小型卫星技术军用现状与趋势

下面是小编为大家整理的小型卫星技术军用现状与趋势,供大家参考。

　小型卫星技术的军用现状与趋势

　2022 年 3 月 4 日，IFRI 发布报告《在轨小型卫星的军事用途》（The Military Use of Small Satellites in Orbit）。报告提出，在过去十年中，在轨小型卫星数量迅速增加，预计未来几年还会继续加速增长。对军方来说，小型卫星的技术能力和经济机会意义重大，但也构成了不可忽视的全新的威胁。报告概述了小型卫星技术的优点、缺点、战略意义，以及目前政府和商业在该领域的做法，并提出了潜在的未来发展趋势。

　一、优点 小型卫星技术的优点由于技术创新和关键部件不断小型化，小型卫星能够在许多不同的任务领域提供高质量的数据和服务，包括遥感、通信、位置、导航和授时、在轨交会对接和迫近操作。虽然单个小型卫星的技术能力通常低于同类的大型复杂卫星，但小型卫星的优势也十分明显，具体包括：

　 1.1 开发时间更短 小型卫星通常专注于一种相对功能简单的有效载荷技术或应用，而大型卫星可能携带许多复杂的传感器或有效载荷。尺寸和复杂性的降低使得更快地开发卫星成为可能。一颗独一无二的大型卫星可能需要数年时间来设计和建造，而

　小型卫星可以在几分之一的时间内开发出来，甚至在某些情况下，只需几天。缩短开发时间意义重大，包括允许在轨卫星快速更新和增加训练机会。

　 1.2 快速更新和技术升级 由于小型卫星可以快速开发，因此有可能在更短的时间内实现在轨系统的更新。传统的大型卫星设计寿命可能长达10 年或更长，而小型卫星则不同，通常只运行 1 至 3 年。技术可以在轨道上测试，其知识和经验可以用于未来的设计。快速更新促进了技术在试验中改进提升。鉴于电子和通信技术的迅速发展，将高端技术应用于空间系统意义重大，特别适用于军事应用。

　 1.3 增加训练机会和流程改进 传统空间系统的开发时间很长，工程师或项目经理在其职业生涯中可能只能参与少数卫星项目从设计到运行，这大大限制了学习和应用经验的机会。小型卫星的短开发周期可使空间技术专业人员多次经历完整的设计、开发和操作周期，应用经验教训并改进流程。

　 1.4 降低成本 小型卫星相对简单，开发时间短，通常会降低成本。传统大型卫星通常需要数亿甚至数十亿美元的开发成本，但小型卫星的建造成本仅需数千万美元甚至更低。例如，重达2500 千克的 MaxarWorldView-4 卫星的建造和发射花了 8.5

　亿美元，Planet 开发的每颗 Dove 卫星重约 5 千克，成本估计不到 100 万美元。成本的降低在商业可行性和减少政府支出方面具有明显的优势。除预算优势外，小卫星的低成本使得大型星座的开发成为可能，从而带来新的能力和应用。

　 1.5 大规模制造 由于小型卫星通常部署于大型星座中，寿命相对较短，需要快速更新，因此使用高效的流水线式流程批量生产有重要意义。2019 年，空中客车和 OneWeb 的合资企业 OneWeb Satellites 开设了一家工厂，将达到每天两颗卫星的制造速度。商业小型卫星的开发与供应形成了正反馈循环，使得小型卫星系统的成本和开发时间进一步降低。

　 2.作战能力 小型卫星的集群与作战能力 2.1 编队飞行和新能力由于成本低、开发时间短，使得开发多颗串联工作的小型卫星成为可能，而编队飞行又创造了新的应用方式。例如，携带不同传感器的多颗卫星可以设计为同时飞越地球的同一地区，从而融合不同类型的数据。其功效可与 A-Train 系列地球观测卫星相媲美，但成本却低得多。

　合成孔径雷达系统(SAR)由于能够在不受光照条件和云层覆盖的情况下收集观测数据而受到军方的特别关注。受益于多颗卫星协同的思路，小卫星与更大、更复杂的卫星可结合使用。例如，“合成孔径雷达反射镜”的运行模式为：一颗

　大型合成孔径雷达卫星被一群小型卫星包围，这些卫星配备有接收器，每个接收器能够探测雷达回波并将它们转发给主卫星。

　 2.2 大型星座和重访率 虽然编队飞行系统通常只包括少数几颗卫星，但是小型卫星亦可用于构建由数百或数千颗卫星组成的更大系统，即巨型星座。其最显著优势是：系统时间分辨率或重访率的提高。在经过地球的一个区域后，卫星通常至少需要几天时间才能再次经过(或再次访问)同一个地点。但随着许多卫星一起工作，这一时间可以大大缩短。Planet 在低地球轨道(LEO)上拥有 150 多颗卫星，每天至少可以收集地球上任何位置的图像五次。SpaceX 的 Starlink 星座（约 42000 颗卫星）将能够提供对地球上任何位置的持续互联网访问。这种无处不在的持续覆盖对于军事应用至关重要，如作战云和武装部队的数字化。

　 2.3 卫星的战术使用 拥有许多卫星和快速重访时间的星座为军事用户在战术上使用卫星创造了新的机遇。军事领导人设想有一天，地面指挥官可以直接请求和接收战场图像，并进行实时决策。美国陆军的聚合项目已在 2020 年 10 月试验了这种能力。在演习中，军方领导人利用商业和政府卫星拍摄战场图像，使用通信卫星（包括商业星座）快速传输目标信息，并融合人

　工智能的新能力，陆军最终将传感器到射手的时间从 20 分钟缩短到 20 秒。

　 2.4 大型星座的韧性 大型卫星群提供了军方特别感兴趣的另一个好处：韧性。美国参谋长联席会议前副主席 Hyten 将军曾将大型精致的军事卫星称为对手的“大而有趣的目标”。相比之下，大量小型卫星使对手的目标选择变得复杂。因为即使失去一颗卫星，星座仍将继续运行。通过这种方式，大型小卫星星座可以通过拒绝提供威慑——如果对手的攻击无法降低星座的能力，那么对手可能选择不会实施攻击。除现有空间设施之外部署的低地球轨道系统也有助于提供冗余能力，从而进一步提高韧性，因为即使在主系统受到攻击的情况下，功能也可以保留。值得注意的是，尽管大型星座提供了针对动能反卫星武器(直接瞄准卫星的导弹)的韧性，但星座仍然容易受到其他类型的攻击。例如，空间核爆炸会产生电磁脉冲和残余辐射，可无差别地摧毁大量卫星；此外，网络攻击可以瘫痪整个星座。

　 2.5 作战反应空间 由于开发时间短，有可能迅速补充轨道上的小卫星。在发生冲突的情况下，可用来增加能力，增加新技术或减少重访次数。还可以用来重建一个已经被敌人攻击的星座，再次增加韧性和通过拒绝来提供威慑。利用小型卫星的低成本，

　储存一些小型卫星也是可行的，这将进一步提高卫星星座重组或演进的速度。

　 3.挑战 3.1 卫星跟踪、飞行安全和空间交通管理。小型卫星的尺寸带来了许多优势，也带来了挑战。其中之一是难以探测和跟踪轨道上的小卫星。探测和跟踪卫星的能力对空间领域至关重要。跟踪信息用于预测物体在空间的未来位置，提供潜在的在轨碰撞警告。小型卫星的探测大大增加了跟踪工作的难度，进而增加轨道碰撞的风险，并可能导致空间资产和污染空间的碎片的丢失。虽然已有技术解决方案，如增加反射率或增加微型 RF 发射器，但是当前没有规范约束这些技术的使用，亦未被广泛推广。目前还没有国际公认的处理这些碰撞风险的程序——没有国际空间交通管理系统。每一种情况都是由相关卫星运营商酌情临时处理。随着轨道上小型卫星数量的增加，这种临时系统很可能无法确保飞行安全。许多小卫星星座的寿命短、更新快，这也意味着在轨道上会有更多的碎片（包括发射失败的卫星、到达寿命但尚未脱轨的卫星）。目前的国际准则要求卫星在 25 年内脱离轨道，然而包含上千颗卫星的星座每隔几年就要更新一次，使得原有的 25 年要求不再够用。

　 3.2 可探测性、攻击能力和威胁。在空间武器领域，小型卫星的探测难度也创造了更多的机会和威胁。

　小型卫星可用于交会对接和迫近操作，使其能接近敌人的航天器进行侦察。可用作反卫星武器，破坏或摧毁对手的卫星。探测小卫星的困难意味着它们有可能在不被探测到的情况下执行任务。即使被探测到，也难以辨认其是否出于特定军事目的。军方领导人一方面将小型卫星技术的应用视为一个机会，但若被对手利用，则是一个明显的威胁。

　3.3 商业能力。商用小型卫星系统的发展给军事用户带来了机遇和挑战。最明显的好处是，军事用户能够将商业系统直接用于军事目的，即利用现有能力，而无需开发新系统，可节省大量成本。然而，缺点是：①商业系统很难像军事系统那样抵御网络攻击等形式的攻击，抗毁能力差，从而带来极大风险。②军方使用商业系统也可能造成威慑的不确定性。因为与军事系统相比，尚不清楚对手是更愿意还是更不愿意攻击商业系统。

　 4.现状与展望 4.1 商业发展 （1）商业遥感一些国家成立了基于小型卫星的商业遥感公司，并提供广泛的服务。

　Planet 公司已经建造并成功发射了 450 多颗卫星，并在轨道上维持着由 150 颗卫星组成的星座，其中最小的只有鞋盒大小。可提供快速重访率和多种空间分辨率。虽然该公司目前只有17颗卫星在轨道上运行，但计划到2025年拥有300

　颗卫星，每颗卫星大约有一个微波炉那么大。该公司将启用一个荷兰制造工厂，该工厂每年能够生产 100 颗卫星。

　Spire 运营着一个由 110 颗卫星组成的星座，这些卫星携带无线电掩蔽、自动识别系统和自动相关监视传感器，可监测天气、海上交通和航空活动。

　（2）通信卫星的运营已经有几十年历史了。然而，最近的趋势是：利用小型卫星技术开发由数百或数千颗低地球轨道卫星组成的巨型星座。与过去的系统相比，可提供低延迟和一致的全球覆盖。且大都专注于为地球上陆地网络服务不佳的地区(如农村或偏远地区)提供互联网连接。据预计，“物联网”的不断增长，使得通信需求持续增加。基于空间的星座可以提供持续的覆盖，允许互联网的设备从任何地方接入。这种能力将 5G 连接扩展到空中、海上和蜂窝网络未覆盖的其他偏远地区。

　4.2 军事发展 美国、俄罗斯和中国的军事组织都投资了小型卫星技术。美国陆军多年来一直在试验小型卫星。根据 Kestral Eye计划，2017 和 2018 年发射了两颗小型卫星，旨在以与战术用户相关的方式提供图像。三颗面包大小的 Gunsmoke 卫星在 2021 年开展了进一步测试。在 2020 年举行的第一次聚合项目中，陆军展示了在战场上使用成像和通信卫星，该方案中同时使用了军用系统和商业星座。

　美国国防高级研究计划局(DARPA)的黑杰克计划旨在促进低地球轨道小型卫星能力的发展，用于支撑国家安全。该计划向众多承包商开放并提供资金，实现通信、目标定位、导弹预警和导航等功能。2021 年 6 月，该计划部署了两颗小型卫星来演示先进的激光通信，每颗卫星开发用时不到 9 个月。

　成立于 2019 年的美国太空开发署（SDA）提出，将小型卫星作为其国防太空架构的一部分。这个庞大的项目包括七层系统，为国家安全用户提供多层次的能力。初步开发合同已经签发，预计将于 2024 年开始发射。

　跟踪层将能够监视世界各地的目标，包括弹道导弹和高超音速导弹的发射。

　传输层将由多达 500 颗小型通信卫星组成，使用光通信从跟踪层接收信息，并安全地将其传输到军事指挥中心 4.3 未来展望 小型卫星革命正在如火如荼的进行中，虽然目前主要由商业单位牵引，但军方必须想方设法利用这种趋势：既要利用商业产品，也要研究如何用于军方任务。小型卫星有助于军方节省成本以及最新技术的应用；快速的重访率将实现对目标区域几乎不间断的监视，进一步提高战场透明度，获取战术相关的卫星图像；由小型通信卫星组成的大型星座将为军事力量的数字化提供骨干传输能力。虽然这些好处显而易

　见，但军方领导人应该意识到小型卫星技术正在使空间跟踪和空间交通管理问题复杂化。如果不通过法规和国际规范及协议进行适当约束和管理，这些发展将对空间可持续性构成进一步威胁。总体来说，小型卫星代表的是一种新机会，只有在深思熟虑之上积极主动地利用，才能将战略利益最大化。

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