小卫星在美国陆军中的应用发展研究

美陆军在美国早期太空工作中曾发挥了突出作用，1958年发射了美国首颗卫星“探险者1号”。自1960年研发运行“快递员1B”（COURIER 1B）卫星后，美国陆军便一直未发展卫星项目。此后，美国陆军成为天基数据的大客户，严重依赖军用和商用空间系统提供通信、指挥控制、侦察能力和气象信息。

1997年，美国陆军成立了太空与导弹防御司令部（SMDC），支持太空与国家导弹防御（NMD）以及战区导弹防御（TMD）的总体集成。到2006年，随着美国导弹防御局（MDA）的成立，一直主要关注导弹防御技术开发的SMDC开始关注其他任务领域。与此同时，美国国会要求成立作战响应空间（ORS）办公室，美国国防部开始意识到，美国军用太空系统需要从聚焦战略应用转变为更关注战术应用。而微电子和微型计算机的变革，也为美国陆军在脱离太空领域近50年后重新发展战术相关卫星能力带来了机遇。

小卫星具有体积小、研制与发射成本低、研制周期短、发射方式灵活等特点，其快速反应（发射和部署）和依据战场需求进行快速重构的能力受到各国军方青睐。因此，美国陆军一重返太空领域就将目光对准了小卫星，希望建立以战术应用为主的军用卫星系统。

SMDC的首次尝试是“鹰眼”战术侦察微型卫星项目，该卫星后被命名为“鹰眼”Block I。“鹰眼”卫星由于体积小，需要一种专用低成本小型运载火箭将其发射到各种特定轨道上。为此，SMDC启动了一个新的小型发射系统计划即多用途纳米导弹系统（MNMS）项目，为“鹰眼”提供专用、反应敏捷的低成本发射器。

2008年，为满足超视距通信的紧迫需求，美陆军推出“太空与导弹防御司令部－作战纳卫星效用”（SMDC-ONE）小卫星通信星座计划。这也是美国陆军发展太空快速反应能力的一个具体体现。此后，由于SMDC-ONE具有更高优先权，其发展速度迅速超过了“鹰眼”Block I和MNMS。2010年12月，首颗SMDC-ONE卫星发射。

此后，SMDC共将11颗小卫星送入低地球轨道。迄今为止最复杂的任务是“鹰眼”Block II成像卫星。作为“鹰眼”Block I的后续，该卫星于2017年8月从国际空间站部署。美陆军对小卫星应用的兴趣主要集中在传感和通信方面，另外还探索了低成本小卫星部件、硬件在环路中和其他创新技术实验及演示；开发了先进的小卫星射频（RF）和光通信能力，包括星间和地面系统，它们可以集成到空间系统以及光学和量子通信方法中。

通过这些小卫星任务和积累的经验，美国陆军制定了低轨战术空间战略，旨在为地面战术部队提供天基能力，如通信，侦察、监视与目标捕获（RSTA）和有保障定位、导航和授时（APNT）等，实现战场态势感知，并在多域作战（MDO）中协助完成目标瞄准过程，为兵力投射和机动提供支持。美陆军战术空间战略将扩展陆军的纵深感测能力，并利用商业空间/军事卫星通信、低轨战术通信、国防部/情报部门投资和商用遥感巨型星座，实现超视距战术网络和通信能力。

美陆军将演示和开发低轨战术空间能力

从2008年发射首颗SMDC-ONE卫星开始，美陆军逐步探索利用天基系统快速响应作战需求的模式，先后完成了SMDC-ONE、SNaP、“鹰眼”Block II等小卫星项目。

SMDC-ONE是美陆军开发的作战响应空间能力的一部分。SMDC-ONE纳卫星约25.4厘米长，由三个边长7.6厘米、重约4.5千克的立方体组成。首颗SMDC-ONE卫星作为“猎鹰”-9运载火箭的次要有效载荷发射，在轨运行35天，表现好于预期。

这次首飞的主要目标是实现无人值守地面传感数据的超视距通信。产生数据的传感器与士兵所使用的类型完全一样。位于美国亚拉巴马州亨茨维尔和科罗拉多州科泉市的两个地面站间的直线距离超过1600千米，卫星每天会多次飞临这两个地面站。卫星飞过地面站时基本上都会发挥作用，并使得文本文件和文件能够在无人值守地面传感器之间来回传递。

在初始在轨窗口期间成功与SMDC-ONE建立联系后，操作人员利用包括天线波束宽度在内的所有可用信息、频谱工具和轨道推算器来识别和跟踪SMDC-ONE。这些技术也应用到了后续任务中，将目标识别时间从几周减少到几天。

首颗SMDC-ONE完成了所有任务目标，于2011年1月在重返地球大气层过程中焚毁。演示成功也促使美国陆军确立了以创新方式实施空间应用与技术开发从而支持作战人员的目标。

（1）后续通信演示

2012年9月，两颗改进型SMDC-ONE卫星，SMDC-ONE 2.1（Abel）和SMDC-ONE 2.2（Baker）作为美国国家侦察局NROL-36任务的次要有效载荷发射。这两颗卫星的主要目标是使用军用标准电台通过低轨纳卫星演示话音中继能力，这也是以前从未实现过的一种能力。在为期一年的在轨演示中，SMDC-ONE 2.1和SMDC-ONE 2.2都成功证明了纳卫星可以使用标准军用电台如AN/PRC-117G和AN/PRC-152在局部区域内支持战术通信。这两颗卫星都利用电台的中继器模式成功完成了超视距话音中继任务。

距离引起的路径损耗最初是影响中继器性能的最大问题，测试中发现，限制因素是由于缺乏多普勒补偿而缩短了联系持续时间。通过在轨测试和独立的测试床测试，战术电台已经证明能够容忍大约+1.5kHz的频率偏移。由于低轨卫星运行速度快，部署的战术电台通常都不具备多普勒校正能力。一个可能的解决方案是强制航天器进行预补偿。如果没有多普勒校正，每一次卫星通过期间只能收到1到2分钟的可辨别话音。这一经验和中继限制为后续SMDC纳卫星计划（SNaP）演示奠定了基础。

2013年11月，作为作战响应空间-3（ORS-3）任务的一部分，一颗SMDC-ONE卫星作为次要载荷搭载在“米诺陶1号”火箭上发射。该卫星称为作战响应空间使能卫星（ORSES），是SMDC和作战响应空间（ORS）办公室的一项联合工作，任务是演示一种称为LEOPARD的新协议，并验证KI-55 1型航天器加密设备。

LEOPARD协议可实现地面终端和低轨卫星间的数据传输，无需事先知道两者的位置。尽管ORSES发射并运行成功，但由于发射几天后卫星通信中断，它未能演示任何一项任务能力。这次任务中吸取的经验是要提供更大的功率冗余度和进行更稳健的飞行硬件端到端测试。

2013年12月，作为美国政府实验多卫星任务（GEMSat）的一部分，两颗传统SMDC-ONE卫星，即SMDC-OEN 2.3（Charlie）和SMDC ONE 2.4（David）和两颗新一代卫星，即SMDC纳卫星项目（SNaP）卫星和战术卫星-6（TacSat-6）一起发射。这两颗SMDC-ONE卫星的任务是扩展Able和Baker的UHF卫星通信实验和演示。在成功建立初步联系和两周的遥测数据收集之后，地面操作转移到优先考虑与SNaP和TacSat-6联系。由于当时地面站资源有限，此后未再与这两颗卫星建立联系，这两颗卫星也成为发射的最后一批SMDC-ONE卫星。

（2）取得的经验

受硬编码采样速率、顺序数据索引、空对地数据链路（最大10kb/s）和地面站有限等因素限制，首颗SMDC-ONE每小时仅对在轨传感器健康状况采样一次。虽然能够充分捕获卫星在轨健康状况，但采样不足以重建在轨条件、测量性能或分析故障。后续SMDC-ONE卫星的遥测速率大幅提高，可确保对大多数传感器每5秒钟采样一次，但由于下行链路速率没有提高，这些数据大部分不得不留在轨道上。操作员通常查询顺序索引，然后请求围绕高优先级事件（例如，通信中继演示）或故障获取更多数据。这种方式并不理想，但确实为后续SNaP设计采用时间戳遥测索引提供了借鉴。

最初的SMDC-ONE地面站使用定制的卫星通信终端和与定制控制器相适应的商用天线定位器。由于很快观察到选定的天线控制器因天线组件的重量和重心偏移而过载，经权衡优先选择了业余无线电界广泛使用的商业解决方案。操作员观察到联系时间短于预期，预期噪声电平高于预期。这一问题出现在首次任务中，后期由于卫星轨道高度（从约300公里增加至约540公里）增加而变严重。更换地面电台的内部滤波器后，平均联系时间从3~4分钟大幅增加到8~10分钟。

SMDC-ONE任务的成功鼓励了多种新的美陆军空间技术的发展以及工业投资的增加。

SNaP是于2011年8月获批的一项联合技术演示（JCTD）计划，其任务是在战区内无基础设施的情况下，利用现有装备的低功率、手持、班组电台向处于不利地理条件下的班组一级用户提供超视距通信。SNaP利用了从SMDC-ONE计划中获得的经验，将立方体卫星的作用从技术演示扩展到具有作战相关能力的平台。

SNaP-1发射入轨后由于姿态机动出现问题，很快失去了联系。受当时发射机会限制，SNaP项目进度紧张，没有时间在系统工程设计中进行严格的需求验证和测试。项目的第二阶段吸取了这一教训。2015年10月，SNaP第二阶段三颗卫星作为美国国家侦察局NROL-55任务的次要载荷成功发射，并顺利与地面站建立了联系。

这次任务中，SNaP卫星成功完成了所有任务目标，包括在红石兵工厂和其他超视距地点之间，成功地在使用PRC-152战术电台（使用便携标准鞭状天线）的两个用户之间中继了超视距话音通信；在PRC-117和PRC-152战术电台之间中继了文本通信；在所有三颗卫星上成功地演示了KI-55加密/解密测试。KI-55是美国国家安全局（NSA）2013年批准的一种1型加密设备，开发用于小卫星。这也是KI-55在太空的首次成功展示。

为了满足低成本小卫星发射需求，2008年，SMDC着手建造一种成本很低的运载火箭，即多用途纳米导弹系统（MNMS）。2011年，SMDC与NASA一起承担了一个更为雄心勃勃的运载火箭项目，称为“士兵-作战人员作战响应型太空部署器”（SWORDS）。该项目建造了65000磅推力的模块化发动机，每磅推力成本约1.25美元，是当时每磅推力成本最低的发动机。该发动机于2014年9月在马歇尔航天飞行中心成功测试，之后美陆军决定停止开发小型运载火箭，转而利用快速成熟的小型运载火箭商业产业。

SMDC于2013年启动“鹰眼”Block II联合能力技术演示计划，目标是缩短从作战人员请求成像到图像交付到作战人员的时间。为了实现响应性能目标，该计划寻求开发一种由两部分构成的便携式地面系统。首先，“鹰眼”地面系统（KEGS）包括一套可与卫星进行通信的可搬移设备。其次，GATR技术公司为GATR 2.4米天线开发了一个跟踪平台，使GATR-TRAC天线能够跟踪低轨卫星。GATR-TRAC是一种充气式跟踪天线，支持便携式地面站应用，解决了地面站体积庞大、不利于战术分队部署应用的问题。

美国陆军的最终目标是建设低成本低轨卫星星座，提供持久覆盖，且在单一卫星丢失的情况下性能只适度降级但不会中断整个任务。

2017年8月，“鹰眼”Block II发射至国际空间站并于2017年从日本实验舱进行部署。作为一颗成像卫星，“鹰眼”Block II以成像载荷为中心，包括一个由哈里斯公司开发的10英寸望远镜，一个工业用商用现货（COTS）相机，以及一个能够从相机中捕获图像并将其转为NITF格式文件的商用现货帧抓取器。

“鹰眼”作战概念简图

“鹰眼”单颗卫星质量为12千克，下行链路每秒可以传回两张图像照片，在500公里的飞行任务设计高度运行时，卫星成像分辨率为1.5米。虽然分辨率不算很高，但是通过该图像已足以识别地面建筑物和车辆等目标，这对于美陆军作战应用非常有帮助。作战中士兵可使用“鹰眼战场便携地面站”（便携式计算机与S波段天线），直接向该卫星下达指令，对感兴趣的地面目标和区域进行成像，并在同一卫星可见时间段内（约10分钟以内）接收到相应图像。

总的来说，“鹰眼”概念表明使用小型卫星为作战人员提供快速态势感知是有效的。美陆军将卫星任务控制权下放至战区。前方作战部队可根据战术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。

随着美国陆军多域战概念在未来几年内的全面实施，陆军空间能力的重要性会更加突出。陆军战术空间作战将为陆军成功执行多域战任务提供直接面向用户的空间能力和应用。

在SMDC-ONE、SNaP、“鹰眼”等项目积累的经验基础上，美陆军正积极开展多种小卫星应用演示和载荷技术开发。美陆军对开发或运行自己的卫星兴趣不大，因此，主要选用业内和商业公司的卫星平台，将重点放在有效载荷上。

ACES RED是美陆军正在进行的飞行实验和演示工作，支持美国陆军空间科技发展路线图计划。到目前为止，有两个飞行实验，ACES RED #1和ACES RED #2。

ACES RED #1是一个约3U立方体大小的卫星平台，包含几种实验载荷。主要任务是收集关于商用现货（COTS）技术在空间环境中的长期性能数据并进行验证，目标是通过确定适用于未来陆军卫星的COTS技术来降低未来陆军空间计划成本。ACES RED #1的主要有效载荷是姿态确定与控制系统（ADCS）。其他载荷包括基于现场可编程门阵列的飞行计算机、低成本飞行计算机、全球定位系统、低成本星像跟踪仪和各种内部飞行器诊断传感器。

ACES RED #1于2020年5月发射到国际空间站，在安装到国际空间站后至少一年内为地面提供实验和可靠参考数据。

ACES RED #2目前处于开发阶段，计划于2021年11月发射，是美国防部空间测试计划STP-H7任务的一部分。ACES RED #2的主要任务类似于首颗ACES RED卫星，计划演示和鉴定空间COTS硬件，不过，此次测试的硬件是用于先进通信。ACES RED #2上的主要有效载荷将用于演示准量子密钥分发和空间量子不可区分性。

未来十年，美陆军计划继续开展几项其他ACES RED飞行任务，扩展通过ACES RED #1和#2飞行任务获得的知识和经验。

2016年，SMDC与约克航天系统公司达成协作研发协议，利用卫星快速生产技术，设计并建造一颗约150千克的低成本卫星，即“先驱”（Harbinger）卫星。

Harbinger集成了芬兰ICEYE公司最先进的高分辨率合成孔径雷达（分辨率达到1米）和BridgeSat公司的光通信载荷。其主要特性是在全天候、全光照条件下提供关于拒止区域或难以介入区域的态势感知情况；为小卫星提供全天候超高数据率下行传输；提供标准化卫星平台、运行程序和快速部署能力。

该小卫星于2019年5月成功发射，正在演示近实时成像任务派遣与数据收集能力。

有保障定位、导航与授时（PNT）是美陆军低地球轨道太空投资战略重点关注的领域之一。涉及三个项目：Gunsmoke、Lonestar和Polaris。美陆军希望利用先进的太空技术提升导航定位能力和GPS干扰感知能力，为其执行全域作战和对敌方领土实施纵深攻击提供支持。

Gunsmoke自2018年11月以来一直在秘密推进。据推断，该保密卫星将携带RF地理定位设备。美陆军一直在进行此类传感器试验，为纵深作战和远程精确火力提供支持。Gunsmoke有两个型号：J和G。J型是正式的联合能力技术演示（JCTD），为3U立方体卫星。G型功能更强，为6U立方体卫星。据报道，2021年3月和6月，美陆军相继发射了三颗Gunsmoke J卫星，将进行一系列在轨演示，最终进行军事效能评估，增强作战人员的远程精确火力能力。

Lonestar设计为6U立方体卫星，向指挥官提供GPS战场干扰警告，并描述对抗区域中的信号环境。Lonestar着眼于联合全域作战，提高美陆军的PNT和太空态势感知能力。2020年7月，Lonestar项目完成了两个战术太空支援载荷的检验和测试工作。

Polaris项目也关注有保障PNT，但其主要目标是在对抗作战空间提供备用GPS能力。

该项目将利用低轨小卫星向战术军事用户提供全天候/全光照成像能力，其特点是可将数据直接下行传输到远程地面终端。SAR小卫星帮助实现超视距和远程精确火力攻击，支持侦察、监视和目标捕获（RSTA）行动。该卫星支持拒止区域内行动和多域战。

美陆军正在与美国防创新部门（DIU）合作开发一个端到端SAR测试床。该测试床将使用这种先进的SAR卫星，目的是缩短传感器到射手的时间。

该计划提供光电/红外（EO/IR）卫星，为战术地面部队提供支持。TacGeo卫星及其支持设施将展示向作战人员快速交付低延迟光电/红外图像的能力。TacGeo的任务目标是白天的成像能够达到足够的分辨率和精度，支持战役级地面目标识别和地理定位；夜间能够以足够的分辨率进行图像收集，向地面指挥官提供战场态势感知。战役级指挥官能够通过远程地面终端商业标准接口和现有军事终端接口直接分配载荷任务和下传数据。

美陆军正在开发传感器到射手（S2S）原型系统，以增强目标瞄准系统军事人员及相关支持平台的任务效率，实现战术应用快速响应多层S2S能力。原型系统将推进多个复杂和相关联领域的技术成熟度，包括使能决策支持系统、多层传感器管理、动态自主任务派遣以及作战管理显示和态势感知。这包括运行和管理多个层如高空层（HAL）和战术空间层（TSL）的信息的能力。这些原型系统可以缩短多层传感器的数据任务下达、收集、处理、利用和分发（TCPED）时间，将采用数据分析、机器学习和推理来加快数据发现和交付，以高置信度确保任务执行。

SMDC早期的各个卫星项目都采用专用地面控制设计与架构。当时，普遍采用价格相对便宜的UHF控制系统天线和单频调谐无线电系统。SMDC ONE和“鹰眼”Block II都有专门建造的专用地面系统。随着软件无线电的发展，以及向非UHF频段的转移，各项目转而采用较为昂贵但能力更强的软件无线电和抛物面天线。

2014年，SMDC确立了采用各项目可重复使用的通用地面系统的目标，在考虑和研究了可用商业服务的可行性后，最终采购了几套成熟的商用无线电系统用于地面操作。

2017年，SMDC技术中心建立了有效载荷演示实验室（PDL），旨在将小卫星指挥控制与遥测地面基础设施集中到SMDC技术中心小卫星和载荷的通用共享体系架构中。PDL提供成熟的商用地面控制软件和软件无线电能力，并可接入多个S波段和X波段天线，不再需要各个项目开发自己的地面站架构，并将重点和预算集中到载荷开发上。

PDL由位于SMDC总部的一个主要控制节点组成，并与红石兵工厂由SMDC设计和开发的天线综合设施相连。该综合设施提供了从PDL到SMDC小卫星指挥控制和载荷数据下传天线的直接连接。PDL还将协助演示数据路由的可能性，模拟从战术站点直接下达指令以及数据下传和分发。这将展示地面控制站向现有美陆军网络提供信息并将这些信息吸收到陆军系统中的可行性。

红石兵工厂天线综合设施

2021年4月19日，美国陆军“有保证定位、导航和授时（APNT）/空间跨职能团队”批准了“战术空间层（TSL）”简要能力发展文件，目的是推动战术空间层的快速开发和部署，缩短“传感器到射手”时间，帮助美国陆军实施多域战，特别是在“反介入/区域拒止”（A2/AD）环境下。

“战术空间层”计划由美国陆军未来司令部领导，将探索利用低轨卫星为士兵提供侦察、导航和成像能力。美国陆军未来司令部表示，战术空间层将提供深度区域感知、快速目标定位和无与伦比的战场态势感知能力，利用战术空间层将使美国陆军在GPS系统面临挑战的环境中实现远程精确火力（LRPF）和地面机动。战术空间层还将与美国陆军战术情报目标访问节点（TITAN）集成。TITAN是美国陆军下一代情报地面站，是实现深度感测和缩短传感器到射手时间的主要组件，能够访问空中和地面传感器，识别目标并直接向支持远程精确火力的火力网络提供目标数据。

美国陆军计划将在2021年晚些时候在欧洲、非洲以及太平洋部队的一系列实弹演习中评估和测试战术空间层原型。美国陆军“融合项目”也将评估战术空间层原型。

准备好随时部署、作战并能在任何时间、任何地点在联合多域高强度冲突中以决定性优势战胜对手，是美国陆军未来要实现的目标。美国陆军缺乏足够的受保护战术通信、有保障PNT、纵深感知和快速响应远程目标瞄准能力以及先进处理能力，用以支持在新的对抗作战环境下的战术响应作战。

目前，在多域战场空间的深度和广度内，美陆军建制传感器的作用范围、持久性、准确性、生存能力和及时性均不足以能揭示对等对手的威胁意图、战略、能力和战术。低成本、小卫星技术的发展为战术分队从空间资产中获益开辟了一个新领域。技术进步将实现未来战术空间层，提供受保护的高带宽、低延迟通信；近实时多域情报（MDI）；备用PNT能力和传感器到射手解决方案，支持美国陆军到2028年装备多域战基本能力，到2035年前具备多域战完备能力。

美国太空发展局（SDA）正在建设由七层小卫星网状网构成的下一代太空架构，将满足多重军事需求。美国陆军将需要有能够利用SDA分层架构和其他天基传感源的地面站，以模块化、可扩展的形式为战场火力系统提供近实时信息，支持从旅到军一级编队。这些远征移动地面站将利用人工智能（AI）缩短杀伤链，实现跨域火力攻击，并提供对当前和未来国家、商用和各军种天基资产的有保证访问。美国陆军将持续推行太空力量现代化，持续投资开发相关技术，最大限度地为未来多域战提供空间能力支持。

本文转载自“电科小氙”，原标题《美国陆军小卫星应用发展研究》