美國持續發展微小型航天器動因探析

于小紅,　李　巖,　劉高強,　邢曉辰,　許國鋒

(1. 裝備學院 航天指揮系， 北京 101416；　2. 裝備學院 航天裝備系， 北京 101416；

3. 裝備學院 研究生管理大隊， 北京 101416)

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美國持續發展微小型航天器動因探析

于小紅1,李巖2,劉高強3,邢曉辰3,許國鋒3

(1. 裝備學院 航天指揮系， 北京 101416；2. 裝備學院 航天裝備系， 北京 101416；

3. 裝備學院 研究生管理大隊， 北京 101416)

摘要針對美國不斷推陳出新的微小型航天器發展研究，從太空戰略環境、戰場戰術響應、太空對抗、新技術演示驗證等4個方面，對美國持續發展微小型航天器的動因進行了初步探析。闡述了美國在提高太空系統戰略威懾效果、滿足戰場力量增強需求、推行太空對抗技術發展戰略、促進新技術演示驗證等方面對發展微小型航天器的現實需求。對微小型航天器發展戰略的頂層規劃給出了范例，為我國開展基于微小衛星的太空技術研究提供參考。

關鍵詞微小衛星；發展動因；太空戰略；力量增強

微小型航天器是指集成了微納米技術、微機電技術等先進技術和工藝的現代航天器，本文提及的微小型航天器質量通常在50～500 kg之間，包括各類微小衛星和微小型太空技術試驗飛行器。相比同等功能的大、中、小型航天器，微小型航天器具備成本低、小巧輕便、發射靈活、響應及時等優勢。其功能可以取代或部分取代傳統大、中型航天器，完成人類對太空探測、對地觀測以及其他特殊任務。自20世紀90年代以來，各類微小型航天器的發展層出不窮，先后發射入軌的有：多通道通信衛星(Multiple Access Communication Satellite，MACSAT)、微型衛星計劃(Micro Satellite Program，MICROSAT)、多路徑超視距通信微小衛星(Multiple Paths, Beyond-Line-of-Sight Communications,MUBLCOM)、試驗衛星系統(Experiment Small Satellite，XSS)等。近年來，更有靜止軌道微小衛星(Mirco-satellite Technology Experiment,MiTEx)技術實驗、軌道快車(Orbital Express)計劃、前端機器人使能近期演示驗證(FREND)、快速響應太空計劃(Operational Responsive Space,ORS)、“F6”(Future,Fast,Flexible,Free-flying,Fractionted spacecraft)項目、“See Me”(Space Enabled Effects for military Engagements)計劃、“鴿群”系統以及“鳳凰”計劃等。在美國不斷推陳出新的背后，究竟隱含了哪些動因？本文從太空戰略環境、戰場戰術響應、太空對抗、新技術演示驗證等4個方面，對美國持續發展微小型航天器的動因進行初步探析。

1適應太空戰略環境現實要求，提高太空系統威懾效果

2011年美國國防部發布《國家安全太空戰略》，對當前和未來太空戰略環境的基本判斷是：太空將更加擁擠、更具對抗性、更具競爭性，隨著越來越多的國家發展太空能力和反太空能力，美國正面臨新的挑戰，美太空系統的生存能力急需提升[1]。隨著太空系統信息能力的不斷提升，太空系統在國防和經濟領域的應用日益廣泛，美國對太空系統也越來越依賴，但美國多數太空系統是按照美蘇冷戰時期的思路進行建設的，已經不能適應新的太空戰略環境的要求，其太空系統的威懾效果將受到嚴重影響。

為此，美國提出了一系列應對措施，集中體現在美國空軍2013年頒布的白皮書《彈性和分散化太空體系結構》中。書中著重強調了通過分散化設計等多種途徑，增強其太空系統的彈性能力，提高太空威懾效果。美國空軍將分散化定義為“將天基任務、功能或傳感器散布到多系統上，跨越一個或更多軌道平面、平臺、寄主、作戰域。就是把集中到少數先進衛星的能力分散到數量更多的平臺上去”。

美軍提出了分離模塊、功能分解、搭載有效載荷、多軌道配置及多域分布5種分散化途徑。(1) 分離模塊是將衛星的功能分解到多個模塊，每個模塊搭載于不同的衛星，在軌模塊間通過無線模式進行數據交換，最終構建單體衛星系統具備的功能。(2) 功能分解是將傳統搭載于一個衛星系統的多個敏感期和截然不同的子任務，拆分搭載到不同的平臺上。(3) 搭載有效載荷即利用所搭載衛星的電源、處理、熱控、姿控等平臺能力，實現單顆衛星所具備的能力。通過這種方式可以大大降低成本，同時也使敵對方在攻擊時因搭載平臺可能涉及民用衛星而難以應對。(4) 多軌道配置是利用空間多個軌道面實現載荷對任務區域的多種覆蓋，也可在受到敵對方攻擊時增加系統復雜性，提高自身衛星系統彈性。采用此種模式為微小型衛星的發展提供了更多的應用空間。(5) 多域分布能夠綜合利用陸海空天等多領域技術手段，如利用天基敏感器對任務區域進行寬幅覆蓋，同時運用空、艦、地基敏感器對任務區進行戰術覆蓋，相比單領域分布更具優勢。

上述每一種途徑均有其重點和優勢，適用于某類衛星任務，但沒有一種途徑適合所有任務[2]。5種分散化途徑中的前4種都要求衛星模塊化、小型化、載荷化，這是未來美國太空系統發展的必然要求和顯著趨勢，也是微小型航天器大力發展的強勁動力。

2響應戰場戰術需求，充分發揮太空系統的力量增強作用

太空系統的信息優勢，能夠增強聯合作戰部隊的作戰能力。美軍把太空系統的力量增強任務作為當前其太空軍事力量最為重要的作戰任務。傳統的以大衛星為主的太空系統，存在發射部署周期長、花費巨大、難以響應戰場戰術需求等問題。美軍大力發展微小衛星技術，就是要發揮其在軍事偵察監視、軍事通信等領域的諸多優勢，通過快速發射部署形成一定數量規模的微小衛星星座系統，為戰場指戰員提供及時響應的戰術服務。

2.1協同傳統大型衛星發展，顯著增強太空系統能力

2.1.1天基對地軍事偵察監視

針對軍事偵察衛星，分辨率是其首要技術指標，包括高空間分辨率、高光譜分辨率及高時間分辨率。在戰術成像偵察微小衛星領域，優于0.5 m分辨率的成像偵察衛星基本上由大型衛星壟斷，分辨率最高可達0.1 m。隨著微小型衛星技術的快速發展，美國在發展大型高性能超高分辨率偵察衛星的同時，正逐步將優于1 m分辨率遙感信息的獲取任務交由微小衛星完成。

目前，戰術成像小衛星的地面分辨率可以達到米級，覆蓋寬度可達幾十到幾百千米，整星質量在200～300 kg，工作壽命可達5 a。通過部署微小衛星星座，能夠提高戰場戰術偵察的空間與時間分辨率，縮短衛星重返周期，甚至達到時間分辨率接近于零(即實現連續偵察)。同時，由于微小衛星在形成規模化和系列化后通常成本較低，因此星座系統的投資可接受。美國空軍在《空軍2025作戰構想》中指出，“小衛星組成的分布式星座系統是為戰斗人員提供實時不間斷信息服務的主要手段”[3]。

另外，在雷達成像監測方面，微小衛星通過編隊飛行方式構成一顆虛擬大衛星，形成較大的雷達天線孔徑，進而極大提高對地面活動目標的監視與跟蹤能力。某些時候，這種虛擬衛星的能力甚至可以超過單顆大衛星。此外，編隊飛行還能形成多種觀測系統，如分布式天基雷達、編隊飛行光學干涉測量系統、可見光紅外地球成像系統以及多光譜地球成像系統等。

2.1.2基于太空系統的軍事通信

微小衛星應用于軍事通信領域主要有以下優勢：在組網后有較強的生存能力；可與戰場指揮員直接交互，提供戰術級通信服務；專用性和保密性強等。目前，軍用微小衛星通信系統只是大型軍事通信衛星的補充，主要是戰術通信與中繼星通信。

美國陸軍的戰術通信衛星采用EHF頻段，衛星可由戰場指揮員直接指揮，提供話音和數據通信，并且與大型軍事衛星通信系統“軍事星”兼容，可使用相同的地面終端。美國以DARPA為核心，實施了多項用于戰術通信的微小衛星計劃，如多通道通信衛星、多路徑超視距通信微小衛星以及微型衛星計劃等。

2.2滿足精細化作戰需求，信息直達作戰單元

采用微小衛星技術，能夠滿足作戰單元的精細化作戰需求，使得信息傳遞直達作戰單元。如美國空軍的戰術星通過保密的國防部TCP/IP路由網直接向衛星發送指令和分發衛星圖像等新概念，戰場指揮官可根據戰場情況申請有效載荷和發射需求，地面作戰部隊可直接向空間戰術星發送指令，通過戰場指揮官按需申請有效載荷和發射需求，并通過保密路由實現衛星采集信息的快速分發。衛星兼有戰術偵察與信息分發雙重功能，可直接向用戶分發傳送偵察信息。

2.3平時組網監測，戰時迅疾補充

建設由微小衛星組成的戰術偵察監視或通信衛星星座，可以實現無縫觀測與通信，滿足軍事偵察和通信的需要。微小衛星用于軍事偵察、通信領域的突出特點是能夠快速做出響應，可以對感興趣的區域提供及時、重點保障，特別是對難以預測的突發事件，它可以提供快速的情報、偵察和監視能力，從而形成“平時打一批，戰時補一批”的組網運行模式，彌補大衛星不足。快速響應太空計劃的一個重要目標就是在危機或戰爭前幾周或幾個月內，快速組裝、發射能夠直接向戰場用戶傳送偵察產品的衛星。戰術偵察小衛星的快速響應能力具有重要價值，也是戰術偵察小衛星最突出的特點之一。

3實施多項微小型航天器技術計劃，推行太空對抗技術發展戰略

美國國防部及空軍主導開展了多項微小衛星技術項目工作，包括XSS(Experiment Small Satellite)、DART(Demonstration of Autonomous Rendezvous)自主交會驗證技術衛星、軌道快車計劃、MiTEx、近場紅外試驗衛星(NFIRE)等，如表1所示[4-5]。這些可用于太空對抗的微小衛星技術項目，通常采用多項關鍵技術綜合集成的方式，目的是相互印證、多種選擇，在不同的計劃項目中予以支持，保證了太空對抗技術研發的多樣化、不斷線。透過這些技術發展計劃及試驗，逐步顯現了美國“智能自主、監視識別、擾控毀并舉、由低軌向高軌、軍民融合”的天基太空對抗技術發展戰略思路。

3.1智能自主

未來太空對抗環境惡劣，有人控制的天基武器作戰運用方式容易遭受敵方的干擾攻擊，而且運用方式方法靈活性差。美國的太空系統龐大，要保持其絕對的太空優勢地位，利用微小衛星發展檢驗其天基智能自主的太空對抗技術是必然的要求。

從表1可以看出，XSS、DART自主交會驗證技術衛星、“軌道快車”計劃衛星，均以自主接近、交會對接等為關鍵技術。雖然MiTEx和NFIRE沒有明確的自主技術項目，但其試驗過程充分發揮了自主運行的技術能力。

“軌道快車”計劃是自主智能化技術的顯著代表，該項目又叫太空機器人。在2007年3月至7月的軌道演示飛行試驗中，依靠其先進的自主導航、制導與控制系統、捕獲系統、機械手系統，首次實現對非合作目標進行全自主捕獲與服務、使用被動探測系統進行全自主導航與制導，更換星載計算機，全自主地使用先進機器人捕獲自由飛行器，并將組件和推進劑從一個飛行器傳送給另一個飛行器。

表1　美國用于太空對抗目的的微小衛星技術計劃與試驗

3.2監視識別

在太空對抗中，首先必須準確掌握敵方目標的狀態、特征，識別其功能用途，為武器攻擊提供目標指示。美國的XSS及MiTEx都有很強的監視能力，能夠近距離對目標實施高精度、高清晰度拍照，MiTEx還能夠探測到目標衛星的信號特征，為揭示目標的形狀、電磁特征積累數據，確保進攻作戰的針對性和有效性。

在其他幾個項目中，為了保證自主交會對接的實現，衛星自身攜帶有多種高精度目標探測載荷，也能夠實現對目標的監視識別。如軌道快車上ASRTO衛星的跟蹤敏感器，不僅能夠對目標進行近距離、遠距離測距、測姿和測方位，還能夠對目標實施近、中、遠可見光成像。這些在微小衛星上試驗驗證的監視識別技術，一旦成熟就能夠很快移植到太空目標監視衛星和察打一體的天基太空武器上。

3.3擾控毀并舉

可用于天基太空對抗的技術手段多樣，但使用動能攔截器等硬摧毀武器時，會形成大量太空碎片，產生嚴重附帶后果。因此，對擁有大量高性能衛星系統又高度依賴太空信息系統作戰的美國，在不能完全放棄硬摧毀手段的基礎上，必須充分考慮其他軟殺傷技術手段。在這種背景下，美國借助微小衛星技術，沿著“擾控毀并舉”的思路，積極推進其太空對抗手段發展與技術儲備。

在表1中，DART自主交會驗證技術衛星是由于試驗過程中的意外事故，將另一顆衛星撞到了更高軌道上，但卻給其近距離監視衛星以實施攻擊的啟示。NFIRE原本就要攜帶天基攔截器開展試驗，只是由于眾議院及專家的強烈反對，為避免刺激其他國家，而去掉了任務中的攔截器載荷。這也說明，美國并未放棄天基動能殺傷武器技術的發展，而是借助于不同任務不斷開展技術試驗。

相對于20世紀美蘇后冷戰時期的天基動能、定向能武器等硬摧毀技術，美國更熱衷于太空實體控制技術，更加注重太空對抗技術發展的策略。MiTEx具有典型的軟殺傷能力，能夠近距離監視目標，實施信號偵聽、干擾破壞等太空進攻行動。FREND通過自主完成非合作目標抓捕、更換元器件和推進劑等動作，全方位檢驗了太空作戰機器人的實體控制作戰技術和能力[8-9]。

3.4由低軌向高軌

在地球低軌道上存在大量的各類遙感衛星和移動通信衛星，完成對陸海空戰場全天時、全天候的態勢感知、指揮控制通信任務。在地球高軌道上，分布著重要的導彈預警、通信中繼、電子偵察、氣象等衛星，持續、嚴密地監視導彈發射和電子信號，并提供大范圍的通信覆蓋。從太空對抗技術難度來看，低軌技術相對容易，卻是重要基礎。美國將太空對抗的關鍵技術在低軌道上做扎實后，才逐步推向高軌。實踐證明，這種方法途徑切實可行。

美國的XSS、DART自主交會驗證技術衛星、“軌道快車”計劃和NFIRE，都是低軌微小衛星項目，在低軌道上開展的自主監視、接近、對接、抓捕、補給等技術，絕大多數都很成功，能夠實現對低軌目標的“偵、控、打、評”。MiTEx在前面那些項目的基礎上，機動、伴隨監視等能力上了一個臺階。這標志著美國的太空對抗技術從低軌逐步拓展到了高軌，也覆蓋了從低軌到高軌的全部軌道太空。

3.5軍民融合

太空對抗技術的基礎是民用航天技術，太空實體控制技術與在軌服務技術有異曲同工之處。民用的在軌服務對象是合作目標，太空實體控制的對象是非合作目標。美國雖然在“軌道快車”計劃中，始終宣稱是民用在軌服務計劃，但在實際試驗中驗證的是對非合作目標的接近、捕獲和操控，軍事意圖十分明顯。此外，經濟因素也是持續發展微小型航天器的原因之一，軍民融合的商業化運作可以有效降低微小衛星技術驗證成本。以民掩軍，是美國在冷戰結束后的近些年中發展太空對抗技術的重要思路。

4適應新技術演示驗證，促進航天技術的快速發展

采用微小衛星進行科學試驗，能夠有效降低試驗成本和風險，同時兼具靈活快速的特點，使許多新技術、新設計思想和新應用能夠在太空快速得到試驗和驗證。用微小衛星開展快速的新技術演示驗證試驗，是微小衛星最突出的優勢，也是近年微小衛星承擔的各種飛行任務中數量最多的任務[10]。

以往對一項航天新技術開展太空技術驗證時，大都需要在大衛星上進行搭載試驗，或者單獨發射新技術試驗衛星，這樣不但增加了衛星的研制周期與復雜性，還有可能影響大衛星的主要任務和功能。微小衛星為新技術演示驗證提供了廉價、及時、有效的途徑，能夠在太空軌道運行環境下，對航天器采用新技術、新材料及履行新任務的性能和效果進行檢驗與評估，這是在進行正式飛行任務之前進行風險分析與技術驗證的最可行也是最可靠的方法。目前，通過微小衛星進行新技術試驗的手段已經相當成熟，這類微小衛星大都是對各種新技術、新產品進行太空飛行演示驗證的試驗平臺，往往每顆衛星承擔多種技術試驗任務，旨在促進太空新技術從實驗室向實用轉移，以減少型號研制風險，提高產品可靠性，降低研制成本。

4.1太空自主交會與操作技術

近年來美國實施了XSS計劃、DART計劃、“軌道快車”計劃、FREND以及MiTEx，其目的就是演示驗證太空機器人反衛星的核心技術——非合作目標的自主交會、逼近與操作技術。2007年完成“軌道快車”任務，演示驗證在軌交會對接、在軌維修與器件更新等操作。按照美國航空航天局的說法，“軌道快車”計劃的目的是驗證衛星交會、捕獲、停靠、維修以及燃料補充等太空技術，以支持未來更廣泛領域內的商用、民用和軍用太空計劃，為美國未來太空能力的關鍵技術實現提供支撐[11]。2009年進行的MiTEx計劃，演示了對高軌道衛星的在軌操作能力；XSS-12和FREND計劃，進一步完善了太空自主交會與操作能力；并在XSS計劃成功的基礎上，提出了一個“局部空間的自主導航與制導試驗”計劃，向地球靜止軌道發射小衛星，為大衛星提供防護[12]。

4.2分布式系統自主規劃技術

航天器自主規劃技術是指航天器在不接收地面站指令的情況下，由其自身決策，根據當前狀態、任務需求、可采取的活動及影響，在受到時間和資源約束條件下，自主規劃方案完成特定的航天任務。其具有以下特點：自組織、自適應、快速反應、規劃與調度集成等。美國的新盛世計劃就是用分布式的太空系統來完成或是替代越來越復雜的、大衛星難以完成的功能。美國《空軍2025作戰構想》中提出：“由小衛星組成的分布式星座系統為作戰提供及時連續的信息服務，也可成為有效的反衛星武器”。美國空軍研究實驗室的分布式衛星系統——TechSat 21三星座系統、3SC大學納星計劃、深空探測計劃等，都通過采用微小衛星攜帶遠程自主可控系統進行分布式組網，進行航天任務自主規劃技術的演示驗證。后續研究中，將在單星自主規劃基礎上，通過研究分布式衛星系統的多Agent建模與通信技術、層次任務分解技術等協同規劃技術，來解決分布式衛星系統的自主規劃問題。

4.3新型發射技術

新型發射技術主要包括多星發射技術、空中發射技術等多種新型微小衛星發射技術。1960年，美國首次用一枚火箭發射了2顆衛星。拉開了“一箭多星”發射技術研究的序幕。美國和俄羅斯分別創造了“一箭多星”單次發射搭載載荷最多的記錄。2006年7月俄羅斯“第聶伯”火箭創造了單顆火箭搭載18顆衛星的記錄；2013年11月美國“米諾陶1”火箭將搭載記錄改寫為29顆衛星和2個試驗有效載荷；緊隨其后，俄羅斯再次使用“第聶伯”火箭破紀錄地發射32顆衛星和1個試驗有效載荷；2014年1月，美國“安塔瑞斯”火箭將記錄刷新至34顆衛星；最近一次為2014年7月俄羅斯“第聶伯”火箭發射37顆衛星，創造了新的世界紀錄[13]。在多次的“一箭多星”火箭發射活動中，微型衛星成為試驗主體，有效驗證了“一箭多星”發射技術，也進行了其他相關太空技術演示驗證。

美國DARPA的空中發射輔助太空進入項目，其目標就是開發一種能夠顯著降低日常發射小衛星成本的方法，該項目的創新之處是在傳統飛機后方攜帶一次性發射平臺，在24 h內完成發射準備工作，用低于100萬美元的成本發射45 kg的小型衛星。

5結 束 語

軍事、經濟、技術等諸多因素促使以美國為代表的航天強國持續不斷地發展微小型航天器。本文僅從4個方面對美國持續發展微小型航天器的動因進行了初步探析。從中可以發現美國在微小型航天器發展途徑的規劃與具體實施中的一些規律，希望能夠為我國開展基于微小衛星的太空技術研發提供一定的參考。

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(編輯：田麗韞)

Analysis on Motivation for Sustainable Development of Micro Spacecrafts in U.S.

YU Xiaohong1,LI Yan2,LIU Gaoqiang3,XING Xiaochen3,XU Guofeng3

(1. Department of Space Command, Equipment Academy, Beijing 101416, China;2. Department of Space Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China;3. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractAiming at the ongoing increase in research and development activities of the micro satellites in U.S., from four respects including strategic environment of space, tactical response of battlefield, space confrontation and demonstration of new technologies, the paper makes primary analysis on the motivation of sustainable development of micro spacecrafts in U.S., illustrates the efforts of this country in enhancing the strategically deterrent, fulfilling the requirement of battle force and pushing the strategy of technological development of space confrontation, and facilitating the realistic demand of new technology demonstration and verification on development of micro spacecrafts. In the end, the paper gives some cases on the top-level planning of micro spacecraft development strategy to provide a reference for China’s development of space technology based on micro satellites.

Keywordsmicro satellite; development motivation; space strategy; strength enhancement

文獻標志碼A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.02.001

文章編號2095-3828(2016)02-0001-06

中圖分類號E93

作者簡介于小紅(1965-)，女，教授，博士，主要研究方向為航天指揮及航天力量運用。

收稿日期2015-10-23