美国军事作战空间使能效果卫星项目进展.docx

美国“军事作战空间使能效果”卫星项目进展 李云美国国防高级研究项目局(DARPA)战术技术办公室于2012年3月正式提出“军事作战空间使能效果” (SeeMe)战术侦察卫星项目，并先后举办了SeeMe项目的工业日研讨会和跨部门意见征询书，向工业界全面介绍了该项目的发展目标、实施路线、关键技术领域、工程实现的技术挑战等信息，并开始向包括移动电话、工业机械、CMOS固态器件、赛车和医疗器械等工业领域机构征询关键技术的创新方案。目前，已进入项目实施的第一阶段，并于2012年12月向雷声公司授出一份价值约95万美元的SeeMe卫星合同。SeeMe项目将通过研制短寿命、低成本的小型卫星并利用空射火箭将其发射到非常低的轨道构成星座，使其与战场通信系统和“智能”手持设备组网，为战场基层人员（如以班为单位）提供可靠连续的信息。整个项目的最大挑战在于如何以相当于很小部分飞机（包括发射）成本的系统价格对选定的纬度带提供连续的星座覆盖，即达到单颗卫星成本（不包括发射和地面运行）不能超过50万美元的要求。一、SeeMe项目的发展背景国防高级研究项目局实施SeeMe项目，一方面旨在满足美军基层作战人员对按需传送战前、战中和战后战场态势感知信息的图像情报需求；另一方面符合美军目前重塑其军用卫星体系结构的新思路。1美军基层作战人员目前缺乏天基信息支持覆盖连续且按需发送的卫星图像情报具有重要军事用途，它可以提高任务成功的可能性并降低作战人员风险。多年来，美军一直致力于开发研制价格昂贵、寿命较长的大型复杂侦察卫星，这些卫星系统除了满足日常情报侦察需要外，还在军事作战期间提供关键的战场态势数据。但是由于无法获取这些卫星的过顶机会、缺少信息分发链路以及受到卫星图像情报优先级冲突和或保密限制，导致战场基层作战人员无法及时按需获取战场情报。而与此同时，与美军进行作战的武装分子却可以利用商业图像服务获得相关情报，形成了一定的不对称优势。因此，美军虽然花费巨资发展了世界上最先进的侦察卫星系统，但战场基层作战人员仍普遍感到缺乏天基信息的有效支持。SeeMe项目将通过一个按照战场进度要求发射组成的低成本卫星星座直接向战场基层作战人员按需提供有用信息。2美军正在积极构建新的军用卫星体系结构美国政府在新一代传统大型复杂军事卫星的计划实施中遭遇了太多“拖”、 “涨”、 “降”问题，有些项目甚至因此而取消。其原因之一在于，美军过度追求卫星的“通用性”，一个军事卫星系统需要兼顾多种军事需求，一颗卫星或安装多种任务载荷或单个载荷复杂程度高，从而导致卫星研制难度和风险大幅提高。例如，美军被迫重组或取消的“未来成像架构体系” (FIA)侦察卫星计划和“国家极轨环境卫星系统” (NPOESS)气象卫星计划均曾存在这样的问题。此外，即使研制成功，这类卫星仍然可能出现在轨故障或发射失败。而由于成本昂贵，政府一般不会实施其备份系统的研制，这直接加大了美军重要空间能力处于断层的风险。为了改变这种现状，美军提出了重塑卫星体系结构的解决方法，提倡发展“分散式”卫星体系结构，即将复杂的军事卫星任务分解为数目较多、功能较简单的卫星任务。SeeMe项目改变研制高成本、长寿命的复杂大型卫星的传统思路，转向以低成本、短寿命的简单小卫星完成战场态势感知任务，是落实美军“分散式”卫星体系结构构建思路的重要体现。二、SeeMe项目的设计需求国防高级研究项目局根据国防部提出的“美军在90天内完成全球军事战争准备、在90分钟内向前线作战人员分发数据以及利用空射辅助进入太空 (ALASA)项目开发的火箭发射卫星”等三方面要求，对SeeMe项目的卫星星座、轨道、性能等提出了指标要求。SeeMe项目将建立一个由24颗小卫星不均匀分布组成的星座。其中，单颗卫星的质量为45千克，设计寿命为4590天，空间分辨率为0.751.2米，成本为50万美元（发射与地面支持和运行费用不计在内）。卫星将运行在轨道高度为200350千米的低地球轨道上，整个星座将实现对南纬10度北纬10度之间区域的持续覆盖，且重访周期小于90分钟。此外，SeeMe卫星的研制、发射和运行还需满足快速和简便的要求，具体如下：(1)研制过程：在收到卫星研制需求90天内，利用商业现货部件完成24颗卫星建造；卫星和火箭之间采用“即插即用”接口，确保在1296小时内快速完成卫星与火箭的集成工作，并进行自主检测；确保集成流程简单易懂，使只有较少知识或培训经验的飞行员、海员或士兵也能完成总装工作。(2)发射过程：将24颗SeeMe卫星至少分成3组，利用现有的商业或军事运输方法运送到全球范围内的民用机场或军事基地等待发射，进而验证SeeMe卫星能够像常规军需品一样，利用商业或军事集装箱进行储存和运输。(3)运行过程：SeeMe卫星入轨后，可在1296小时内完成自主在轨检测与校准工作，并开始在轨运行；每颗卫星均能同时支持10个地面用户，从地面用户通过手持设备或通信系统直接向卫星提出成像请求到接收图像数据用时不超过90分钟。三、SeeMe项目的关键技术领域按照SeeMe项目设计需求，SeeMe项目将主要包括2个关键技术领域：技术领域1是基于商业现货部件以非连续方式研制卫星系统的技术；技术领域2是非传统光学孔径和成像技术。技术领域1旨在采用非宇航级商业现货部件，以非连续方式制造卫星系统，同时满足低成本和快速研制的要求一一此处的非连续方式是指SeeMe卫星根据军事作战要求的时间和数量进行研制。具体地，该领域需要实现以下3个目标：(1)不管军事作战对SeeMe卫星系统的需求如何，始终以要求的固定单星价格进行非连续性生产。在非连续性生产过程中，可以利用现有的非宇航产品线、加工技术和机器设备，以及非宇航工业部门的高批量生产线，如快速、低成本制造技术（移动电话行业普遍采用的原始设备制造商OEM方式），推进技术（赛车行业采用的一氧化二氮高压推进技术），固态部件（工业机械电子部件），以及阀门技术（医疗器械行业的气动阀技术）等。(2)通过利用商业现货部件的固有可靠性来确保卫星平台的可靠性。目前，许多工业部门生产的非宇航部件的可靠性都达到甚至超过了低端宇航部件的要求。这些高可靠性商业现货部件和分系统可以用于制造一些可靠性要求不是十分苛刻的卫星系统。这样不仅能降低成本，加速研制进度，还能促进非宇航级工业部门开发一些创新的质量保证和系统工程方法与流程，进一步提高商业现货部件的可靠性。(3)商业现货部件以一定的速度和周期进行更新换代，因此，SeeMe卫星系统可以更快速地引入更新换代的新产品和新技术。在SeeMe卫星研制过程中，预先就考虑到商业现货部件和产品的淘汰更新，以及一些新技术、新方法的出现，进而使SeeMe卫星系统所用商业现货部件与用户终端软硬件保持一致的更新换代速度。技术领域2将利用非传统可展开射频和成像孔径，以及传统或非传统图像处理技术，使光电系统以最低的成本和质量达到成像传感器性能最大，实现与战区装备直接通信、快速响应成像需求和图像数据分发。具体地，该领域需要实现以下3个目标：(1)开发可见光成像孔径技术，实现在300千米低地球轨道上获取一定区域（例如5千米5千米）的分辨率优于1.5米的图像数据。(2)开发射频通信技术，实现直接接收来自用户手持设备（例如安卓智能移动终端）的低带宽成像请求。用户通过手持设备发送成像目标区域的经度和纬度信息、成像时间和用户ID号，SeeMe卫星成像后以适当的数据率将图像发送至主叫用户设备，或通过战区地面站再进一步分发到主叫用户设备。(3)通过采用传统或非传统图像处理技术，增强传统孔径光学系统的整体能力，提升SeeMe卫星系统的信息分发效能。四、SeeMe项目的进度安排SeeMe项目将在未来几年内分3个阶段实施，并最终于20142015年实现整个方案的在轨演示验证。第一阶段为早期独立研究阶段，各投标商可就2个关键技术领域的创新设计方案分别竞标，对非宇航级商业现货部件进行测试和验证，完成初步设计评审。该阶段计划历时14个月，总经费约4500万美元。第二阶段为制造、集成和系统测试阶段，投标商可以组成团队或独立对整个项目总体解决方案设计进行竞标，完成关键设计评审；至少完成6颗卫星的制造，并保证至少2颗卫星完成相关的环境试验。该阶段计划历时15个月。第三阶段为系统在轨演示验证阶段，承包商将完成24颗卫星的研制工作，并利用ALASA火箭进行空中发射，完成整个星座的飞行验证。该阶段计划历时12个月。五、SeeMe项目的特点分析SeeMe项目将通过卫星研制模式、卫星有效载荷技术和发射部署方式3个方面的创新突破，探索新型军事航天装备发展应用模式，建立起一个面向战场应用的快速响应航天信息支援体系。SeeMe项目突出满足战术需求战术技术办公室是国防高级研究项目局6个技术办公室之一。该办公室开展的研发项目旨在为先进武器系统、平台和太空系统开发高风险、高回报的便捷、移动和作战响应性能。SeeMe作为战术技术办公室开展的项目之一，将突出对战场战术需求的快速响应能力。SeeMe卫星从组装集成到发射再到运行，通过一系列的便捷常规操作均突出了对时间的严格要求，从而实现了卫星研制可在90天内完成发射准备、卫星运行可在90分钟内向前线作战人员分发数据、卫星可进行常规存储运送和在民用机场发射。SeeMe项目以低成本为前提SeeMe项目将以低成本作为最高优先级，在此要求下权衡卫星的各项指标，最终实现卫星研制模式从“以性能为中心”向“以成本为中心”的转变。SeeMe卫星星座不仅比传统长寿命高性能卫星系统成本低得多，而且与盘旋在多个战场的一系列无人机(UAV)相比，成本也更低，且覆盖范围更广，单颗卫星成本只有50万美元。为了实现SeeMe卫星研制发射的超低成本要求，该项目将采用非宇航级商业现货部件进行卫星平台研制，投资或集成菲传统孔径（包括射频或光学）技术，这可能会大幅度降低卫星寿命等。SeeMe项目是一个集成创新项目SeeMe项目在卫星研制上要实现非连续生产方式且保持低成本，在成像和通信技术上将开发非传统的射频和成像孔径技术，而在卫星部署方式上将采用以往不常用的低成本空射火箭。这不仅需要集成国防高级研究项目局以往项目的成果，如非传统成像孔径技术有赖于其 “莫尔纹” (MOIRE)项目中薄膜衍射光学成像技术的攻克、卫星的发射需要ALASA火箭项目的成功；而且需要集合包括移动电话、工业机械、CMOS固态器件、赛车和医疗器械等工业领域在内的技术创新支持。六、结束语SeeMe项目作为国防高级研究项目局近期提出的新构想，将寻求卫星设计、研制、部署和运行模式的彻底变革，以低成本为高优先级目标，利用非连续的研制方式和先进的成像与通信技术，来实现快速满足基层作战人员的战术应用需求的目标，需要引起关注，但同时要意识到该项目作为一个创新和探索项目在某种程度上会存在着不确定性。 -全文完-