美军典型小卫星军事应用模式案例分析

● 文|北京空间科技信息研究所 张召才

美军典型小卫星军事应用模式案例分析

● 文|北京空间科技信息研究所 张召才

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。

截至2015年5月底，全球共有411颗小卫星（质量低于500kg）在轨运行。其中，美国在轨小卫星数量高达167颗，是小卫星在轨数量最多的国家。自美国国防部启动“作战响应空间”（ORS）计划以来，美军以ORS计划为先导，辐射带动了一大批面向军事应用的小卫星项目，驱动小卫星业务化水平不断提升。当前，小卫星已在战场通信、侦察监视、环境监测、空间攻防等领域具备装备化应用能力。

一、小卫星融入军事应用的关键前提

小卫星融入军事作战必须解决一系列问题。传统模式下，航天装备支持作战有其固有流程和模式。战区指挥官在发出作战任务申请后，需多层申请、审批、经顶层资源分配和任务规划后才能获得天基力量支持，整个周期往往需耗时30天以上。美军通过优化指控链路、简化指控操作等一系列措施，将小卫星响应战区需求的时间缩短至几分钟，满足了现代作战对装备能力的时敏性需求。

1.下放任务控制权，缩短卫星指控链条

传统军事航天装备以服务国家决策中枢为发展宗旨，首要目的是满足战略级应用需求，其在发展思路、设计理念、运营管理、资源调度乃至信息授权范围等方面都未将作战部队的战术应用需求纳入考虑范围。以成像侦察卫星为例，美军天基成像侦察系统长期由国家侦察局（NRO）主导建设、运行控制和管理调度，并发展了以“锁眼”（Keyhole）为代表的超高分辨率成像侦察卫星。但是，受权限制约，一方面，战区指挥官无法直接调控在轨卫星资源，需由基层部队将作战需求（如成像侦察区域、作战时间等）由下向上，逐层报至美国本土决策顶层，再经统筹协调后，安排在轨卫星获取天基成像侦察图像，由美国本土处理后，再逐层下发至战区部队。现代战争模式下，战场态势瞬息万变，层级申请，逐次审批必将丧失战场主动权，贻误战机。另一方面，传统航天装备获取的天基侦察图像和情报信息往往保密级别很高，战区指挥官往往不具备数据阅览权限，导致美军作战部队无法发挥美军优势航天装备的最大效能。

为发挥天基信息采集和传输的时效性，使“制天权”真正转变为“制信息权”，美军以ORS计划为抓手，逐步探索航天装备快速响应作战需求的模式，真正实现“管”、“控”分离，将卫星任务控制权下放至战区，卫星运管权仍由传统航天部门负责。这种变革明晰了卫星在作战中的价值定位，以及战区指挥官对战术卫星资源的直接调控权。前方作战部队可根据作战需求直接对卫星下达成像侦察指令，直接获取情报数据，大大缩短了指控链路。ORS-1卫星是全球首个面向作战部队服务的情报、监视和侦察（ISR）卫星，由美国空军负责运行管理，但其任务控制权直接隶属于负责中东、中亚地区作战事务的美国中央司令部，为其提供急需的战场态势感知服务，并可以定期为太平洋司令部或不定期为非洲司令部和特种部队提供ISR服务。战术卫星-4（TacSat-4）由美国海军负责运管，在轨试验期间美国陆军、海岸警卫队等均直接调用卫星进行了通信能力测试。陆军SMDC发展的“隼眼”（Kestrel Eye）也是直接面向作战部队，将卫星使用权和调度权下放至基层作战部队。采用“管”“控”分离体制，美军完全下放了卫星装备任务控制权，使卫星一改脱离战场的传统状态，成为与无人机一样的作战装备，使其在以信息战、大纵深、超视距、精确打击为特征的未来战争中能够最大化发挥效能。

2.实现界面化指控，简化卫星指控模式

小卫星融入军事作战，应建立天地一体化的作战概念。实际上，在军事作战应用中，小卫星只负责提供天基信息获取和传输支持，其融入军事作战的大部分效能需通过地面系统实现。没有地面快速指挥控制，依托小卫星建立的天基能力优势就无法转变为支撑地面部队作战的信息优势。

传统卫星指挥控制需要由专业人员利用大型复杂的地面设备，通过一系列标准化操作和专业指令输入完成。小卫星融入军事作战，这种传统指控模式将成为严重短板。一方面，受战区现地条件、作战部队机动等诸多因素制约，无法部署大型专业地面指控设备。采用传统指控模式，必将使作战用户与天基能力脱节。另一方面，基层部队作战人员缺乏专业培训，无法快速、准确的完成传统航天装备指挥控制操作。因此，研制便携易用、操作简单的卫星指挥控制系统，成为发挥小卫星军事作战效能的关键。

美军为增强作战部队直接指派卫星任务的能力，不断提升航天装备对作战部队的支持，提出发展“虚拟任务操作中心”（VMOC）系统。VMOC是可运行于移动终端的界面化卫星指挥控制系统，其设计采用类似Windows界面的设计理念，方便用户在便携终端上集成使用。VMOC于2002年启动研究，经过10余年发展，目前已全面具备了装备应用和支持小卫星融入作战的能力。基于VMOC技术，作战用户可以通过“4W”，即选择“任务区域”（Where）、“任务方式”（How）、“任务类型”（What）和“任务时间”（When）的流程完成作战任务规划、数据接收、处理和分发操作，见图1。

图1 VMOC能力发展时序图

本质上看，VMOC是一种基于IP的指挥控制系统，能够支持基于IP协议的卫星平台或遥感器，通过“保密因特网协议路由器网”（SIPRNet），实现有效载荷任务规划和数据分发功能。在网络中心战指导思想下，VMOC将已有和新的软件工具综合集成，可供作战部队在终端设备上指挥控制卫星。通过SIPRNet网络，VMOC为战术用户提供卫星系统的交互界面，卫星平台或遥感器都分配到一个SIPRNet网络地址，战场指挥员可以通过SIPRNet网络进行访问，并实现类似“联邦快递”服务的能力，使用户能够跟踪其数据需求的状态，从而使作战用户感觉正在操作卫星。美国空军卫星控制网（AFSCN）提供星地联络能力支持。除卫星指控、任务规划、数据处理和分发等功能外，VMOC还集成了“资源集成、同步和管理规划工具”（PRISM），在执行成像侦察作战任务时，可自动采集“空军气象中心”（AFWC）气象数据，获取战区云层遮挡数据并反馈给作战指挥官，以优化作战任务规划，增强天基成像侦察效果。

依托美军发展的“分布式通用地面系统”（DCGS）、SIPRNet网和“全球信息栅格”（GIG）等网络信息系统，战区指挥官利用VMOC，可在1～2min内将指控指令注入到过顶的在轨卫星系统。并且，由于VMOC采用界面化设计，回避了传统卫星输入专业指令的指控模式，使得美军具备了ISR小卫星“即指即拍”作战能力。目前，VMOC已成为未来小卫星融入作战任务制定的可视化工具，协助作战用户及时获取卫星任务状态、制定分配任务，并协调不同用户需求，实现最大作战效能，见图2。

图2 VMOC应用与任务规划功能

二、美军典型小卫星军事应用模式

美国是推动小卫星实战化应用的主力军，发展了大批技术试验和概念验证小卫星项目，实践了小卫星军事作战模式和作战流程，并在全球率先部署了直接面向基层作战部队的业务型小卫星系统。现阶段，美军小卫星侦察监视应用能力和作战概念发展较为成熟，值得重点研究分析。

1.ORS-1卫星直接面向作战部队，是小卫星融入作战应用先驱

在国防部ORS计划主导推进下，美军通过3颗“战术卫星”（TacSat）和ORS-1等4颗卫星持续在轨验证与能力升级，已经建立了成熟的小卫星融入作战概念，在轨小卫星系统运行高效，成果显著。

美国空军航天司令部第14航空队第50航天联队第1空间操作中队负责通过空军卫星控制网（AFSCN）对ORS-1卫星进行运行控制，控制中心是位于美国洛杉矶空军基地的多任务空间操作中心（MMSOC）。基于ORS作战概念，ORS-1卫星可直接向战区提供天基图像情报支持，并形成了常规任务与紧急任务两种小卫星融入作战应用模式。

常规任务对时间敏感性要求较低，作战部队可将任务申请通过SIPRNET网提交至美国空军空间操作中心（SOC），再由SOC通过天基通用数据链（Space CDL）地面站制定成像任务并上传至卫星。卫星在接收到指令并响应后，将获取的天基成像侦察数据下传至CDL地面站，经地面中心处理生成图像情报产品后，由SIPRNET网向作战用户分发。

图3 ORS-1卫星作战概念图

紧急任务（或战术任务）要求快速响应，迅速及时获得天基能力支持。作战部队使用VMOC系统，通过战区“战术地面站”（TGS）制定卫星侦察成像任务和接收图像数据，并将数据集成到DCGS站点进行处理和分发，处理得到的情报数据将再次通过VMOC界面显示给用户。在紧急任务应用模式下，从战场指令下达到完成数据下传的响应周期最高可缩短至6.5min。图3为ORS-1卫星作战概念图。此外，ORS计划注重发展开放式、网络化体系作战能力，采用通用化、标准化接口与协议，实现与美军现有系统融合。作为实战型应用系统，ORS-1卫星通过VMOC和DCGS完全融入了美军的ISR网络体系。作战用户通过VMOC制定ORS-1卫星成像任务和接收数据，并与DCGS的任务分配、处理、开发和分发（TPED）系统兼容，美军原有的处理机载数据的图像处理模块可直接用于处理卫星图像数据，实现多源战场情报数据的快速处理、融合和分发。作战用户还可以利用ORS-1卫星获取图像情报指引无人机等航空侦察装备对目标地区进行更详细侦察。

2.SeeMe采用“小卫星、大星座”理念，完成即指即拍作战概念验证

SeeMe项目是DARPA在2012年提出的创新研究项目，计划以24颗低成本小卫星构建低地球轨道星座，满足战术应用需求，解决战场态势感知数据获取不足，以及无法向基层作战人员按需提供卫星图像数据等问题。2013年10月，千禧年空间系统（Millennium Space）公司宣布成功研制出SeeMe卫星平台，并利用高空气球验证了“即指即拍”作战概念。

SeeMe星座采用S频段实现星间互联、指令上传和数据下传，并利用码分多址（TDMA）技术避免频率冲突，使得单颗SeeMe卫星可同时支持10个地面用户。在SeeMe项目想定作战概念下，允许作战部队通过手持终端操作，即可在90min内接收到用户指定精确位置的卫星图像。SeeMe项目以“小卫星、大星座”理念发展天基战术侦察能力，具有长期过顶、快速响应特点，在应用理念上与无人机系统相似，可持续提供目标区域高分辨率战术应用图像。

SeeMe卫星响应军事作战需求，融入作战的应用流程为：①作战用户制定作战任务规划，发现天基能力不足，提出申请发射SeeMe卫星；②研制团队接到卫星发射申请，快速提取仓储预制部件和载荷，快速组装、集成与测试；③卫星运抵预定基地（即常规机场），以机载空中发射方式发射入轨；④卫星入轨后12～96h内自主完成在轨检测与校准，实现业务运行，提供业务服务和军事作战支持；⑤战区指挥官利用手持终端，基于类似VMOC的指控工具直接将作战任务规划上传至单星或星座；⑥SeeMe卫星响应任务指令，对任务规划指定区域成像并直接下传至用户手持终端，完成任务响应,见图4。

图4 SeeMe 卫星响应军事作战需求、融入作战概念图

3.“隼眼”具备10min快速响应能力，计划2015年实施首次飞行验证

“隼眼”（Kestrel Eye）是美国陆军航天与导弹防御司令部（SMDC）在ORS计划启发下，于2008年启动的面向战术应用的小卫星成像侦察项目，用于向前线基层作战人员快速、按需提供近实时的战场图像数据。据美国消息透露，SMDC团队曾在早期参与SeeMe项目研发，并把SeeMe项目部分研究成果集成到了Kestrel Eye“第二阶段”（Block 2）任务中。

“隼眼”星座支持在10min内完成从前方作战用户发出任务请求到分发图像的全部操作。根据美国陆军2015财年预算，Kestrel Eye项目第一阶段研制的18kg重量级小卫星将于2015年完成首次在轨飞行，验证成像侦察能力和军事作战概念。

两项目能力对比见表1。

表1 SeeMe与Kestrel Eye项目能力对比

就体系能力和作战概念看，Kestrel Eye与SeeMe极为相似，均采用“小卫星、大星座”发展思路，支持“即指即拍”作战模式，满足战术级应用需求。根据美国陆军SMDC设定的作战概念，Kestrel Eye卫星融入作战的应用流程为：①作战用户利用现有移动或固定地面站终端与Kestrel Eye卫星建立通信链路；②基于类似VMOC的任务规划平台，用户可用鼠标在界面显示出的卫星地面足迹点击选择目标区域；③任务规划平台自动判别用户选定的区域是否超出星座成像范围，如超出则弹出错误报警提示；④作战用户输入成像侦察任务时间并点击“发送至卫星”按钮，任务指令自动上传至Kestrel Eye卫星；⑤卫星接收任务指令，并在设定时间对指定地区侦察成像；⑥图像数据下传至地面信息网络，经处理后分发至作战用户，完成天基成像侦察支持任务，见图5。

图5 Kestrel Eye 星座支持战术应用作战概念图

三、结束语

从ORS-1、SeeMe和Kestrel Eye三个典型案例不难看出，小卫星军事应用的核心是将航天装备能力融入实战应用，直接面向基层作战部队，提供战场态势信息获取和传输支持。小卫星军事应用是闭环过程，其起点和终点均是基层作战部队。作战部队提出天基能力需求申请，开启卫星军事应用流程；作战部队获得战场态势信息，结束卫星军事应用流程。

另一方面，小卫星装备军事作战效能是星地全链路系统能力的综合编成结果。美军在不断提高小卫星技术能力的同时，注重星地全链路系统并进发展，逐步建立了可视化、便捷化、用户友好的卫星指控和任务规划工具平台，并集成到手持或车载移动终端，真正实现了小卫星天基能力的装备化、实战化发展。

[1]张召才.美国深挖小卫星潜力，欲提升军事用天能力[J]卫星应用，2015年(2)：37-44.

[2]Michael Scardera.ALTAlRTM： Millennium’s DARPA SeeMe Satellite Solution Technical (R)evolution,.28th Annual AlAA/USU Conference on Small Satellites, 2014.08.

[3]Mike Hurley.TacSat-4 Military utility in a small communication satellite, lAA-B9-1003, 2013.04.10.

[4]John R. London lll, Army Tactical Nanosatellites, AlAA-RS-2011-1001,2011.03.02.

[5]Travis Taylor.Low-Cost Tactical Space Capabilities, SMD Symposium,2013.08.14.

[6]Joel Hicks.VMOC Automated Mission Planning Now in Operations,ESA 4S, 2012.