美国军事通信微纳卫星发展现状

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美国军事通信微纳卫星发展现状

远望智库技术预警中心 慕枫

近年来随着技术的不断发展，微纳卫星（湿质量小于100kg的卫星统称）开始走出实验室，迈入实用化阶段，应用领域也在不断扩展。据纳卫星系统工程师Erik Kulu建立的纳卫星数据库，截至2018年8月，共发射了2000多颗这类卫星。尽管目前全球微纳卫星市场份额的大部分是民用和商用，但其军事领域的应用也备受关注。尤其是在军事通信微纳卫星方面，美国处于领先地位。

美军目前拥有以宽带、窄带、抗干扰系统为主的军事卫星通信体系，可支持不同级别的作战任务。但是，美军认为GEO大型通信卫星主要提供非常有效的战略和战役级支持，对于战术级支持不够。尤其是现代战术级陆战越来越依赖于网络化通信，以实现部队的指挥控制以及情报数据的分发。为此，美军从国防部到各军种都有相应的微纳卫星计划，以满足需求。

1. 国防高级研究计划局

国防高级研究计划局（DARPA）一直在进行众多微卫星技术的研究，以降低卫星重量和提高可靠性与性能。DARPA在其微卫星演示科学技术实验计划（MiDSTEP）下，正在开发先进技术和能力，以演示一组可集成到高性能微卫星中的轻量技术。MiDSTEP的项目之一是微卫星技术实验（MiTEX），包含2颗微卫星，2006年入轨之后，进行了自主操作和机动、位置保持实验。关于MiTEX的具体能力，根据DARPA相关预算文件等有限信息，可知MiTEX技术演示项目主要是研究和演示各种潜在备选中的先进高回报技术，包括轻量电源和推进系统、航电设备、结构、商用现货部件、先进通信、在轨软件环境。也有推测认为，该项目是用来演示反卫作战能力。

DARPA的另一个创新的微卫星计划是F6（未来、快速、灵活、分块、自由飞行的航天器）系统。F6系统的核心思想是将全功能型大卫星分成若干特殊任务小平台群，这些小平台群通过无线方式交换数据，它们合起来提供了等同于单个大型卫星的功能。这种“即插即用”型网络可以通过向卫星群中简单增加新的卫星就可更新或改变其任务。2013年，DARPA取消了F6系统项目。

2. 作战响应空间办公室

战术卫星（TacSat）计划是作战响应空间（ORS）办公室的重点任务之一。TacSat计划最初源自于五角大楼部队转型办公室，以开发ORS能力。TacSat计划的参与方包括海军研究实验室、空军研究实验室、陆军太空与导弹防御司令部、空军航天司令部以及ORS办公室。TacSat计划包括8颗星，其中：TacSat-2是成像和射频卫星，提供战术通用数据链（CDL）和UHF链路；TacSat-3是成像卫星，但星上海洋数据遥测微卫星链路（ODTML）载荷用来收集海基浮标数据并将其发送到地面站；TacSat-4和TacSat-6是通信卫星，且目前在轨。TacSat-4星提供10个UHF信道，可用于通信、数据收集和传输、蓝军跟踪，为现有电台提供了无需天线指向的动中通能力。TacSat-4运行在低高度的大椭圆轨道（6轨道/天），可长时间驻留在战区上空，增强了现有GEO军事通信卫星。

3. 陆军太空与导弹防御司令部

军事通信微纳卫星方面，陆军太空与导弹防御司令部（SMDC）一直处于纳卫星开发的最前沿，陆军对军事通信微纳卫星的观点是越小越好。SMDC研发的重点是战术纳卫星，以作为战场超视距通信节点，用于地面旅和旅以下作战单位的通信。

陆军认为在许多远程作战区域，从战场到如旅级司令部的超视距通信几乎无法得到支持。为此，启动了一项研制通信纳卫星的计划即“太空与导弹防御司令部：纳卫星作战效果”（SMDC-ONE）。SMDC-ONE纳卫星计划的总目的如下：大量部署的纳卫星能够提供高纬度地区甚至全球的增强能力。由于成本低，可经常更新卫星，从而允许快速技术更新，降低单元可靠性要求，能进行大规模生产。纳卫星星座对于战术地面行动、人道主义援助、维稳行动非常有用。可以提供特定区域覆盖或全球覆盖。卫星能与地面站通信，并保持在轨30天。陆军订购8颗SMDC-ONE纳卫星，目前有4颗在轨，即SMDC-ONE-1.1、SMDC-ONE-1.2、SMDC-ONE-2.3、SMDC-ONE-2.4。其中，首颗SMDC-ONE卫星的主要应用有两个，即收集无人地面传感器（部署在远程，用于跟踪敌军机动情况）数据（图1）和动中通信（图2）。

图1  SMDC-ONE主任务

图2  SMDC-ONE次要任务

SNaP（SMDC纳卫星计划）作为SMDC-ONE计划的继续，是联合技术能力演示，重点是超视距话音和数据通信以及改进对高价值信息的访问。SNaP卫星是实验性3U立方星，任务是开发软件无线电，用来为远程处于不利条件下的用户提供超视距通信。其速率是SMDC-ONE卫星的5倍。目前有4颗SNAP星在轨：SNaP、SNaP-3 ALICE、SNaP-3 EDDIE、SNaP-3 JIMI。

此外，陆军正在开发陆军弹性全球动中通（ARGOS）小卫星，将演示为旅级战斗队、远征部队等提供低成本、可生存、快速响应以及健壮的通信。

4. 海军太空系统计划执行办公室

综合通信扩展能力（ICE-Cap）卫星是由海军太空系统计划执行办公室开发的微纳卫星，得到了海军太空与海战司令部（SPAWAR）太平洋系统中心的支持。ICE-Cap主要作为一种卫星通信系统增强，与MUOS UHF卫星通信系统一起工作，为MUOS覆盖区之外的作战人员提供通信与数据中继能力。ICE-Cap卫星的主要关注区域是北极地区，近年来北极地区战略重要性更为凸显，但MUOS无法覆盖该地区。

ICE-Cap的主要目标有三个：

• 利用LEO立方星和GEO MUOS，演示LEO-GEO-地球交叉链路，以即时中继信息到地面数据网络。ICE-Cap将利用MUOS WCDMA交叉链路能力，实现按需TT&C和有效载荷数据取回，以减小通信不足。另外，通过经由MUOS的通信，能消除国防部微纳卫星的专用地面站需求，参见图3。

图3  LEO-GEO-地球交叉链路

• 经由立方星，演示利用UHF卫星通信进行北极地区数据中继。ICE-Cap系统将为MUOS覆盖区（南北纬65度之间）外机动用户提供通信和数据中继支持，参见图4。

图4  传统的UHF中继

• 推进电台、天线以及其他快速响应UHF卫星通信技术的不断成熟和小型化。
  

小结

分析认为，目前美军军事通信微纳卫星整体上仍处于对关键技术、作战概念等演示验证阶段，但也有少量卫星在试验之后投入了实用。具体而言，有以下特点：

卫星能力上，未来将会增加星上GPS能力；采用更高的通信频段（Ka、光），以提高数据传输能力；增强软件无线电，实现更大的收发机频率灵活性等。

运行方式上，主要有星座和蜂群（swarm）两种形式。星座较为简单，是为完成某一特定空间任务而协同工作的多颗微纳卫星的集合，主要通过星座中的多星协同增加对地面的覆盖面积或者缩短重访时间。“蜂群”是类似于DARPA F6系统，把单个传统卫星的功能分配在多个卫星模块上，通过多颗模块卫星协同工作。“蜂群”方式是未来的主要发展方向，但需要开发开放接口标准，会带来信息安全问题。

卫星组网上，未来将会出现由不同功能微纳卫星组成的复合型星座，例如2018年6月美军提出了能提供直到士兵和班级的态势感知与任务指挥一体化能力的综合微卫星星座。

作战运用上，一是以较低成本，快速形成星座，以经济可承受方式对多个关注区域提供持久覆盖，实现区域增强。主要是解决“服务不好”的问题，为茂密丛林或崎岖地带等环境下的作战提供动中通信支持。二是为现有大型GEO通信卫星覆盖范围之外的人员提供通信支持，与其形成互补，消除通信缺口。

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