美軍軍用衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展評(píng)述

王朝暉++楊甜

過(guò)去幾十年間，美國(guó)空軍的軍用衛(wèi)星系統(tǒng)都處于世界領(lǐng)先地位，但是在國(guó)防預(yù)算緊縮的背景下，平均花費(fèi)數(shù)十億美元、歷時(shí)多年的軍用衛(wèi)星發(fā)展模式也受到了國(guó)內(nèi)反對(duì)派的置疑，要求美國(guó)空軍對(duì)空間項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整改革。盡管面臨各種壓力，2015年4月23日，美國(guó)空軍還是在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)12顆新型衛(wèi)星中第九顆“GPS IIF-9”衛(wèi)星，這顆迄今最先進(jìn)的全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星具備更強(qiáng)大、更準(zhǔn)確的導(dǎo)航能力，標(biāo)志著美國(guó)空軍的空間戰(zhàn)略改革進(jìn)入了實(shí)質(zhì)階段。

DSP衛(wèi)星主要用于導(dǎo)彈預(yù)警

國(guó)防支援計(jì)劃（DSP）為美軍奉獻(xiàn)了多顆衛(wèi)星。DSP預(yù)警系統(tǒng)衛(wèi)星屬于地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO），用紅外傳感器檢測(cè)導(dǎo)彈和助推羽流的熱量，可為美國(guó)國(guó)家指揮機(jī)構(gòu)和作戰(zhàn)司令部提供導(dǎo)彈發(fā)射和核爆炸的早期監(jiān)測(cè)和預(yù)警探測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳送給美軍作戰(zhàn)部隊(duì)使用。由于DSP衛(wèi)星每10秒鐘就可以掃描一次整個(gè)地球表面，對(duì)火山噴發(fā)、森林大火等自然災(zāi)害有很強(qiáng)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力，因此DSP的紅外傳感器也可以作為民用預(yù)警系統(tǒng)使用。目前，航空航天公司已經(jīng)把DSP用于公共安全危害援助系統(tǒng)（HSS）。

1970年11月，美國(guó)空軍用“大力神-IIIC”火箭發(fā)射了第一顆DSP預(yù)警系統(tǒng)衛(wèi)星，之后30多年時(shí)間內(nèi)共發(fā)射了20顆，進(jìn)行了5次重大的技術(shù)革新。1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，DSP衛(wèi)星探測(cè)到伊拉克“飛毛腿”導(dǎo)彈發(fā)射，及時(shí)向聯(lián)軍、以色列和沙特阿拉伯的居民提供了幾分鐘的警報(bào)，美軍空中導(dǎo)彈防御部隊(duì)發(fā)射“愛(ài)國(guó)者”導(dǎo)彈擊落了多枚“飛毛腿”導(dǎo)彈。2007年11月，在人類(lèi)發(fā)射人造衛(wèi)星50周年之際，美國(guó)空軍使用德?tīng)査?Ⅳ火箭發(fā)射了最后一顆DSP系列導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星DSP-23。早在1995年，美國(guó)空軍就開(kāi)始尋找DSP的接班人，研發(fā)了戰(zhàn)區(qū)進(jìn)攻與發(fā)射預(yù)警系統(tǒng)（ALERT），用來(lái)向美國(guó)和盟軍提供近程彈道導(dǎo)彈進(jìn)攻的高質(zhì)量預(yù)警信息。

最終，洛克希德·馬丁公司的天基紅外預(yù)警系統(tǒng)（SBIRS）成為DSP預(yù)警系統(tǒng)衛(wèi)星的取代者，其由大型專(zhuān)業(yè)地球靜止軌道人造衛(wèi)星和其他軌道的衛(wèi)星系統(tǒng)組成。2011年中期，美國(guó)發(fā)射了第一顆SBIRS衛(wèi)星，該星呈球型，重5600磅，裝有寬視野紅外掃描探測(cè)器和窄視野多色凝視探測(cè)器，具備數(shù)字信號(hào)處理能力，和DSP衛(wèi)星相比，能夠?yàn)閷?dǎo)彈發(fā)射探測(cè)和攔截目標(biāo)定位提供更精確的制導(dǎo)數(shù)據(jù)。但是由于系統(tǒng)本身存在諸多問(wèn)題，研發(fā)經(jīng)費(fèi)成倍激增，這顆衛(wèi)星比預(yù)計(jì)發(fā)射時(shí)間推遲9年。2012年，天基紅外預(yù)警系統(tǒng)預(yù)算經(jīng)費(fèi)大幅增加，美國(guó)政府責(zé)任署（GAO）最近的一份報(bào)告指出，雖然每顆衛(wèi)星的研發(fā)經(jīng)費(fèi)有所縮減，但是技術(shù)研發(fā)和軟件合成的費(fèi)用相加也達(dá)到了30億美元，以保證到2025年SBIRS系統(tǒng)的所有衛(wèi)星都能投入運(yùn)轉(zhuǎn)。

GPS III衛(wèi)星2015年首次發(fā)射

GPS衛(wèi)星系統(tǒng)目前由31顆軌道衛(wèi)星組成，提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)數(shù)據(jù)，特別適合為空中武器系統(tǒng)精確制導(dǎo)。目前，美國(guó)空軍的GPS信號(hào)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了軍民通用。到2012年6月，美國(guó)2顆Block IIA衛(wèi)星已經(jīng)服役了20年，由于這種4000磅的衛(wèi)星相當(dāng)昂貴，所以空軍只購(gòu)買(mǎi)了2顆。

2010年5月，美軍發(fā)射了GPS IIF的第1顆衛(wèi)星，比計(jì)劃推遲了4年。2011年7月發(fā)射了第2顆，2012年10月發(fā)射了第3顆，第9顆已于2015年發(fā)射。GPS IIF 衛(wèi)星雖然比上一代的定位精度提高了2倍，地面接收機(jī)的精確度已經(jīng)小于3米，但是仍存在許多問(wèn)題：GPS IIF-1衛(wèi)星遇到天線樣式和發(fā)射機(jī)構(gòu)等問(wèn)題，GPS IIF-2的導(dǎo)航銫原子鐘也存在技術(shù)問(wèn)題。由于合同商在GPS IIF衛(wèi)星的建造過(guò)程中缺少專(zhuān)業(yè)技術(shù)和項(xiàng)目監(jiān)管，存在太多技術(shù)問(wèn)題，項(xiàng)目成本增加了一倍，從原來(lái)的7.29億美元激增至17億美元。

美國(guó)空軍近幾年一直在推進(jìn)GPS IIF的下一代衛(wèi)星GPS III衛(wèi)星的研發(fā)進(jìn)程，計(jì)劃采購(gòu)32顆GPS III衛(wèi)星，并要求在2015年發(fā)射首顆衛(wèi)星，隨之進(jìn)行重要的技術(shù)改造。美國(guó)空軍空間司令部指揮官威廉·L·謝爾頓將軍希望GPS III計(jì)劃成為執(zhí)行項(xiàng)目成本和研發(fā)計(jì)劃的“典范”，空軍提出精確的需求，承包商使用成熟的技術(shù)和研發(fā)的監(jiān)管，使GPS III建設(shè)步入正軌，確保上一代GPS衛(wèi)星退役后不發(fā)生斷代。但是由于導(dǎo)航有效負(fù)載數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)和技術(shù)問(wèn)題，GPS III首顆衛(wèi)星SV 01的組件集成在2015年5月剛剛完成，發(fā)射時(shí)間被迫推遲到2016年，交付給美國(guó)空軍的時(shí)間也相應(yīng)推遲。

“軍事星”的后繼者AEHF

美國(guó)空軍的軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)與中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（軍事星）由5顆衛(wèi)星組成，冷戰(zhàn)時(shí)期負(fù)責(zé)核戰(zhàn)爭(zhēng)條件下的三軍保密通信，傳送美國(guó)的核指令，目前的應(yīng)用重點(diǎn)由應(yīng)付核戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)略通信轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)戰(zhàn)術(shù)通信?！败娛滦恰泵款w重10000磅，加載了核防護(hù)措施，在核戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下也能正常工作?！败娛滦洽颉蓖ㄐ蓬l率選用EHF極高頻毫米波段，采用自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)、星上再生處理技術(shù)和擴(kuò)頻、跳頻技術(shù)，抗干擾能力超強(qiáng)。

由于超高的技術(shù)需求，目前“軍事星”還存在許多問(wèn)題。美國(guó)空軍原計(jì)劃采用轉(zhuǎn)型通信衛(wèi)星（TSAT）取代“軍事星”，但是花費(fèi)了數(shù)10億美元之后，TSAT仍在研制階段。之后，美國(guó)空軍計(jì)劃用“先進(jìn)極高頻（AEHF）”衛(wèi)星取代“軍事星”。2010年8月，美國(guó)空軍和洛克希德·馬丁公司組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功將“軍事星”衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成先進(jìn)極高頻衛(wèi)星任務(wù)，并簽訂了6顆AEHF衛(wèi)星的研制合同。

2010年8月，美國(guó)使用“宇宙神-5”火箭成功發(fā)射首顆AEHF衛(wèi)星，第3顆衛(wèi)星于2013年9月發(fā)射，美軍軍用通信衛(wèi)星更新?lián)Q代邁出關(guān)鍵一步，目前已有3顆衛(wèi)星在軌，剩余3顆正在生產(chǎn)中。AEHF衛(wèi)星重14000磅，在“軍事星”基礎(chǔ)上進(jìn)行了諸多改進(jìn)，可以擔(dān)負(fù)戰(zhàn)略通信和士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上的戰(zhàn)術(shù)通信任務(wù)，也可以用于核戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下。該星使用新型相控陣天線、先進(jìn)的集成電路、更有效的波形以及嶄新的天基推進(jìn)器，使得噪音管理更加清晰，作戰(zhàn)效能提高了10倍，并可以與“軍事星”兼容，支持機(jī)載、艦載、車(chē)載和便攜式多種終端，可為6000個(gè)終端和4000個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。

但是，AEHF衛(wèi)星研發(fā)也存在一些問(wèn)題，比如首顆衛(wèi)星發(fā)射比原定計(jì)劃推遲了4年，發(fā)射成本也比原計(jì)劃的50億美元增加了10億美元，而且由于推進(jìn)系統(tǒng)故障，AEHF衛(wèi)星發(fā)射后用了1年時(shí)間才進(jìn)入最終軌道。這些問(wèn)題都需要洛·馬公司在研制AEHF-5和AEHF-6時(shí)加以解決，比如要努力降低美國(guó)空軍的發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)，未來(lái)兩顆衛(wèi)星的研發(fā)成本也需要進(jìn)一步降低。

WGS衛(wèi)星支援軍事通信

國(guó)防通信衛(wèi)星系統(tǒng)（DSCS）是美軍全球軍事通信的骨干衛(wèi)星，用于重要軍事終端與國(guó)家指揮機(jī)關(guān)間的聲音、數(shù)據(jù)、數(shù)字和電視傳輸，為大容量固定用戶提供超高頻音頻和高數(shù)據(jù)率保密通信。第1顆DSCSⅢ衛(wèi)星于1982年入軌，2003年發(fā)射了最后一顆，目前有8顆DSCS衛(wèi)星仍在地球靜止軌道運(yùn)行，但是都已經(jīng)達(dá)到了服役壽命。

美國(guó)空軍計(jì)劃用寬頻全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)（WGS）填補(bǔ)DSCSⅢ和其他研發(fā)中的更先進(jìn)衛(wèi)星之間的空白，在未來(lái)幾十年內(nèi)承擔(dān)美軍的通信任務(wù)。WGS衛(wèi)星由加利福尼亞州艾爾斯貢杜的波音衛(wèi)星制造公司研制，每顆重7600磅，與國(guó)防通信衛(wèi)星的數(shù)據(jù)容量相同，目前已經(jīng)有4顆在軌，未來(lái)將形成10顆在軌的衛(wèi)星系統(tǒng)，是空軍未來(lái)主要的通信衛(wèi)星系統(tǒng)。

WGS衛(wèi)星可轉(zhuǎn)發(fā)Ka波段和X波段頻率信號(hào)，通信容量是DSCS衛(wèi)星系統(tǒng)的10倍，在軌運(yùn)行的3顆WGS衛(wèi)星即可處理五角大樓90%的寬帶需求。WGS衛(wèi)星還具備“交叉頻段”能力，能夠以一種頻率接收數(shù)據(jù)，以另一種頻率發(fā)布數(shù)據(jù)，支持更多的終端類(lèi)型用戶。2012年1月，美國(guó)空軍發(fā)射了WGS-4衛(wèi)星， 2015年7月24日，美國(guó)空軍利用“德?tīng)査?4火箭成功發(fā)射了第7顆WGS-7衛(wèi)星。WGS-7衛(wèi)星由波音公司制造，發(fā)射造價(jià)4.45億美元，是目前最先進(jìn)的一顆軍用寬頻通訊衛(wèi)星。

美國(guó)國(guó)防部太空暨任務(wù)系統(tǒng)中心（SMC）軍用通訊衛(wèi)星主任羅伯特·塔爾頓表示，美國(guó)國(guó)防部預(yù)計(jì)在2018年之前再發(fā)射3顆WGS衛(wèi)星，這10顆全球軍用寬頻衛(wèi)星可讓在世界各地的美國(guó)士兵、飛行員和海陸人員，隨時(shí)能做點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多對(duì)多的無(wú)縫接軌通訊。WGS星座的10顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，可以同時(shí)支援X及Ka波段的頻率，還可以無(wú)縫的跨越和連結(jié)這些頻寬，除了可以提供軍用戰(zhàn)術(shù)通訊及支援多項(xiàng)軍事行動(dòng)之外，還可以在必要時(shí)協(xié)助國(guó)際人道救援任務(wù)。

命運(yùn)多舛的軍用氣象衛(wèi)星

國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃（DMSP）從1962年開(kāi)始為軍方提供氣象數(shù)據(jù)，由于沒(méi)有合適的繼任型號(hào)，美軍決定繼續(xù)使用至2020年。2009年10月，洛克希德·馬丁公司發(fā)射的F-18 Block 5D-3衛(wèi)星是DMSP的第7代型號(hào)，用于戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)氣象預(yù)報(bào)，以援助美軍在海、路、空制定作戰(zhàn)計(jì)劃，尖端傳感器套件可對(duì)可見(jiàn)光和紅外云層進(jìn)行成像，每6小時(shí)可提供一次全球衛(wèi)星云圖。DMSP還能測(cè)量降雨、地表溫度、土壤濕度，可以全天候收集專(zhuān)業(yè)的全球氣象學(xué)、海洋學(xué)、太陽(yáng)-地球物理學(xué)信息，具有強(qiáng)大的星載計(jì)算機(jī)增強(qiáng)型存儲(chǔ)和航天器自動(dòng)化能力。美國(guó)空軍共計(jì)發(fā)射了50顆DMSP衛(wèi)星，大部分已經(jīng)超過(guò)了服役年限，目前在軌的有2顆極地軌道的DMSP衛(wèi)星以及4顆備用衛(wèi)星，另外還有2顆在軌儲(chǔ)備衛(wèi)星，用于在未來(lái)幾年替換服役期滿的DMSP衛(wèi)星。

1994年，克林頓政府要求美國(guó)空軍與諾·格宇航系統(tǒng)公司共同開(kāi)發(fā)“國(guó)家極軌環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)”（NPOESS），該系統(tǒng)由紅外天氣預(yù)報(bào)傳感器和交叉跟蹤紅外探測(cè)器等傳感器系統(tǒng)組成，紅外光譜信息通道有1000個(gè)，具有極高的水平空間分辨率，溫度分布測(cè)量精度達(dá)到近1K，用來(lái)滿足軍用和民用氣象預(yù)報(bào)需要。但是在經(jīng)歷了16年時(shí)間并花費(fèi)了數(shù)百億美元之后，白宮在2011財(cái)年中止了這項(xiàng)計(jì)劃。

NPOESS失敗之后，2010年6月，空軍向國(guó)會(huì)提交了DWSS氣象衛(wèi)星系統(tǒng)的初步要點(diǎn)：DWSS系統(tǒng)計(jì)劃使用諾·格宇航系統(tǒng)公司建造的衛(wèi)星平臺(tái)，攜帶可見(jiàn)光成像儀輻射組件、太空環(huán)境監(jiān)視傳感器和微波傳感器等10臺(tái)氣象與氣候儀器，預(yù)計(jì)在2018年發(fā)射。2012年1月，美國(guó)空軍宣布結(jié)束國(guó)防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)（DWSS）的研發(fā)工作，該項(xiàng)目從立項(xiàng)到取消僅持續(xù)1年時(shí)間。

軍用衛(wèi)星發(fā)射改革前景

目前，美國(guó)空軍的衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)既有強(qiáng)大的通信能力，又或多或少存在一些問(wèn)題。謝爾頓在一次演講中提到，美軍以往的衛(wèi)星研發(fā)要求一顆衛(wèi)星具備所有功能，設(shè)計(jì)壽命也過(guò)長(zhǎng)，造成了研發(fā)成本的浪費(fèi)。從安全角度考慮，在軌衛(wèi)星越多，受到攻擊的可能性就越小，因?yàn)閷?duì)手很難將其全部擊毀。新型采購(gòu)模式能夠縮減預(yù)算，使空軍選擇性地采購(gòu)先進(jìn)系統(tǒng)，在美軍軌道航天器面臨的威脅持續(xù)增加的背景下，低成本系統(tǒng)也能間接提高安全系數(shù)。未來(lái)的軍用衛(wèi)星將大量運(yùn)用一箭多星技術(shù)，并向小型化、多樣化方向發(fā)展，通過(guò)降低發(fā)射載荷控制衛(wèi)星研發(fā)和推進(jìn)系統(tǒng)成本。天基空間監(jiān)視衛(wèi)星（SBSS）等大型衛(wèi)星將從美軍退役，DMSP氣象衛(wèi)星、導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星也將向小型化發(fā)展。但是并非所有的衛(wèi)星都要小型化，地球靜止軌道還將以大型衛(wèi)星為主。美國(guó)空軍空間司令部指揮官威廉·L·謝爾頓將軍在科羅拉多州斯普林斯市舉行的國(guó)家空間研討會(huì)上表示，美軍下一代軍用衛(wèi)星將具備小型化、簡(jiǎn)易化的特征，商用宇宙飛船也將為美軍運(yùn)送軍用載荷，成為20世紀(jì)50年代空軍發(fā)射人造衛(wèi)星以來(lái)最大的一次變革。

美國(guó)空軍空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心（SMC）主任埃倫·M·帕夫利克夫斯基中將支持謝爾頓的觀點(diǎn)，認(rèn)為美軍應(yīng)當(dāng)運(yùn)用全新的空間任務(wù)模式，提高項(xiàng)目研發(fā)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。美國(guó)空軍正在尋求“共享搭載”的發(fā)射模式，使用民用運(yùn)載火箭為軍方發(fā)射載荷，商用衛(wèi)星也要通過(guò)高技術(shù)手段嵌入軍事功能。2011年9月，美國(guó)空軍在商業(yè)紅外傳感器（CHIRP）上開(kāi)始了首次嘗試，在阿里亞娜火箭發(fā)射的SES衛(wèi)星公司的商用衛(wèi)星上加裝了紅外導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)。CHIRP研發(fā)時(shí)間僅為39個(gè)月，創(chuàng)造了美軍相關(guān)研發(fā)的速度紀(jì)錄，雖然還處于實(shí)驗(yàn)階段，但是卻預(yù)示著未來(lái)發(fā)展方向?！肮蚕泶钶d”的概念適用于導(dǎo)彈預(yù)警、氣象預(yù)報(bào)、空間報(bào)知和多種通信衛(wèi)星，是未來(lái)空軍衛(wèi)星體系的重要組成部分。

責(zé)任編輯：張傳良