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【红山导读】
SpaceX 的 Starlink 卫星服务在乌克兰战争中发挥了积极作用。星链是部署在近地轨道上的小型卫星，提供通信和数据链路。近年来，随着人们对星链所在的近地轨道兴趣的增加，各种类型卫星的部署竞争也越来越激烈。本文我们来了解一下正在或计划在监视、侦察和通信领域活跃的低轨卫星。
本文来源于2024年外军开源情报，4500字，本文由红山智云编译，观点仅代表原作者本人，不代表本平台观点。本文仅供研究学习用途。
关键词：低轨道卫星，军用卫星
【图1】SpaceX的火箭发射器装载着具有代表性的近地轨道卫星系统Starlink卫星
一、感兴趣的物体，近地轨道
1957年10月4日，人类第一颗人造卫星前苏联人造卫星一号发射升空后，地球轨道上开始布满了无数人造卫星。直到2010年代初期，卫星的开发和发射主要由政府管理，但现在私营部门正在主导卫星的开发、发射和运营。
为了使卫星绕地球运行，它必须位于受地球引力影响的轨道上。轨道按高度分为：低地球轨道250至2000公里，中地球轨道2000至36000公里，地球静止轨道36000公里，高地球轨道36000公里以上。
[图2]卫星轨道类型
近地轨道是地球观测卫星、间谍卫星和必须观测地球表面的空间站所在的位置。中轨道是导航卫星（GNSS）卫星所在的位置，地球静止轨道是通信卫星和气象卫星所在的位置（“人造卫星的轨道和速度”，韩国宇宙航空研究所）。
近年来，随着人们对近地轨道兴趣的增加，世界许多国家的政府和公司正在开发、发射和运营用于各种目的的近地轨道卫星。近地轨道主要用于监视/侦察和气象观测等目的，预计未来也将用于太空旅游。此外，近地轨道对于科学目的来说是一个非常重要的地方，包括国际空间站（ISS）等空间站的位置。
近地轨道的特点是可以通过靠近地球来提高观测的分辨率，并且向地面传输无线电波的时间短。高分辨率可以让您更清晰地观察地面，并减少连接地面上两个遥远点所需的时间。例如，连接美国纽约和英国伦敦时，跨大陆电缆的延迟为 58 毫秒，而星链卫星的延迟约为 44 毫秒（Utpal Bhatt，《关于小型卫星星座的 7 个常见问题解答》）。低地球轨道”，gtweed.com，2022 年 4 月 10 日。）
在近地轨道运行的卫星大多是重量小于500公斤的小型卫星，包括小型卫星(100-500公斤）、微型卫星（10-100公斤）、纳米卫星（1-10公斤）、皮卫星（100g-1公斤）和飞卫星（10~100克）。随着卫星技术的发展，虽然卫星的体积和重量不断减小，但其功能却在不断完善。
【图3】各种尺寸的卫星
随着卫星尺寸的减小，生产成本也随之降低，而且其较小的尺寸允许单次发射时将多颗卫星同时送入轨道。最近，随着 SpaceX 等私人太空运营商的出现，发射成本有所下降。俄罗斯联盟号火箭每1公斤的发射成本约为14,000美元，但Space Me？”，《全球经济》，2022年2月16日。）
【图4】SpaceX的猎鹰火箭，大幅降低了火箭发射成本。图为猎鹰重型火箭。
随着航天工业从过去的政府主导转向私人主导，开发和发射成本的降低成为可能。得益于卫星研制和发射成本低廉，近地轨道卫星数量近期呈爆炸式增长，目前绕地球运行的4000颗卫星中约80%是低轨卫星。
由于海拔较低，一颗卫星所能覆盖的面积较小，但以一颗高度为550公里的卫星来说，可以覆盖的面积约为105万平方公里。由于它以高速移动以维持轨道，因此它在感兴趣区域上方停留的时间很短。为了解决这个问题，正在使用使用多颗卫星的星座卫星技术。
也有缺点。卫星的寿命很短，大约只有3到7年。然而，寿命短的优点是能够快速将采用新技术的新版本部署到轨道上。
低轨卫星的用途多种多样，但我们选择了与军事用途相关的卫星。
二、监视和侦察
低轨道卫星的代表性军事用途包括监视和侦察。美国是利用低轨道卫星进行监视和侦察的活跃国家。2017年，美国国防部国防高级研究计划局(DARPA）启动了Blackjack项目，在近地轨道部署一系列小型卫星。
[图5] DARPA的Blackjack项目概念
2020 年 5 月，DARPA 同意与美国太空军 (USSF) 和航天局 (SDA) 合作，到 2021 年在近地轨道上形成一个由 20 颗卫星组成的网络。
Blackjack 计划计划测试各种类型的卫星。2020年11月20日发射的Mandrake 1卫星是一颗配备有进入超级计算机的芯片的微型卫星，2021年6月30日发射的Mandrake 2卫星是为了测试卫星之间的宽带数据链路而发射的。（https://space.skyrocket.de/doc_sdat/mandrake-1.htm，https://space.skyrocket.de/doc_sdat/mandrake-2.htm）
【图6】属于Blackjack项目的Mandrake 2卫星组
2022 年 4 月 14 日，Mandrake 2 卫星成功进行了一次测试，其中两颗卫星使用激光在 100 公里的距离上每秒传输和接收超过 200 Gbits 的数据(“DARPA 的 Blackjack 计划”）。国防高级研究计划局）”，eoportal.org，2021 年 2 月 15 日。）Aces 卫星于 2023 年 6 月 12 日发射，原计划由 20 颗具有不同有效载荷的卫星组成，但缩小到 4 颗配备光学系统的卫星。终端（https://space.skyrocket.de/doc_sdat/aces-1.html）
除了试点项目“二十一点”项目之外，实际任务项目也在进行中。美国国防部下属导弹防御局（MDA）自2019年以来一直在开展高超音速和弹道跟踪空间传感器（HBTSS）项目，以防御现有导弹防御网络难以防御的中俄高超音速武器。
HBTSS 分为 0、1 和 2 档。第0阶段将在近地轨道部署20颗中型卫星，后续阶段“海沟1”将由150颗卫星组成，第2阶段将由1000颗卫星组成完整的监视网络。
【图7】HBTSS配置概念图
HBTSS分为配备中视场（MFoV）传感器的卫星和配备宽视场（WFoV）传感器的卫星，前者灵敏度高，但检测范围有限，后者灵敏度较低，但检测范围较宽。这两颗卫星形成跟踪层并通过星间光链路进行通信。
【图8】美国利用HBTSS探测信息的高超音速武器拦截概念
从跟踪层卫星获得的信息被传输到位于中轨的传输层卫星，并最终传输到美国国防部的联合全区域指挥和控制（JADC2）网络，用于控制拦截手段(“高超音速和超音速武器”）。弹道跟踪空间”）传感器（HBTSS）”，missiledefensead vocacy.org，2020.7.2。）
在欧洲，欧盟正在通过天基战场监视实施及时警告和拦截 (TWISTER) 计划，类似于 HBTSS (https://www.pesco.europa)。日本还计划建立一个由 50 颗卫星组成的监视网络，以监视来自中俄朝的威胁（松山直树，“日本的眼睛”）。由 50 颗卫星组成的网络来跟踪敌方导弹”，asahi.com，2022.11.15。）
为了应对朝鲜的威胁，韩国正在实施 425 项目，将四颗重约 1 吨的合成孔径雷达 (SAR) 卫星和一颗电光 (EO) 卫星引入近地轨道。2023年2月，项目由引进中大型对地观测卫星改为引进36颗超小型SAR卫星和4颗超小型对地观测卫星。425项目引入的SAR卫星的重访周期约为2小时，但他们正在尝试通过使用多颗超小型SAR卫星将重访周期缩短至30分钟（柳容元，“我们甚至可以识别假货”。武器一览……发射“附加超小型成像雷达卫星的战争”，《朝鲜日报》，2023 年 6 月 15 日。）
三、通信
低轨道通信卫星是最近备受关注的领域。除了代表性的Space这些公司的另一个特点是，它们都是私营公司。
【图9】乌克兰军方展开星链天线
乌克兰使用太空时证明了低轨道通信卫星的军事可用性太空》，navalnews.com，2023.2.15。）
【图10】乌克兰装备星链天线的自毁无人机
乌克兰战争之前，美国对星链的军事用途进行了测试。2019 年，美国空军研究实验室 (AFRL) 测试了使用 Starlink 连接飞行中的 Beechcraft C-12 飞机的数据链。2019 年底，美国空军 AC-130 武装直升机成功进行了星链连接测试（Valerie Insinna，“空军测试了其先进战斗管理系统。以下是有效的，无效的。”， Defensenews.com，2020.1.22。）2023 年 6 月 27 日，日本防卫省宣布，自卫队将于 2023 年 3 月至 2024 年 3 月末利用星链进行测试，以加强卫星通信弹性。（Oishee Majumdar） ，“日本军方测试 SpaceX 的星链卫星通信服务”，janes.com，2023 年 6 月 29 日。）
【图11】Starlink的竞争对手之一OneWeb Satellite
除了Starlink之外，OneWeb还通过2021年向美国国防部演示，开启了军事用途的可能性。（“OneWeb向美国政府展示网络能力”，oneweb.net，2021.3.19。）OneWeb预定由 648 颗低轨道卫星组成，第一批卫星于 2019 年 2 月发射。然而，在2020年因缺乏预算而破产后，它找到了新的所有者并正在努力提供服务。
我们研究了正在增强其军事用途的低轨道卫星。据介绍，为了确保适当的监视和侦察能力，需要在内部开发监视和侦察卫星或从国外购买和运行卫星。
然而，Starlink 和 OneWeb 等低地球轨道通信服务使得通信速度更快，同时减少了对国家运营的昂贵的地球静止卫星的依赖。从日本防卫省的卫星通信弹性测试及其在乌克兰战争中的作战表现可以看出，我军也需要在考虑预算和效率的情况下，对民用服务的使用进行深入审查。
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