國外典型立方體衛星的軍事應用及啟示

賈平（中國航天系統科學與工程研究院）

國外典型立方體衛星的軍事應用及啟示

賈平（中國航天系統科學與工程研究院）

近年來，美、歐、日等國家或組織的立方體衛星已從演示驗證和教學科研，發展到初期功能應用階段，并開始探索挖掘立方體衛星的軍事航天能力。

立方體衛星采用商業現貨部件和標準化、模塊化的設計，研制發射成本低、周期短。相較于其他小衛星，立方體衛星的標準化、模塊化等優勢使其更利于空間演示驗證。通過驗證后可直接轉化為實際操作任務，綜合成本更低，效率更高，而且發射靈活，可快速組網。因為其通常運行在低地球軌道（LEO），立方體衛星分布式空間體系可同時獲得較高的空間分辨率和時間分辨率，可在戰術偵察與通信、空間態勢感知等方面發揮重要作用。美國國家偵察局（NRO）啟動“集群”（Colony）計劃，研制通用軍用立方體衛星平臺，用于驗證情報、監視與偵察（lSR）等關鍵載荷技術。目前，已發射入軌的戰場態勢感知、戰術通信和空間態勢感知等立方體衛星，雖然均處于演示驗證階段，但未來將實現裝備化運營。

隨著空間即插即用、微型集成化電子等技術的發展，利用立方體衛星的上述優勢與特點，補充當前以大衛星為主的空間網絡，開始成為低成本發展軍事航天能力的途徑之一。通過典型項目分析國外立方體衛星的軍事應用，提前謀劃布局，對我國是否利用及如何利用立方體衛星，以及增強現有軍事航天能力，都具有借鑒意義。

1　可用于軍事的典型立方體衛星

未來，立方體衛星以分布式空間體系形式應用，可實時感知戰場和偏遠地區的態勢，幫助作戰人員及時做出正確決策；極大提高空間網絡的可靠性，即使部分衛星被摧毀，也能以較低成本快速發射補網。正在演示驗證的立方體衛星推進系統技術具有逼近、操作、對接等能力，不僅能用于在軌機動補充缺失軌位，還可作為空間攻防使能技術，執行在軌偵察、守衛主星、清除其他衛星等任務。未來，立方體衛星戰術支持技術一旦實用化，將有可能變革軍用衛星的設計理念、體系結構、運行管理、研制和發射模式。

戰術偵察：“提高軍事作戰效能的空間系統”

2012年3月，美國國防高級研究計劃局（DARPA）提出“提高軍事作戰效能的空間系統”（SeeMe）戰術偵察衛星項目，延續了“作戰響應空間”（ORS）的發展思路，以27U立方體衛星實現低成本、高效地對10°（S）～10°（N）區域的持續覆蓋，具有0.75～1.2m的空間分辨率?！疤岣哕娛伦鲬鹦艿目臻g系統”將為美國偏遠地區或超視距環境下面向最低作戰單元（士兵）用戶命令外發數據，通過智能終端按需近實時戰術成像。最低作戰單元采用智能移動終端定位目標區域位置后，發送直接指令至衛星，快速在目標區域響應成像，并通過終端快速接收近實時戰場圖像數據，從向衛星提出偵察需求到接收偵察數據，用時不到90min，免除戰場態勢從指揮部傳遞到最低作戰單元的過程。

該項目2014年完成了原型樣機硬件對用戶終端的無線電上行和下行鏈路的現場演示，進行了功能和環境試驗，并建立了具有高容量、低成本衛星生產能力的首個太空工廠。目前，雷神公司（Raytheon）已將首顆“提高軍事作戰效能的空間系統”交付美國國防高級研究計劃局，并計劃于2016年搭載獵鷹-9（Falcon-9）火箭入軌。

“提高軍事作戰效能的空間系統”為美軍發展軍用作戰小衛星成像偵察能力做了技術儲備，開啟了應用立方體衛星從戰略向戰術成像拓展的新型偵察發展和應用模式，填補了利用大型偵察衛星獲取圖像數據的能力空缺。此外，千年空間系統公司（Millennium Space Systems）擬以50萬美元的價格出售“提高軍事作戰效能的空間系統”衛星平臺，可在收到訂單后的90天內交付。該衛星平臺在價格及交付時間方面的突破，將創造新的商業模式空間，使超低價星座任務成為可能。

戰術通信：“空間與導彈防御司令部-作戰納衛星效用”

2010年10月，美軍以“一箭多星”搭載發射方式部署了2顆3U立方體衛星“空間與導彈防御司令部-作戰納衛星效用”（SMDC-ONE）。這2顆衛星是美國陸軍空間與導彈防御司令部（SMDC）的驗證衛星，采用了“集群”衛星平臺，是基于小型通信衛星星座演示快速設計和研制軍用低成本航天器能力的技術驗證項目，通過中繼無人臺站數據，實現實時戰術“超視距”（BLOS）通信。該項目首要目標是從地面發射機［無人值守傳感器（UGS）］接收數據，通過“空間與導彈防御司令部-作戰納衛星效用”將數據中繼至地面站［作戰場景-1（OV-1）］；次要目標是將實時音頻與文本信息數據從一個戰場戰術無線電系統（戰術終端）中繼至另一個無線電系統［作戰場景-2（OV-2）］。2012-2013年，共發射了4顆“空間與導彈防御司令部-作戰納衛星效用”衛星。

“空間與導彈防御司令部-作戰納衛星效用”的地面站有2種運行模式：一是指揮控制（C2）模式，二是無人值守傳感器模式。大多數地面站職能皆可通過指揮控制模式實現，允許用戶搜集衛星遙測數據、發送任務請求、檢索中繼數據，以及提取地面傳感器數據。指揮控制模式中，地面站以手工或自動腳本指令的形式發起與過頂衛星間的通信，這種模式中的典型操作包括向衛星請求信息或調度衛星運行，是一種衛星任務分配模式；無人值守傳感器模式要求一個地面站作為指揮控制任務分配代理，另一個地面站僅作為被動的數據寄主，供過頂衛星從中讀取數據。無人值守傳感器模式中，所有衛星與地面站的通信皆由衛星發起。

美國“空間與導彈防御司令部-作戰納衛星效用”運行方案UGS-無人值守傳感器；C2-指揮控制模式；OV-1-作戰場景-1；OV-2-作戰場景-2；UHF-特高頻

空間態勢感知：“可操作精化星歷表天基望遠鏡”

美國利用現有空間監視網數據推算出來的地球靜止軌道（GEO）空間目標定位精度只達到1000m，空間碰撞預警的準確率非常低，無法滿足需求。

張錯不同意論者認為這首詩是“濁世的哀音”的論調，指出，“如果我們能仔細觀看這首沒有平民精神及社會價值的《尺八》，則不難發覺這‘濁世的哀音’正是中國近代抒情傳統里最優美的聲音?！盵注]張錯：《抒情詩的近代傳統》，《從莎士比亞到上田秋成》，臺北：聯經出版事業公司，1989年，第247頁。接著，張錯以精細的文本細讀來說明他的這個判斷，他認為：

“可操作精化星歷表天基望遠鏡”（STARE）項目由美國國家偵察局發起，海軍研究生院（NPS）與勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）負責研發。通過部署3U立方體衛星星座執行空間態勢感知任務，以期增加感知敏感度和重訪率，迅速察覺目標變軌情況，提升天基監視網的準確性。具體目標包括：聯合美國空軍太空司令部（AFSPC）的目錄分析，觀測預計經由重要太空資產的物體；將拍攝的目標圖像和位置傳輸到地面；精化太空物體的軌道參數，降低位置評估的不確定性，提升聯合太空作戰中心（JSpOC）的分析精度，從而提升天基監視網（SSN）的能力。擬將GEO空間目標的定位精度提高到100m，大幅降低空間碰撞誤報率。

“空間與導彈防御司令部-作戰納衛星效用”項目的第一階段仍進行技術演示驗證，但技術成熟度已經達到7級，于2012年和2013年已分別部署了“探路者”（Pathfinder）立方體衛星的可操作精化星歷表天基望遠鏡-A和B，第3顆可操作精化星歷表天基望遠鏡-C尚未部署；第二階段即任務演示驗證階段，將再發射5顆衛星進行任務驗證，總共至少部署18顆太陽同步軌道（SSO）衛星星座；第三階段即運行階段，將星座轉交用戶，可能是軍方、政府或私營部門。任務運行過程：①在利用美國空軍太空司令部目錄實施關聯分析的基礎上，觀測即將接近太空資產的目標；②向地面傳輸觀測圖像和觀測位置；③細化太空目標的軌道參數，以減少位置評估的不確定性，提高關聯分析精確度；④告知太空資產運行者可能發生的碰撞；⑤將太空資產轉移到安全軌道內。

“可操作精化星歷表天基望遠鏡”地面運行模式NPS-海軍研究生院；USU-猶他州立大學；UH-夏威夷大學；AFlT-空軍技術研究院；MC3-衛星專用地面站

“可操作精化星歷表天基望遠鏡”采用與“中段太空實驗”（MSX）任務中“天基可視”（SBV）望遠鏡以及“天基空間監視系統”（SBSS）任務相同的“恒星跟蹤”運行模式。只有一個位于海軍研究生院的采用“集群”平臺的衛星專用地面站（MC3）與“空間與導彈防御司令部-作戰納衛星效用”衛星通信，該地面站每天傳輸2min，9600bit數據量。衛星專用地面站通過廣域網連接多個政府和大學節點，分發衛星搜集的數據；由用戶輸入指令安排；衛星通過某節點上方時，將通過通用地面架構（CGA）軟件自動分配網絡資源跟蹤和傳遞數據/指令；美國國家偵察局立方體衛星項目辦公室建議海軍研究生院負責控制衛星專用地面站，協調所有安裝在各所大學的衛星專用地面站節點。目前采用的模式為網絡模式：搜集的數據及用戶指令請求上傳至海軍研究生院批準，通過網絡分派。未來將實現單機模式：由用戶安排數據與指令傳遞。

空間對抗：“立方體衛星逼近操作演示驗證”

“立方體衛星逼近操作演示驗證”（CPOD）任務將利用2顆3U立方體衛星演示驗證交會、逼近操作與對接技術。該任務將對若干微型化、低功率航天電子技術進行驗證與表征，將演示驗證2顆小衛星保持確定相對位置的能力（定位能力），以及利用成像傳感器和多發動機冷氣推進系統進行精確繞飛和對接的能力。

發射后，2顆立方體衛星將被同時釋放入軌并接受檢查，以確保具有良好的作業和機動能力。每顆衛星將使用自身的“天對地”數據鏈傳輸另一顆衛星的視覺圖像，衛星內部數據鏈將在2顆衛星間共享“全球定位系統”（GPS）和其他數據。衛星將利用星上處理器以及制導、導航與控制（GNC）飛行軟件，自動執行多次逼近操作試驗。利用星上導航系統，立方體衛星可以圍繞另一顆立方體衛星實施一系列繞飛機動，以驗證并表征傳感器系統。完成這些機動后，2顆衛星將靠近并利用特殊裝置進行對接。整個任務期間，可能嘗試多次對接機動。

美國“光帆”衛星在軌飛行示意圖

此外，繩系立方體衛星［“多用途可生存系繩驗”（MAST）衛星、“繩系衛星”（Tethersat）、“太空系繩自主機器人衛星”（STARS）］、太陽帆立方體衛星［“立方帆”（CubeSail）、“光帆”（LightSail）］采用的空間對抗使能技術，亦可用于進攻性空間對抗。

2　幾點啟示

美國開始利用立方體衛星增強軍事航天能力

（1）增強低成本空間快速響應能力

（2）提升天基監視網的定位精度，增強現有空間監視能力

利用立方體衛星星座增加感知敏感度和重訪率，將GEO空間目標定位精度從1000m提升至100m，迅速察覺在軌目標變軌情況，提高空間碰撞預警的準確率，提早轉移保護空間資產。

（3）提高實時戰術通信與戰場態勢感知能力

目前已研發部署的衛星無法按需向最低作戰單元提供戰場圖像，也無法在偏遠地區提供實時通信。美國研究利用立方體衛星星座的低成本、高重訪率，提高最低作戰單元的按需、實時戰場態勢感知能力和偏遠地區通信能力。

國外通過立方體衛星演示驗證各種空間對抗使能技術

立方體衛星的小尺寸、模塊化、低成本等特點，使其更適合演示驗證新技術，演示驗證是立方體衛星發展的初始用途之一，也仍將是未來的主要用途之一。國外通過立方體衛星演示驗證的空間繩系電推進、太陽帆推進、交會對接等技術，可用來清除太空垃圾和攻擊他國太空資產。

美歐開始制定立方體衛星管理規范應對大規模發射帶來的問題

目前，立方體衛星發展主要面臨以下幾方面問題：①多數立方體衛星無離軌機動能力，大規模發射入軌將造成軌道交通擁堵；②通信以業余無線電頻率為主，易對其他空間資產造成通信干擾；③缺乏包括對軌道、通信許可等規定的統一和成熟的管理規范。無論對于軍用衛星還是民用衛星，這些均是亟需解決的重要問題。目前，只有美國和英國于近年制定了相關指南和管理草案，但尚不完善。2012年11月，美國聯邦通信委員會（FCC）將會議商討的立方體衛星獲取許可證相關規定收錄在《小衛星許可證獲取指南》中。2015年6月，英國發布《立方體衛星管理建議》草案，針對立方體衛星的特點，簡化審批流程，對統一發射標準、平臺標準、軌道高度與推力器等要求，提出了8條建議。

Military Applications and Inspirations of Foreign CubeSats