美国持续发展微小型航天器动因探析

于小红,　李　岩,　刘高强,　邢晓辰,　许国锋

(1. 装备学院 航天指挥系， 北京 101416；　2. 装备学院 航天装备系， 北京 101416；

3. 装备学院 研究生管理大队， 北京 101416)



美国持续发展微小型航天器动因探析

于小红1,李岩2,刘高强3,邢晓辰3,许国锋3

(1. 装备学院 航天指挥系， 北京 101416；2. 装备学院 航天装备系， 北京 101416；

3. 装备学院 研究生管理大队， 北京 101416)

摘要针对美国不断推陈出新的微小型航天器发展研究，从太空战略环境、战场战术响应、太空对抗、新技术演示验证等4个方面，对美国持续发展微小型航天器的动因进行了初步探析。阐述了美国在提高太空系统战略威慑效果、满足战场力量增强需求、推行太空对抗技术发展战略、促进新技术演示验证等方面对发展微小型航天器的现实需求。对微小型航天器发展战略的顶层规划给出了范例，为我国开展基于微小卫星的太空技术研究提供参考。

关键词微小卫星；发展动因；太空战略；力量增强

微小型航天器是指集成了微纳米技术、微机电技术等先进技术和工艺的现代航天器，本文提及的微小型航天器质量通常在50～500 kg之间，包括各类微小卫星和微小型太空技术试验飞行器。相比同等功能的大、中、小型航天器，微小型航天器具备成本低、小巧轻便、发射灵活、响应及时等优势。其功能可以取代或部分取代传统大、中型航天器，完成人类对太空探测、对地观测以及其他特殊任务。自20世纪90年代以来，各类微小型航天器的发展层出不穷，先后发射入轨的有：多通道通信卫星(Multiple Access Communication Satellite，MACSAT)、微型卫星计划(Micro Satellite Program，MICROSAT)、多路径超视距通信微小卫星(Multiple Paths, Beyond-Line-of-Sight Communications,MUBLCOM)、试验卫星系统(Experiment Small Satellite，XSS)等。近年来，更有静止轨道微小卫星(Mirco-satellite Technology Experiment,MiTEx)技术实验、轨道快车(Orbital Express)计划、前端机器人使能近期演示验证(FREND)、快速响应太空计划(Operational Responsive Space,ORS)、“F6”(Future,Fast,Flexible,Free-flying,Fractionted spacecraft)项目、“See Me”(Space Enabled Effects for military Engagements)计划、“鸽群”系统以及“凤凰”计划等。在美国不断推陈出新的背后，究竟隐含了哪些动因？本文从太空战略环境、战场战术响应、太空对抗、新技术演示验证等4个方面，对美国持续发展微小型航天器的动因进行初步探析。

1适应太空战略环境现实要求，提高太空系统威慑效果

2011年美国国防部发布《国家安全太空战略》，对当前和未来太空战略环境的基本判断是：太空将更加拥挤、更具对抗性、更具竞争性，随着越来越多的国家发展太空能力和反太空能力，美国正面临新的挑战，美太空系统的生存能力急需提升[1]。随着太空系统信息能力的不断提升，太空系统在国防和经济领域的应用日益广泛，美国对太空系统也越来越依赖，但美国多数太空系统是按照美苏冷战时期的思路进行建设的，已经不能适应新的太空战略环境的要求，其太空系统的威慑效果将受到严重影响。

为此，美国提出了一系列应对措施，集中体现在美国空军2013年颁布的白皮书《弹性和分散化太空体系结构》中。书中着重强调了通过分散化设计等多种途径，增强其太空系统的弹性能力，提高太空威慑效果。美国空军将分散化定义为“将天基任务、功能或传感器散布到多系统上，跨越一个或更多轨道平面、平台、寄主、作战域。就是把集中到少数先进卫星的能力分散到数量更多的平台上去”。

美军提出了分离模块、功能分解、搭载有效载荷、多轨道配置及多域分布5种分散化途径。(1) 分离模块是将卫星的功能分解到多个模块，每个模块搭载于不同的卫星，在轨模块间通过无线模式进行数据交换，最终构建单体卫星系统具备的功能。(2) 功能分解是将传统搭载于一个卫星系统的多个敏感期和截然不同的子任务，拆分搭载到不同的平台上。(3) 搭载有效载荷即利用所搭载卫星的电源、处理、热控、姿控等平台能力，实现单颗卫星所具备的能力。通过这种方式可以大大降低成本，同时也使敌对方在攻击时因搭载平台可能涉及民用卫星而难以应对。(4) 多轨道配置是利用空间多个轨道面实现载荷对任务区域的多种覆盖，也可在受到敌对方攻击时增加系统复杂性，提高自身卫星系统弹性。采用此种模式为微小型卫星的发展提供了更多的应用空间。(5) 多域分布能够综合利用陆海空天等多领域技术手段，如利用天基敏感器对任务区域进行宽幅覆盖，同时运用空、舰、地基敏感器对任务区进行战术覆盖，相比单领域分布更具优势。

上述每一种途径均有其重点和优势，适用于某类卫星任务，但没有一种途径适合所有任务[2]。5种分散化途径中的前4种都要求卫星模块化、小型化、载荷化，这是未来美国太空系统发展的必然要求和显著趋势，也是微小型航天器大力发展的强劲动力。

2响应战场战术需求，充分发挥太空系统的力量增强作用

太空系统的信息优势，能够增强联合作战部队的作战能力。美军把太空系统的力量增强任务作为当前其太空军事力量最为重要的作战任务。传统的以大卫星为主的太空系统，存在发射部署周期长、花费巨大、难以响应战场战术需求等问题。美军大力发展微小卫星技术，就是要发挥其在军事侦察监视、军事通信等领域的诸多优势，通过快速发射部署形成一定数量规模的微小卫星星座系统，为战场指战员提供及时响应的战术服务。

2.1协同传统大型卫星发展，显著增强太空系统能力

2.1.1天基对地军事侦察监视

针对军事侦察卫星，分辨率是其首要技术指标，包括高空间分辨率、高光谱分辨率及高时间分辨率。在战术成像侦察微小卫星领域，优于0.5 m分辨率的成像侦察卫星基本上由大型卫星垄断，分辨率最高可达0.1 m。随着微小型卫星技术的快速发展，美国在发展大型高性能超高分辨率侦察卫星的同时，正逐步将优于1 m分辨率遥感信息的获取任务交由微小卫星完成。

目前，战术成像小卫星的地面分辨率可以达到米级，覆盖宽度可达几十到几百千米，整星质量在200～300 kg，工作寿命可达5 a。通过部署微小卫星星座，能够提高战场战术侦察的空间与时间分辨率，缩短卫星重返周期，甚至达到时间分辨率接近于零(即实现连续侦察)。同时，由于微小卫星在形成规模化和系列化后通常成本较低，因此星座系统的投资可接受。美国空军在《空军2025作战构想》中指出，“小卫星组成的分布式星座系统是为战斗人员提供实时不间断信息服务的主要手段”[3]。

另外，在雷达成像监测方面，微小卫星通过编队飞行方式构成一颗虚拟大卫星，形成较大的雷达天线孔径，进而极大提高对地面活动目标的监视与跟踪能力。某些时候，这种虚拟卫星的能力甚至可以超过单颗大卫星。此外，编队飞行还能形成多种观测系统，如分布式天基雷达、编队飞行光学干涉测量系统、可见光红外地球成像系统以及多光谱地球成像系统等。

2.1.2基于太空系统的军事通信

微小卫星应用于军事通信领域主要有以下优势：在组网后有较强的生存能力；可与战场指挥员直接交互，提供战术级通信服务；专用性和保密性强等。目前，军用微小卫星通信系统只是大型军事通信卫星的补充，主要是战术通信与中继星通信。

美国陆军的战术通信卫星采用EHF频段，卫星可由战场指挥员直接指挥，提供话音和数据通信，并且与大型军事卫星通信系统“军事星”兼容，可使用相同的地面终端。美国以DARPA为核心，实施了多项用于战术通信的微小卫星计划，如多通道通信卫星、多路径超视距通信微小卫星以及微型卫星计划等。

2.2满足精细化作战需求，信息直达作战单元

采用微小卫星技术，能够满足作战单元的精细化作战需求，使得信息传递直达作战单元。如美国空军的战术星通过保密的国防部TCP/IP路由网直接向卫星发送指令和分发卫星图像等新概念，战场指挥官可根据战场情况申请有效载荷和发射需求，地面作战部队可直接向空间战术星发送指令，通过战场指挥官按需申请有效载荷和发射需求，并通过保密路由实现卫星采集信息的快速分发。卫星兼有战术侦察与信息分发双重功能，可直接向用户分发传送侦察信息。

2.3平时组网监测，战时迅疾补充

建设由微小卫星组成的战术侦察监视或通信卫星星座，可以实现无缝观测与通信，满足军事侦察和通信的需要。微小卫星用于军事侦察、通信领域的突出特点是能够快速做出响应，可以对感兴趣的区域提供及时、重点保障，特别是对难以预测的突发事件，它可以提供快速的情报、侦察和监视能力，从而形成“平时打一批，战时补一批”的组网运行模式，弥补大卫星不足。快速响应太空计划的一个重要目标就是在危机或战争前几周或几个月内，快速组装、发射能够直接向战场用户传送侦察产品的卫星。战术侦察小卫星的快速响应能力具有重要价值，也是战术侦察小卫星最突出的特点之一。

3实施多项微小型航天器技术计划，推行太空对抗技术发展战略

美国国防部及空军主导开展了多项微小卫星技术项目工作，包括XSS(Experiment Small Satellite)、DART(Demonstration of Autonomous Rendezvous)自主交会验证技术卫星、轨道快车计划、MiTEx、近场红外试验卫星(NFIRE)等，如表1所示[4-5]。这些可用于太空对抗的微小卫星技术项目，通常采用多项关键技术综合集成的方式，目的是相互印证、多种选择，在不同的计划项目中予以支持，保证了太空对抗技术研发的多样化、不断线。透过这些技术发展计划及试验，逐步显现了美国“智能自主、监视识别、扰控毁并举、由低轨向高轨、军民融合”的天基太空对抗技术发展战略思路。

3.1智能自主

未来太空对抗环境恶劣，有人控制的天基武器作战运用方式容易遭受敌方的干扰攻击，而且运用方式方法灵活性差。美国的太空系统庞大，要保持其绝对的太空优势地位，利用微小卫星发展检验其天基智能自主的太空对抗技术是必然的要求。

从表1可以看出，XSS、DART自主交会验证技术卫星、“轨道快车”计划卫星，均以自主接近、交会对接等为关键技术。虽然MiTEx和NFIRE没有明确的自主技术项目，但其试验过程充分发挥了自主运行的技术能力。

“轨道快车”计划是自主智能化技术的显著代表，该项目又叫太空机器人。在2007年3月至7月的轨道演示飞行试验中，依靠其先进的自主导航、制导与控制系统、捕获系统、机械手系统，首次实现对非合作目标进行全自主捕获与服务、使用被动探测系统进行全自主导航与制导，更换星载计算机，全自主地使用先进机器人捕获自由飞行器，并将组件和推进剂从一个飞行器传送给另一个飞行器。

表1　美国用于太空对抗目的的微小卫星技术计划与试验

3.2监视识别

在太空对抗中，首先必须准确掌握敌方目标的状态、特征，识别其功能用途，为武器攻击提供目标指示。美国的XSS及MiTEx都有很强的监视能力，能够近距离对目标实施高精度、高清晰度拍照，MiTEx还能够探测到目标卫星的信号特征，为揭示目标的形状、电磁特征积累数据，确保进攻作战的针对性和有效性。

在其他几个项目中，为了保证自主交会对接的实现，卫星自身携带有多种高精度目标探测载荷，也能够实现对目标的监视识别。如轨道快车上ASRTO卫星的跟踪敏感器，不仅能够对目标进行近距离、远距离测距、测姿和测方位，还能够对目标实施近、中、远可见光成像。这些在微小卫星上试验验证的监视识别技术，一旦成熟就能够很快移植到太空目标监视卫星和察打一体的天基太空武器上。

3.3扰控毁并举

可用于天基太空对抗的技术手段多样，但使用动能拦截器等硬摧毁武器时，会形成大量太空碎片，产生严重附带后果。因此，对拥有大量高性能卫星系统又高度依赖太空信息系统作战的美国，在不能完全放弃硬摧毁手段的基础上，必须充分考虑其他软杀伤技术手段。在这种背景下，美国借助微小卫星技术，沿着“扰控毁并举”的思路，积极推进其太空对抗手段发展与技术储备。

在表1中，DART自主交会验证技术卫星是由于试验过程中的意外事故，将另一颗卫星撞到了更高轨道上，但却给其近距离监视卫星以实施攻击的启示。NFIRE原本就要携带天基拦截器开展试验，只是由于众议院及专家的强烈反对，为避免刺激其他国家，而去掉了任务中的拦截器载荷。这也说明，美国并未放弃天基动能杀伤武器技术的发展，而是借助于不同任务不断开展技术试验。

相对于20世纪美苏后冷战时期的天基动能、定向能武器等硬摧毁技术，美国更热衷于太空实体控制技术，更加注重太空对抗技术发展的策略。MiTEx具有典型的软杀伤能力，能够近距离监视目标，实施信号侦听、干扰破坏等太空进攻行动。FREND通过自主完成非合作目标抓捕、更换元器件和推进剂等动作，全方位检验了太空作战机器人的实体控制作战技术和能力[8-9]。

3.4由低轨向高轨

在地球低轨道上存在大量的各类遥感卫星和移动通信卫星，完成对陆海空战场全天时、全天候的态势感知、指挥控制通信任务。在地球高轨道上，分布着重要的导弹预警、通信中继、电子侦察、气象等卫星，持续、严密地监视导弹发射和电子信号，并提供大范围的通信覆盖。从太空对抗技术难度来看，低轨技术相对容易，却是重要基础。美国将太空对抗的关键技术在低轨道上做扎实后，才逐步推向高轨。实践证明，这种方法途径切实可行。

美国的XSS、DART自主交会验证技术卫星、“轨道快车”计划和NFIRE，都是低轨微小卫星项目，在低轨道上开展的自主监视、接近、对接、抓捕、补给等技术，绝大多数都很成功，能够实现对低轨目标的“侦、控、打、评”。MiTEx在前面那些项目的基础上，机动、伴随监视等能力上了一个台阶。这标志着美国的太空对抗技术从低轨逐步拓展到了高轨，也覆盖了从低轨到高轨的全部轨道太空。

3.5军民融合

太空对抗技术的基础是民用航天技术，太空实体控制技术与在轨服务技术有异曲同工之处。民用的在轨服务对象是合作目标，太空实体控制的对象是非合作目标。美国虽然在“轨道快车”计划中，始终宣称是民用在轨服务计划，但在实际试验中验证的是对非合作目标的接近、捕获和操控，军事意图十分明显。此外，经济因素也是持续发展微小型航天器的原因之一，军民融合的商业化运作可以有效降低微小卫星技术验证成本。以民掩军，是美国在冷战结束后的近些年中发展太空对抗技术的重要思路。

4适应新技术演示验证，促进航天技术的快速发展

采用微小卫星进行科学试验，能够有效降低试验成本和风险，同时兼具灵活快速的特点，使许多新技术、新设计思想和新应用能够在太空快速得到试验和验证。用微小卫星开展快速的新技术演示验证试验，是微小卫星最突出的优势，也是近年微小卫星承担的各种飞行任务中数量最多的任务[10]。

以往对一项航天新技术开展太空技术验证时，大都需要在大卫星上进行搭载试验，或者单独发射新技术试验卫星，这样不但增加了卫星的研制周期与复杂性，还有可能影响大卫星的主要任务和功能。微小卫星为新技术演示验证提供了廉价、及时、有效的途径，能够在太空轨道运行环境下，对航天器采用新技术、新材料及履行新任务的性能和效果进行检验与评估，这是在进行正式飞行任务之前进行风险分析与技术验证的最可行也是最可靠的方法。目前，通过微小卫星进行新技术试验的手段已经相当成熟，这类微小卫星大都是对各种新技术、新产品进行太空飞行演示验证的试验平台，往往每颗卫星承担多种技术试验任务，旨在促进太空新技术从实验室向实用转移，以减少型号研制风险，提高产品可靠性，降低研制成本。

4.1太空自主交会与操作技术

近年来美国实施了XSS计划、DART计划、“轨道快车”计划、FREND以及MiTEx，其目的就是演示验证太空机器人反卫星的核心技术——非合作目标的自主交会、逼近与操作技术。2007年完成“轨道快车”任务，演示验证在轨交会对接、在轨维修与器件更新等操作。按照美国航空航天局的说法，“轨道快车”计划的目的是验证卫星交会、捕获、停靠、维修以及燃料补充等太空技术，以支持未来更广泛领域内的商用、民用和军用太空计划，为美国未来太空能力的关键技术实现提供支撑[11]。2009年进行的MiTEx计划，演示了对高轨道卫星的在轨操作能力；XSS-12和FREND计划，进一步完善了太空自主交会与操作能力；并在XSS计划成功的基础上，提出了一个“局部空间的自主导航与制导试验”计划，向地球静止轨道发射小卫星，为大卫星提供防护[12]。

4.2分布式系统自主规划技术

航天器自主规划技术是指航天器在不接收地面站指令的情况下，由其自身决策，根据当前状态、任务需求、可采取的活动及影响，在受到时间和资源约束条件下，自主规划方案完成特定的航天任务。其具有以下特点：自组织、自适应、快速反应、规划与调度集成等。美国的新盛世计划就是用分布式的太空系统来完成或是替代越来越复杂的、大卫星难以完成的功能。美国《空军2025作战构想》中提出：“由小卫星组成的分布式星座系统为作战提供及时连续的信息服务，也可成为有效的反卫星武器”。美国空军研究实验室的分布式卫星系统——TechSat 21三星座系统、3SC大学纳星计划、深空探测计划等，都通过采用微小卫星携带远程自主可控系统进行分布式组网，进行航天任务自主规划技术的演示验证。后续研究中，将在单星自主规划基础上，通过研究分布式卫星系统的多Agent建模与通信技术、层次任务分解技术等协同规划技术，来解决分布式卫星系统的自主规划问题。

4.3新型发射技术

新型发射技术主要包括多星发射技术、空中发射技术等多种新型微小卫星发射技术。1960年，美国首次用一枚火箭发射了2颗卫星。拉开了“一箭多星”发射技术研究的序幕。美国和俄罗斯分别创造了“一箭多星”单次发射搭载载荷最多的记录。2006年7月俄罗斯“第聂伯”火箭创造了单颗火箭搭载18颗卫星的记录；2013年11月美国“米诺陶1”火箭将搭载记录改写为29颗卫星和2个试验有效载荷；紧随其后，俄罗斯再次使用“第聂伯”火箭破纪录地发射32颗卫星和1个试验有效载荷；2014年1月，美国“安塔瑞斯”火箭将记录刷新至34颗卫星；最近一次为2014年7月俄罗斯“第聂伯”火箭发射37颗卫星，创造了新的世界纪录[13]。在多次的“一箭多星”火箭发射活动中，微型卫星成为试验主体，有效验证了“一箭多星”发射技术，也进行了其他相关太空技术演示验证。

美国DARPA的空中发射辅助太空进入项目，其目标就是开发一种能够显著降低日常发射小卫星成本的方法，该项目的创新之处是在传统飞机后方携带一次性发射平台，在24 h内完成发射准备工作，用低于100万美元的成本发射45 kg的小型卫星。

5结 束 语

军事、经济、技术等诸多因素促使以美国为代表的航天强国持续不断地发展微小型航天器。本文仅从4个方面对美国持续发展微小型航天器的动因进行了初步探析。从中可以发现美国在微小型航天器发展途径的规划与具体实施中的一些规律，希望能够为我国开展基于微小卫星的太空技术研发提供一定的参考。

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[13]张峰,程绍驰，李向阳.俄罗斯“一箭37星”!:“一箭多星”发射技术[J].国防，2014(9):78-80.

(编辑：田丽韫)

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

文献标志码A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.02.001

文章编号2095-3828(2016)02-0001-06

中图分类号E93

作者简介于小红(1965-)，女，教授，博士，主要研究方向为航天指挥及航天力量运用。

收稿日期2015-10-23