小衛星及衛星組網的戰術應用研究＊

楊 敏 孫 洋 鮑 凱

（1.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）（2.92956部隊 大連 116000）（3.海軍潛艇學院 青島 266000）

1 引言

衛星技術經過數十年的發展，已經在各個領域為人類帶來了可觀的經濟和社會效益，而且它在軍事效益方面的發展前景也不容小覷。在過去，大型衛星因為其容量巨大、用途多樣性以及長壽命一度成為衛星發展的主流，但是其研制周期長、費用昂貴、技術復雜等問題也在一定程度上制約了它的發展應用。因此在適應社會需求的前提下，小衛星所具有的設備復雜度相對較低、應急能力快、靈活性高、研制周期短等優點讓它在近年越來越受到重視［1］。

廣義上的小衛星是指質量小于1000kg的衛星，國際上對它的叫法也有很多，根據功能密度還能細分為微衛星、納衛星、皮衛星等。在小衛星戰場應用的早期，主要都是通過單顆小衛星來完成任務，因為它具備快速反應能力和快速重建能力，能有效提供戰術支持，對于局部突發戰爭的軍事偵察具有得天獨厚的優勢，是構筑未來信息戰、電子戰必不可少的偵察手段。

隨著航天技術的發展以及作戰態勢的變化，單靠一顆衛星已經難以實現對全球或者特定區域的不間斷通信、偵察和探測。為了滿足戰場對時間分辨率要求高、重訪周期短的需求，同時考慮到費用等因素，出現了一種新型的空間系統—衛星組網。衛星組網的形式可以分為星座和編隊：衛星星座是以提高時效性為宗旨，將單星模式工作的衛星按照一定的相位要求布放所形成的多星模式工作的衛星群。衛星編隊是指一群小衛星以某一點為基準，并構成一個特定形狀，這個特定形狀的各顆小衛星一方面保持這個形狀，同時也繞地球中心旋轉，它們都以相同的軌道周期繞地球飛行。目前小衛星及其組網的應用在各國軍方中已經得到了高度的重視，因為利用小衛星的優勢，采用組成星座或者編隊飛行的模式，可以實現對戰場全方位的應用，更好的完成作戰任務。

2 戰術小衛星的應用發展

2.1 戰術小衛星的概念

戰術小衛星是隨著現代作戰戰場態勢的變化被提出來的，是指以實現戰略目的為前提，面向戰術需求支持和響應戰場作戰的小衛星。它不受地理條件限制，能夠機動發射，并且對戰場覆蓋偵察的范圍更為具體，同時生存能力很強以適應未來戰術作戰樣式的多變性。

2.2 戰術小衛星的需求背景

空間信息優勢既是打贏現代戰爭的先決條件，也是當今軍事強國競相追逐的戰略制高點，無論是在平時戰略情報搜集，還是戰時戰場態勢感知方面，衛星均發揮著不可或缺的作用。目前，雖然大型衛星的功能及可靠性、生存能力都有所增強，應用的范圍也越來越廣泛，但由于這些衛星及其應用系統研制、發射和準備的周期長、費用高昂，一旦發射失敗或者在軌發生故障則損失驚人，因此大多是為支持戰略任務而設計的，時效性差，不能及時響應戰場變化，不能由戰場指揮官控制，不完全適用于局部戰爭和地區沖突戰術的需求。因此，各國軍方逐步把目光投向了小型衛星，與大型衛星相比，它更適用于戰術層面，用于對戰場和事發地區執行短期的任務。如美國為保持太空優勢，保障在未來戰爭中能及時地補充和維修失效的軍用衛星而制定和實施的ORS／AOA（作戰響應航天運輸／選擇分析）計劃，該計劃的重點是快速發射戰術衛星，后來的研究擴展到發射太空對地精確攻擊的通用氣動飛行器（CAV）［2］。

2.3 戰術小衛星擔任的任務

利用小衛星能夠實現其它方法所無法達到的效果，因為它不存在僅局限于用傳統的固定發射平臺發射的問題，還能通過用各種移動平臺發射，這就使得發射更為機動靈活，降低了環境等外界因素的影響。根據不同的戰場需要，其應用主要體現在：

1）快速響應

現有的大型衛星系統不能及時響應戰場變化，不能由戰場指揮官控制，而且時效性差，研制、發射和準備的周期長、費用高昂，主要用于戰略層面，不適于戰術應用。而戰爭或緊急情況通常是在沒有警告的情況下爆發的。因此，美國的“太空作戰快速響應”就是在這一背景下形成的。據美國空軍航天司令部稱，“太空快速響應作戰”涉及到的領域包括快速響應航天運載器、同時包括了戰術小衛星（快速響應有效載荷）、近太空以及快速響應發射場等。該計劃將遵循兩項原則：一是快速響應性（迅速性和全球性），二是經濟可承受能力。

不過從目前研究水平來看，小衛星還不能完全替代大衛星，譬如長時間的偵察要求。盡管小衛星仍存在一定的局限性，但是快速響應小衛星在戰術上的價值是重大的。在此計劃的基礎上，美國研制出了一系列小型的“戰術小衛星”（TacSat），統計資料顯示現在已經發射了戰術衛星－1、戰術衛星－2、戰術衛星－3、戰術衛星－4，戰術衛星－5也于2012年發射。并且將計劃發射戰術衛星－6，初步的概念表明它的工作原型是戰術衛星－4（軍事通信衛星），其任務將包括多載荷任務自動化、戰術衛星－7和戰術衛星－8，初步的概念表明在未來軍事作戰的眾多任務中，它們可能發展成為軍事情報偵察衛星［3］。

2）移動通信星座及數據中繼

通過語音，數據通信的能力，以及圖像的分析工作，對作戰的士兵進行緊急救援行動是現代軍事活動的關鍵。一些軍事行動現在是依賴于銥衛星和全球星小衛星星座的移動通信服務。例如美國軍方正在部署其小衛星星座支持全球的遠程移動通信。有資料顯示美國正在進行關于下一代銥衛星在網絡上支持軍事行動的研究。自1987年起，前蘇聯開始使用采用存儲—轉發通信方式的第二代戰術通信衛星。當衛星經過地球上空時，地面移動用戶可用手持式發射機發送數據，衛星接收并存儲這些數據，到達地面接收站上空時再轉發下來。它主要用來把駐國外部隊和情報單位的數據傳送到國內。而英國國防部則提出了由數百顆衛星組成的低軌衛星網，供作戰部隊進行戰術通信。它由50～100顆衛星組成一條衛星鏈路，地面用戶使用UHF頻段向衛星發送信息，信息在衛星間快速傳送，直到抵達目的地。

3）數據收集

大氣和海洋環境信息是現代戰爭環境保障的重要信息，各國軍隊都非常重視氣象探測和海洋監測的應用。這類小衛星是為軍事行動提供服務，譬如突發檢測遠程浮標或者地面傳感器數據，而且可以監測海洋以及其它氣象條件，為軍事作戰提供更多氣候方面的支持。美國空軍現在部署和測試的有兩個立方體小衛星（30×30×10cm，體重4kg），它可用來評估來自世界各地的氣象數據，并且可為軍事行動分析和提供出可靠的氣象方面的數據。俄羅斯也擁有氣象衛星“流星”（METEOR）系列和海洋遙感與偵察衛星Okean系列，及各級地面應用系統。日本和印度也都可利用本國的氣象和海洋衛星為其軍事氣象和海洋環境保障服務。

此外還有電子偵察衛星，能夠在戰前收集情報，戰時獲取戰場態勢，并通過對目標的分析為作戰部隊和支援部隊提供戰場態勢圖。

3 小衛星組網的應用發展

3.1 小衛星組網形式

分析小衛星近十年的發展，通過對小衛星組網的技術和應用發展研究，組網形式分成星座組網和編隊飛行兩種。

1）星座組網

傳統星座的組成，目的只是想增加對地觀測的覆蓋，或者提高時間分辨率。目前，國際上衛星星座設計的方法主要有三類：（1）針對全球覆蓋的衛星星座的設計方法；（2）針對地帶性覆蓋的衛星星座的設計方法；（3）針對區域性覆蓋的星座設計方法。

通常的星座設計是衛星具有相似的軌道偏心率和傾角，使得任何擾動是通過大致相同的方式影響每個衛星。在這種方式中，星座的幾何形狀可以保留而不固定它的位置，由此能保持減少燃料的使用，從而提高衛星的壽命。另一個考慮是，每顆衛星在軌道平面內保持足夠的距離，避免在軌道平面交叉口發生碰撞或干擾。圓形的軌道在星座設計的時候比較通用，因為這樣的衛星是在一個恒定的高度需要一個恒定的信號強度進行溝通。

上世紀七十年代，英國人J.G.Walker和前蘇聯G.V.Mozhaev分別對全球覆蓋的圓軌道衛星星座進行了深入的探討和研究。Walker利用純幾何的方法提出了δ星座、ω星座和σ星座，此后，美國人AH Ballard在此基礎上進一步研究了面向全球覆蓋的圓軌道衛星星座的設計方法，即被稱為玫瑰星座的設計方法。現在Walker星座是全球、緯度覆蓋帶最有效的星座，它所包括的δ星座得到了廣泛的應用，通常被稱作 Walker－δ星座—美國的GPS導航系統，俄羅斯的Glonass（Global Navigation system）系統，歐盟的Galileo衛星導航系統計劃都是采用 Walker－δ星座構型［4］。

2）編隊飛行

在功能上，編隊小衛星類似于一顆大衛星。而根據任務的要求，它也可以看作一個規模較大的虛擬傳感器或者探測器。編隊里的各顆小衛星有規律地空間分布，它們能在某一時刻對同一目標或對空間同時實行立體觀測及探測。在應用領域上包括對地面觀測、天文觀測、立體成像、精確定位、大氣和地球物理探測等。編隊飛行由于要保持一定的形狀，因此對于星間鏈路技術的問題要求非常嚴格。如果所有的觀察采用編隊飛行模式，就可以嘗試在短時間內看到目標區域更大的覆蓋［5］。

目前國外小衛星編隊的應用主要在以下三個方面：一是科學實驗，二是近地勘測，三是深空探測［6］。

國際上對小衛星編隊飛行技術的研究熱潮始于20世紀90年代。美國等航天大國將這一技術列為21世紀航天技術發展的重點之一。具有代表性的有美國的大學納星計劃、TechSat21、Cloud Sat、Space Technology等。作為美國新盛世計劃的一部分，美國國防部和NASA于1998年啟動了大學納型衛星計劃，總共十所大學提出了五項納型衛星編隊飛行計劃，計劃從2002年開始進行首次發射和在軌試驗。同時美國空軍提出“21世紀技術星”TechSat21發展計劃，利用三維編隊飛行的若干顆小衛星協同工作構成低成本、高可靠性、多任務平臺以及具有擴充能力的“虛擬衛星”，實現分布式星載微波雷達。美國的CloudSat是多衛星、多遙感器的實驗，于2004年4月發射，并將與Aqua等衛星進行編隊飛行，試圖利用光譜儀、光學成像設備、激光雷達及雷達等聯合觀測的信息進一步了解云霧對地球天氣的影響，測量大氣浮塵和云的狀況，以提高天氣預報的準確度［7］。

3.2 小衛星組網及其優勢

由于現代戰爭要求偵察監視信息的精確性、快速性、覆蓋性和連續性，實現上述要求還必須要發展由一個或多個星座構成的天基成像偵察監視系統。而小衛星組網優勢主要體現在：

1）組網快速性：由小衛星所具備的優點，能響應戰場需要，協調工作，迅速構建平臺能使得快速發射并組網；

2）獲取情報的連續性：小衛星通過組網工作，根據任務制定運行在特定的近圓軌道上，它的重訪周期較短，這在一定程度上能大大縮短時間覆蓋；

3）獲取情報的安全性高和可靠性強：獲取情報的連續性能更容易進行圖像信息的判別，這樣就提高了情報的可信度，同時，由于小衛星不易受到攻擊，抗毀性強，讓情報獲取的可靠性和安全性得到了保證。

4 小衛星及其組網在美軍戰術行動中的應用

雖然各國對小衛星和其組網形式都十分重視，但是目前只有美國的小衛星及其組網在戰術中得到較為充分的應用，因此以美國為實例進行研究。

海灣戰爭，被美國國防部稱為“第一次太空戰爭”，它不僅成就了一段高技術武器的神話，也推動了新一輪軍事革命的浪潮，同時衛星的應用優勢充分地體現在兵力部署、指揮和控制上。但是在戰后總結海灣戰爭的經驗時發現，海灣戰爭中所使用的航天系統都是冷戰時期為戰略應用而研制部署的，不太適應現代高科技技術條件下的局部戰爭的需要，其所反映出的時效性差、不適應戰術應用的問題，而最重要的是不能由戰場指揮官控制，這樣在戰場上會極易處于被動狀態。因此，面對亟需解決的問題，以美國為首的航天大國開始強調航天偵察從戰略向戰術的轉向，其中各類偵察小衛星更是得到了廣泛的應用。由于其快速響應能力在戰場中已經充分發揮了優勢，所以小衛星從最初的拍攝照片僅供情報局使用已經轉向軍方戰場應用［10］。

如在伊拉克戰爭中，美軍利用在軌衛星對伊拉克的軍事行動進行嚴密監視，確保美英聯軍擁有信息優勢。美軍的預警衛星主要包括“國防支援計劃”（DSP）衛星星座，共有5顆，包括4顆地球靜止軌道工作星和1顆在軌備份星組成。其中有2顆專門用于監視伊導彈發射，每30s向地面發送一次電視圖像，為美軍“愛國者”反導系統擊落伊軍導彈提供了重要保證。

美軍綜合利用光學衛星的成像能力，利用在軌的十多顆各種偵察衛星以及“伊克諾斯－2”等商用遙感衛星對伊拉克的軍事行動進行嚴密監視。由3顆KH－12光學成像衛星、2顆“長曲棍球”雷達成像衛星、1顆“增強型成像系統”（EIS）衛星以及“伊克諾斯－2”等商用遙感衛星組成的空間成像偵察系統，其中每顆KH－12衛星每日飛越伊上空兩次；2顆“長曲棍球”雷達成像衛星，每天6次飛越伊上空。這些偵察衛星可對伊保持幾乎每兩小時一次的嚴密監視，成為美英聯軍監視伊拉克戰場、選擇打擊目標和進行打擊效果評估的主要裝備。

在電子偵察衛星方面，美軍使用了3顆“入侵者”電子偵察衛星和12顆第二代“白云”電子型海洋監視衛星，其中后者已與KH－12和“長曲棍球”組網，可每天監視南、北緯64.3°之間的地帶三十多次。電子偵察衛星可對伊無線電信號進行監測，幫助尋找薩達姆等伊高層領導人的藏身之處和伊軍的重要指揮控制中心，為空襲提供打擊目標。此次戰爭中，美軍使用了多種偵察手段。空間圖像偵察主要依靠“鎖眼”KH－12成像偵察衛星，分辨率可達0.15m；“長曲棍球”衛星是目前世界上惟一的軍用雷達成像衛星，成像精度達0.3m，不受各種惡劣氣候影響，甚至可對地下目標進行偵察，該衛星的使用降低了伊拉克境內沙塵暴天氣對美軍轟炸行動的影響［9］。

5 結語

現代戰爭是多維的立體空間戰爭，戰場的范圍已經遍布太空、高空、中空、低空、超低空、地面、海面直至地下和水下，這對機動能力的要求也逐漸增大。從小衛星及其組網的戰術應用的情況看，它的發展趨勢主要包括：

1）兼顧戰略戰役應用，向全面支持戰術化應用發展；

2）隨著偵察模式的轉變，從根據戰場需求而制定特定的任務規劃的角度出發，研發出可以由指揮員直接使用的小衛星，并且在滿足需求的前提下設計出星座組網或者編隊飛行，這在未來戰場是至關重要的；

3）相關資料顯示出美國現在預算開發或者采購一種小軌道反衛星武器，比起昂貴和復雜的大衛星，這對他們更有吸引力［10］。這就意味著小衛星的應用已經從被動輔助轉變成主動進攻。

因此，小衛星在未來作戰中的應用應得到充分的重視，它的發展前景不容小覷。

［1］龔小林，李樹鋒，馬東堂.低軌星座系統覆蓋特性仿真分析［J］.衛星與網絡，2008（1）：58－60.

［2］黃志澄.美國太空快速響應計劃［J］.國際太空，2006（10）：14－18.

［3］Responsive Space Program（RSP）［EB／OL］.http：／／www.globalsecurity.org，2012.

［4］高懷保，楊林娜，李宏勛.星座設計方法筒介［C］／／中國空間科學學會空間探測專業委員會第十二次學術會議討論文集，2000

［5］Cluster John L.Mohammed.Mission Planning for a Formation－Flying Satellite［C］／／Stottler Henke Associates，Inc.，San Mateo，CA，2006.

［6］聞新，馬文弟，周露.小衛星編隊飛行的應用模式及展望［J］.中國航天，2005（8）：40－43.

［7］曾禮君.低軌衛星編隊技術研究［D］.成都：電子科技大學，2006.

［8］曾錦祥.國外航天偵察從戰略轉向戰術應用［J］.電信技術研究，2007（5）：34－46

［9］李文盛，王潤安.伊拉克戰爭中美軍情報偵察手段的運用及特點［EB／OL］.http：／／www.sylu.edu.cn／gwwq／cankao／zb1701.htm，2004.

［10］Maj Wallace R.Turnbull Moving Beyond SSA：An Attribution Architecture for Space Control［J］.The High Frontier Journal，2008，11（1）：25－28.