航天技术创新进行时

天地融合的移动梦网

2009年7月，美国劳拉空间系统公司为TerreStar网络公司研制的世界最重和最大的先进商用通信卫星Terre Star－1发射成功，标志着该网络公司多年来一直致力建设可靠安全、星地一体化的新型卫星移动多媒体通信网取得重大进展，它将为美国和加拿大两国政府机构、公共安保部门、农村社区和商业客户提供语音、数据和视频移动多媒体通信服务。

Terre Star－1卫星采用多项先进技术，创造了商用通信卫星的多项第一。这些新技术将催生一批新的卫星移动通信产品和服务，组成天地融合的新一代全IP化的移动通信网。

一是卫星发射质量创新高，达到6910千克，成为全球最重、功率最大的商用通信卫星。此前发射的最重卫星为6634千克。

二是卫星携带了世界上最大直径(18米)的商用S频段(2GHz)可展开天线，能与智能手机进行多媒体通信，此前发射的最大商用卫星天线为12米。

三是卫星采用了双向地基成形波束技术(GBBF)。

四是采用了卫星与地面相互集成融合的解决方案，标志着北美进入了星地集成融合的新时代。

太空激光通信技术迈向商用征途

虽然，美国中止了军用“转型通信卫星”(T-Sat)计划，但是，它所开发的两大关键技术(激光通信和太空路由器技术)将会在商用通信卫星上继续进行演示验证。

据美国《空间新闻》网报道，2009年8月18日，美空军空间与导弹中心向工业界发布“激光通信演示”项目招标书，拟在2015年采用一颗中型静止轨道通信卫星作为平台搭载激光通信载荷，并能同时与4个空中平台演示几个吉比特／秒的高速数据线传输业务。

据业界知情人士透露，尽管美国从未公开承认曾经经历过激光一光学通信的在轨验证试验，但美国肯定一直在秘密计划项目中开发这项技术。而且欧洲和日本也早已在轨演示过这项技术，只不过传输速率仅为每秒50兆，也从未演练同时向多个空中平台传输大容量数据。诺斯罗普’格鲁曼(诺格)公司副总裁声称：美国激光通信技术已跨越了试验阶段，为“转型通信卫星”计划开发的激光通信技术的成熟度已达6级，说明美国已在某种环境中演示验证过这项技术，并已为某些实战应用做好了准备。诺格公司开发的激光通信终端机就已经演示过几十吉比特，秒速率的试验，其模拟传输的距离是从地面到地球静止轨道高度的两倍。

新一代无人机遥感器海量数据传输需求的激增是推动空间激光通信技术发展的强大动力。激光-光学通信可比大多数射频通信的数据传输速率快1000倍。激光通信射束比射频通信窄得多，保密性能好，而且允许在相距几百米飞行的空中平台之间进行频率复用。

“网络式铱星”投入战场

据美国《空间新闻》周刊网站2009年11月20日报道，一种基于66颗铱星星座开发的创新业务——分布式战术通信系统(亦称“网络式铱星”)，2009年底在伊拉克和阿富汗战场投人使用。美军司令部期盼这～创新战术通信业务能为战场上大范围分散的士兵提供窄带语音和数据广播的“动中通”服务。

这种利用商用卫星开发的战场通信业务比标准铱星业务具有保密性好、设备简便、连接快速的优点，能同时向多个作战单元或单兵发送指令和信息。这一战术通信概念最早是由美国海军陆战队依据它的特殊需求而提出的，而分散的作战单元急需更便捷和更多的特高频通信。2002年，海军陆战队作战实验室与铱卫星公司合作开发了这种基于铱星星座自行组网的战术广播通信系统。但这项创新业务演示成功之后立即引起其他军兵种的关注。2008年，海军海上作战中心接管网络铱星业务，并向铱卫星公司授出了升级该网络的五年合同。用于铱星星座的首批升级软件及其组网所需地面站于2009年底交付使用。

最初开发的“网络铱星”服务仅能同时支持全球250个不同的网络单元，为160千米范围内的所有用户提供可靠性为95％的服务。软件升级后的“网络铱星”可以同时支持2000个网络单元，并将可靠性为95％的服务范围扩展到了400千米。但将服务范围扩大到900千米进行测试时，可靠性有所降低。

“网络式铱星”特别适合阿富汗地区。因为那里多山的地形会限制地球静止轨道卫星信号的可用性。首批500部接收机已经交付给驻阿富汗地区的美国士兵。每台无线电接收机只有0.5千克的重。另一份合同价值970万美元、1450部“网络式铱星”接收机，将在今年3月之前交付美国海军。

美国政府(主要是美国军方)每年向铱星公司支付7500万美元，获得2万部铱星电话不限时间的使用权。政府的这笔投入约占铱星通信公司年收入的四分之一。五角大楼的国防情报系统机构正在同铱星公司谈判提供上述新业务应增加的费用比率。

太空互联网现雏形

美国航宇局开发的“容断网络”(DTN)通信软件协议在过去几年已取得了重要进展。2008年11月，美国航宇局在2000多英里的太空探测器和地球之间来回传输了数十幅图像，验证了该网络通信软件协议，2009年7月，又在国际空间站上进行新一代DTN协议的演示试验。2011年，美国航宇局预计采用太空互联网“贮存和转发”信息。太空互联网将运用于多项太空任务中，未来将为登月航天员提供可靠的网络通信服务。

DTN协议可以使简单的点对点网络转变为真正的像地球上所用国际互联网那样的多模网络，从根本上简化太空指挥与控制的操作，最终实现星际互联网，或称太空互联网。与普通互联网相比，太空互联网必须经得起太空数据传输时频繁的延迟、中断和掉线。例如，当深空探测器运行到行星背面或者遭遇强烈太阳风时，传输故障将随时发生。在DTN传输协议中，如果目的路径没有找到，数据包不会丢失，每个网络节点将保持信息直到与另一个节点实现安全传输，这与篮球比赛类似，球员可以控球也可以传球，直至投篮。

另外，DTN可能成为下一代无线通信系统的关键技术，已被科学家应用于陆上标记和跟踪野生动物，还能以新的通信结构为偏远地区组建宽带网。美军已采用这项技术解决偏远地区或灾区的通信难题。

10月，美国国防部高级研究计划局(DARPA)提出了一个名为“低地球轨道航天器持续宽带联接”的任务需求，希望能在低地球轨道的卫星上建立100kbps的双向联接，从而使端对端的信息传输少于1秒。这一任务是“星际互联网”计划的一部分，该计划的最终目的是创建空地一体化的互联网络。DARPA希望系统在2012年-2013年能够运行。

卫星演示太空路由器技术

2009年11月，美国“宇宙神－5”火箭将Intelsat 14通信卫星送入地球同步轨

道。卫星上携带有美国国防部的试验载荷“太空互联网路由器”(IRIS)。

“太空互联网路由器”由美国思科系统公司和国际通信卫星公司联合研发，重约90千克，设计时考虑用3个转发器工作，流量为90Mb／s，最大用户数量300个。

美国国防部将在2010年1月开始实施为期3个月的演示，以确认天基路由器技术是否适用于军事用途。国防部的实验告一段落后，思科公司将用IRIS再为不同潜在商用客户进行一年的演示验证，还希望能把IRIS有效载荷出售给运营商，或者为天基路由器寻求更大市场。卫星通信网历来把主要的信号处理和数据分发工作放在地面段。在这种所谓的“弯管”式体系结构中，卫星仅仅是数据的通道，而在IRIS项目下，卫星具有更多的“思考”能力和担负更重的工作。

10分钟内获取战场侦察情报

2009年5月1日，美国军方发射入轨的战术卫星-3成功演示验证了在接到指令的10分钟内采集、处理和发送侦察目标情报给战场指挥官的快速响应能力，同时也验证了一系列创新技术和未来战场侦察所需的关键技术。战术卫星-3所演练的创新技术与能力，最终将会引发一场战场情报革命，其意义可与第二次世界大战中德国发明密码破译机对战争成败所起的重要作用相比拟。

战术卫星-3是美国发射成功的战术卫星系列中的第二颗。它重约400千克，设计寿命1年，星上主要携带一台当今世界最先进的超光谱成像光谱仪，全称“先进快速响应战术有效军事成像光谱仪(ARTEMlS)”。这种遥感器的工作谱段为0.4微米～2.5微米，涵盖全部可见光和近红外谱段，细分的光谱段多达400个，能够精细检测各种地面目标的光谱特征。更重要的是这种超光谱成像光谱仪能够通过与星上计算机预先存储的各类目标光谱特征数据的比对，迅速发现被森林遮挡或被伪装的目标，甚至刚掩埋的路边炸弹。

战术卫星的概念是在美国国防部“作战响应空间计划下提出的。其主要目的是快速、经济地研发、组织和发射战场所需卫星，为战役与战术军事行动提供近实时的侦察监视与通信服务。

据报道，美军已在战术卫星一3入轨一个月内，成功地演示了如下战场快速响应能力。一是在卫星发射2小时内，成功捕获和操控卫星；二是发射48小时内，检验了超光谱成像光谱仪及其处理器的功能；三是在发射60小时内成功拍摄并通过高速数据链传回第一张高分辨率图像；四是在卫星入轨后的第二和第三个星期内，由陆军战术地面站工作人员成功向卫星发指令，验证了采集、处理超光谱图像，并在10分钟内下传战场侦察产品的战术侦察模式。所有这些快速响应能力，对于传统的大型侦察卫星来说都是无法实现的。美军在2009年的军事演习中多次演练了这种战场快速响应能力。目前ORS计划的重点是探索成像侦察战术小卫星的战场应用能力。

缸外探测仪器新突破

2009年8月11日，美国雷声公司宣布研发成功世界上尺寸最大的红外焦平面阵列探测器。这种适用于“第三代红外系统”导弹预警的红外探测器是一个4K×4K焦平面阵列。雷声公司针对空间应用对这种焦平面阵列进行了优化，纵横排列4096×4096个探测元，包含1600万像素。这种面积64平方厘米的焦平面阵列比目前在役的2K×2K红外探测器大4倍。它不仅适用于导弹预警，同时也可广泛应用于气象与环境监视和空间科学应用领域。当用于天基红外预警系统日寸，仅用一个焦平面阵列就可以凝视半个地球，能比现役预警卫星更快更准确地发现目标。

焦平面阵列技术的突破将为各种军用和民用监视卫星的重大设计改进扫清道路。最重要的是使困扰“天基红外系统”多年的重大关键技术取得突破性进展。与现役国防支援计划和正在研发的天基红外系统高轨计划中所用扫描型红外探测器相比，新的凝视型红外焦平面阵列探测器更灵敏，而且每秒抓拍图像的帧数(帧速率)也更多。

凝视焦平面阵列探测器可捕获导弹目标的光波(光子)信息，并将光子信息转换成电脉冲，用于生成目标数据。焦平面阵列所包含的探测元数越多，能够监测导弹发射的区域就越大。

美国最早发射的早期预警卫星采用线性阵列红外探测器扫描地球一周约需6秒。现在采用4K×4K大焦面阵列凝视半个地球，不需要以往扫描类探测器上所用的复杂且易出故障的扫描机械设备，因而也就大大简化了这种探测器的设计、制造和测试工艺。

这项重大技术突破的最大受益者是“天基红外系统”。此外，气象和环境监视卫星也可能利用其连续凝视半个地球的能力而更快更准确地预报灾害性天气的能力。天文学家也将探测到以往不可能从遥远距离探测到的红外天文现象。

GPS技术创新应用

2009年8月，铱星公司和波音公司组成的团队为美海军研究实验室开发的高度完好性GPS创新计划取得两大重要进。

一是完成了对铱星星载计算机的增强型窄带软件升级，使现有GPS系统的辅助增强信号能够通过66颗铱卫星星座进行实时广播。这种广播可比现有增强技术更快、更精确地实现G PS导航定位，即使在城市峡谷、森林遮挡和敌方干扰的战场环境下也能快速捕获GPS信号。

二是演示验证了车辆在行进中受到强烈干扰的战场环境中捕获G PS信号的能力。普通军用G PS接收机在行进中受到干扰时，无法捕获信号，而这种高度完好性GPS辅助信号却可以在几分钟内接收到信号。

“高度完好性GPS”计划是利用“伪卫星”增强GPS导航功能和定位精度的一种方式。其原理是：定位接收机接收铱星低轨星座广播的GPS辅助信号，使铱星成为“伪GPS星”从而实现覆盖方位广、抗遮挡性强的定位导航新途径。

“高度完好性GPS”创新计划是利用通信与导航技术相结合，创新解决导航定位问题的未来发展方向。由于铱星信号功率大又能够全球覆盖，因此它具有提供厘米级定位精度的能力，将会对军事和经济社会产生重要影响。

快速响应技术受青睐

2009年4月，美国雷声公司公布了一个名为“响应器”的有效载荷设计概念，这种创新性的设计采用了一套可互换的任务专用遥感器，能够实现有效载荷的快速部署。

“响应器”设计概念采用了光电和射频有效载荷构造，由于基础载荷设计使用标准的即插即用技术，易于与遥感器进行集成，从而能够显著缩短生产周期并减少计划成本。其生产周期预计为2年～3年，成本可降低30％～50％。“响应器”能有效增加或重组关键空间能力，并融入新技术和创新型的操作，从而可直接满足军方的特定需求。

2009年10月，美国《新闻周刊》登载关于即插即用卫星的文章，称美国国防部正在研发成本低廉、像洗碗机那／厶大的卫星。这样的卫星在几天甚至几个小时之内就可以由建造好的零件组装起来，并被迅速“按需”发射。这项技术成为奥巴马政府的优先选择。相关计划的预算从1亿美元增加到了1.9亿美元。及时响应型空间办公室主任称此项研究将使卫星具有“与笔记本类似的即插即用技术”。实验室的一个团队近期在不到4个小时的时间内组装了一颗迷你卫星。

除了标准化即插即用技术，探索分离模块组合型航天器(F6)是美国发展快速响应航天系统的又一重要举措。F6项目已经开始第二阶段工作，进行航天器和地面站的设计，预计该项目2012年将进行首次在轨验证。F6项目旨在验证用模块式航天器替代传统单一大型卫星的可行性，即把整体式航天器分解为可组合的独立模块，各航天器模块通过无线电能量传输与无线电信息交换在空间建立起功能相当于大卫星的虚拟卫星。F6计划的发展将使未来航天器的设计理念、体系结构、运行管理、制造和发射模式发生革命性变革，同时也会带来空间对抗方式的变化。