浅析小卫星的军事运用.docx

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1、浅析小卫星的军事运用当前，小卫星在许多领域中都有广泛应用。相比于其他类型的卫星，小卫星的开发周期更短，成本也更低，在经济方面具有更大的优势。小卫星应用系统往往由几百或几千颗卫星构成的星座组成，这将会带来很多优势，如时间分辨率、重访率的提升以及编队飞行能力。军事用户可将商业卫星系统用于军事目的，即利用现有能力而无需再开发新系统。军方必须寻求能更加充分利用这种趋势的方法，包括使用商业服务和审视具体军事应用的机遇。各国军方领导层也希望地面指挥官能够请求获取并接收战场图像，以便进行实时决策。2020年10月，美国陆军的“会聚工程”项目就对此能力进行了试验。本文将概述小卫星技术的优点、缺点和战略意义，讨

2、论目前在这一领域的政府和商业工作，并说明潜在未来发展方向。1、小卫星的优势在过去十年中，在轨小卫星数量迅速增长，预计这一增长在未来几年将会更快。2011年，发射到地球轨道上重量低于600千克的卫星不到100颗。而2020年，此类卫星超过了 1200颗，其中绝大多数为商业实体所有。已经发放的许可证表明，还有数千颗卫星将要发射。这些趋势对全世界的军事用户有重要影响。虽说小卫星提供了独特的能力和经济机遇，但它同时也带来了新的威胁。由于技术创新和关键部件不断小型化，小卫星现在能在许多不同任务领域提供高质量数据和服务，包括遥感、通信、定位、导航和授时以及在轨交会和接近操作。执行这些任务的卫星已经由各类政

3、府和商业实体开发，多项进一步的开发也正在进行中。虽然单个小卫星的技术能力通常不如大型复杂卫星，但其小卫星属性也会带来一些优势。（1）更短的开发时间小卫星通常专注于一种范围相对较窄的有效载荷技术或应用，无需像大型卫星那样携带许多复杂的传感器或有效载荷。小卫星尺寸和复杂性的降低大大加快了开发速度。一颗大型卫星可能需要数年时间设计和建造，而小卫星可以在较短时间内开发出来一一某些情况下，只需几天。小卫星开发时间短有重要意义，例如支持在轨卫星快速更新，以及增加训练机会。（2）快速更新和技术升级由于小卫星可以快速开发，因此也就可以在更短时间内更换在轨资产。传统大型卫星设计寿命可能长达10年或更长，而小卫星

4、通常只运行13年。一些技术可以在轨道上测试，相应知识和经验也可以纳入后续设计。快速更新也便于吸收更广泛的技术改进成果。鉴于电子和空间技术的快速发展，使用最尖端技术的能力（而不是十年前或更老的技术）非常重要。这对于军事应用尤其重要。(3)低成本和大规模制造小卫星相对简单，开发时间也较短，这样就会降低成本。传统大型卫星的开发通常需要耗费数亿甚至数十亿美元，而小卫星的建造成本只有数千万美元甚至更低。例如，Maxar公司重达2.5吨的WorldView-4卫星建造和发射费用高达8.5亿美元，而Planet公司开发的重约5千克的Dove卫星预计所需费用不会超过100万美元。小卫星的较低成本有助于实现大型

5、星座的开发，从而可产生新的能力和应用。同时，由于小卫星通常以大型星座形式部署，且寿命相对较短，需要快速更新，因此通常使用高效流水线方式进行大规模生产，这一趋势进一步降低了小卫星系统成本，缩短了其开发时间。(4)编队飞行和新能力由于成本低，开发时间短，可以开发多颗小卫星协同工作。这给编队飞行带来了新的机遇。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同一地区，这便于融合不同类型的数据。由于能够在不受光照条件和云层覆盖影响的情况下收集观测数据，合成孔径雷达系统(SAR)受到了军方的特别关注，它也可以从多颗卫星协同工作中受益。有些人预测，小卫星将与更大、更复杂的卫星结合使用。例如,SAR反射

6、镜设计设想让一颗大型SAR卫星与围绕其周围的小卫星集群合作。这些小卫星配备有接收机，每个接收机都能够探测雷达回波并将它们转发给主卫星。(5)大星座和重访率编队飞行系统通常只包括少数几颗卫星。许多小卫星应用也设想可以由数百或数千颗卫星组成更大的系统。这些系统通常称为巨型星座，有许多优势。其中最重要的是系统时间分辨率或重访率的提高。在经过地球上某区域后，一颗卫星通常至少需要几天时间才能再次经过(或“重访)同一个地点。但是，如果许多卫星一起工作，这一时间可大大缩短。Planet公司在低地球轨道(LEO)上拥有150多颗卫星，每天可至少5次采集地球上任何位置的图像。SpaceX公司4.2万颗卫星组成的

7、星链(Starlink)”星座在建造完成后，将能够向地球上任何位置提供持续互联网访问。这种无处不在的持续覆盖对于军事应用至关重要，如作战云和部队数字化。(6)卫星的战术使用拥有许多卫星和可实现快速重访时间的星座为军事用户在战术层面使用卫星创造了新机会。军事领导人现在可以展望地面指挥官请求和接收战场图像，并用于实时决策。美国陆军的“会聚工程项目在2020年10月就对这种能力进行了测试。测试中，美军领导层利用商业和政府卫星拍摄战场图像，并使用通信卫星(包括商业星座)来快速传输瞄准信息。通过结合数据融合和人工智能等新能力，美国陆军可将传感器到射手的时间从20分钟缩短到20秒。(7)大型星座与韧性大型

8、卫星星座给军事用户带来的另一个好处是韧性。美国参谋长联席会议前副主席Hyten曾将大型军事卫星称为对手的“巨大而诱人的目标”。相比之下，由小卫星构成的大型星座将使对手瞄准更加复杂。即使失去某颗卫星，星座仍能继续运行。通过这种方式，小卫星组成的大型星座可以提供拒止式威慑一一如果攻击没有真正意义上使能力降级，那么对手可能根本不会选择攻击。除现有资产之外，各种部署的低地球轨道(LEO)系统也可提供冗余，从而进一步提高韧性，即使是在主系统受到攻击的情况下，系统功能也可以保留。值得注意的是，尽管这提供了应对动能反卫星武器(直接瞄准卫星的导弹)的韧性，但星座仍易遭受其他类型的攻击。例如，空间核爆会产生电磁

9、脉冲和残余辐射，将会无差别摧毁大量卫星，包括小卫星。类似地，网络攻击也可能以整个星座为目标。(8)快速空间响应能力由于小卫星开发时间非常短，在轨小卫星可以被快速替换。在发生冲突的情况下，可以通过增加新技术或减少重访时间来提升能力。同时，这也可用于重建一个已经被敌人攻击的星座，从而再次增强韧性并提供拒止式威慑。由于小卫星成本较低，储存一定量的小卫星也是可行的，这将进一步提高卫星星座重建和改进的速度。2、小卫星面临的挑战尽管如上所述，小卫星提供了许多优势，但也面临诸多挑战。其中之一是在轨小卫星探测和跟踪难。这种能力对空间域感知（军方理解和预测空间域活动的能力）十分必要。跟踪信息用于预测空间物体未来

10、的位置，并对可能的在轨碰撞进行预警（通常被称为会合预警）。而小卫星的固有特性可能使正常的预测分析无法进行，进而增加在轨碰撞的风险。同时，这还会造成太空资产的损失，产生大量碎片，污染太空环境，带来更大风险。虽然目前已提出许多该问题的技术解决方案，例如增加反射率或增加微小型RF发射机等,但是现有法规并没有做出具体要求，这些方案也并未得到广泛使用。大量小卫星，特别是由数千颗卫星组成的巨型星座的出现，也给空间飞行安全带来了不小的挑战。随着轨道中小卫星数量的增加，潜在的会合风险也大大增加。同时，为避免会合而机动的卫星也会增多。这些机动又进一步增加了跟踪卫星并准确预测其未来位置的难度。对于这些会合，国际上

11、目前还没有统一的解决流程一一即没有国际空间交通管理系统。各种情况都是由相关卫星运营商自行制定专门方案解决的。由于在轨小卫星数量逐渐增多，这种专门的系统也很有可能无法确保卫星飞行安全。许多小卫星星座都具有寿命短、更新快的特点，这会在轨道中产生更多的碎片一一可能是发射失败（在可接受的范围）的卫星，也可能是到达寿命期限但尚未脱离轨道的卫星。这样，太空中的意外碰撞更加难以避免。现行国际通用做法是要求卫星在25年内脱离轨道，但是由于一些上千颗卫星组成的星座每隔几年就会重新构建，这样的时间框架可能不足以满足要求。小卫星的难以探测也给空间武器领域创造了新的机会和威胁。小卫星能够执行会合和接近的操作，这样就可

12、以被用作反卫星武器，逼近对手航天器，破坏或摧毁对手卫星。如果探测小卫星很困难，那么就意味着小卫星可以执行某些不被探测到的任务。即使被探测到，大量预期的会合和意外碰撞的增多也会给确定工作增加难度。不过，尽管小卫星反卫应用可以视为一种机遇，但当其被对手利用时，也会构成明显威胁。小卫星系统近期发展大多发生在商业领域。这给军事用户带来的再次是机遇和挑战并存。最明显的好处是军事用户能够将商业系统用于军事目的，即可以利用现有能力，而无需内部开发新系统。这也可以节省大量成本，因为这些系统的成本将由多个用户分摊。然而，商业系统无法具备和军事系统一样的韧性，如果面对像网络攻击这样的攻击，使用商业系统可能会带来风

13、险。军方使用商业系统也可能造成威慑方面的不确定性。与军事系统相比，尚不清楚对手攻击商业系统的意愿是更强还是更弱。3、当前发展以下概述了一些目前正在进行的商业和军事方面主要工作。3.1 商业遥感许多国家成立了依托于小卫星的商业遥感公司，并提供了广泛服务。美国Planet公司目前已经建造并成功发射了450多颗卫星，并在轨道上维护着一个由150颗卫星组成的星座，其中最小的卫星只有鞋盒大小。它们能提供快速重访率和一系列空间分辨率服务。阿根廷Satellogic公司还利用一个小卫星编队进行全球范围内的每日更新。虽然该公司目前只有17颗卫星在轨运行，但它计划到2025年拥有一个300颗卫星（每颗卫星有一台

14、微波炉那么大）组成的星座。许多商业遥感卫星公司并不依赖光学传感器。Spire公司运营着一个由110颗卫星组成的星座,这些卫星携带无线电掩星、自动识别系统和自动相关监视传感器。这使该公司能够监测天气、海上交通和航空活动。Capella Space公司利用合成孔径雷达技术对地球进行全天候昼夜监视。该公司已经发射了其36颗卫星中的前两颗卫星。鹰眼360公司的9颗卫星则使用了编队飞行和射频传感器来收集与海事和军事用户相关信息。3.2 通信商业实体运营通信卫星已经有几十年了。然而，新一波公司正在利用小卫星技术优势开发由数百或数千颗LEO卫星组成的巨型星座。与过去的系统相比，这些星座可提供非常低的延迟和持

15、续全球覆盖。这些公司中有很多都专注于为全球地面网络服务不佳的地区(如农村或偏远地区)提供互联网连接。据这些公司预测，基于物联网的不断发展，需求还会增加。天基星座可以提供持续覆盖，让这些互联网使能型设备可以在任何地方连接。在将5G连接扩展到蜂窝网络未覆盖的偏远地区、空中和海上时，这种能力将会发挥关键作用。SpaceX公司的星链(Starlink)”星座在市场中最为活跃,截至2022年初已经发射了近2000颗卫星。最终，星链(Starlink) 星座将包括多达4.2万颗卫星。由英国政府和跨国组织共同所有的OneWeb公司目前拥有近400颗在轨卫星，未来整个星座将有648颗卫星。亚马逊公司的“柯伊伯(Kuiper)”项目计划在2022年开始为其3236颗卫星的星座发射卫星。法国初创企业Kineis公司也计划在2023年向低地球轨道发射25颗卫星。3.3 军事发展美国和俄罗斯等国军事组织都投资了小卫星技术，并且