美军小卫星“三化”前沿技术发展探析

齐心 周思卓 林屹立（北京空间科技信息研究所）

质量小于1000kg的卫星从广义上被称为小卫星。小卫星具有设计简单、研制周期短、投资与运行成本低、易于发射、灵活性强、抗毁能力强等一系列优势，特别是单一任务的专用卫星、卫星组网或卫星星座，投资小、见效快，战术应用多变。美国是最早开始启动小卫星研发的国家之一，近年来开展了一系列小卫星技术验证和应用探索研究，在逐步推动美国军事航天体系变革的同时，也推动着小卫星通用化、系列化、模块化（“三化”）设计理念、研究方法、实施机制等方面的快速发展和不断创新。

1 美军小卫星发展现状

美国国防部（DoD）2007年正式实施“快速响应空间”（ORS）小卫星计划，成立ORS办公室，主要围绕小卫星低成本、高灵活性、组网协同和快速响应能力建设，实现在全球范围内快速有效地与敌方交战，通过空间信息系统向战区指挥官提供实时的战场态势感知能力，并将空间能力集成于各种武器装备上，以支持联合作战。ORS小卫星计划是美国军事转型十分重要的指导思想，是其未来军事航天的发展方向。多年来美国相继研制了战术卫星－1～6（TacSat－1～6）和业务运行卫星ORS－1～5等快速响应卫星。同时，美国国防部高级研究计划局（DARPA）及军方其他项目中均有与ORS发展主旨一致的研究项目，包括快速响应运载器、快速响应航天器，以及美国国家侦察局（NRO）研制的立方体卫星、美国康奈尔大学（Cornell University）研制的“精灵”卫星等。

美国ORS发展历程

美国是推动小卫星实战化应用的主力军，针对面向技术基础的TacSat卫星系列和面向作战实用的ORS卫星系列任务，美军提出了基于预算的小卫星设计思想。由于TacSat－1要在较短的研制周期和有限的经费投入条件下完成预定目标，因此计划管理者和研制者大量采用现货产品，同时采用创新的研制流程和设计、测试手段，通过TacSat计划研究ORS技术。ORS－1卫星是美国作战及时响应和支持作战指挥操作的第一颗卫星，它致力于使用小卫星和运载火箭为战场指挥官提供创新的传感器技术，缩短发射时间间隔，ORS－1卫星的重要优势在于它的快速发射，从授权建造到发射不超过24个月。

ORS计划的快速响应思想、应用理念和关键技术也呈现出明显的牵引、辐射和带动效果。美国军方围绕战术应用、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。美国陆军于2008年启动“纳眼”（NanoEye）、“小型灵巧战术航天器”（SATS）和“隼眼”（KestrelEye）项目，研究超低轨道亚米级高分辨率成像技术和指定目标跟踪的视频成像技术，发展低轨道、低成本、近实时连续侦察监视能力；DARPA在 2012 年启动“提高军事作战效能的空间系统”（SeeMe）项目，发展利用低成本小卫星星座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的能力。据统计，截至2019年，美军现役军用卫星中小卫星占比约9%，美国现役商业卫星中小卫星占比约48%，美军通过租用商业卫星来满足多达80%的军用卫星通信需求，虽然目前军用小卫星尚不足以使大卫星为主导的美国军用卫星架构出现重大转向，但近年来美军并未忽视小卫星的技术验证和应用探索研究，美国DARPA已启动“黑杰克”（BlackJack）项目，研究利用低轨小卫星星座替代军用卫星执行监视与通信等任务的可能性。

2 美军小卫星“三化”前沿技术分析

美军针对天基支持联合作战、作战快速响应等需求，近年来开发了面向多领域小卫星研制的有效载荷通用集成、面向快速响应卫星研制的模块化设计、发射装置通用化等一系列小卫星领域“三化”前沿技术，虽然小卫星“三化”在美军事航天中的应用尚处于探索和验证阶段，但其总体发展策略和“三化”设计创新理念值得借鉴。

小卫星“模块化开放体系架构”设计策略

“模块化开放体系架构”（MOSA）不是航天领域的专属概念，而是由美国国防部提出并不断推广使用的一种系统工程实施方法，对所有武器装备系统的采办和研制管理具有普遍指导意义。在系统设计中，模块化设计是MOSA策略实现的关键，也是实现系统重构的基础，始于系统研制初期，并始终作为系统不断发展扩充的手段。模块化的设计方法可使系统更容易开发、维持、修改和升级。此外，对单个模块而言，其升级或修改对其他系统模块的影响也较小。国防部采办文件明确规定，要把模块化设计要求明确写入装备研制合同中。其模块化设计具有3个鲜明特点：

1）依据功能将系统分解为若干个规模适当的可重复使用的模块，每个模块担负一种功能，而每个模块内部又包含一些彼此独立的功能要素；

2）要求对模块的功能目标进行明晰描述，并以此准确定义模块接口；

3）易于进行设计更改，从而有利于随时吸纳新技术，有利于采用业界通用的关键接口标准，有效实现系统互操作性。

功能模块划分是模块化设计的基础和前提。美军快速响应卫星功能模块的划分流程包括：

1）收集具有不同任务要求或不同有效载荷要求的用户需求；

2）确定功能，即将用户需求转换成相应的任务模块和总功能要求；

3）对任务模块和总功能要求进行层次分解，将其分解成一系列可实现的功能单元，形成功能要求的层次结构即功能树。

根据模块化设计思想，可以加强平台功能模块的定型设计和载荷模块的通用化设计，形成多系列产品型谱和规范。在此基础上发展预先加工技术，进行批量化流水线生产，快速组装模块，最终实现货架式贮存。接到战场请求后，可以进行单星多模块组合或多星多模块组合一箭发射。模块化设计便于系统重构、扩张、修改和维护，可大幅度地提高可用性，保证ORS卫星可随时处于待命作战状态，快速响应作战需求。

在硬件开发领域，ORS卫星基于模块化设计方法，形成了模块化卫星平台和有效载荷产品清单，并使用即插即用（Plug-and-Play）标准接口，可实现按需组装，即根据任务的不同灵活选取不同功能模块进行快速组装，迅速响应作战用户需求，提升作战效率和速度。满足空间快速响应的有效载荷不是在既有技术体制上单纯的成熟化设计，必须为满足战场应急条件快速反应建立新的载荷机制。快响卫星作为“快速响应空间”技术的关键元素，必须要解决小卫星平台及有效载荷的模块化、标准化设计问题。

在软件开发领域，ORS软件的设计思想也与传统开发方式不同，从为特定的任务设计专门的软件，转变为根据不同的功能设计不同的软件模块，并形成具备不同功能的软件单元模块库，使基础软件（如操作系统）与应用软件相对隔离、系统设计者与子系统设计者隔离，保证可以在多个不同的任务中使用通用的软件模块库，实现软件的模块化设计。同时，ORS软件模块化设计取消了传统的交叉调用模式，在通用软件架构基础上调用功能模块，降低了ORS在执行不同任务时的软件复杂性，也避免了在增加新的软件功能时频繁改动其他软件模块。目前，美国空军研究实验室（AFRL）已构建了完成低轨成像卫星功能所必需的全部软件应用程序库，ORS卫星可以根据任务和载荷需要选择软件模块。

基于通用化集成化的卫星组网协同

小卫星应用的特点是分布式的，主要包括星座和编队飞行，卫星星座是小卫星系列化的表现形式。相比于大而复杂的传统卫星，共同完成某项任务的卫星群或卫星星座具有更高的性价比。小卫星通过“功能分解、结构分离、无线连接、编队飞行”的形式进行组网协同，从而显著增强系统的灵活性和可靠性，降低了全寿命周期费用和风险，以多颗较低成本和较低可靠性的卫星实现复杂多变的军事任务，在全球定位和导航、全球通信和信息传输、全球侦察以及空间科学等方面上具有广阔的应用前景。

典型小卫星星座如美军近期正在开展的BlackJack演示验证项目，DARPA希望工业部门帮助研发一种小型的军用通信与监视卫星，并对其进行演示验证。DARPA希望利用商业领域的进步，演示验证其军事应用价值，强调通用化平台、低成本可互换有效载荷，能够短周期研制，更快速地技术更新。其目标是在总成本不高于一颗单独的大型军用卫星的预算下，演示验证能够提供全球持续覆盖的低地球轨道（LEO）卫星分布式星座，这对小卫星的通用化模块化设计提出了较高的要求。由此，BlackJack项目招标书中创新性地提出了有效载荷的通用集成模式，有效载荷的设计将与现有的方式相反，即在初始设计时不考虑特定的卫星平台，而是基于现有的、能够承载各类军用有效载荷的通用化卫星平台，有效载荷可作为模块安装并适应多种尺寸多种类别的通用平台，尽量简化有效载荷对机械、电子和网络接口的设计要求，同时通过功能的模块化划分使平台能够更高效地承载多个载荷。

在有效载荷通用集成模式基础上，DARPA期望在BlackJack星座中使用一个通用卫星平台搭载多种军用有效载荷的模式，在设计过程中尽可能考虑后续支持任何BlackJack的商业卫星平台和有效载荷配对的可能性，最大限度地实现通用化。在卫星平台模块化方面，目前美军应用较多的是诺格公司（Northrop Grumman）设计建造的模块化航天飞行器平台（MSV），该平台基于MOSA原则设计建造，采用开放式标准，具有模块化、可升级、快速配置和多用途特征。MSV是基于开放式标准、面向多种任务设计的平台，不同于传统的“标准化”平台，MSV无需为不同的任务做大量的修改、订制工作，大幅节省了实现不同任务时“裁剪”卫星平台的成本。另外，DARPA要求其卫星平台尽可能与商业平台保持一致，且不允许对商业现货（COTS）的卫星平台进行重大更改，禁止在价格高昂的航天器基础上进行改进等。

与小卫星组网协同类似的是美国近年来提出并发展的分离模块航天器。分离模块航天器设想将传统整体式航天器按功能合理地分解为多个分离异构的功能模块，这些模块在空间采用编队飞行和无线连接方式构成一个虚拟的大型航天器或航天器系统，从而显著增强系统的灵活性和抗风险能力，降低了全生命周期的费用和风险。分离模块航天器概念不是片面的强调新技术，而是强调面向多种应用的新系统重构和集成。

小卫星自主运行能力建设

部署卫星星座能增加覆盖区域和缩短重访时间，通过不同的编队飞行可构成新的功能卫星，获得小卫星星座和单颗卫星不能获得的观测效果，具有较高的军事价值，也对小卫星星座的自主运行能力提出了更高的要求。另一方面，人工智能技术的发展与应用，使得卫星具有故障诊断、失控状况判断，以及调用相应对策的能力，可以自主完成不同模式之间的切换与衔接。开放式、模块化的星上通用处理平台架构的开发，使得小卫星具有更高的“智能”。卫星自治可以减少对地面资源的依赖，节省能源消耗，是美军未来航天领域将重点发展的前沿技术。

BlackJack卫星概念框图

为降低平台和有效载荷集成风险，DAPRA计划在BlackJack项目中开发一个全新的星上电子设备单元“赌台官”（Pit Boss）。Pit Boss是一个自主的协同任务管理系统，是BlackJack实现天基自主运行的核心模块，其目的是把海量处理能力搬到太空，从而能够在短时间内把关键数据交到军事用户手中。Pit Boss是BlackJack为实现多有效载荷集成管理和承担复杂接口管理而单独开发的新模块，它可以使各有效载荷功能模块最大限度的保持通用性和互换性，同时使各功能模块间保持结构的独立性，该系统为每个载荷提供与平台的电连接接口和网络接口，提供数据包路由，并作为星座组网以及与其他星座连接的信息节点。

Pit Boss同时提供网络防护和数据加密，以及有效载荷管理、功率控制、任务安排和调度、整星资源管理、星座管理和时钟信号等功能。Pit Boss能够从每个单独的BlackJack传感器中获取数据，将其融合并将其提供给需要的用户，而不需要来自卫星操作员的命令。作为星座组网以及与其他星座连接的信息节点，Pit Boss将每个BlackJack卫星的大脑连接起来，使其成为一个高度智能的网络系统。

目前，德国正在开展的一项名为“网络卫星”（NetSat）的项目也在开展相似的研究。在该项目中，研究人员让一组小型自主卫星编队飞行，彼此直接通信并组织和协调任务，通过增加卫星的星上控制能力，减少远程持续监控和干预，使卫星无需地面监管，独立工作，完成更复杂的任务，同时利用自主小卫星编队，覆盖范围更大，也将显著降低生产和运营成本。

快速总装、测试与试验流程优化

美军快速总装、测试与试验（AIT）技术已发展多年且颇具成效，已逐渐由试验验证向实际应用转变，其具有代表性的是针对ORS计划的快速AIT，包括“轨道通信卫星”（Orbcomm）、“全球星”（Globalstar）和“铱星”（Iridium）等。美国一直非常重视快速进入太空的能力建设，为寻求快速AIT的最优方案，调研并参考了多个国家航天器的研制经验，进行了一系列快速AIT演示试验，并最终总结出适用于ORS系统的AIT流程。ORS卫星快速AIT流程包括4个主要组成部分：第一步，根据用户需求和可用组件进行卫星设计；第二步，组装、集成和测试卫星平台及有效载荷；第三步，卫星平台与有效载荷集成；第四步，卫星系统地面测试。

为适应Orbcomm卫星系统的36颗卫星密集测试和发射任务，美国采用了8颗卫星并行测试方法，并用基本功能测试替代性能测试。另外，随着后续卫星的设计趋于成熟和可靠，在AIT中删减了一些测试，如只在前4颗后继卫星中进行热真空试验等。其他缩短流程的措施包括改变传统的测试标准、严格AIT纪律等。

为达到Globalstar卫星系统每周一颗卫星的发射速度，美国抛弃了传统的AIT测试方法。首发卫星作为模型卫星进行完整的质量评定测试，而后继卫星只进行简化的验收测试。后继卫星的热真空试验和热平衡试验均缩略成一个热循环，振动试验减少为只做一个随机振动。最终，AIT流程缩短至1周，一年半内完成了64颗卫星的发射工作。

Iridium卫星系统通过采用标准化的设计工具、自动化开发环境和自动化测试方法，以及简化发射场测试等手段，将AIT过程缩短至22天，一年之内完成了66颗卫星和12颗备份卫星的发射。

发射装置通用化模块化与新型运载技术研发

虽然小卫星的发展及应用前景广阔，但发射费用昂贵，在一定程度上制约了小卫星的发展。随着近年来小卫星数量激增，与之匹配的发射问题日益凸显。利用传统的发射场进行发射，受发射条件制约，发射机会少，发射周期长，发射成本高，且传统卫星发射场存在不同型号、工位之间的设备不兼容、不同发射场装备系统设计方案差异性大、设备自动化程度较低等一系列标准化问题，因此低成本小型运载工具的发展将成为限制微小卫星军用化应用的关键问题之一。在考虑“一箭多星”发射的同时，利用通用化模块化的手段进行组装、改造和复用，开发新型低成本运载技术和运载模式，将是未来小卫星发射的主要方式。

美军在2015年成功把退役的喷气式飞机改装成小卫星发射器并进行了发射任务，初步探索了小卫星的新型运载模式；DARPA计划在2021年或2022年使用两架改装的轨道飞机发射20颗BlackJack试验验证卫星，每架轨道飞机由10颗卫星组成，用以演示Pit Boss的概念。这些发射方式，总的目标均为降低小卫星的发射费用。太空探索技术公司(SpaceX)推出了复用型猎鹰－9（Falcon－9）火箭，以重复使用来大幅降低发射成本，从而为小卫星发射提供助力。同时，猎鹰－9火箭拥有超过20t的LEO运载能力，可实现组网式小卫星的批量化发射。未来将会有更多的中型火箭具备可重复使用的能力，批量发射将会是一种有益选择。

3 结论

美军小卫星经过多年的发展，已经基本形成了一套完善可靠的需求分析、设计研制、测试试验、演示验证等机制，标准化、模块化、开放式架构成为美军小卫星未来发展及军事化应用的基础。同时，小卫星研制更加强调低成本、短周期，以及高效灵活和快速技术更新，注重商用现货部件选用、研制和测试流程优化、发射模式创新等，以降低技术难度、寿命要求和进入门槛。在此基础上，通过提高小卫星的智能化水平和自主运行能力，实现卫星的自主高效运行，是美国未来小卫星实现大规模军事应用的重点。