● 文|北京空間科技信息研究所 張召才

美軍典型小衛(wèi)星軍事應用模式案例分析

● 文|北京空間科技信息研究所 張召才

當前全球范圍內，以信息化為主要特征的新型作戰(zhàn)模式強調力量資源集成，注重作戰(zhàn)行動協(xié)調，驅動軍事航天發(fā)展開始轉型，使得小衛(wèi)星獲得廣泛軍事應用，催生了全新的作戰(zhàn)理念和作戰(zhàn)模式，推動航天裝備從支撐作戰(zhàn)開始向融入作戰(zhàn)轉變，縮短了從天基敏感器到戰(zhàn)場指揮官的指控鏈條，提升了信息化條件下的網絡中心戰(zhàn)效能。

截至2015年5月底，全球共有411顆小衛(wèi)星（質量低于500kg）在軌運行。其中，美國在軌小衛(wèi)星數(shù)量高達167顆，是小衛(wèi)星在軌數(shù)量最多的國家。自美國國防部啟動“作戰(zhàn)響應空間”（ORS）計劃以來，美軍以ORS計劃為先導，輻射帶動了一大批面向軍事應用的小衛(wèi)星項目，驅動小衛(wèi)星業(yè)務化水平不斷提升。當前，小衛(wèi)星已在戰(zhàn)場通信、偵察監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)測、空間攻防等領域具備裝備化應用能力。

一、小衛(wèi)星融入軍事應用的關鍵前提

小衛(wèi)星融入軍事作戰(zhàn)必須解決一系列問題。傳統(tǒng)模式下，航天裝備支持作戰(zhàn)有其固有流程和模式。戰(zhàn)區(qū)指揮官在發(fā)出作戰(zhàn)任務申請后，需多層申請、審批、經頂層資源分配和任務規(guī)劃后才能獲得天基力量支持，整個周期往往需耗時30天以上。美軍通過優(yōu)化指控鏈路、簡化指控操作等一系列措施，將小衛(wèi)星響應戰(zhàn)區(qū)需求的時間縮短至幾分鐘，滿足了現(xiàn)代作戰(zhàn)對裝備能力的時敏性需求。

1.下放任務控制權，縮短衛(wèi)星指控鏈條

傳統(tǒng)軍事航天裝備以服務國家決策中樞為發(fā)展宗旨，首要目的是滿足戰(zhàn)略級應用需求，其在發(fā)展思路、設計理念、運營管理、資源調度乃至信息授權范圍等方面都未將作戰(zhàn)部隊的戰(zhàn)術應用需求納入考慮范圍。以成像偵察衛(wèi)星為例，美軍天基成像偵察系統(tǒng)長期由國家偵察局（NRO）主導建設、運行控制和管理調度，并發(fā)展了以“鎖眼”（Keyhole）為代表的超高分辨率成像偵察衛(wèi)星。但是，受權限制約，一方面，戰(zhàn)區(qū)指揮官無法直接調控在軌衛(wèi)星資源，需由基層部隊將作戰(zhàn)需求（如成像偵察區(qū)域、作戰(zhàn)時間等）由下向上，逐層報至美國本土決策頂層，再經統(tǒng)籌協(xié)調后，安排在軌衛(wèi)星獲取天基成像偵察圖像，由美國本土處理后，再逐層下發(fā)至戰(zhàn)區(qū)部隊?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭模式下，戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，層級申請，逐次審批必將喪失戰(zhàn)場主動權，貽誤戰(zhàn)機。另一方面，傳統(tǒng)航天裝備獲取的天基偵察圖像和情報信息往往保密級別很高，戰(zhàn)區(qū)指揮官往往不具備數(shù)據(jù)閱覽權限，導致美軍作戰(zhàn)部隊無法發(fā)揮美軍優(yōu)勢航天裝備的最大效能。

為發(fā)揮天基信息采集和傳輸?shù)臅r效性，使“制天權”真正轉變?yōu)椤爸菩畔唷?，美軍以ORS計劃為抓手，逐步探索航天裝備快速響應作戰(zhàn)需求的模式，真正實現(xiàn)“管”、“控”分離，將衛(wèi)星任務控制權下放至戰(zhàn)區(qū)，衛(wèi)星運管權仍由傳統(tǒng)航天部門負責。這種變革明晰了衛(wèi)星在作戰(zhàn)中的價值定位，以及戰(zhàn)區(qū)指揮官對戰(zhàn)術衛(wèi)星資源的直接調控權。前方作戰(zhàn)部隊可根據(jù)作戰(zhàn)需求直接對衛(wèi)星下達成像偵察指令，直接獲取情報數(shù)據(jù)，大大縮短了指控鏈路。ORS-1衛(wèi)星是全球首個面向作戰(zhàn)部隊服務的情報、監(jiān)視和偵察（ISR）衛(wèi)星，由美國空軍負責運行管理，但其任務控制權直接隸屬于負責中東、中亞地區(qū)作戰(zhàn)事務的美國中央司令部，為其提供急需的戰(zhàn)場態(tài)勢感知服務，并可以定期為太平洋司令部或不定期為非洲司令部和特種部隊提供ISR服務。戰(zhàn)術衛(wèi)星-4（TacSat-4）由美國海軍負責運管，在軌試驗期間美國陸軍、海岸警衛(wèi)隊等均直接調用衛(wèi)星進行了通信能力測試。陸軍SMDC發(fā)展的“隼眼”（Kestrel Eye）也是直接面向作戰(zhàn)部隊，將衛(wèi)星使用權和調度權下放至基層作戰(zhàn)部隊。采用“管”“控”分離體制，美軍完全下放了衛(wèi)星裝備任務控制權，使衛(wèi)星一改脫離戰(zhàn)場的傳統(tǒng)狀態(tài)，成為與無人機一樣的作戰(zhàn)裝備，使其在以信息戰(zhàn)、大縱深、超視距、精確打擊為特征的未來戰(zhàn)爭中能夠最大化發(fā)揮效能。

2.實現(xiàn)界面化指控，簡化衛(wèi)星指控模式

小衛(wèi)星融入軍事作戰(zhàn)，應建立天地一體化的作戰(zhàn)概念。實際上，在軍事作戰(zhàn)應用中，小衛(wèi)星只負責提供天基信息獲取和傳輸支持，其融入軍事作戰(zhàn)的大部分效能需通過地面系統(tǒng)實現(xiàn)。沒有地面快速指揮控制，依托小衛(wèi)星建立的天基能力優(yōu)勢就無法轉變?yōu)橹蔚孛娌筷犠鲬?zhàn)的信息優(yōu)勢。

傳統(tǒng)衛(wèi)星指揮控制需要由專業(yè)人員利用大型復雜的地面設備，通過一系列標準化操作和專業(yè)指令輸入完成。小衛(wèi)星融入軍事作戰(zhàn)，這種傳統(tǒng)指控模式將成為嚴重短板。一方面，受戰(zhàn)區(qū)現(xiàn)地條件、作戰(zhàn)部隊機動等諸多因素制約，無法部署大型專業(yè)地面指控設備。采用傳統(tǒng)指控模式，必將使作戰(zhàn)用戶與天基能力脫節(jié)。另一方面，基層部隊作戰(zhàn)人員缺乏專業(yè)培訓，無法快速、準確的完成傳統(tǒng)航天裝備指揮控制操作。因此，研制便攜易用、操作簡單的衛(wèi)星指揮控制系統(tǒng)，成為發(fā)揮小衛(wèi)星軍事作戰(zhàn)效能的關鍵。

美軍為增強作戰(zhàn)部隊直接指派衛(wèi)星任務的能力，不斷提升航天裝備對作戰(zhàn)部隊的支持，提出發(fā)展“虛擬任務操作中心”（VMOC）系統(tǒng)。VMOC是可運行于移動終端的界面化衛(wèi)星指揮控制系統(tǒng)，其設計采用類似Windows界面的設計理念，方便用戶在便攜終端上集成使用。VMOC于2002年啟動研究，經過10余年發(fā)展，目前已全面具備了裝備應用和支持小衛(wèi)星融入作戰(zhàn)的能力?；赩MOC技術，作戰(zhàn)用戶可以通過“4W”，即選擇“任務區(qū)域”（Where）、“任務方式”（How）、“任務類型”（What）和“任務時間”（When）的流程完成作戰(zhàn)任務規(guī)劃、數(shù)據(jù)接收、處理和分發(fā)操作，見圖1。

圖1 VMOC能力發(fā)展時序圖

本質上看，VMOC是一種基于IP的指揮控制系統(tǒng)，能夠支持基于IP協(xié)議的衛(wèi)星平臺或遙感器，通過“保密因特網協(xié)議路由器網”（SIPRNet），實現(xiàn)有效載荷任務規(guī)劃和數(shù)據(jù)分發(fā)功能。在網絡中心戰(zhàn)指導思想下，VMOC將已有和新的軟件工具綜合集成，可供作戰(zhàn)部隊在終端設備上指揮控制衛(wèi)星。通過SIPRNet網絡，VMOC為戰(zhàn)術用戶提供衛(wèi)星系統(tǒng)的交互界面，衛(wèi)星平臺或遙感器都分配到一個SIPRNet網絡地址，戰(zhàn)場指揮員可以通過SIPRNet網絡進行訪問，并實現(xiàn)類似“聯(lián)邦快遞”服務的能力，使用戶能夠跟蹤其數(shù)據(jù)需求的狀態(tài)，從而使作戰(zhàn)用戶感覺正在操作衛(wèi)星。美國空軍衛(wèi)星控制網（AFSCN）提供星地聯(lián)絡能力支持。除衛(wèi)星指控、任務規(guī)劃、數(shù)據(jù)處理和分發(fā)等功能外，VMOC還集成了“資源集成、同步和管理規(guī)劃工具”（PRISM），在執(zhí)行成像偵察作戰(zhàn)任務時，可自動采集“空軍氣象中心”（AFWC）氣象數(shù)據(jù)，獲取戰(zhàn)區(qū)云層遮擋數(shù)據(jù)并反饋給作戰(zhàn)指揮官，以優(yōu)化作戰(zhàn)任務規(guī)劃，增強天基成像偵察效果。

依托美軍發(fā)展的“分布式通用地面系統(tǒng)”（DCGS）、SIPRNet網和“全球信息柵格”（GIG）等網絡信息系統(tǒng)，戰(zhàn)區(qū)指揮官利用VMOC，可在1～2min內將指控指令注入到過頂?shù)脑谲壭l(wèi)星系統(tǒng)。并且，由于VMOC采用界面化設計，回避了傳統(tǒng)衛(wèi)星輸入專業(yè)指令的指控模式，使得美軍具備了ISR小衛(wèi)星“即指即拍”作戰(zhàn)能力。目前，VMOC已成為未來小衛(wèi)星融入作戰(zhàn)任務制定的可視化工具，協(xié)助作戰(zhàn)用戶及時獲取衛(wèi)星任務狀態(tài)、制定分配任務，并協(xié)調不同用戶需求，實現(xiàn)最大作戰(zhàn)效能，見圖2。

圖2 VMOC應用與任務規(guī)劃功能

二、美軍典型小衛(wèi)星軍事應用模式

美國是推動小衛(wèi)星實戰(zhàn)化應用的主力軍，發(fā)展了大批技術試驗和概念驗證小衛(wèi)星項目，實踐了小衛(wèi)星軍事作戰(zhàn)模式和作戰(zhàn)流程，并在全球率先部署了直接面向基層作戰(zhàn)部隊的業(yè)務型小衛(wèi)星系統(tǒng)?，F(xiàn)階段，美軍小衛(wèi)星偵察監(jiān)視應用能力和作戰(zhàn)概念發(fā)展較為成熟，值得重點研究分析。

1.ORS-1衛(wèi)星直接面向作戰(zhàn)部隊，是小衛(wèi)星融入作戰(zhàn)應用先驅

在國防部ORS計劃主導推進下，美軍通過3顆“戰(zhàn)術衛(wèi)星”（TacSat）和ORS-1等4顆衛(wèi)星持續(xù)在軌驗證與能力升級，已經建立了成熟的小衛(wèi)星融入作戰(zhàn)概念，在軌小衛(wèi)星系統(tǒng)運行高效，成果顯著。

美國空軍航天司令部第14航空隊第50航天聯(lián)隊第1空間操作中隊負責通過空軍衛(wèi)星控制網（AFSCN）對ORS-1衛(wèi)星進行運行控制，控制中心是位于美國洛杉磯空軍基地的多任務空間操作中心（MMSOC）?；贠RS作戰(zhàn)概念，ORS-1衛(wèi)星可直接向戰(zhàn)區(qū)提供天基圖像情報支持，并形成了常規(guī)任務與緊急任務兩種小衛(wèi)星融入作戰(zhàn)應用模式。

常規(guī)任務對時間敏感性要求較低，作戰(zhàn)部隊可將任務申請通過SIPRNET網提交至美國空軍空間操作中心（SOC），再由SOC通過天基通用數(shù)據(jù)鏈（Space CDL）地面站制定成像任務并上傳至衛(wèi)星。衛(wèi)星在接收到指令并響應后，將獲取的天基成像偵察數(shù)據(jù)下傳至CDL地面站，經地面中心處理生成圖像情報產品后，由SIPRNET網向作戰(zhàn)用戶分發(fā)。

圖3 ORS-1衛(wèi)星作戰(zhàn)概念圖

緊急任務（或戰(zhàn)術任務）要求快速響應，迅速及時獲得天基能力支持。作戰(zhàn)部隊使用VMOC系統(tǒng)，通過戰(zhàn)區(qū)“戰(zhàn)術地面站”（TGS）制定衛(wèi)星偵察成像任務和接收圖像數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)集成到DCGS站點進行處理和分發(fā)，處理得到的情報數(shù)據(jù)將再次通過VMOC界面顯示給用戶。在緊急任務應用模式下，從戰(zhàn)場指令下達到完成數(shù)據(jù)下傳的響應周期最高可縮短至6.5min。圖3為ORS-1衛(wèi)星作戰(zhàn)概念圖。此外，ORS計劃注重發(fā)展開放式、網絡化體系作戰(zhàn)能力，采用通用化、標準化接口與協(xié)議，實現(xiàn)與美軍現(xiàn)有系統(tǒng)融合。作為實戰(zhàn)型應用系統(tǒng)，ORS-1衛(wèi)星通過VMOC和DCGS完全融入了美軍的ISR網絡體系。作戰(zhàn)用戶通過VMOC制定ORS-1衛(wèi)星成像任務和接收數(shù)據(jù)，并與DCGS的任務分配、處理、開發(fā)和分發(fā)（TPED）系統(tǒng)兼容，美軍原有的處理機載數(shù)據(jù)的圖像處理模塊可直接用于處理衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多源戰(zhàn)場情報數(shù)據(jù)的快速處理、融合和分發(fā)。作戰(zhàn)用戶還可以利用ORS-1衛(wèi)星獲取圖像情報指引無人機等航空偵察裝備對目標地區(qū)進行更詳細偵察。

2.SeeMe采用“小衛(wèi)星、大星座”理念，完成即指即拍作戰(zhàn)概念驗證

SeeMe項目是DARPA在2012年提出的創(chuàng)新研究項目，計劃以24顆低成本小衛(wèi)星構建低地球軌道星座，滿足戰(zhàn)術應用需求，解決戰(zhàn)場態(tài)勢感知數(shù)據(jù)獲取不足，以及無法向基層作戰(zhàn)人員按需提供衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)等問題。2013年10月，千禧年空間系統(tǒng)（Millennium Space）公司宣布成功研制出SeeMe衛(wèi)星平臺，并利用高空氣球驗證了“即指即拍”作戰(zhàn)概念。

SeeMe星座采用S頻段實現(xiàn)星間互聯(lián)、指令上傳和數(shù)據(jù)下傳，并利用碼分多址（TDMA）技術避免頻率沖突，使得單顆SeeMe衛(wèi)星可同時支持10個地面用戶。在SeeMe項目想定作戰(zhàn)概念下，允許作戰(zhàn)部隊通過手持終端操作，即可在90min內接收到用戶指定精確位置的衛(wèi)星圖像。SeeMe項目以“小衛(wèi)星、大星座”理念發(fā)展天基戰(zhàn)術偵察能力，具有長期過頂、快速響應特點，在應用理念上與無人機系統(tǒng)相似，可持續(xù)提供目標區(qū)域高分辨率戰(zhàn)術應用圖像。

SeeMe衛(wèi)星響應軍事作戰(zhàn)需求，融入作戰(zhàn)的應用流程為：①作戰(zhàn)用戶制定作戰(zhàn)任務規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)天基能力不足，提出申請發(fā)射SeeMe衛(wèi)星；②研制團隊接到衛(wèi)星發(fā)射申請，快速提取倉儲預制部件和載荷，快速組裝、集成與測試；③衛(wèi)星運抵預定基地（即常規(guī)機場），以機載空中發(fā)射方式發(fā)射入軌；④衛(wèi)星入軌后12～96h內自主完成在軌檢測與校準，實現(xiàn)業(yè)務運行，提供業(yè)務服務和軍事作戰(zhàn)支持；⑤戰(zhàn)區(qū)指揮官利用手持終端，基于類似VMOC的指控工具直接將作戰(zhàn)任務規(guī)劃上傳至單星或星座；⑥SeeMe衛(wèi)星響應任務指令，對任務規(guī)劃指定區(qū)域成像并直接下傳至用戶手持終端，完成任務響應,見圖4。

圖4 SeeMe 衛(wèi)星響應軍事作戰(zhàn)需求、融入作戰(zhàn)概念圖

3.“隼眼”具備10min快速響應能力，計劃2015年實施首次飛行驗證

“隼眼”（Kestrel Eye）是美國陸軍航天與導彈防御司令部（SMDC）在ORS計劃啟發(fā)下，于2008年啟動的面向戰(zhàn)術應用的小衛(wèi)星成像偵察項目，用于向前線基層作戰(zhàn)人員快速、按需提供近實時的戰(zhàn)場圖像數(shù)據(jù)。據(jù)美國消息透露，SMDC團隊曾在早期參與SeeMe項目研發(fā)，并把SeeMe項目部分研究成果集成到了Kestrel Eye“第二階段”（Block 2）任務中。

“隼眼”星座支持在10min內完成從前方作戰(zhàn)用戶發(fā)出任務請求到分發(fā)圖像的全部操作。根據(jù)美國陸軍2015財年預算，Kestrel Eye項目第一階段研制的18kg重量級小衛(wèi)星將于2015年完成首次在軌飛行，驗證成像偵察能力和軍事作戰(zhàn)概念。

兩項目能力對比見表1。

表1 SeeMe與Kestrel Eye項目能力對比

就體系能力和作戰(zhàn)概念看，Kestrel Eye與SeeMe極為相似，均采用“小衛(wèi)星、大星座”發(fā)展思路，支持“即指即拍”作戰(zhàn)模式，滿足戰(zhàn)術級應用需求。根據(jù)美國陸軍SMDC設定的作戰(zhàn)概念，Kestrel Eye衛(wèi)星融入作戰(zhàn)的應用流程為：①作戰(zhàn)用戶利用現(xiàn)有移動或固定地面站終端與Kestrel Eye衛(wèi)星建立通信鏈路；②基于類似VMOC的任務規(guī)劃平臺，用戶可用鼠標在界面顯示出的衛(wèi)星地面足跡點擊選擇目標區(qū)域；③任務規(guī)劃平臺自動判別用戶選定的區(qū)域是否超出星座成像范圍，如超出則彈出錯誤報警提示；④作戰(zhàn)用戶輸入成像偵察任務時間并點擊“發(fā)送至衛(wèi)星”按鈕，任務指令自動上傳至Kestrel Eye衛(wèi)星；⑤衛(wèi)星接收任務指令，并在設定時間對指定地區(qū)偵察成像；⑥圖像數(shù)據(jù)下傳至地面信息網絡，經處理后分發(fā)至作戰(zhàn)用戶，完成天基成像偵察支持任務，見圖5。

圖5 Kestrel Eye 星座支持戰(zhàn)術應用作戰(zhàn)概念圖

三、結束語

從ORS-1、SeeMe和Kestrel Eye三個典型案例不難看出，小衛(wèi)星軍事應用的核心是將航天裝備能力融入實戰(zhàn)應用，直接面向基層作戰(zhàn)部隊，提供戰(zhàn)場態(tài)勢信息獲取和傳輸支持。小衛(wèi)星軍事應用是閉環(huán)過程，其起點和終點均是基層作戰(zhàn)部隊。作戰(zhàn)部隊提出天基能力需求申請，開啟衛(wèi)星軍事應用流程；作戰(zhàn)部隊獲得戰(zhàn)場態(tài)勢信息，結束衛(wèi)星軍事應用流程。

另一方面，小衛(wèi)星裝備軍事作戰(zhàn)效能是星地全鏈路系統(tǒng)能力的綜合編成結果。美軍在不斷提高小衛(wèi)星技術能力的同時，注重星地全鏈路系統(tǒng)并進發(fā)展，逐步建立了可視化、便捷化、用戶友好的衛(wèi)星指控和任務規(guī)劃工具平臺，并集成到手持或車載移動終端，真正實現(xiàn)了小衛(wèi)星天基能力的裝備化、實戰(zhàn)化發(fā)展。

[1]張召才.美國深挖小衛(wèi)星潛力，欲提升軍事用天能力[J]衛(wèi)星應用，2015年(2)：37-44.

[2]Michael Scardera.ALTAlRTM： Millennium’s DARPA SeeMe Satellite Solution Technical (R)evolution,.28th Annual AlAA/USU Conference on Small Satellites, 2014.08.

[3]Mike Hurley.TacSat-4 Military utility in a small communication satellite, lAA-B9-1003, 2013.04.10.

[4]John R. London lll, Army Tactical Nanosatellites, AlAA-RS-2011-1001,2011.03.02.

[5]Travis Taylor.Low-Cost Tactical Space Capabilities, SMD Symposium,2013.08.14.

[6]Joel Hicks.VMOC Automated Mission Planning Now in Operations,ESA 4S, 2012.