、即插即用等技術(shù)的發(fā)展，微小衛(wèi)星在空 間目標(biāo)監(jiān)視中的作用逐漸凸顯，21世紀(jì)初美國和加拿大等國就進(jìn)行了空間望遠(yuǎn)鏡技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目。比較典型的空間目標(biāo)監(jiān)視項(xiàng)目包括：加拿大MOST項(xiàng)目、Sapphire衛(wèi) 星、NEOSSat衛(wèi)星，歐洲的UNISAT-5項(xiàng)目，美國的J-MAPS項(xiàng)目、STARE項(xiàng)目、GSSAP項(xiàng)目等。下面以加拿 大的Sapphire衛(wèi)星和美國的GSSAP項(xiàng)目為例，分析典型的小衛(wèi)星空間目標(biāo)監(jiān)視項(xiàng)目。

Sapphire衛(wèi)星是加拿大首顆軍事空間監(jiān)視衛(wèi)星，2013年發(fā)射，整星質(zhì)量約為50kg，搭載空間可見光相機(jī)，主要探測距離6000～40000km的空間飛行器。該衛(wèi)星與美國的空間目標(biāo)監(jiān)視網(wǎng)共同運(yùn)行，可同時(shí)跟蹤探測6～15顆空間目標(biāo)。Sapphire衛(wèi)星的工作流程相比前幾代衛(wèi) 星更加系統(tǒng)化、規(guī)范化。首先由衛(wèi)星操作中心和國防部共同制定觀測計(jì)劃需求，以確定衛(wèi)星相機(jī)指向，衛(wèi)星調(diào)度機(jī)構(gòu)接收到觀測計(jì)劃后形成指令文件，由地面站將指令上傳到衛(wèi)星；Sapphire衛(wèi)星接到指令后，按照計(jì)劃調(diào)姿、控制傳感器指向，并將獲得的圖像下傳至地面站；由衛(wèi)星處理與調(diào)度機(jī)構(gòu)進(jìn)行目標(biāo)的精確測量與數(shù)據(jù)處理。

地球同步軌道衛(wèi)星主要是預(yù)警衛(wèi)星、通信衛(wèi)星以及部分導(dǎo)航和環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星，共約600顆。同步軌道具有很大的對(duì)地觀測和通信范圍，而且軌位具有唯一性，各航天大國對(duì)同步軌道軌位的爭奪和搶占一直比較激烈。為更好進(jìn)行同步軌道衛(wèi)星的監(jiān)視和跟蹤，美國空軍空間司令部著手開發(fā)了地球同步軌道空間態(tài)勢感知計(jì)劃（geosynchronous space situational awareness program，GSSAP）。與中低軌衛(wèi)星監(jiān)視相比，地球同步軌道衛(wèi)星空間感知項(xiàng)目的情報(bào)搜集能力是前者的600倍。 

GSSAP-1和GSSAP-2衛(wèi)星于2014年7月搭載Delta IVM+（4，2）火箭發(fā)射升空。2015年10月，美國空軍宣布兩顆GSSAP衛(wèi)星已于9月29日完成在軌測試，獲得初始運(yùn)行能力。在2016年8月19日，GSSAP-3和GSSAP-4兩顆衛(wèi)星也發(fā)射成功，GSSAP項(xiàng)目計(jì)劃的4顆衛(wèi)星目前均在軌正常運(yùn)行。

GSSAP衛(wèi)星由軌道科學(xué)公司建造，主要載荷包括光電傳感器和探測設(shè)備，運(yùn)行軌道在近地球同步軌道，在執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)時(shí)，在地球同步帶上下機(jī)動(dòng)。GSSAP衛(wèi)星通過軌道相對(duì)漂移獲得監(jiān)視目標(biāo)的圖像信息，根據(jù)其任務(wù)設(shè)定也可近距離探測目標(biāo)的三維屬性及高清視圖，甚至可進(jìn)行目標(biāo)的撞毀等。

在空間對(duì)抗領(lǐng)域，主要是利用小衛(wèi)星進(jìn)行目標(biāo)的探測、在軌操作，以及利用機(jī)械臂等手段進(jìn)行衛(wèi)星捕獲和重組。早在2006年美國就發(fā)射了2顆“微衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)”（MiTEｘ）衛(wèi)星，試驗(yàn)了地球同步軌道監(jiān)視任務(wù)和目標(biāo)抵近技術(shù)，驗(yàn)證了小衛(wèi)星進(jìn)行在軌操作的軍事利用潛能。 2008年底，美軍利用 MiTEｘ衛(wèi)星對(duì)導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星進(jìn)行巡視，演示了近距交匯能力，暴露了其軍事用途。

另一項(xiàng)最具代表的空間捕獲重組小衛(wèi)星應(yīng)用是美國的“鳳凰”計(jì)劃。2011年，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局開展了“鳳凰”項(xiàng)目立項(xiàng)，利用母星攜帶小衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道，利用機(jī)械臂等設(shè)備抓捕并切割衛(wèi)星部件?！傍P凰”計(jì)劃第一階段重點(diǎn)進(jìn)行可行性論證，對(duì)細(xì)胞機(jī)器人以及子衛(wèi)星進(jìn)行論證，該階段已在2014年10實(shí)施。第二階段主要是對(duì)“鳳凰”計(jì)劃關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究攻關(guān)，主要包括空間機(jī)器人、“細(xì)胞衛(wèi)星”、“軌道交付系統(tǒng)”等，并在2015年成功完 成“細(xì)胞衛(wèi)星”（Satlets）關(guān)健技術(shù)首次在軌飛行驗(yàn)證。“細(xì)胞衛(wèi)星”總質(zhì)量約50kg，標(biāo)志著 “鳳凰”計(jì)劃關(guān)鍵技術(shù)已邁人實(shí)質(zhì)性驗(yàn)證段。

近年來，我國對(duì)于航天事業(yè)支持力度不斷加大，在軍事應(yīng)用方面也取得了新的突破，微小衛(wèi)星的生產(chǎn)應(yīng)用也取得了長足進(jìn)步。但發(fā)展過程中也暴露出一些急需解決的問題，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：一是微小衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)快速發(fā)展，但尚未形成體系化，沒有形成發(fā)展合力；二是運(yùn)載技術(shù)發(fā)展相對(duì)于小衛(wèi)星技術(shù)滯后，影響了小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈形成與發(fā)展；三是小衛(wèi)星軍事應(yīng)用方面受體制限制沒有得到有效集成，軍民融合體系還不夠完善。

借鑒國外航天強(qiáng)國的小衛(wèi)星發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，為我國發(fā)展小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)及軍事應(yīng)用提出以下三點(diǎn)建議。

軍民融合是世界航天發(fā)展的必然趨勢，代表了航天發(fā)展的發(fā)達(dá)程度。美、俄等主要國家在長期的航天發(fā)展過程中不斷摸索，逐漸尋找到了符合自身國情的航天軍民融合道路。

結(jié)合我國實(shí)際，在小衛(wèi)星軍民融合發(fā)展過程中首先要綜合考慮軍用、民用和商業(yè)市場的綜合需求，在國家層面統(tǒng)一規(guī)劃制定小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的型譜目錄以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和政策法規(guī)；其次是政策扶持、有效利用民用市場經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，建立軍方采購模式。

隨著微小衛(wèi)星的數(shù)量逐年猛增，“星多站少”的問題愈發(fā)突出?，F(xiàn)有地面系統(tǒng)的資源和信息無法共享，造成了衛(wèi)星測控應(yīng)用效率較低，不能滿足衛(wèi)星的測控需求。未來微納衛(wèi)星的發(fā)展，要充分發(fā)揮衛(wèi)星組網(wǎng)、系統(tǒng)運(yùn)行、全球資源共享的優(yōu)勢，既可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星工作效率、工作范圍及信息的時(shí)效性的大幅提升，同時(shí)也可以避免重復(fù)投資，充分發(fā)揮航天系統(tǒng)和測控網(wǎng)的利用率和效益。 

在國內(nèi)，要健全軍民資源互通共享機(jī)制，完善軍民通用衛(wèi)星測控運(yùn)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；在國際要借鑒國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）的辦法，促進(jìn)衛(wèi)星運(yùn)控與數(shù)據(jù)接收的國際合作，通過采用該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和信息傳輸體制，單個(gè)測控站可以滿足多個(gè)星座、不同用戶的測控要求，同時(shí)適應(yīng)多用戶、多數(shù)據(jù)類型的任務(wù)，便于實(shí)現(xiàn)國際測控資源的交互支持。

隨著微小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，數(shù)量激增，與之匹配的發(fā)射問題日益凸顯。受發(fā)射場和發(fā)射窗口制約，商業(yè)發(fā)射機(jī)會(huì)少，協(xié)調(diào)及等待周期長，存在延期等不確定性。同時(shí)，發(fā)射價(jià)格高，低成本小型運(yùn)載工具發(fā)展不充分，都成為限制微小衛(wèi)星發(fā)展的瓶頸問題。 

就國內(nèi)而言，尚未建成商業(yè)化運(yùn)作發(fā)射場，存在著發(fā)射機(jī)會(huì)少、發(fā)射審批流程復(fù)雜及周期較長、市場和價(jià)格體系不規(guī)范等問題。要解決這一問題首先是要加快小型運(yùn)載工具的研制以及一箭超多星等技術(shù)的發(fā)展，加強(qiáng)運(yùn)載技術(shù)的研發(fā)；其次是要精簡發(fā)射申請(qǐng)手續(xù)，優(yōu)化發(fā)射審批流程，甚至有必要建立一套專門針對(duì)微小衛(wèi)星的快速響應(yīng)機(jī)制，以適應(yīng)微小衛(wèi)星快速發(fā)射的特殊需求。

軍事、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等諸多因素促使以美國為代表的航天強(qiáng)國持續(xù)不斷地發(fā)展微小衛(wèi)星項(xiàng)目，并逐步擴(kuò)展到各類軍事應(yīng)用領(lǐng)域。本文對(duì)小衛(wèi)星項(xiàng)目在戰(zhàn)場態(tài)勢感知、軍事通信、天基目標(biāo)監(jiān)視以及空間對(duì)抗等領(lǐng)域的典型應(yīng)用進(jìn)行分析，結(jié)合我國現(xiàn)狀提出了發(fā)展建議，希望能夠?yàn)槲覈_展基于小衛(wèi)星的太空技術(shù)研發(fā)提供一定的參考。