美军兴趣点在哪里？小型卫星技术的军用现状与趋势
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编译：学术plus高级观察员 居士
1.小型卫星技术的优点：
开发时间短（最快几天）；
技术更新升级快（1-3年运行周期）；
训练机会增加/流程优化；
成本低；
可大规模制造（每天2颗卫星）。
⑤作战反应空间（增加韧性和通过拒绝来提供威慑）
3.挑战：
①难以探测和跟踪轨道上的小卫星/目前缺乏国际空间交通管理系统
②可用于交会对接和迫近操作+反卫星武器
③商业卫星系统抗毁能力差、风险高；且会造成威慑不确定性
4.发展现状与展望：
商业遥感与通信现状；
军事发展（美国陆军/DARPA/美太空开发署）；
未来展望（军商结合是趋势，但需加强规范管理）。
小型卫星带来的经济机会：开发时间较短、成本较低、可采用流水线方式制造
小型卫星应用设想：由数百或数千颗卫星组成的系统，可以提高时间分辨率或重访率，可采用编队飞行
军方可以利用商业系统：军方应当利用商业小型卫星，不需要另外开发新系统。既要利用商业产品，也要研究军用的机会
军方官员设想：战场图像可以由在地面的指挥官请求和接收，实现实时决策。美国陆军的聚合项目在2020年10月试验了这种能力
1.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
2.2 大型星座和重访率
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
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。
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。 小型卫星可用作反卫星武器，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。
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
最著名的是总部设在美国的Planet。Planet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。 总部设在阿根廷的卫星逻辑公司还利用一组小型卫星提供全球范围的每日更新。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。 中国也有公司可提供基于小卫星星座的光学遥感数据。长光卫星技术有限公司(CGSTL)目前运营着一个由大约25颗卫星组成的星座，后续计划增加到100多颗。珠海Orbita航天科技有限公司拥有10颗在轨卫星，并利用其星座提供一系列数据和服 有许多商业遥感卫星公司不依赖光学传感器。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。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颗卫星星座中的前两颗卫星。鹰眼360的9颗卫星使用编队飞行和射频传感器来收集与海事和军事用户相关的信息。
（2）通信
SpaceX的星链星座是通信卫星市场中最被关注的，截至2022年初已经发射了近2000颗卫星。最终，星链星座将达到约42000颗卫星
中国的国电高科和九天微星都已经开始其星座的部署 法国初创企业Kinéis计划在2023年向低地球轨道发射25颗卫星 OneWeb由英国政府和跨国组织共同拥有，目前有近400颗在轨卫星，整个星座预计将有至少648颗卫星 亚马逊Kuiper项目计划在2022年开始发射卫星，整个星座将达到3236颗卫星
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。
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。
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