美军小卫星的发展应用

崔潇潇 赵炜渝 慈 颖 /文

Kestrel Eye 卫星在轨示意图

小卫星成为航天发展的热点

当前全球范围内，以信息化为主要特征的新型作战模式强调力量资源集成，注重作战行动协调，驱动军事航天发展开始转型，使得小卫星获得广泛军事应用，催生了全新的作战理念和作战模式，推动航天装备从支撑作战开始向融入作战转变，缩短了从天基敏感器到战场指挥官的指控链条，提升了信息化条件下的网络中心战效能。

随着卫星技术与应用的不断发展，人们在要求降低卫星成本、减小风险的同时，迫切需要加快卫星研制和部署周期，为此小卫星技术应运而生。国际上对卫星划分主要以卫星质量为依据。较为通用的划分标准由英国萨瑞大学制定，界定500kg 以下的卫星为小卫星，一般分为迷你卫星、微卫星、纳卫星、皮卫星和飞卫星。

近年来，随着小卫星单星功能密度、敏捷机动能力、自主生存能力和在轨寿命的不断提升，该领域逐渐成为全球航天发展的热点，发射数量不断增长。尤其在军用领域，小卫星在降低系统成本、增强抗毁能力、应急补充增强和快速组网服役等方面优势非常突出，又兼具机动灵活、运营管理便捷等优势，备受军方青睐。在此背景下，美国近十余年相继发展了多项小卫星项目，旨在探索小卫星军事应用和融入作战模式，推动基层作战部队军事航天能力发展。

美军典型小卫星的发展

美军ORS 系列卫星。“作战响应空间”（ORS）是美国军方提出构建灵活的、具备更强的响应能力且面向战术应用的空间体系概念。ORS 计划中的卫星主要分两类。一类是试验型战术卫星系列，另一类是业务型作战快速响应空间卫星系列。以2011 年发射的ORS-1 卫星为标志，美军快速响应空间系统由关键技术验证向装备定型转变。

“隼眼”系列卫星。美国陆军最早于2009 年提出了Kestrel Eye 卫星概念设计，并于2017 年8 月14 日利用“猎鹰”-9 运载火箭将KE2M 光学成像侦察小卫星成功发射至国际空间站，同年10 月24 日，该卫星通过国际空间站释放方式成功部署。未来，陆军有望大规模部署小型光学成像侦察卫星星座。

KE2M 卫星质量50kg，运行在400km 高度、倾角51.6°的轨道上，单景图像面积3km×5km，地面分辨率1.5m，相机口径0.25m，星上可存储约600 幅卫星图像。KE2M 卫星基于马里兰宇航公司的MAGICBus 卫星平台研制，具有通信加密、轨道推进维持和星座相对轨位控制功能。精确姿态控制和快速指向控制在一个结构紧凑的卫星平台上实现，这使得该卫星可以通过搭载的方式发射或者是采用小型运载火箭发射。

“军事作战空间使能效果”卫星。DARPA 于2012 年3 月正式提出“军事作战空间使能效果”（SeeMe）卫星研发项目。该项目旨在利用低轨道上运行的小型低成本卫星，为战场上的作战人员提供可靠的监测数据，为军事作战提供快速支持。SeeMe 卫星的能力要求如下：

卫星系统：SeeMe 卫星星座计划由24 颗小卫星组成，单星质量为45kg，设计寿命为45～90 天。不算发射与地面支持和运行费用，单颗卫星成本为50万美元，24 颗卫星总成本共计1200 万美元。

轨道设计：SeeMe 卫星星座将运行在轨道高度为200～350km 的低地球轨道上，实现对南北纬10°区域的持续覆盖，重访周期小于90 分钟。根据军事作战需求，卫星星座可以以不均匀分布方式进行部署。

性能指标：每颗卫星都能同时支持10个地面用户，从地面用户通过手持设备或通信系统直接向卫星提出成像请求到接收图像数据用时不超过90 分钟。在标称300km 轨道高度上，能够获取天底点分辨率优于NIIRS 5 的可见光图像，对应分辨率为0.75～1.2m。将24 颗SeeMe 卫星至少分成3 组，利用现有商业或军事运输方法运送到全球范围内的民用机场或军事基地等待发射，进而验证SeeMe 卫星系统像常规军需品一样，能利用商业或军事集装箱进行储存和运输。卫星和运载火箭之间采用“即插即用”接口，并确保能够在12～96 小时快速完成卫星与运载火箭的总装工作，之后进行自主检测。SeeMe 卫星发射入轨后，需要在12～96 小时自主完成在轨检测与校准工作，之后开始正式在轨运行，为军事作战提供支持。

雷声公司SeeMe 卫星概念图

“航天与导弹防御中心纳卫星作战效果”卫星。“航天与导弹防御中心纳卫星作战效果”（SMDCONE）计划由美陆军航天司令部实施开展，旨在探索小卫星在军事卫星通信领域的应用潜力。2010 年12 月发射首颗SMDC-ONE 演示验证卫星，卫星由SpaceX 公司Falcon 9 火箭发射，3U 立方体星，卫星研发、制造、转运在一年内完成，约4.5kg；2012年发射2 颗；2013 年12 月，发射SMDC-ONE 2.3与SMDC-ONE 2.4 两颗质量4kg 纳卫星，形成支持战术作战的低轨通信卫星星座，提供无人台站数据采集和战场短报文通信能力。

“可操作精化星历表空间望远镜”卫星。2012 年和2013 年，美国相继发射2 颗“可操作精化星历表空间望远镜”（STARE）卫星，以3U 立方体卫星验证空间目标监视能力，该卫星能监测到200～1000km范围、尺寸大于10cm、速度小于10km/s 的目标。

STARE 卫星采用3U 立方体架构，卫星平台为波音公司建造的“集群”-2，该平台使用了反作用轮，以保证成像所需的较高指向精度。卫星有效载荷为改进型光学成像系统，尺寸约为1.5U，由一台修正反光卡塞格伦望远镜及CMOS 探测器组成，用于捕获小型空间目标的图像。

空间攻防小卫星试验项目。2000 年以来，美国在低轨道空间攻防领域基于小卫星开展了一系列技术验证试验，对在轨卫星检测、交会和对接、在轨维修与器件更新、近距离机动等进行了技术验证。

美国试验小卫星系列（XSS）是一种全自主控制的微小卫星，具有极强的军事意义。XSS-11 系统是计划中的第二个系统，重量145kg，携带15kg 推进剂。XSS-11 系统试验的关键部件包括：星上计算机、电压和推进分系统；低功率收发机和3u PCI 存储器；低功率快速扫描激光雷达和组合遥感相机。它的主要任务是验证星载监视设备对空间目标的监测能力，验证卫星的轨道机动和位置保持能力，演示其自身对空间威胁的感知能力。

2006 年，美国国防高级研究计划局和美国空军联合实施“微卫星技术试验卫星”计划，验证了将小卫星送入GEO 轨道的能力和小卫星在GEO 轨道执行军事任务的潜在效用。MiTEx 由美国海军研究实验室研制的先进上面级以及由美国轨道科学公司和洛克希德·马丁公司分别研制的1 颗MiTEx卫星三部分组成。2006 年6 月DARPA 利用德尔它-2 火箭将MiTEx 空间飞行器送入GTO 轨道，然后由上面级将2 颗MiTEx 卫星送入GEO 轨道。MiTEx-A 和B 卫星质量均为225kg，部署在地球静止轨道上，入轨后进行了轨道机动和相互观测试验。

总体来看，小卫星尚未大规模实现装备化、业务化军事应用。但是，美国已在侦察监视、通信中继、预警监视和空间对抗等领域开展了小卫星技术验证和应用探索。

在侦察监视领域，美军当前发展的小卫星能力全球领先，以ORS 计划为先导，将技术研发和业务能力开发相结合，美军围绕战术应用、低成本、模块化等启动了多个面向军兵种的情报、监视和侦察（ISR）应用项目。

在通信广播领域，美军在ORS 计划中发射Tacsat-4 卫星，验证了面向战术应用的信息传输能力；此后，为确保战术通信能力延伸至偏远山区、雨林等多遮挡地区，发展了支持超视距通信和数据渗漏的低成本小卫星系统。

在空间安全领域，小卫星具有从地面难以探测、在轨道机动灵活优势，具备平时隐蔽监视、战时立即攻击能力，是发展空间对抗系统的重要组成力量。

小卫星将获得广泛军事应用

美国作为全球范围内推动小卫星实战化应用的主力军，其在该领域发展受内、外因双重驱动决定，除了小卫星自身性能的不断提升，应看到其现有装备能力不足的需求牵引作用和航天发展战略政策变化的顶层推动作用。

性能提升，应用创新，全面满足军事作战应用需求。从近年来的技术发展来看，小卫星性能已满足军事作战需求，完全具备了在战区成像侦察中全面应用的技术可行性。另外，小卫星不断冲击和变革传统大卫星设计和运营理念，催生了诸多创新应用模式，也成为提升其军用能力的重要因素。小卫星的各项全新工作模式具有重要军事应用前景，提升了小卫星军事应用价值。

成本低廉，发射灵活，高效费比成小卫星突出优势。一是小卫星短周期、批量化制造使得单星成本低廉，能以较低成本满足基本军用需求；二是小卫星能以一箭多星、空中发射、在轨弹射等手段实现快速批量部署，大幅降低了进入空间成本；三是小卫星通过星座组网和优化轨道设计，能力足以与大卫星相媲美。

体系转型，确保弹性，小卫星组网可提高生存能力。进入21 世纪后，美国逐渐推动军事航天体系从只注重大卫星发展转向大小卫星并行发展。小卫星能够通过快速发射补充受损空间能力或采用星座、编队等方式应对空间安全威胁，是提高航天装备体系生存能力和抗毁能力的重要手段。

未来，小卫星获得广泛军事应用将是卫星技术发展和能力需求增长的必然结果。美国在小卫星军事应用领域已取得的诸多经验，既有体系发展战略思考和系统设计理念革新，也有卫星能力提升途径和作战应用模式流程，值得开展深入研究与思考。