国外典型立方体卫星的军事应用及启示

贾平（中国航天系统科学与工程研究院）

国外典型立方体卫星的军事应用及启示

贾平（中国航天系统科学与工程研究院）

近年来，美、欧、日等国家或组织的立方体卫星已从演示验证和教学科研，发展到初期功能应用阶段，并开始探索挖掘立方体卫星的军事航天能力。

立方体卫星采用商业现货部件和标准化、模块化的设计，研制发射成本低、周期短。相较于其他小卫星，立方体卫星的标准化、模块化等优势使其更利于空间演示验证。通过验证后可直接转化为实际操作任务，综合成本更低，效率更高，而且发射灵活，可快速组网。因为其通常运行在低地球轨道（LEO），立方体卫星分布式空间体系可同时获得较高的空间分辨率和时间分辨率，可在战术侦察与通信、空间态势感知等方面发挥重要作用。美国国家侦察局（NRO）启动“集群”（Colony）计划，研制通用军用立方体卫星平台，用于验证情报、监视与侦察（lSR）等关键载荷技术。目前，已发射入轨的战场态势感知、战术通信和空间态势感知等立方体卫星，虽然均处于演示验证阶段，但未来将实现装备化运营。

随着空间即插即用、微型集成化电子等技术的发展，利用立方体卫星的上述优势与特点，补充当前以大卫星为主的空间网络，开始成为低成本发展军事航天能力的途径之一。通过典型项目分析国外立方体卫星的军事应用，提前谋划布局，对我国是否利用及如何利用立方体卫星，以及增强现有军事航天能力，都具有借鉴意义。

1　可用于军事的典型立方体卫星

未来，立方体卫星以分布式空间体系形式应用，可实时感知战场和偏远地区的态势，帮助作战人员及时做出正确决策；极大提高空间网络的可靠性，即使部分卫星被摧毁，也能以较低成本快速发射补网。正在演示验证的立方体卫星推进系统技术具有逼近、操作、对接等能力，不仅能用于在轨机动补充缺失轨位，还可作为空间攻防使能技术，执行在轨侦察、守卫主星、清除其他卫星等任务。未来，立方体卫星战术支持技术一旦实用化，将有可能变革军用卫星的设计理念、体系结构、运行管理、研制和发射模式。

战术侦察：“提高军事作战效能的空间系统”

2012年3月，美国国防高级研究计划局（DARPA）提出“提高军事作战效能的空间系统”（SeeMe）战术侦察卫星项目，延续了“作战响应空间”（ORS）的发展思路，以27U立方体卫星实现低成本、高效地对10°（S）～10°（N）区域的持续覆盖，具有0.75～1.2m的空间分辨率。“提高军事作战效能的空间系统”将为美国偏远地区或超视距环境下面向最低作战单元（士兵）用户命令外发数据，通过智能终端按需近实时战术成像。最低作战单元采用智能移动终端定位目标区域位置后，发送直接指令至卫星，快速在目标区域响应成像，并通过终端快速接收近实时战场图像数据，从向卫星提出侦察需求到接收侦察数据，用时不到90min，免除战场态势从指挥部传递到最低作战单元的过程。

该项目2014年完成了原型样机硬件对用户终端的无线电上行和下行链路的现场演示，进行了功能和环境试验，并建立了具有高容量、低成本卫星生产能力的首个太空工厂。目前，雷神公司（Raytheon）已将首颗“提高军事作战效能的空间系统”交付美国国防高级研究计划局，并计划于2016年搭载猎鹰-9（Falcon-9）火箭入轨。

“提高军事作战效能的空间系统”为美军发展军用作战小卫星成像侦察能力做了技术储备，开启了应用立方体卫星从战略向战术成像拓展的新型侦察发展和应用模式，填补了利用大型侦察卫星获取图像数据的能力空缺。此外，千年空间系统公司（Millennium Space Systems）拟以50万美元的价格出售“提高军事作战效能的空间系统”卫星平台，可在收到订单后的90天内交付。该卫星平台在价格及交付时间方面的突破，将创造新的商业模式空间，使超低价星座任务成为可能。

战术通信：“空间与导弹防御司令部-作战纳卫星效用”

2010年10月，美军以“一箭多星”搭载发射方式部署了2颗3U立方体卫星“空间与导弹防御司令部-作战纳卫星效用”（SMDC-ONE）。这2颗卫星是美国陆军空间与导弹防御司令部（SMDC）的验证卫星，采用了“集群”卫星平台，是基于小型通信卫星星座演示快速设计和研制军用低成本航天器能力的技术验证项目，通过中继无人台站数据，实现实时战术“超视距”（BLOS）通信。该项目首要目标是从地面发射机［无人值守传感器（UGS）］接收数据，通过“空间与导弹防御司令部-作战纳卫星效用”将数据中继至地面站［作战场景-1（OV-1）］；次要目标是将实时音频与文本信息数据从一个战场战术无线电系统（战术终端）中继至另一个无线电系统［作战场景-2（OV-2）］。2012-2013年，共发射了4颗“空间与导弹防御司令部-作战纳卫星效用”卫星。

“空间与导弹防御司令部-作战纳卫星效用”的地面站有2种运行模式：一是指挥控制（C2）模式，二是无人值守传感器模式。大多数地面站职能皆可通过指挥控制模式实现，允许用户搜集卫星遥测数据、发送任务请求、检索中继数据，以及提取地面传感器数据。指挥控制模式中，地面站以手工或自动脚本指令的形式发起与过顶卫星间的通信，这种模式中的典型操作包括向卫星请求信息或调度卫星运行，是一种卫星任务分配模式；无人值守传感器模式要求一个地面站作为指挥控制任务分配代理，另一个地面站仅作为被动的数据寄主，供过顶卫星从中读取数据。无人值守传感器模式中，所有卫星与地面站的通信皆由卫星发起。

美国“空间与导弹防御司令部-作战纳卫星效用”运行方案UGS-无人值守传感器；C2-指挥控制模式；OV-1-作战场景-1；OV-2-作战场景-2；UHF-特高频

空间态势感知：“可操作精化星历表天基望远镜”

美国利用现有空间监视网数据推算出来的地球静止轨道（GEO）空间目标定位精度只达到1000m，空间碰撞预警的准确率非常低，无法满足需求。

张错不同意论者认为这首诗是“浊世的哀音”的论调，指出，“如果我们能仔细观看这首没有平民精神及社会价值的《尺八》，则不难发觉这‘浊世的哀音’正是中国近代抒情传统里最优美的声音。”[注]张错：《抒情诗的近代传统》，《从莎士比亚到上田秋成》，台北：联经出版事业公司，1989年，第247页。接着，张错以精细的文本细读来说明他的这个判断，他认为：

“可操作精化星历表天基望远镜”（STARE）项目由美国国家侦察局发起，海军研究生院（NPS）与劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）负责研发。通过部署3U立方体卫星星座执行空间态势感知任务，以期增加感知敏感度和重访率，迅速察觉目标变轨情况，提升天基监视网的准确性。具体目标包括：联合美国空军太空司令部（AFSPC）的目录分析，观测预计经由重要太空资产的物体；将拍摄的目标图像和位置传输到地面；精化太空物体的轨道参数，降低位置评估的不确定性，提升联合太空作战中心（JSpOC）的分析精度，从而提升天基监视网（SSN）的能力。拟将GEO空间目标的定位精度提高到100m，大幅降低空间碰撞误报率。

“空间与导弹防御司令部-作战纳卫星效用”项目的第一阶段仍进行技术演示验证，但技术成熟度已经达到7级，于2012年和2013年已分别部署了“探路者”（Pathfinder）立方体卫星的可操作精化星历表天基望远镜-A和B，第3颗可操作精化星历表天基望远镜-C尚未部署；第二阶段即任务演示验证阶段，将再发射5颗卫星进行任务验证，总共至少部署18颗太阳同步轨道（SSO）卫星星座；第三阶段即运行阶段，将星座转交用户，可能是军方、政府或私营部门。任务运行过程：①在利用美国空军太空司令部目录实施关联分析的基础上，观测即将接近太空资产的目标；②向地面传输观测图像和观测位置；③细化太空目标的轨道参数，以减少位置评估的不确定性，提高关联分析精确度；④告知太空资产运行者可能发生的碰撞；⑤将太空资产转移到安全轨道内。

“可操作精化星历表天基望远镜”地面运行模式NPS-海军研究生院；USU-犹他州立大学；UH-夏威夷大学；AFlT-空军技术研究院；MC3-卫星专用地面站

“可操作精化星历表天基望远镜”采用与“中段太空实验”（MSX）任务中“天基可视”（SBV）望远镜以及“天基空间监视系统”（SBSS）任务相同的“恒星跟踪”运行模式。只有一个位于海军研究生院的采用“集群”平台的卫星专用地面站（MC3）与“空间与导弹防御司令部-作战纳卫星效用”卫星通信，该地面站每天传输2min，9600bit数据量。卫星专用地面站通过广域网连接多个政府和大学节点，分发卫星搜集的数据；由用户输入指令安排；卫星通过某节点上方时，将通过通用地面架构（CGA）软件自动分配网络资源跟踪和传递数据/指令；美国国家侦察局立方体卫星项目办公室建议海军研究生院负责控制卫星专用地面站，协调所有安装在各所大学的卫星专用地面站节点。目前采用的模式为网络模式：搜集的数据及用户指令请求上传至海军研究生院批准，通过网络分派。未来将实现单机模式：由用户安排数据与指令传递。

空间对抗：“立方体卫星逼近操作演示验证”

“立方体卫星逼近操作演示验证”（CPOD）任务将利用2颗3U立方体卫星演示验证交会、逼近操作与对接技术。该任务将对若干微型化、低功率航天电子技术进行验证与表征，将演示验证2颗小卫星保持确定相对位置的能力（定位能力），以及利用成像传感器和多发动机冷气推进系统进行精确绕飞和对接的能力。

发射后，2颗立方体卫星将被同时释放入轨并接受检查，以确保具有良好的作业和机动能力。每颗卫星将使用自身的“天对地”数据链传输另一颗卫星的视觉图像，卫星内部数据链将在2颗卫星间共享“全球定位系统”（GPS）和其他数据。卫星将利用星上处理器以及制导、导航与控制（GNC）飞行软件，自动执行多次逼近操作试验。利用星上导航系统，立方体卫星可以围绕另一颗立方体卫星实施一系列绕飞机动，以验证并表征传感器系统。完成这些机动后，2颗卫星将靠近并利用特殊装置进行对接。整个任务期间，可能尝试多次对接机动。

美国“光帆”卫星在轨飞行示意图

此外，绳系立方体卫星［“多用途可生存系绳验”（MAST）卫星、“绳系卫星”（Tethersat）、“太空系绳自主机器人卫星”（STARS）］、太阳帆立方体卫星［“立方帆”（CubeSail）、“光帆”（LightSail）］采用的空间对抗使能技术，亦可用于进攻性空间对抗。

2　几点启示

美国开始利用立方体卫星增强军事航天能力

（1）增强低成本空间快速响应能力

（2）提升天基监视网的定位精度，增强现有空间监视能力

利用立方体卫星星座增加感知敏感度和重访率，将GEO空间目标定位精度从1000m提升至100m，迅速察觉在轨目标变轨情况，提高空间碰撞预警的准确率，提早转移保护空间资产。

（3）提高实时战术通信与战场态势感知能力

目前已研发部署的卫星无法按需向最低作战单元提供战场图像，也无法在偏远地区提供实时通信。美国研究利用立方体卫星星座的低成本、高重访率，提高最低作战单元的按需、实时战场态势感知能力和偏远地区通信能力。

国外通过立方体卫星演示验证各种空间对抗使能技术

立方体卫星的小尺寸、模块化、低成本等特点，使其更适合演示验证新技术，演示验证是立方体卫星发展的初始用途之一，也仍将是未来的主要用途之一。国外通过立方体卫星演示验证的空间绳系电推进、太阳帆推进、交会对接等技术，可用来清除太空垃圾和攻击他国太空资产。

美欧开始制定立方体卫星管理规范应对大规模发射带来的问题

目前，立方体卫星发展主要面临以下几方面问题：①多数立方体卫星无离轨机动能力，大规模发射入轨将造成轨道交通拥堵；②通信以业余无线电频率为主，易对其他空间资产造成通信干扰；③缺乏包括对轨道、通信许可等规定的统一和成熟的管理规范。无论对于军用卫星还是民用卫星，这些均是亟需解决的重要问题。目前，只有美国和英国于近年制定了相关指南和管理草案，但尚不完善。2012年11月，美国联邦通信委员会（FCC）将会议商讨的立方体卫星获取许可证相关规定收录在《小卫星许可证获取指南》中。2015年6月，英国发布《立方体卫星管理建议》草案，针对立方体卫星的特点，简化审批流程，对统一发射标准、平台标准、轨道高度与推力器等要求，提出了8条建议。

Military Applications and Inspirations of Foreign CubeSats