小衛(wèi)星在美國陸軍中的應(yīng)用發(fā)展研究

美陸軍在美國早期太空工作中曾發(fā)揮了突出作用，1958年發(fā)射了美國首顆衛(wèi)星“探險(xiǎn)者1號(hào)”。自1960年研發(fā)運(yùn)行“快遞員1B”（COURIER 1B）衛(wèi)星后，美國陸軍便一直未發(fā)展衛(wèi)星項(xiàng)目。此后，美國陸軍成為天基數(shù)據(jù)的大客戶，嚴(yán)重依賴軍用和商用空間系統(tǒng)提供通信、指揮控制、偵察能力和氣象信息。

1997年，美國陸軍成立了太空與導(dǎo)彈防御司令部（SMDC），支持太空與國家導(dǎo)彈防御（NMD）以及戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御（TMD）的總體集成。到2006年，隨著美國導(dǎo)彈防御局（MDA）的成立，一直主要關(guān)注導(dǎo)彈防御技術(shù)開發(fā)的SMDC開始關(guān)注其他任務(wù)領(lǐng)域。與此同時(shí)，美國國會(huì)要求成立作戰(zhàn)響應(yīng)空間（ORS）辦公室，美國國防部開始意識(shí)到，美國軍用太空系統(tǒng)需要從聚焦戰(zhàn)略應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)楦P(guān)注戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用。而微電子和微型計(jì)算機(jī)的變革，也為美國陸軍在脫離太空領(lǐng)域近50年后重新發(fā)展戰(zhàn)術(shù)相關(guān)衛(wèi)星能力帶來了機(jī)遇。

小衛(wèi)星具有體積小、研制與發(fā)射成本低、研制周期短、發(fā)射方式靈活等特點(diǎn)，其快速反應(yīng)（發(fā)射和部署）和依據(jù)戰(zhàn)場需求進(jìn)行快速重構(gòu)的能力受到各國軍方青睞。因此，美國陸軍一重返太空領(lǐng)域就將目光對(duì)準(zhǔn)了小衛(wèi)星，希望建立以戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用為主的軍用衛(wèi)星系統(tǒng)。

SMDC的首次嘗試是“鷹眼”戰(zhàn)術(shù)偵察微型衛(wèi)星項(xiàng)目，該衛(wèi)星后被命名為“鷹眼”Block I?！苞椦邸毙l(wèi)星由于體積小，需要一種專用低成本小型運(yùn)載火箭將其發(fā)射到各種特定軌道上。為此，SMDC啟動(dòng)了一個(gè)新的小型發(fā)射系統(tǒng)計(jì)劃即多用途納米導(dǎo)彈系統(tǒng)（MNMS）項(xiàng)目，為“鷹眼”提供專用、反應(yīng)敏捷的低成本發(fā)射器。

2008年，為滿足超視距通信的緊迫需求，美陸軍推出“太空與導(dǎo)彈防御司令部－作戰(zhàn)納衛(wèi)星效用”（SMDC-ONE）小衛(wèi)星通信星座計(jì)劃。這也是美國陸軍發(fā)展太空快速反應(yīng)能力的一個(gè)具體體現(xiàn)。此后，由于SMDC-ONE具有更高優(yōu)先權(quán)，其發(fā)展速度迅速超過了“鷹眼”Block I和MNMS。2010年12月，首顆SMDC-ONE衛(wèi)星發(fā)射。

此后，SMDC共將11顆小衛(wèi)星送入低地球軌道。迄今為止最復(fù)雜的任務(wù)是“鷹眼”Block II成像衛(wèi)星。作為“鷹眼”Block I的后續(xù)，該衛(wèi)星于2017年8月從國際空間站部署。美陸軍對(duì)小衛(wèi)星應(yīng)用的興趣主要集中在傳感和通信方面，另外還探索了低成本小衛(wèi)星部件、硬件在環(huán)路中和其他創(chuàng)新技術(shù)實(shí)驗(yàn)及演示；開發(fā)了先進(jìn)的小衛(wèi)星射頻（RF）和光通信能力，包括星間和地面系統(tǒng)，它們可以集成到空間系統(tǒng)以及光學(xué)和量子通信方法中。

通過這些小衛(wèi)星任務(wù)和積累的經(jīng)驗(yàn)，美國陸軍制定了低軌戰(zhàn)術(shù)空間戰(zhàn)略，旨在為地面戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)提供天基能力，如通信，偵察、監(jiān)視與目標(biāo)捕獲（RSTA）和有保障定位、導(dǎo)航和授時(shí)（APNT）等，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢感知，并在多域作戰(zhàn)（MDO）中協(xié)助完成目標(biāo)瞄準(zhǔn)過程，為兵力投射和機(jī)動(dòng)提供支持。美陸軍戰(zhàn)術(shù)空間戰(zhàn)略將擴(kuò)展陸軍的縱深感測能力，并利用商業(yè)空間/軍事衛(wèi)星通信、低軌戰(zhàn)術(shù)通信、國防部/情報(bào)部門投資和商用遙感巨型星座，實(shí)現(xiàn)超視距戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)和通信能力。

美陸軍將演示和開發(fā)低軌戰(zhàn)術(shù)空間能力

從2008年發(fā)射首顆SMDC-ONE衛(wèi)星開始，美陸軍逐步探索利用天基系統(tǒng)快速響應(yīng)作戰(zhàn)需求的模式，先后完成了SMDC-ONE、SNaP、“鷹眼”Block II等小衛(wèi)星項(xiàng)目。

SMDC-ONE是美陸軍開發(fā)的作戰(zhàn)響應(yīng)空間能力的一部分。SMDC-ONE納衛(wèi)星約25.4厘米長，由三個(gè)邊長7.6厘米、重約4.5千克的立方體組成。首顆SMDC-ONE衛(wèi)星作為“獵鷹”-9運(yùn)載火箭的次要有效載荷發(fā)射，在軌運(yùn)行35天，表現(xiàn)好于預(yù)期。

這次首飛的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無人值守地面?zhèn)鞲袛?shù)據(jù)的超視距通信。產(chǎn)生數(shù)據(jù)的傳感器與士兵所使用的類型完全一樣。位于美國亞拉巴馬州亨茨維爾和科羅拉多州科泉市的兩個(gè)地面站間的直線距離超過1600千米，衛(wèi)星每天會(huì)多次飛臨這兩個(gè)地面站。衛(wèi)星飛過地面站時(shí)基本上都會(huì)發(fā)揮作用，并使得文本文件和文件能夠在無人值守地面?zhèn)鞲衅髦g來回傳遞。

在初始在軌窗口期間成功與SMDC-ONE建立聯(lián)系后，操作人員利用包括天線波束寬度在內(nèi)的所有可用信息、頻譜工具和軌道推算器來識(shí)別和跟蹤SMDC-ONE。這些技術(shù)也應(yīng)用到了后續(xù)任務(wù)中，將目標(biāo)識(shí)別時(shí)間從幾周減少到幾天。

首顆SMDC-ONE完成了所有任務(wù)目標(biāo)，于2011年1月在重返地球大氣層過程中焚毀。演示成功也促使美國陸軍確立了以創(chuàng)新方式實(shí)施空間應(yīng)用與技術(shù)開發(fā)從而支持作戰(zhàn)人員的目標(biāo)。

（1）后續(xù)通信演示

2012年9月，兩顆改進(jìn)型SMDC-ONE衛(wèi)星，SMDC-ONE 2.1（Abel）和SMDC-ONE 2.2（Baker）作為美國國家偵察局NROL-36任務(wù)的次要有效載荷發(fā)射。這兩顆衛(wèi)星的主要目標(biāo)是使用軍用標(biāo)準(zhǔn)電臺(tái)通過低軌納衛(wèi)星演示話音中繼能力，這也是以前從未實(shí)現(xiàn)過的一種能力。在為期一年的在軌演示中，SMDC-ONE 2.1和SMDC-ONE 2.2都成功證明了納衛(wèi)星可以使用標(biāo)準(zhǔn)軍用電臺(tái)如AN/PRC-117G和AN/PRC-152在局部區(qū)域內(nèi)支持戰(zhàn)術(shù)通信。這兩顆衛(wèi)星都利用電臺(tái)的中繼器模式成功完成了超視距話音中繼任務(wù)。

距離引起的路徑損耗最初是影響中繼器性能的最大問題，測試中發(fā)現(xiàn)，限制因素是由于缺乏多普勒補(bǔ)償而縮短了聯(lián)系持續(xù)時(shí)間。通過在軌測試和獨(dú)立的測試床測試，戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)已經(jīng)證明能夠容忍大約+1.5kHz的頻率偏移。由于低軌衛(wèi)星運(yùn)行速度快，部署的戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)通常都不具備多普勒校正能力。一個(gè)可能的解決方案是強(qiáng)制航天器進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。如果沒有多普勒校正，每一次衛(wèi)星通過期間只能收到1到2分鐘的可辨別話音。這一經(jīng)驗(yàn)和中繼限制為后續(xù)SMDC納衛(wèi)星計(jì)劃（SNaP）演示奠定了基礎(chǔ)。

2013年11月，作為作戰(zhàn)響應(yīng)空間-3（ORS-3）任務(wù)的一部分，一顆SMDC-ONE衛(wèi)星作為次要載荷搭載在“米諾陶1號(hào)”火箭上發(fā)射。該衛(wèi)星稱為作戰(zhàn)響應(yīng)空間使能衛(wèi)星（ORSES），是SMDC和作戰(zhàn)響應(yīng)空間（ORS）辦公室的一項(xiàng)聯(lián)合工作，任務(wù)是演示一種稱為LEOPARD的新協(xié)議，并驗(yàn)證KI-55 1型航天器加密設(shè)備。

LEOPARD協(xié)議可實(shí)現(xiàn)地面終端和低軌衛(wèi)星間的數(shù)據(jù)傳輸，無需事先知道兩者的位置。盡管ORSES發(fā)射并運(yùn)行成功，但由于發(fā)射幾天后衛(wèi)星通信中斷，它未能演示任何一項(xiàng)任務(wù)能力。這次任務(wù)中吸取的經(jīng)驗(yàn)是要提供更大的功率冗余度和進(jìn)行更穩(wěn)健的飛行硬件端到端測試。

2013年12月，作為美國政府實(shí)驗(yàn)多衛(wèi)星任務(wù)（GEMSat）的一部分，兩顆傳統(tǒng)SMDC-ONE衛(wèi)星，即SMDC-OEN 2.3（Charlie）和SMDC ONE 2.4（David）和兩顆新一代衛(wèi)星，即SMDC納衛(wèi)星項(xiàng)目（SNaP）衛(wèi)星和戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-6（TacSat-6）一起發(fā)射。這兩顆SMDC-ONE衛(wèi)星的任務(wù)是擴(kuò)展Able和Baker的UHF衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)和演示。在成功建立初步聯(lián)系和兩周的遙測數(shù)據(jù)收集之后，地面操作轉(zhuǎn)移到優(yōu)先考慮與SNaP和TacSat-6聯(lián)系。由于當(dāng)時(shí)地面站資源有限，此后未再與這兩顆衛(wèi)星建立聯(lián)系，這兩顆衛(wèi)星也成為發(fā)射的最后一批SMDC-ONE衛(wèi)星。

（2）取得的經(jīng)驗(yàn)

受硬編碼采樣速率、順序數(shù)據(jù)索引、空對(duì)地?cái)?shù)據(jù)鏈路（最大10kb/s）和地面站有限等因素限制，首顆SMDC-ONE每小時(shí)僅對(duì)在軌傳感器健康狀況采樣一次。雖然能夠充分捕獲衛(wèi)星在軌健康狀況，但采樣不足以重建在軌條件、測量性能或分析故障。后續(xù)SMDC-ONE衛(wèi)星的遙測速率大幅提高，可確保對(duì)大多數(shù)傳感器每5秒鐘采樣一次，但由于下行鏈路速率沒有提高，這些數(shù)據(jù)大部分不得不留在軌道上。操作員通常查詢順序索引，然后請求圍繞高優(yōu)先級(jí)事件（例如，通信中繼演示）或故障獲取更多數(shù)據(jù)。這種方式并不理想，但確實(shí)為后續(xù)SNaP設(shè)計(jì)采用時(shí)間戳遙測索引提供了借鑒。

最初的SMDC-ONE地面站使用定制的衛(wèi)星通信終端和與定制控制器相適應(yīng)的商用天線定位器。由于很快觀察到選定的天線控制器因天線組件的重量和重心偏移而過載，經(jīng)權(quán)衡優(yōu)先選擇了業(yè)余無線電界廣泛使用的商業(yè)解決方案。操作員觀察到聯(lián)系時(shí)間短于預(yù)期，預(yù)期噪聲電平高于預(yù)期。這一問題出現(xiàn)在首次任務(wù)中，后期由于衛(wèi)星軌道高度（從約300公里增加至約540公里）增加而變嚴(yán)重。更換地面電臺(tái)的內(nèi)部濾波器后，平均聯(lián)系時(shí)間從3~4分鐘大幅增加到8~10分鐘。

SMDC-ONE任務(wù)的成功鼓勵(lì)了多種新的美陸軍空間技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)投資的增加。

SNaP是于2011年8月獲批的一項(xiàng)聯(lián)合技術(shù)演示（JCTD）計(jì)劃，其任務(wù)是在戰(zhàn)區(qū)內(nèi)無基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，利用現(xiàn)有裝備的低功率、手持、班組電臺(tái)向處于不利地理?xiàng)l件下的班組一級(jí)用戶提供超視距通信。SNaP利用了從SMDC-ONE計(jì)劃中獲得的經(jīng)驗(yàn)，將立方體衛(wèi)星的作用從技術(shù)演示擴(kuò)展到具有作戰(zhàn)相關(guān)能力的平臺(tái)。

SNaP-1發(fā)射入軌后由于姿態(tài)機(jī)動(dòng)出現(xiàn)問題，很快失去了聯(lián)系。受當(dāng)時(shí)發(fā)射機(jī)會(huì)限制，SNaP項(xiàng)目進(jìn)度緊張，沒有時(shí)間在系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行嚴(yán)格的需求驗(yàn)證和測試。項(xiàng)目的第二階段吸取了這一教訓(xùn)。2015年10月，SNaP第二階段三顆衛(wèi)星作為美國國家偵察局NROL-55任務(wù)的次要載荷成功發(fā)射，并順利與地面站建立了聯(lián)系。

這次任務(wù)中，SNaP衛(wèi)星成功完成了所有任務(wù)目標(biāo)，包括在紅石兵工廠和其他超視距地點(diǎn)之間，成功地在使用PRC-152戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)（使用便攜標(biāo)準(zhǔn)鞭狀天線）的兩個(gè)用戶之間中繼了超視距話音通信；在PRC-117和PRC-152戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)之間中繼了文本通信；在所有三顆衛(wèi)星上成功地演示了KI-55加密/解密測試。KI-55是美國國家安全局（NSA）2013年批準(zhǔn)的一種1型加密設(shè)備，開發(fā)用于小衛(wèi)星。這也是KI-55在太空的首次成功展示。

為了滿足低成本小衛(wèi)星發(fā)射需求，2008年，SMDC著手建造一種成本很低的運(yùn)載火箭，即多用途納米導(dǎo)彈系統(tǒng)（MNMS）。2011年，SMDC與NASA一起承擔(dān)了一個(gè)更為雄心勃勃的運(yùn)載火箭項(xiàng)目，稱為“士兵-作戰(zhàn)人員作戰(zhàn)響應(yīng)型太空部署器”（SWORDS）。該項(xiàng)目建造了65000磅推力的模塊化發(fā)動(dòng)機(jī)，每磅推力成本約1.25美元，是當(dāng)時(shí)每磅推力成本最低的發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)于2014年9月在馬歇爾航天飛行中心成功測試，之后美陸軍決定停止開發(fā)小型運(yùn)載火箭，轉(zhuǎn)而利用快速成熟的小型運(yùn)載火箭商業(yè)產(chǎn)業(yè)。

SMDC于2013年啟動(dòng)“鷹眼”Block II聯(lián)合能力技術(shù)演示計(jì)劃，目標(biāo)是縮短從作戰(zhàn)人員請求成像到圖像交付到作戰(zhàn)人員的時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性能目標(biāo)，該計(jì)劃尋求開發(fā)一種由兩部分構(gòu)成的便攜式地面系統(tǒng)。首先，“鷹眼”地面系統(tǒng)（KEGS）包括一套可與衛(wèi)星進(jìn)行通信的可搬移設(shè)備。其次，GATR技術(shù)公司為GATR 2.4米天線開發(fā)了一個(gè)跟蹤平臺(tái)，使GATR-TRAC天線能夠跟蹤低軌衛(wèi)星。GATR-TRAC是一種充氣式跟蹤天線，支持便攜式地面站應(yīng)用，解決了地面站體積龐大、不利于戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)部署應(yīng)用的問題。

美國陸軍的最終目標(biāo)是建設(shè)低成本低軌衛(wèi)星星座，提供持久覆蓋，且在單一衛(wèi)星丟失的情況下性能只適度降級(jí)但不會(huì)中斷整個(gè)任務(wù)。

2017年8月，“鷹眼”Block II發(fā)射至國際空間站并于2017年從日本實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行部署。作為一顆成像衛(wèi)星，“鷹眼”Block II以成像載荷為中心，包括一個(gè)由哈里斯公司開發(fā)的10英寸望遠(yuǎn)鏡，一個(gè)工業(yè)用商用現(xiàn)貨（COTS）相機(jī)，以及一個(gè)能夠從相機(jī)中捕獲圖像并將其轉(zhuǎn)為NITF格式文件的商用現(xiàn)貨幀抓取器。

“鷹眼”作戰(zhàn)概念簡圖

“鷹眼”單顆衛(wèi)星質(zhì)量為12千克，下行鏈路每秒可以傳回兩張圖像照片，在500公里的飛行任務(wù)設(shè)計(jì)高度運(yùn)行時(shí)，衛(wèi)星成像分辨率為1.5米。雖然分辨率不算很高，但是通過該圖像已足以識(shí)別地面建筑物和車輛等目標(biāo)，這對(duì)于美陸軍作戰(zhàn)應(yīng)用非常有幫助。作戰(zhàn)中士兵可使用“鷹眼戰(zhàn)場便攜地面站”（便攜式計(jì)算機(jī)與S波段天線），直接向該衛(wèi)星下達(dá)指令，對(duì)感興趣的地面目標(biāo)和區(qū)域進(jìn)行成像，并在同一衛(wèi)星可見時(shí)間段內(nèi)（約10分鐘以內(nèi)）接收到相應(yīng)圖像。

總的來說，“鷹眼”概念表明使用小型衛(wèi)星為作戰(zhàn)人員提供快速態(tài)勢感知是有效的。美陸軍將衛(wèi)星任務(wù)控制權(quán)下放至戰(zhàn)區(qū)。前方作戰(zhàn)部隊(duì)可根據(jù)戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)需求直接對(duì)衛(wèi)星下達(dá)成像偵察指令，直接獲取情報(bào)數(shù)據(jù)，大大縮短了指控鏈路。

隨著美國陸軍多域戰(zhàn)概念在未來幾年內(nèi)的全面實(shí)施，陸軍空間能力的重要性會(huì)更加突出。陸軍戰(zhàn)術(shù)空間作戰(zhàn)將為陸軍成功執(zhí)行多域戰(zhàn)任務(wù)提供直接面向用戶的空間能力和應(yīng)用。

在SMDC-ONE、SNaP、“鷹眼”等項(xiàng)目積累的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，美陸軍正積極開展多種小衛(wèi)星應(yīng)用演示和載荷技術(shù)開發(fā)。美陸軍對(duì)開發(fā)或運(yùn)行自己的衛(wèi)星興趣不大，因此，主要選用業(yè)內(nèi)和商業(yè)公司的衛(wèi)星平臺(tái)，將重點(diǎn)放在有效載荷上。

ACES RED是美陸軍正在進(jìn)行的飛行實(shí)驗(yàn)和演示工作，支持美國陸軍空間科技發(fā)展路線圖計(jì)劃。到目前為止，有兩個(gè)飛行實(shí)驗(yàn)，ACES RED #1和ACES RED #2。

ACES RED #1是一個(gè)約3U立方體大小的衛(wèi)星平臺(tái)，包含幾種實(shí)驗(yàn)載荷。主要任務(wù)是收集關(guān)于商用現(xiàn)貨（COTS）技術(shù)在空間環(huán)境中的長期性能數(shù)據(jù)并進(jìn)行驗(yàn)證，目標(biāo)是通過確定適用于未來陸軍衛(wèi)星的COTS技術(shù)來降低未來陸軍空間計(jì)劃成本。ACES RED #1的主要有效載荷是姿態(tài)確定與控制系統(tǒng)（ADCS）。其他載荷包括基于現(xiàn)場可編程門陣列的飛行計(jì)算機(jī)、低成本飛行計(jì)算機(jī)、全球定位系統(tǒng)、低成本星像跟蹤儀和各種內(nèi)部飛行器診斷傳感器。

ACES RED #1于2020年5月發(fā)射到國際空間站，在安裝到國際空間站后至少一年內(nèi)為地面提供實(shí)驗(yàn)和可靠參考數(shù)據(jù)。

ACES RED #2目前處于開發(fā)階段，計(jì)劃于2021年11月發(fā)射，是美國防部空間測試計(jì)劃STP-H7任務(wù)的一部分。ACES RED #2的主要任務(wù)類似于首顆ACES RED衛(wèi)星，計(jì)劃演示和鑒定空間COTS硬件，不過，此次測試的硬件是用于先進(jìn)通信。ACES RED #2上的主要有效載荷將用于演示準(zhǔn)量子密鑰分發(fā)和空間量子不可區(qū)分性。

未來十年，美陸軍計(jì)劃繼續(xù)開展幾項(xiàng)其他ACES RED飛行任務(wù)，擴(kuò)展通過ACES RED #1和#2飛行任務(wù)獲得的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

2016年，SMDC與約克航天系統(tǒng)公司達(dá)成協(xié)作研發(fā)協(xié)議，利用衛(wèi)星快速生產(chǎn)技術(shù)，設(shè)計(jì)并建造一顆約150千克的低成本衛(wèi)星，即“先驅(qū)”（Harbinger）衛(wèi)星。

Harbinger集成了芬蘭ICEYE公司最先進(jìn)的高分辨率合成孔徑雷達(dá)（分辨率達(dá)到1米）和BridgeSat公司的光通信載荷。其主要特性是在全天候、全光照條件下提供關(guān)于拒止區(qū)域或難以介入?yún)^(qū)域的態(tài)勢感知情況；為小衛(wèi)星提供全天候超高數(shù)據(jù)率下行傳輸；提供標(biāo)準(zhǔn)化衛(wèi)星平臺(tái)、運(yùn)行程序和快速部署能力。

該小衛(wèi)星于2019年5月成功發(fā)射，正在演示近實(shí)時(shí)成像任務(wù)派遣與數(shù)據(jù)收集能力。

有保障定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）是美陸軍低地球軌道太空投資戰(zhàn)略重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域之一。涉及三個(gè)項(xiàng)目：Gunsmoke、Lonestar和Polaris。美陸軍希望利用先進(jìn)的太空技術(shù)提升導(dǎo)航定位能力和GPS干擾感知能力，為其執(zhí)行全域作戰(zhàn)和對(duì)敵方領(lǐng)土實(shí)施縱深攻擊提供支持。

Gunsmoke自2018年11月以來一直在秘密推進(jìn)。據(jù)推斷，該保密衛(wèi)星將攜帶RF地理定位設(shè)備。美陸軍一直在進(jìn)行此類傳感器試驗(yàn)，為縱深作戰(zhàn)和遠(yuǎn)程精確火力提供支持。Gunsmoke有兩個(gè)型號(hào)：J和G。J型是正式的聯(lián)合能力技術(shù)演示（JCTD），為3U立方體衛(wèi)星。G型功能更強(qiáng)，為6U立方體衛(wèi)星。據(jù)報(bào)道，2021年3月和6月，美陸軍相繼發(fā)射了三顆Gunsmoke J衛(wèi)星，將進(jìn)行一系列在軌演示，最終進(jìn)行軍事效能評(píng)估，增強(qiáng)作戰(zhàn)人員的遠(yuǎn)程精確火力能力。

Lonestar設(shè)計(jì)為6U立方體衛(wèi)星，向指揮官提供GPS戰(zhàn)場干擾警告，并描述對(duì)抗區(qū)域中的信號(hào)環(huán)境。Lonestar著眼于聯(lián)合全域作戰(zhàn)，提高美陸軍的PNT和太空態(tài)勢感知能力。2020年7月，Lonestar項(xiàng)目完成了兩個(gè)戰(zhàn)術(shù)太空支援載荷的檢驗(yàn)和測試工作。

Polaris項(xiàng)目也關(guān)注有保障PNT，但其主要目標(biāo)是在對(duì)抗作戰(zhàn)空間提供備用GPS能力。

該項(xiàng)目將利用低軌小衛(wèi)星向戰(zhàn)術(shù)軍事用戶提供全天候/全光照成像能力，其特點(diǎn)是可將數(shù)據(jù)直接下行傳輸?shù)竭h(yuǎn)程地面終端。SAR小衛(wèi)星幫助實(shí)現(xiàn)超視距和遠(yuǎn)程精確火力攻擊，支持偵察、監(jiān)視和目標(biāo)捕獲（RSTA）行動(dòng)。該衛(wèi)星支持拒止區(qū)域內(nèi)行動(dòng)和多域戰(zhàn)。

美陸軍正在與美國防創(chuàng)新部門（DIU）合作開發(fā)一個(gè)端到端SAR測試床。該測試床將使用這種先進(jìn)的SAR衛(wèi)星，目的是縮短傳感器到射手的時(shí)間。

該計(jì)劃提供光電/紅外（EO/IR）衛(wèi)星，為戰(zhàn)術(shù)地面部隊(duì)提供支持。TacGeo衛(wèi)星及其支持設(shè)施將展示向作戰(zhàn)人員快速交付低延遲光電/紅外圖像的能力。TacGeo的任務(wù)目標(biāo)是白天的成像能夠達(dá)到足夠的分辨率和精度，支持戰(zhàn)役級(jí)地面目標(biāo)識(shí)別和地理定位；夜間能夠以足夠的分辨率進(jìn)行圖像收集，向地面指揮官提供戰(zhàn)場態(tài)勢感知。戰(zhàn)役級(jí)指揮官能夠通過遠(yuǎn)程地面終端商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口和現(xiàn)有軍事終端接口直接分配載荷任務(wù)和下傳數(shù)據(jù)。

美陸軍正在開發(fā)傳感器到射手（S2S）原型系統(tǒng)，以增強(qiáng)目標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)軍事人員及相關(guān)支持平臺(tái)的任務(wù)效率，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用快速響應(yīng)多層S2S能力。原型系統(tǒng)將推進(jìn)多個(gè)復(fù)雜和相關(guān)聯(lián)領(lǐng)域的技術(shù)成熟度，包括使能決策支持系統(tǒng)、多層傳感器管理、動(dòng)態(tài)自主任務(wù)派遣以及作戰(zhàn)管理顯示和態(tài)勢感知。這包括運(yùn)行和管理多個(gè)層如高空層（HAL）和戰(zhàn)術(shù)空間層（TSL）的信息的能力。這些原型系統(tǒng)可以縮短多層傳感器的數(shù)據(jù)任務(wù)下達(dá)、收集、處理、利用和分發(fā)（TCPED）時(shí)間，將采用數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和推理來加快數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和交付，以高置信度確保任務(wù)執(zhí)行。

SMDC早期的各個(gè)衛(wèi)星項(xiàng)目都采用專用地面控制設(shè)計(jì)與架構(gòu)。當(dāng)時(shí)，普遍采用價(jià)格相對(duì)便宜的UHF控制系統(tǒng)天線和單頻調(diào)諧無線電系統(tǒng)。SMDC ONE和“鷹眼”Block II都有專門建造的專用地面系統(tǒng)。隨著軟件無線電的發(fā)展，以及向非UHF頻段的轉(zhuǎn)移，各項(xiàng)目轉(zhuǎn)而采用較為昂貴但能力更強(qiáng)的軟件無線電和拋物面天線。

2014年，SMDC確立了采用各項(xiàng)目可重復(fù)使用的通用地面系統(tǒng)的目標(biāo)，在考慮和研究了可用商業(yè)服務(wù)的可行性后，最終采購了幾套成熟的商用無線電系統(tǒng)用于地面操作。

2017年，SMDC技術(shù)中心建立了有效載荷演示實(shí)驗(yàn)室（PDL），旨在將小衛(wèi)星指揮控制與遙測地面基礎(chǔ)設(shè)施集中到SMDC技術(shù)中心小衛(wèi)星和載荷的通用共享體系架構(gòu)中。PDL提供成熟的商用地面控制軟件和軟件無線電能力，并可接入多個(gè)S波段和X波段天線，不再需要各個(gè)項(xiàng)目開發(fā)自己的地面站架構(gòu)，并將重點(diǎn)和預(yù)算集中到載荷開發(fā)上。

PDL由位于SMDC總部的一個(gè)主要控制節(jié)點(diǎn)組成，并與紅石兵工廠由SMDC設(shè)計(jì)和開發(fā)的天線綜合設(shè)施相連。該綜合設(shè)施提供了從PDL到SMDC小衛(wèi)星指揮控制和載荷數(shù)據(jù)下傳天線的直接連接。PDL還將協(xié)助演示數(shù)據(jù)路由的可能性，模擬從戰(zhàn)術(shù)站點(diǎn)直接下達(dá)指令以及數(shù)據(jù)下傳和分發(fā)。這將展示地面控制站向現(xiàn)有美陸軍網(wǎng)絡(luò)提供信息并將這些信息吸收到陸軍系統(tǒng)中的可行性。

紅石兵工廠天線綜合設(shè)施

2021年4月19日，美國陸軍“有保證定位、導(dǎo)航和授時(shí)（APNT）/空間跨職能團(tuán)隊(duì)”批準(zhǔn)了“戰(zhàn)術(shù)空間層（TSL）”簡要能力發(fā)展文件，目的是推動(dòng)戰(zhàn)術(shù)空間層的快速開發(fā)和部署，縮短“傳感器到射手”時(shí)間，幫助美國陸軍實(shí)施多域戰(zhàn)，特別是在“反介入/區(qū)域拒止”（A2/AD）環(huán)境下。

“戰(zhàn)術(shù)空間層”計(jì)劃由美國陸軍未來司令部領(lǐng)導(dǎo)，將探索利用低軌衛(wèi)星為士兵提供偵察、導(dǎo)航和成像能力。美國陸軍未來司令部表示，戰(zhàn)術(shù)空間層將提供深度區(qū)域感知、快速目標(biāo)定位和無與倫比的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力，利用戰(zhàn)術(shù)空間層將使美國陸軍在GPS系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確火力（LRPF）和地面機(jī)動(dòng)。戰(zhàn)術(shù)空間層還將與美國陸軍戰(zhàn)術(shù)情報(bào)目標(biāo)訪問節(jié)點(diǎn)（TITAN）集成。TITAN是美國陸軍下一代情報(bào)地面站，是實(shí)現(xiàn)深度感測和縮短傳感器到射手時(shí)間的主要組件，能夠訪問空中和地面?zhèn)鞲衅?，識(shí)別目標(biāo)并直接向支持遠(yuǎn)程精確火力的火力網(wǎng)絡(luò)提供目標(biāo)數(shù)據(jù)。

美國陸軍計(jì)劃將在2021年晚些時(shí)候在歐洲、非洲以及太平洋部隊(duì)的一系列實(shí)彈演習(xí)中評(píng)估和測試戰(zhàn)術(shù)空間層原型。美國陸軍“融合項(xiàng)目”也將評(píng)估戰(zhàn)術(shù)空間層原型。

準(zhǔn)備好隨時(shí)部署、作戰(zhàn)并能在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)在聯(lián)合多域高強(qiáng)度沖突中以決定性優(yōu)勢戰(zhàn)勝對(duì)手，是美國陸軍未來要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。美國陸軍缺乏足夠的受保護(hù)戰(zhàn)術(shù)通信、有保障PNT、縱深感知和快速響應(yīng)遠(yuǎn)程目標(biāo)瞄準(zhǔn)能力以及先進(jìn)處理能力，用以支持在新的對(duì)抗作戰(zhàn)環(huán)境下的戰(zhàn)術(shù)響應(yīng)作戰(zhàn)。

目前，在多域戰(zhàn)場空間的深度和廣度內(nèi)，美陸軍建制傳感器的作用范圍、持久性、準(zhǔn)確性、生存能力和及時(shí)性均不足以能揭示對(duì)等對(duì)手的威脅意圖、戰(zhàn)略、能力和戰(zhàn)術(shù)。低成本、小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展為戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)從空間資產(chǎn)中獲益開辟了一個(gè)新領(lǐng)域。技術(shù)進(jìn)步將實(shí)現(xiàn)未來戰(zhàn)術(shù)空間層，提供受保護(hù)的高帶寬、低延遲通信；近實(shí)時(shí)多域情報(bào)（MDI）；備用PNT能力和傳感器到射手解決方案，支持美國陸軍到2028年裝備多域戰(zhàn)基本能力，到2035年前具備多域戰(zhàn)完備能力。

美國太空發(fā)展局（SDA）正在建設(shè)由七層小衛(wèi)星網(wǎng)狀網(wǎng)構(gòu)成的下一代太空架構(gòu)，將滿足多重軍事需求。美國陸軍將需要有能夠利用SDA分層架構(gòu)和其他天基傳感源的地面站，以模塊化、可擴(kuò)展的形式為戰(zhàn)場火力系統(tǒng)提供近實(shí)時(shí)信息，支持從旅到軍一級(jí)編隊(duì)。這些遠(yuǎn)征移動(dòng)地面站將利用人工智能（AI）縮短殺傷鏈，實(shí)現(xiàn)跨域火力攻擊，并提供對(duì)當(dāng)前和未來國家、商用和各軍種天基資產(chǎn)的有保證訪問。美國陸軍將持續(xù)推行太空力量現(xiàn)代化，持續(xù)投資開發(fā)相關(guān)技術(shù)，最大限度地為未來多域戰(zhàn)提供空間能力支持。

本文轉(zhuǎn)載自“電科小氙”，原標(biāo)題《美國陸軍小衛(wèi)星應(yīng)用發(fā)展研究》