美国军用卫星系统最新发展分析

李 悦，张 可，丁 磊

(中国人民解放军32032部队，北京 100094)

0 引言

军事卫星系统的迅速发展极大地提高了武器装备的整体作战效能，已成为直接支援作战行动不可替代的手段。美国建立了世界上最庞大的军用卫星系统，近年来正在不断提高其太空力量的融合作战能力，强化太空力量的战役战术应用，主要包括提高杀伤链的反应时间、提高与各种作战力量的联合程度、提高各种作战环节的衔接与并行展开能力等内容。

1 美国军用卫星最新部署态势

忧思科学家联盟网站最新数据显示，截止2019年5月，美国军用卫星共计在轨176颗，2015年以来发射重点卫星情况及退役重点卫星情况见表1、表2。由表可见，美国军用卫星在数量和构成上变化不大，主要以升级换代为主。

1.1 信息获取类卫星

信息获取类卫星主要包括侦察、预警、态势感知卫星，是部队实施作战行动的先决条件。美国现役信息获取类卫星在轨情况如表3所示。

1.1.1 电子/成像侦察卫星

美军侦察卫星目前在轨36颗，主要由电子侦察卫星26颗和成像侦察卫星10颗组成。已形成了高低轨道配合、多星组网运行、多种侦察手段相结合的航天侦察装备体系。

1)电子侦察卫星

美国电子侦察卫星主要由“门特”(Mentor)、“水星”(Mercury)、“军号”(Trumpet)以及“白云”(NOSS)系列卫星组成，卫星分布高低轨道兼有，高轨道侧重通信侦察，低轨道侧重雷达侦察。2015年以来，美军共发射10颗电子侦察卫星，主要包括1颗GEO轨道Mentor卫星以及4颗LEO轨道NOSS卫星。

表1 2015年后美新发射重点军用卫星列表

表2 2015年后美退役重点军用卫星表

表3 美国现役信息获取类卫星在轨情况统计表

Mentor系列卫星(如图1所示)是美国第四代地球同步轨道多用途电子侦察卫星，可对目标地面防空、反弹道导弹和预警雷达信号进行侦察，从而获取雷达的位置、信号特征等情况。该系列卫星能截获导弹和卫星的遥测遥控信号，获悉导弹发射情况以及卫星日常遥测遥控信号特征，对导弹发射和卫星管理造成威胁。此外，其还能监听其它微波通信、无线电话信号，甚至能侦收保密信号。从图 2可以看出，其主要侦察区域全覆盖了亚、非、欧大陆地区。

图1 Mentor卫星在轨运行三维示意图

图2 Mentor卫星侦察仿真图

Mercury系列卫星为美国空军第四代地球同步轨道电子侦察卫星，除了用于截获通信情报之外，还有收集导弹试验时的遥测遥控信号及雷达信号等非通信电子信号的能力。目前共有3颗在轨卫星，分布如图 3、图 4所示。

图3 Mercury卫星在轨运行三维示意图

图4 Mercury卫星侦察仿真图

Trumpet系列卫星是美国第四代多用途电子侦察卫星，运行于大椭圆轨道，主要弥补了在高北纬地区薄弱的侦察能力，并侧重于雷达和导弹遥测信号的截收。目前该系列共有5颗在轨卫星，其在轨运行三维示意图如图 5所示。

图5 Trumpet卫星在轨运行三维示意图

NOSS即“联合天基广域监视系统”，是采用双星座模式工作的海洋监视卫星。星上携载相控阵雷达和数据处理与传输等设备，可对全球海洋目标进行全天时、全天候的雷达及通信信号侦察，也能够探测核潜艇和低空飞行导弹。该系列卫星既可为美军提供及时、近连续的侦察和监视信息，帮助其掌握战场态势，也可为其武器系统超视距打击提供目标指向。NOSS系列卫星在轨运行三维示意图及侦察仿真图如图6、图7所示。

图6 NOSS系列卫星在轨运行三维示意图

2)成像侦察卫星

成像侦察卫星主要包括光学成像卫星和雷达成像卫星，光学成像卫星包括“锁眼”(KH)系列卫星，雷达成像卫星包括“未来成像体系”(FIA)等。

“锁眼”卫星由美国国家侦察局负责运行。与先前的KH系列卫星相比，当前在轨的4颗卫星轨道面近均匀分布，通过星座组网进一步提高了空间分辨率和时间分辨率。卫星采用当今最先进的自适应光学成像技术，能够有效补偿由于大气影响造成的观测影像畸变。卫星还采用了长焦距等新技术以及复杂的卫星稳定控制技术，不但使地面分辨率从0.15 m提高到0.1 m，也使瞬时观测幅宽从2.8～4 km提高到40～50 km。“锁眼”系列卫星在轨运行三维示意图及其组网运行仿真图如图8、图9所示。

图8 “锁眼”系列卫星在轨运行三维示意图

图9 “锁眼”系列卫星组网运行仿真图

FIA为美国下一代雷达成像侦察卫星星座，它将用体积小、功能强、数量多的较小型成像侦察卫星组成星座，从而取代现有的Lacrosse雷达成像侦察卫星。FIA星载SAR可在工作周期内转换极化方式、频宽、重复间隔和脉宽等参数，实现观测模式快速切换。FIA目前由5颗在轨成像侦察卫星组成星座，可实现完整均匀分布覆盖。FIA卫星在轨运行三维示意图及其组网运行仿真图如图10、图11所示。

图11 FIA卫星组网运行仿真图

1.1.2 导弹预警卫星

目前，美国在轨的导弹预警卫星共15颗，主要由“国防支援计划”(DSP)系统、“天基红外”(SBIRS)系统和“空间跟踪与监视”(STSS)系统组成，形成了高低轨结合，预警、跟踪和识别功能复合的导弹预警卫星体系，可为美国提供强大的弹道导弹预警能力。

STSS由于技术风险和经费投入过大，美国国会要求调整计划，最终仅批准先发射3颗卫星进行技术演示验证试验。

现役的国防支援计划卫星(DSP)是美军第三代导弹预警卫星系统，位于静止轨道，主要载荷为红外探测器、高分辨率电视摄像机及核爆炸辐射探测装置等，可对导弹发射和核爆炸进行探测和预警。DSP系列卫星在轨运行三维示意图及其运行仿真图如图12、图13所示。

图12 DSP系列卫星在轨运行三维示意图

图13 DSP系列卫星运行仿真图

近年来美军着重发展的“天基红外”(SBIRS)系统运行于地球同步轨道和大椭圆轨道，用于替代DSP卫星，其扫描速率和灵敏度相比DSP预警卫星均提高十倍以上，可以满足21世纪美国在导弹预警(MW)、导弹防御(MD)、战场空间感知(BA)、技术情报(IT)四个国家安全任务领域的需要，为美国提供更强的弹道导弹预警能力。GEO卫星星座定点于地球赤道上空，主要用于探测和发现处于助推段的弹道导弹。而远地点位于北极上空的大椭圆轨道(HEO)预警卫星在北极区域滞留时间长，可以有效解决北极地区的探测，并与地球静止轨道预警卫星互补，形成对全球(除南极区域)24 h监视。

根据预警卫星后续发展计划，美军将启动下一代高空持续红外(NG-OPIR)项目。该系列具有更先进的导弹预警能力，将逐步替代SBIRS系列卫星。NG-OPIR系列将由地球静止轨道卫星和极地轨道卫星构成，能够实现覆盖全球的导弹监视。SBIRS卫星在轨运行三维示意图及SBIRS-GEO定点侦察仿真图如图14、图15所示。

图14 SBIRS卫星在轨运行三维示意图

图15 SBIRS-GEO定点侦察仿真图

1.1.3 态势感知卫星

SBSS卫星目的是及时探测、跟踪和识别低地球轨道至地球静止轨道的人造空间物体，探测卫星机动变轨情况，提供全天时、全天候、近实时空间态势感知数据。该卫星还可完成空间编目任务，对在轨分离与机动操作进行预测和预警，为制定可能的进攻性和防御性空间对抗策略提供支持。SBSS卫星现在轨1颗，如图 16所示。SBSS计划分两个阶段实施，计划第一阶段发射1颗“探路者”卫星，用于技术验证和快速补充空间监视能力；第二阶段构建由4颗低地球轨道光学遥感卫星组成的系统。SBSS卫星运行仿真图如图17所示。

GSSAP系列卫星现共计在轨运行4颗。该系列卫星是美国重点发展的态势感知卫星，部署在地球同步轨道带的上下两侧，这种部署方式使GSSAP可以监测地球同步轨道带，跟踪已知目标和空间碎片，并监视部署在同步轨道带上的卫星所面临的潜在威胁。GSSAP搭载的光电传感器可对同步轨道带目标实施近距离侦察，是对美国地基目标监视传感器和部署在低地球轨道SBSS的有力补充。该系列卫星自发射以来在赤道上方以常态化漂星状态工作，具有很强的机动能力，美军未公布其轨道根数。

图16 SBSS卫星在轨运行三维仿真图

图17 SBSS卫星运行仿真图

1.2 信息传输类卫星

美军通信卫星自20世纪80年代就确定了系统体系结构和发展路线，现役卫星在轨情况如表4所示，涵盖了宽带、窄带、防护、中继等类专用卫星系统，具备全球范围常态化覆盖和关键地区多重覆盖能力，确保了关键的卫星通信服务的连续性和可获得性。

1.2.1 通信卫星

DSCS是一个提供超高频(SHF)宽带和抗干扰通信的通信系统，现在轨运行的是第三代卫星，由6颗卫星组成，目前均已超期服役。

表4 美国现役信息传输类卫星在轨情况统计表

WGS为DSCS III的后续计划，是工作在超高频频段的新型大容量卫星通信系统，旨在发展新一代宽带卫星通信系统，用X频段替代DSCS，用Ka频段替代“全球广播业务(GBS)”系统。目前，WGS地球同步轨道卫星在轨共10颗，基本实现全球覆盖。

与DSCS III相比，WGS卫星系统能为所部署的部队提供更大的通信容量，单颗WGS卫星的通信容量超过目前所有DSCS III卫星星座容量的总和，能够在军事行动中以绝对优势的数据和图像传输速率为部队提供强有力的支持。18 DSCS III卫星系统覆盖范围示意图及WGS卫星系统覆盖范围示意图如图18图、19所示。

图18 DSCS III卫星系统覆盖范围示意图

图19 WGS卫星系统覆盖范围示意图

Milstar是具有高鲁棒性、安全性和抗毁性的军事卫星通信系统，它能够提供全球范围的抗干扰、抗核爆闪烁、低截获概率(LPI)、低检测概率(LPD)的通信业务，以满足美国军事核心通信需求。第二代卫星增加了抗干扰的自适应多波束调零天线、自主运行能力等技术，使卫星具有很强的抗干扰、防侦收、防截获和生存能力。目前共4颗Milstar卫星在轨组网运行，形成覆盖南北纬75°全部区域的抗干扰保密卫星通信网。

AEHF是Milstar卫星通信系统的接替型号，其体积更小，通信容量更高，速率更快，是新一代高防护性能通信卫星。主要功能是在包括核战在内的各种规模战争中，为关键战略和战术部队指挥官提供防截获、抗干扰、高保密和高生存能力的全球卫星通信。目前，AEHF系统在轨3颗，能为太平洋、大西洋与美国大陆提供通信服务。

先进极高频AEHF卫星系统将比前两代Milstar提供更大的容量和更高的数据传输速率，响应时间更短，能支持更大容量的战略通信和战术军事通信，为各军种提供安全、可靠且具有强抗干扰能力的全球性宽带卫星通信服务。此外，AEHF减小了对地面支持系统的依赖程度，体现了非常强的战场生存能力。Milstar覆盖范围示意图及AEHF系统覆盖范围示意图如图20、图21所示。

图20 Milstar覆盖范围示意图

图21 AEHF系统覆盖范围示意图

UFO是特高频后继星卫星通信系统的简称，主要为美国海军提供通信服务，最近二十年来有美国参与的大型战争都有UFO卫星通信系统的身影，目前在轨共6颗同步轨道卫星。

MUOS是未来窄带卫星通信系统的重要组成，其主要目标是向作战人员提供超视距通信(联网通信、点—点通信、移动通信)，尤其是满足移动作战人员对通信距离、容量、接入与控制、互通、业务、动中通和可用性等方面的要求，它最终将取代目前所使用的UFO系统。MUOS卫星星座目前由5颗卫星组成，其中4颗为工作星，1颗为备用星，运行在地球同步轨道上。

MUOS是第一个采用第三代宽带码分多址移动通信技术的卫星通信系统，与UFO通信卫星系统相比，MUOS将服务于机动性更强、容量需求更大、业务质量要求更高的用户，为用户提供覆盖全球的、更为通畅和强大的超视距战术通信能力，且不受天气和环境限制，其采用与反辐射信号结合的技术，自动消除辐射与频率干扰，从而增强城市作战能力。UFO卫星覆盖范围示意图及MUOS系统覆盖范围示意图如图22、图23所示。

图22 UFO卫星覆盖范围示意图

图23 MUOS系统覆盖范围示意图

1.2.2 中继卫星

美目前在轨的主要中继卫星有17颗，包括7颗SDS和10颗TDRS，SDS明确为军用数据卫星，TDRS则军民兼用。

SDS卫星是美国国家侦察局研制并运行的军用数据中继卫星。目前SDS项目发展了四代，在轨运行卫星包括5颗第三代卫星和2颗第四代卫星，星座采用地球同步轨道与大椭圆轨道卫星联合组网，如图 24所示。5颗地球同步轨道卫星覆盖除两极外的全部地区，2颗卫星运行在大椭圆轨道，为不在同步卫星覆盖范围内的美国极区核部队及其它部队提供通信支持。DS卫星静止轨道覆盖范围仿真图如图25所示。

图24 SDS卫星组网三维示意图

图25 SDS卫星静止轨道覆盖范围仿真图

TDRS卫星隶属于美国国家航空航天局(NASA)，是一个利用同步卫星和地面终端站，对中、低轨飞行器进行高覆盖率测控和数据中继的测控通信系统。该系列目前共有10颗卫星在轨，均运行于地球同步轨道，携带有Ku波段、Ka波段和S波段的转发器，通过一部专用S波段天线提供多用户服务，可以同时支持多达5颗卫星的工作。TDRS卫星三维示意图及其二维覆盖范围仿真图如图26、图27所示。

图26 TDRS卫星三维示意图

图27 TDRS卫星二维覆盖范围仿真图

1.3 时空基准类卫星

时空基准类卫星主要包括导航和测地卫星，导航卫星提供全天时、全天候的高精度三维定位、三维测速和精确的时间信息，已成为作战使用的基础性保障手段。测地卫星用于测量地球形状和大小、地球表面任意点的位置以及地球引力场的形状和参数，对形成全球统一坐标系、弹道计算、精确制导等有非常大的军事意义。

1.3.1 导航卫星

美军目前使用GPS空间时空基准系统，由美国国防部发展并负责运行，是美军精确指挥控制、精确打击和精确兵力投送的关键。

GPS完成了第二代卫星的发射部署，正在积极推进第三代导航卫星研制发展。目前美国的GPS星座主要由GPS IIR-M卫星和GPS IIF卫星组成。2018年底发射了第一颗GPS III导航卫星，并计划在未来几年内发射剩余9颗卫星。升级以后的GPS星座将播发新的星上加密军码和新的民用信号，使原有军用P码6 m的定位精度提高到3 m，同时增加信号发射功率并提高抗干扰能力。系统将由运行在3个轨道面上的36颗卫星组网，信号发射功率较GSP II卫星提高100倍，能为陆地、海洋、航空和航天用户提供更为精密的位置、速度、时间和姿态等信息，并逐步具备Ka频段星间链路、点波束能力等，授时精度可达1.3 ns，定位精度可达到0.2～0.5 m，GPS卫星的设计寿命也从7.5年增加到15年。GPS卫星运行三维示意图及LANDSAT卫星运行仿真图如图28、图29所示。

图28 GPS卫星运行三维示意图

图29 LANDSAT卫星运行仿真图

1.3.2 测地卫星

美国是发展对地观测卫星最早的国家，但军用测地卫星只有2颗。目前军方主要是购买民用服务，其中包括“世界观测”(Wordview)、“陆地卫星”(Landsat)、“地球静止环境业务卫星”(GOES)和“地球眼”(GeoEye)4个系列。Landsat卫星在轨运行图如图 29所示。此外美国还大力发展如“鸽群”(Flock)等系列对地观测小卫星群以增强其观测能力。

2 发展趋势

2015年以来，美军发射的32颗重点卫星中，16颗为信息获取类卫星，12颗为信息传输类卫星，4颗为时空基准类卫星，再加上各类导向鲜明的试验技术类卫星，不难发现，美军卫星发展重点为侦察、预警及通信卫星，这些卫星在未来信息战、空间战中均起到十分重要的作用。根据上述具体分析，可以发现美军卫星的发展趋势，如下文所述。

2.1 信息获取类卫星

侦察卫星保持领先水平，继续补充卫星组网，进行更新换代。在未来相当长的一段时间内，美国将继续综合运用各种遥感器，提高卫星的综合侦察能力。此外，美军大力发展微小卫星，利用小卫星组网实现对全球任意地区的高效侦察，提高侦察时效性，争取实现对战场的直接支援。

预警卫星正在向“多种功能、多种手段、多种层次、协同预警、全程覆盖”的方向发展。未来美军预警卫星系统预警能力将从战略预警向战术预警方向延伸，采用弹性分散式体系结构降低遭攻击的风险，重点发展商业卫星搭载预警载荷和宽视场探测技术。

态势感知卫星逐步缩小覆盖盲区，下一步美军将着力构建面向太空对抗作战的太空态势感知体系，提高对地球同步轨道目标的发现、锁定以及跟踪能力，提升空军导弹防御局和情报界的太空监视能力和及时响应能力，缩短信息周期。

2.2 信息传输类卫星

一是注重高带宽、高数据率通信技术。随着美军通信卫星的发展，通信带宽、数据传输率和信道数量急速增长，意味着美军在联合作战中将获得更加实时化的信息传输能力。

二是增强卫星抗毁防护和抗干扰能力。近年来，各国均开展各类反卫试验，这对通信卫星是一个很大的威胁。新一代通信卫星在提高带宽和数据传输速率的同时，也在着力提高整个通信体系的抗干扰和保密能力。

三是增强星上处理能力，提高星地一体化程度。星上处理技术不仅是减小传输时延、减小误码率、终端小型化、实现卫星移动通信的核心技术，而且也是军事通信卫星安全防护的重要手段。

2.3 时空基准类

一是积极推进第三代导航卫星研制发展。未来GPS星座将在增加信号发射功率的同时提高抗干扰能力，为用户提供更精确的位置、速度、时间和姿态等信息，并将延长其使用年限。更长的寿命，更强的能力，这也是未来美军导航卫星的发展趋势。

二是测地卫星仍旧依赖民用卫星，侧重民为军用。测地卫星虽非军事卫星，但从近十几年来的几场局部战争的情况看，每次战争无一例外都征用了测地卫星，且倚重程度日益提高。今后美对地观测系统也将继续呈现军民交叉融合的特点，民用对地观测卫星更加注重提高成像能力和分辨率水平，提供更优质的服务。

3 结束语

近年来，美国无论在军事行动还是非军事行动中都成功应用了航天力量，对航天力量的依赖程度越来越深。太空战将是一段时期内的战争至高点，如何建设、怎么打赢是关键。美国军用卫星系统可以作为空间力量发展建设的借鉴，同时也可以针对其薄弱环节探寻对抗方法，为未来信息化战争中夺取制天权提供支撑。