小卫星及卫星组网的战术应用研究＊

2014-01-11杨敏孙洋鲍凯

舰船电子工程 2014年9期

杨敏孙洋鲍凯

（1.海军工程大学电子工程学院武汉 430033）（2.92956部队大连 116000）（3.海军潜艇学院青岛 266000）

1 引言

卫星技术经过数十年的发展，已经在各个领域为人类带来了可观的经济和社会效益，而且它在军事效益方面的发展前景也不容小觑。在过去，大型卫星因为其容量巨大、用途多样性以及长寿命一度成为卫星发展的主流，但是其研制周期长、费用昂贵、技术复杂等问题也在一定程度上制约了它的发展应用。因此在适应社会需求的前提下，小卫星所具有的设备复杂度相对较低、应急能力快、灵活性高、研制周期短等优点让它在近年越来越受到重视［1］。

广义上的小卫星是指质量小于1000kg的卫星，国际上对它的叫法也有很多，根据功能密度还能细分为微卫星、纳卫星、皮卫星等。在小卫星战场应用的早期，主要都是通过单颗小卫星来完成任务，因为它具备快速反应能力和快速重建能力，能有效提供战术支持，对于局部突发战争的军事侦察具有得天独厚的优势，是构筑未来信息战、电子战必不可少的侦察手段。

随着航天技术的发展以及作战态势的变化，单靠一颗卫星已经难以实现对全球或者特定区域的不间断通信、侦察和探测。为了满足战场对时间分辨率要求高、重访周期短的需求，同时考虑到费用等因素，出现了一种新型的空间系统—卫星组网。卫星组网的形式可以分为星座和编队：卫星星座是以提高时效性为宗旨，将单星模式工作的卫星按照一定的相位要求布放所形成的多星模式工作的卫星群。卫星编队是指一群小卫星以某一点为基准，并构成一个特定形状，这个特定形状的各颗小卫星一方面保持这个形状，同时也绕地球中心旋转，它们都以相同的轨道周期绕地球飞行。目前小卫星及其组网的应用在各国军方中已经得到了高度的重视，因为利用小卫星的优势，采用组成星座或者编队飞行的模式，可以实现对战场全方位的应用，更好的完成作战任务。

2 战术小卫星的应用发展

2.1 战术小卫星的概念

战术小卫星是随着现代作战战场态势的变化被提出来的，是指以实现战略目的为前提，面向战术需求支持和响应战场作战的小卫星。它不受地理条件限制，能够机动发射，并且对战场覆盖侦察的范围更为具体，同时生存能力很强以适应未来战术作战样式的多变性。

2.2 战术小卫星的需求背景

空间信息优势既是打赢现代战争的先决条件，也是当今军事强国竞相追逐的战略制高点，无论是在平时战略情报搜集，还是战时战场态势感知方面，卫星均发挥着不可或缺的作用。目前，虽然大型卫星的功能及可靠性、生存能力都有所增强，应用的范围也越来越广泛，但由于这些卫星及其应用系统研制、发射和准备的周期长、费用高昂，一旦发射失败或者在轨发生故障则损失惊人，因此大多是为支持战略任务而设计的，时效性差，不能及时响应战场变化，不能由战场指挥官控制，不完全适用于局部战争和地区冲突战术的需求。因此，各国军方逐步把目光投向了小型卫星，与大型卫星相比，它更适用于战术层面，用于对战场和事发地区执行短期的任务。如美国为保持太空优势，保障在未来战争中能及时地补充和维修失效的军用卫星而制定和实施的ORS／AOA（作战响应航天运输／选择分析）计划，该计划的重点是快速发射战术卫星，后来的研究扩展到发射太空对地精确攻击的通用气动飞行器（CAV）［2］。

2.3 战术小卫星担任的任务

利用小卫星能够实现其它方法所无法达到的效果，因为它不存在仅局限于用传统的固定发射平台发射的问题，还能通过用各种移动平台发射，这就使得发射更为机动灵活，降低了环境等外界因素的影响。根据不同的战场需要，其应用主要体现在：

1）快速响应

现有的大型卫星系统不能及时响应战场变化，不能由战场指挥官控制，而且时效性差，研制、发射和准备的周期长、费用高昂，主要用于战略层面，不适于战术应用。而战争或紧急情况通常是在没有警告的情况下爆发的。因此，美国的“太空作战快速响应”就是在这一背景下形成的。据美国空军航天司令部称，“太空快速响应作战”涉及到的领域包括快速响应航天运载器、同时包括了战术小卫星（快速响应有效载荷）、近太空以及快速响应发射场等。该计划将遵循两项原则：一是快速响应性（迅速性和全球性），二是经济可承受能力。

不过从目前研究水平来看，小卫星还不能完全替代大卫星，譬如长时间的侦察要求。尽管小卫星仍存在一定的局限性，但是快速响应小卫星在战术上的价值是重大的。在此计划的基础上，美国研制出了一系列小型的“战术小卫星”（TacSat），统计资料显示现在已经发射了战术卫星－1、战术卫星－2、战术卫星－3、战术卫星－4，战术卫星－5也于2012年发射。并且将计划发射战术卫星－6，初步的概念表明它的工作原型是战术卫星－4（军事通信卫星），其任务将包括多载荷任务自动化、战术卫星－7和战术卫星－8，初步的概念表明在未来军事作战的众多任务中，它们可能发展成为军事情报侦察卫星［3］。

2）移动通信星座及数据中继

通过语音，数据通信的能力，以及图像的分析工作，对作战的士兵进行紧急救援行动是现代军事活动的关键。一些军事行动现在是依赖于铱卫星和全球星小卫星星座的移动通信服务。例如美国军方正在部署其小卫星星座支持全球的远程移动通信。有资料显示美国正在进行关于下一代铱卫星在网络上支持军事行动的研究。自1987年起，前苏联开始使用采用存储—转发通信方式的第二代战术通信卫星。当卫星经过地球上空时，地面移动用户可用手持式发射机发送数据，卫星接收并存储这些数据，到达地面接收站上空时再转发下来。它主要用来把驻国外部队和情报单位的数据传送到国内。而英国国防部则提出了由数百颗卫星组成的低轨卫星网，供作战部队进行战术通信。它由50～100颗卫星组成一条卫星链路，地面用户使用UHF频段向卫星发送信息，信息在卫星间快速传送，直到抵达目的地。

3）数据收集

大气和海洋环境信息是现代战争环境保障的重要信息，各国军队都非常重视气象探测和海洋监测的应用。这类小卫星是为军事行动提供服务，譬如突发检测远程浮标或者地面传感器数据，而且可以监测海洋以及其它气象条件，为军事作战提供更多气候方面的支持。美国空军现在部署和测试的有两个立方体小卫星（30×30×10cm，体重4kg），它可用来评估来自世界各地的气象数据，并且可为军事行动分析和提供出可靠的气象方面的数据。俄罗斯也拥有气象卫星“流星”（METEOR）系列和海洋遥感与侦察卫星Okean系列，及各级地面应用系统。日本和印度也都可利用本国的气象和海洋卫星为其军事气象和海洋环境保障服务。

此外还有电子侦察卫星，能够在战前收集情报，战时获取战场态势，并通过对目标的分析为作战部队和支援部队提供战场态势图。

3 小卫星组网的应用发展

3.1 小卫星组网形式

分析小卫星近十年的发展，通过对小卫星组网的技术和应用发展研究，组网形式分成星座组网和编队飞行两种。

1）星座组网

传统星座的组成，目的只是想增加对地观测的覆盖，或者提高时间分辨率。目前，国际上卫星星座设计的方法主要有三类：（1）针对全球覆盖的卫星星座的设计方法；（2）针对地带性覆盖的卫星星座的设计方法；（3）针对区域性覆盖的星座设计方法。

通常的星座设计是卫星具有相似的轨道偏心率和倾角，使得任何扰动是通过大致相同的方式影响每个卫星。在这种方式中，星座的几何形状可以保留而不固定它的位置，由此能保持减少燃料的使用，从而提高卫星的寿命。另一个考虑是，每颗卫星在轨道平面内保持足够的距离，避免在轨道平面交叉口发生碰撞或干扰。圆形的轨道在星座设计的时候比较通用，因为这样的卫星是在一个恒定的高度需要一个恒定的信号强度进行沟通。

上世纪七十年代，英国人J.G.Walker和前苏联G.V.Mozhaev分别对全球覆盖的圆轨道卫星星座进行了深入的探讨和研究。Walker利用纯几何的方法提出了δ星座、ω星座和σ星座，此后，美国人AH Ballard在此基础上进一步研究了面向全球覆盖的圆轨道卫星星座的设计方法，即被称为玫瑰星座的设计方法。现在Walker星座是全球、纬度覆盖带最有效的星座，它所包括的δ星座得到了广泛的应用，通常被称作 Walker－δ星座—美国的GPS导航系统，俄罗斯的Glonass（Global Navigation system）系统，欧盟的Galileo卫星导航系统计划都是采用 Walker－δ星座构型［4］。

2）编队飞行

在功能上，编队小卫星类似于一颗大卫星。而根据任务的要求，它也可以看作一个规模较大的虚拟传感器或者探测器。编队里的各颗小卫星有规律地空间分布，它们能在某一时刻对同一目标或对空间同时实行立体观测及探测。在应用领域上包括对地面观测、天文观测、立体成像、精确定位、大气和地球物理探测等。编队飞行由于要保持一定的形状，因此对于星间链路技术的问题要求非常严格。如果所有的观察采用编队飞行模式，就可以尝试在短时间内看到目标区域更大的覆盖［5］。

目前国外小卫星编队的应用主要在以下三个方面：一是科学实验，二是近地勘测，三是深空探测［6］。

国际上对小卫星编队飞行技术的研究热潮始于20世纪90年代。美国等航天大国将这一技术列为21世纪航天技术发展的重点之一。具有代表性的有美国的大学纳星计划、TechSat21、Cloud Sat、Space Technology等。作为美国新盛世计划的一部分，美国国防部和NASA于1998年启动了大学纳型卫星计划，总共十所大学提出了五项纳型卫星编队飞行计划，计划从2002年开始进行首次发射和在轨试验。同时美国空军提出“21世纪技术星”TechSat21发展计划，利用三维编队飞行的若干颗小卫星协同工作构成低成本、高可靠性、多任务平台以及具有扩充能力的“虚拟卫星”，实现分布式星载微波雷达。美国的CloudSat是多卫星、多遥感器的实验，于2004年4月发射，并将与Aqua等卫星进行编队飞行，试图利用光谱仪、光学成像设备、激光雷达及雷达等联合观测的信息进一步了解云雾对地球天气的影响，测量大气浮尘和云的状况，以提高天气预报的准确度［7］。

3.2 小卫星组网及其优势

由于现代战争要求侦察监视信息的精确性、快速性、覆盖性和连续性，实现上述要求还必须要发展由一个或多个星座构成的天基成像侦察监视系统。而小卫星组网优势主要体现在：

1）组网快速性：由小卫星所具备的优点，能响应战场需要，协调工作，迅速构建平台能使得快速发射并组网；

2）获取情报的连续性：小卫星通过组网工作，根据任务制定运行在特定的近圆轨道上，它的重访周期较短，这在一定程度上能大大缩短时间覆盖；

3）获取情报的安全性高和可靠性强：获取情报的连续性能更容易进行图像信息的判别，这样就提高了情报的可信度，同时，由于小卫星不易受到攻击，抗毁性强，让情报获取的可靠性和安全性得到了保证。

4 小卫星及其组网在美军战术行动中的应用

虽然各国对小卫星和其组网形式都十分重视，但是目前只有美国的小卫星及其组网在战术中得到较为充分的应用，因此以美国为实例进行研究。

海湾战争，被美国国防部称为“第一次太空战争”，它不仅成就了一段高技术武器的神话，也推动了新一轮军事革命的浪潮，同时卫星的应用优势充分地体现在兵力部署、指挥和控制上。但是在战后总结海湾战争的经验时发现，海湾战争中所使用的航天系统都是冷战时期为战略应用而研制部署的，不太适应现代高科技技术条件下的局部战争的需要，其所反映出的时效性差、不适应战术应用的问题，而最重要的是不能由战场指挥官控制，这样在战场上会极易处于被动状态。因此，面对亟需解决的问题，以美国为首的航天大国开始强调航天侦察从战略向战术的转向，其中各类侦察小卫星更是得到了广泛的应用。由于其快速响应能力在战场中已经充分发挥了优势，所以小卫星从最初的拍摄照片仅供情报局使用已经转向军方战场应用［10］。

如在伊拉克战争中，美军利用在轨卫星对伊拉克的军事行动进行严密监视，确保美英联军拥有信息优势。美军的预警卫星主要包括“国防支援计划”（DSP）卫星星座，共有5颗，包括4颗地球静止轨道工作星和1颗在轨备份星组成。其中有2颗专门用于监视伊导弹发射，每30s向地面发送一次电视图像，为美军“爱国者”反导系统击落伊军导弹提供了重要保证。

美军综合利用光学卫星的成像能力，利用在轨的十多颗各种侦察卫星以及“伊克诺斯－2”等商用遥感卫星对伊拉克的军事行动进行严密监视。由3颗KH－12光学成像卫星、2颗“长曲棍球”雷达成像卫星、1颗“增强型成像系统”（EIS）卫星以及“伊克诺斯－2”等商用遥感卫星组成的空间成像侦察系统，其中每颗KH－12卫星每日飞越伊上空两次；2颗“长曲棍球”雷达成像卫星，每天6次飞越伊上空。这些侦察卫星可对伊保持几乎每两小时一次的严密监视，成为美英联军监视伊拉克战场、选择打击目标和进行打击效果评估的主要装备。

在电子侦察卫星方面，美军使用了3颗“入侵者”电子侦察卫星和12颗第二代“白云”电子型海洋监视卫星，其中后者已与KH－12和“长曲棍球”组网，可每天监视南、北纬64.3°之间的地带三十多次。电子侦察卫星可对伊无线电信号进行监测，帮助寻找萨达姆等伊高层领导人的藏身之处和伊军的重要指挥控制中心，为空袭提供打击目标。此次战争中，美军使用了多种侦察手段。空间图像侦察主要依靠“锁眼”KH－12成像侦察卫星，分辨率可达0.15m；“长曲棍球”卫星是目前世界上惟一的军用雷达成像卫星，成像精度达0.3m，不受各种恶劣气候影响，甚至可对地下目标进行侦察，该卫星的使用降低了伊拉克境内沙尘暴天气对美军轰炸行动的影响［9］。