来源 | 学术plus
智库 | 云脑智库(CloudBrain-TT)
云圈 | 进“云脑智库微信群”,请加微信:15881101905,备注您的研究方向
声明 | 本号聚焦相关知识分享，内容观点不代表本号立场，可追溯内容均注明来源，若存在版权等问题，请联系(15881101905，微信同号)删除，谢谢
今日荐文的作者为中国西南电子技术研究所专家蒋罗婷。本篇节选自论文《美国商用低轨卫星的军事借鉴》，发表于《中国电子科学研究院学报》第15卷第9期。
摘 要：为了降低成本和寻求新的解决方案，美国军方对商用卫星的利用一直比较频繁。随着目前大量商用低轨（Low Earth Orbit，LEO）卫星的部署，美国军方已经开始使用这些新出现的创新服务并学习相关领域的先进技术来增强其军事航天能力。文中首先概述了当前美国商用低轨卫星的发展现状及军事应用；然后，提炼了商用低轨卫星领域值得借鉴的关键技术，分析了商用低轨卫星的发展趋势；最后，总结了值得军方借鉴的美国商用低轨卫星发展的经验教训，以期为国内相关研究人员提供新的思路。
关键词: 商用低轨卫星；通信；遥感；鹰眼360；无线电频谱监测；铱星；行星公司
空间领域目前正在发生重大变化，进入空间的成本突然大幅下降，以及越来越小、越来越便宜的卫星不断出现，这些小卫星可以几十颗同时发射，部署在低地球轨道，建立一个比传统卫星功能更强大的全球星座。这些商用低轨卫星正在瞄准突破传统的空间工业模式，实现向全球用户提供新业务和开辟新市场。这些变化推动着空间领域不断革新，未来将对军事作战的性质产生重大影响。美国商用低轨卫星的发展正处在全球最活跃的状态，从2010年左右开始，美国以铱星、鸽群、鹰眼360等为代表的新一代低轨小卫星星座建设计划成功掀起了小卫星系统研究和发展浪潮，成为了当前空间领域最受关注的热点。相较于军事卫星，商用低轨卫星不仅成本低廉，而且能更快地实现在轨能力，并可以在更多的卫星上分配威慑和弹性能力，进而增加了敌方潜在目标的数量和种类。另外，新技术还可以通过低轨卫星的更新迭代，不断被纳入空间系统。研究并分析美国商用低轨卫星可供军方借鉴的关键技术和发展趋势，并结合商用低轨卫星的发展动向总结值得军方借鉴的经验教训，也能同时为我国不断增长的空间军事应用需求提供借鉴方法。 与上一轮90年代的商用低轨卫星热潮相比，本轮星座建设的最大特点就是成本的大幅度下降。上一轮星座的投资都在数十亿美元乃至上百亿美元级别（三十年前计价方式），而本轮星座的投资只有数亿美元（当前计价方式）。同时，新的商用低轨卫星虽然小巧，但功能强大、技术先进，能弥补美军目前在军事卫星能力方面的缺口，实现更快、更精确、更全面的战术通信、作战侦察和射频监测能力，因此吸引了美军的多项投资和研究[1]。
在所有的商用低轨卫星应用领域中，美国低轨通信卫星星座的发展最为活跃，这些卫星尤以互联网星座最多，例如Starlink和OneWeb星座。它们吸引了来自商业、军方、政府的各项融资，目前有些已经发射升空，有些正在逐步开展系统建设，并且在卫星复制化生产、及时部署、应用等方面颠覆了传统的行业格局，这对美国军方来说不仅是一个可选方案，更是其对未来作战样式和技术发展的探路者。1）新一代低轨通信卫星系统传输性能已接近于地面通信网络。目前，美国新兴低轨卫星星座大都以提供全球覆盖为目标，其包含的卫星数量从一百多颗到几千上万颗不等，并且单颗卫星的性能也大幅提升，大量引入高性能的星上任务载荷、星上数据存储和处理能力、精确指向和姿态控制以及高速下行链路等先进技术，使得新兴低轨卫星星座的传输性能大幅提升，可提供接近于地面通信网络的性能。新兴低轨通信星座大都能够实现50 ms以内的时延，与地面光纤网络相当，相较于传统的同步轨道卫星的传输时延一般为500 ms左右[2]。2）未来的高容量和挑战。通过在星座中增加更多的卫星，可以很容易地以边际成本增加容量，从而增加每个用户的吞吐量。但如今随着越来越多新的参与者正竞相推出新的星座项目，在全球范围内，所有低轨上的卫星提供的总容量将超过150 Tbps。因此，现在面临的主要问题是市场上是否有足够的位置来容纳所有卫星[3]。3）数据服务成为核心业务：上个世纪90年代的铱星和全球星等星座都主要提供话音通信服务，而数据服务只有少量，因为其服务成本相比地面移动通信运营商来说过高，因此它们只能选择地面移动通信覆盖范围之外的市场，因此用户数量不足，接连面临破产的命运。如今，新兴商用低轨卫星星座都将业务转向了数据服务，例如SpaceX公司宣称的应用服务主要有两类：远程互联网交换和家庭连接，而OneWeb也瞄准了家庭和建筑物连接需求 [2]。4）Ka频段是低轨星座项目的首选频段。频段是提高吞吐量的关键，但可用性有限，随着视频消费、云访问等新的数据密集型应用的发展，持有有限数量的频段不再是一种选择。因为不是所有的频段都具有相同的特性，因此频段对运营商来说具有不同的价值，同时频段的宽度也很重要。高的频段更难利用，但是有更多的带宽可供使用。C频段和Ku频段已使用多年，资源紧张；V频段由于频段较高，技术实现困难；而Ka频段的使用，尽管增长迅速，却是最近才开始。总的来说，Ka频段是低轨星座项目的首选频段，但将来很难接入[3]。
遥感世界就像卫星通信世界一样，正在被颠覆。未来5年内，对地观测低轨卫星星座将占市场的50%以上[7]。目前，立方体卫星平台在遥感领域广受欢迎，其近年来的发射数量面临极大增长，这主要得益于行星公司、斯派尔等遥感运营商的强势表现。其次，合成孔径雷达卫星也逐渐发展，高分辨率的卡佩拉空间公司正在加紧布局合成孔径雷达卫星星座。然后，低轨卫星遥感运营商更加重视产品交付速度，以满足用户不断发展的需求。行星公司通过优化星上软件，采用激光通信技术等方式对用户需求做出更快速反应。美国黑空公司推出黑空星座以实现对重要设施的高频重访[8]。另外，卫星图像的数量在过去五年中显著增加，如果说过去进入空间是真正的挑战，而获得空间能力的可能性是关键的有利因素，那么现在情况已经改变，挑战将是获取、存储、管理、处理和提供可靠和及时信息的能力。利用人工智能（AI），云计算和物联网（IoT）的多源数据分析现在具有巨大的潜力，将颠覆传统卫星业务模式，推动数字转型并创造巨大的长期价值。还有，卫星遥感服务进一步多元化，图像服务不再是唯一服务。2018年，斯派尔公司、地理光学公司和GHGsat公司发布的公告，都提到了开展无线电掩星、温室气体监测、红外线业务，试图通过新的方法满足客户需求。北方天空公司报告预测，到2027年非图像数据的收入机会将增长到近2.55亿美元，复合年增长率为45.7%，高于图像数据增长速度。最后，数据资源合作与共享将不断推进。空客防务与空间公司和行星公司、轨道洞察公司、行星观察者公司合作，加强遥感数据共享，共同开发卫星数据的应用价值。E-Geos公司推出了一个基于云的实时海事监控平台与轨道洞察公司和Ursa公司分享数据[8]。
目前，用于无线电频谱监测的地面系统越来越不能满足精确确定目标位置的需求，因此美国提出了一种在全球范围内更有效地监测无线电频谱的方法，即部署卫星。这种卫星能够持续监测世界各地的频率使用情况，并且还能够识别世界各地没有使用或利用不足的频谱。第一个寻求在全球范围内提供频谱使用的全面和近实时监控的商用卫星系统是鹰眼360小卫星星座，该卫星系统利用在全球范围内采集特定的无线电上行发射信号，能实现高精度无线电测绘和上行射频信号定位。2018年12月，鹰眼360公司发射了首批三颗卫星组成的星座编队，第二批三颗卫星目前已完成环境测试。2019年12月10日，美国联邦通信委员会向鹰眼360公司颁发许可证，批准其额外再发射并运行15颗低轨道卫星用于绘制射频地图，此外该许可证还允许鹰眼360公司在15年内发射多达80颗卫星。至今为止，鹰眼360公司已经筹集超过1亿美元的资金[9]。在一个以信息为主导的未来，军事单位必须能够快速集结，同时拥有击败局部敌军并迅速巩固效能的作战能力。商用低轨星座分布式、模块化、低成本的主要技术特点较好契合了美国作为军事大国对空间作战能力的新需求，从技术上、平台上均具备军事应用的潜力，值得关注。2017年，美空军航天司令部制定“空间作战架构”（SWC），其中特别强调军民商伙伴关系的重要作用，这意味着军民商融合是美国未来空间力量体系的重要基础之一。具体来说，美国将通过合理使用商用低轨卫星，或者采用其先进技术建设一个更加富有弹性和灵活性的空间体系架构，以期继续维持其作战优势，并加速推进商用低轨卫星资源在军事领域的融合和应用。
美军在借鉴商用低轨通信卫星技术方面一直比较积极。2019年，美国新成立的空间发展局(Space Development Agency，SDA)正式提出发展以低轨星座为基础的下一代空间体系，计划在2022年之前完成传输层的星座部署和运营，即在低轨部署军用通信卫星网络，通过星间光学交叉链路将陆海空天多域节点连接起来，提供近实时和基础的数据传输服务。SDA构想的传输层将由上百余颗小卫星组成，据称会利用黑杰克项目以及商用低轨互联网卫星星座的研究成果。建成后的传输层将有能力在全球任意两点之间提供超低延时的数据通信服务，支持美军作战管理，指控和通信能力将进一步提升。黑杰克项目是美国国防高级研究计划局于2018年发起的项目，旨在利用最新的商用低轨卫星技术构建起一个小型、安全、低成本、短周期的低轨军事卫星通信星座，其能力与目前在地球同步轨道运行的军事通信卫星类似[4]。通俗来讲，该项目的基本套路是要将具有军用特色的有效载荷装到商用卫星平台上。除了借鉴商用低轨卫星的各项技术和系统研发军事项目以外，美军还直接利用各个商用低轨卫星星座来增强其军事能力。例如下一代铱星星座，可以说铱星已充分融入美军作战[5]，2018年，美国防部成为了铱星公司最大的收入来源，将在5年时间内为该公司提供价值4亿美元的融资。与此同时，美军将能获取铱星的使用权，并且还完全掌握了铱星星座部署在夏威夷关口站的运行和控制权。此外，美军还先后启动了“铱星增强卫星移动服务”（EMSS）、“分布式战术通信系统”（DTCS）等多个项目，积极开发铱星终端设备。还有多条线索指示，至少22颗下一代铱星搭载了天基杀伤评估（SKA）载荷，从而构成了一个天基杀伤评估系统。另外，SpaceX公司的4万颗Starlink卫星星座近期也是大家关注的热点，并且也成为美国空军的目标。美国空军已经向SpaceX公司授予了一项名为“商业空间互联网国防实验”(DEUCSI)的合同，旨在探索利用商用低轨通信卫星星座，为美空军在空间构建全球范围高弹性、高可用性、高带宽、低延时的通信设施，支持空军的各项作战行动。美国军方希望作为这些新兴通信业务的前期采用者，在卫星星座开始发射前期，就可以和商业卫星公司签约进行测试，而不用等到这些星座具有全网通信能力才启动合作[6]。如此一来，美军就能从这些新兴发展项目中得到更多信息，处于有利的位置，并做出明智的决定。
对于军方来说，商用低轨卫星对地观测系统的一个优点是，它们不受国家主权权利的影响，因而能获得目标领域的信息，而不会面对各国对卫星进行任何干预。此外，军事战略规划尤其依赖于在尚未部署军队的情况下收集的信息，现在行星公司的鸽群卫星几乎能够提供覆盖全球的近实时信息，这将极大增强美国军方的战术能力。过去，侦察卫星图像仅允许人们看到非连续地区的图像，而行星公司连续的卫星图像可以让军方监视并且了解全球活动，并快速获取所有图像。军方还可以浏览从2009年至今的所有数据，并且每天监视核心区域。行星公司和美国国家地理空间情报局（NGA）签订了很多次合同，可以看出NGA及其支援的部队（美国国防部及情报机构）对该公司产品价值的认可。另外一个美军方利用商用低轨卫星星座的案例是美国黑空公司的商用遥感卫星，该卫星星座和美国军方的鹰眼卫星均由美国空间飞行工业公司完成设计，可以发现，两种卫星的平台性能、有效载荷能力均高度相似。黑空公司采用低成本、卫星小型化、快速技术更新以及多轨道运行的理念，完全和美军弹性和分散化的军事航天要求一致。 未来，天空中的眼睛只会越来越清晰。如果任何国家试图隐藏战略设施或设备，他们只有转移到地下，这样才能避免遥感小卫星的监控。
2019年12月11日，美国国家侦察局（NRO）宣布授予美国射频信号监测与定位公司鹰眼360一份商业射频遥感的数据集成研究合同。通过该合同，鹰眼360将研究集成公司的商用射频功能和产品到NRO的地理空间情报体系架构中。鹰眼360的客户包括政府、公司和国防机构，他们认为这种新系统能提供目标的射频地理位置信息和使用数据(或滥用数据)的情况，而这些是地面探测方法无法提供的，或者提供的数据精度不够高。鹰眼360的主要应用将集中在通信、广播、运输和数据分析市场，以及协助政府监管。该卫星的质量只有15 kg，具有非常细微和复杂的设计，能在18个月的时间表内设计、建造、飞行合格并投放市场[9]，其用于美国军方可以说是无疑的事实，甚至一些报道直接将这种卫星称为“空间情报侦察卫星”。 目前，商用低轨卫星领域开发的产品为美国及其盟国的军队和政府提供了许多关键能力，且特定军事开发技术和商用技术之间的界限越来越模糊。虽然许多功能源自军方的要求，但它们是在商用基础上开发的。商用空间领域的关键技术，尤其是当今的低轨卫星采用的新技术，能为美国军方提供发展的思路。随着小卫星星座规模的扩大，其飞行任务控制必须实现一定程度的自动化，并最大限度地减少人机交互。第一代铱星星座开始正常运转后，卫星网络管理中心的操作员每天需完成大量星座维护工作，且大部分工作都是重复和机械的。为了改善这种情况，铱星地面指挥控制系统通过多方面的自动化，不仅大大减少了操作员的错误，而且可以让操作员集中精力完成系统的主要任务。另外，在二代星的更新过程中，一代星和二代星组成的混合星座要运行2年之久，面临的挑战是需要完成一个一代星和二代星的综合任务规划系统，推动两代卫星和地面站的自动化。为了实现二代星外部自动化指挥过程的执行，铱星公司广泛使用了InControl的程序平台CORBA API。自动化系统的实现以及其他流水线式操作使操作团队将工作重点从操控卫星星座转移到网络运行[10-11]。行星公司旗下的天空卫星也是实现自动化的一个成功案例，其“熄灯操作”概念要求解决异常分类所需的工作量日益增加的问题，因而建立了自动异常反应系统，最后在空间资产增加了五倍的情况下，将每人每周操作卫星所需的时间减少了三倍，所开发的系统使公司不再需要在一个专门的操作中心配备全天候工作人员[12]。自动化不是一蹴而就的，自天空1号卫星发射以来，飞行任务小组逐步开发了各种系统和程序，为不断增加的卫星进行例行维护。如果自动化是预先设计到系统中的，那么星座运行的节奏和风险评估将是僵硬的，就无法对卫星不断变化的需求做出反应，因此“迭代”对于行星公司来说是一个非常重要的概念。
随着大量商用低轨卫星发射升空，地面站的部署变得极为重要。为了应对新形势下多颗卫星同时测控通信的需求，地面站必须满足一些技术要求，其中用到的关键技术就是SDR。另外，为及时更新或改变空间相关任务程序，星上SDR载荷也刚好契合了这一需求。为满足大量小卫星的测控通信需求，首先地面站必须能在任何给定时间内处理多个卫星信号。如今很多小卫星都占用业余无线电频段，加上小卫星领域使用各种不同的调制技术、数据速率和协议，因此，地面站需要将多种通信标准集成到一个单一的平台上。另外，现在的频段越来越拥挤，因此需要对频段进行更有效的利用。普遍认为，可以采用通用的可编程硬件来解决这一问题，这种SDR在有噪声或有争议的频谱中也很稳健，并且能最大限度地利用先验信息以最小化初始捕获和检测带宽[13]。其次，需要可部署的移动地面站网络，以增加接入时间，如欧空局的全球卫星操作教育网(GENSO)系统和卫星网络开放地面站(SatNOGS)。基于SDR硬件的地面站适用于全球分布式系统，这样即使更新包含与新波形通信的软件，也能在不同的远程地面站之间共享，而不需要硬件升级[13]。最后，SDR的发展为小卫星提供了改进空间任务开发和操作空间通信网络收发机的新方式。一旦SDR部署到空间，就能通过软件改变无线电的工作特点，这样不仅能适应新的科学机会，并保证了有效载荷或通信系统异常恢复的灵活性。此外，通过SDR建造通用的空间平台以满足具体飞行任务的要求，还能降低开发成本和风险。
当今新一轮的小卫星热潮产生了多种类的巨大数据集，为了从这些数据集中及时获取信息，遥感领域需要配备一个更好、更强大的计算和存储平台。云计算平台能以最低的使用付费成本提供所需的计算能力，因此是一个很好的选择。作为全球云服务的领先企业，美国亚马逊网服务（AWS）一直在为遥感卫星运营商和卫星数据供应商提供云计算服务。首先，在测控方面，如何完成大量小卫星的测控一直是空间领域的难题，Kratos公司利用AWS云计算完成了1 000颗卫星测控仿真[14]；
其次，在数据处理方面，如何完成海量数据的处理和分析目前也是一个研究热点，根据文献资料显示，利用AWS云服务和现有的美国国家海洋和大气局（NOAA）产品完成卫星数据处理的经验，可以用于小卫星大数据处理，提供一种灵活、可扩展和低成本的能力[15]；
最后，如果AWS只是提供云服务，企业还是面临数据接收和迁移的问题，这样不仅耗费成本并且整个数据获取流程缓慢，AWS通过建立地面站服务，以及与洛马公司合作，解决了这个问题，并且将其用于军方。
如果美国国防部和硅谷或者其他计算研究中心建立更加紧密的合作，形成例如国防创新单元实验类似的机构，这种多平台网络将使美军作战更具备弹性，让敌方不容易袭击地面系统至其瘫痪。
地球同步轨道卫星的主要优点是用户天线不需要实际跟踪卫星在天空中的移动，而低轨轨道卫星通常在5 min～10 min内穿越天空，因此需要具有快速跟踪能力的地面终端。在这种情况下，采用电子跟踪而不是传统机械跟踪卫星的方法，地面站的可靠性将会大大提高。目前，小卫星星座通信组网能力的部署涉及的一个关键技术就是具有电子跟踪功能的新型地面系统，现在这种地面天线主要做成平板样式，其既可用于卫星应用终端，也可用于地面测控站。
这种带有电子跟踪功能的平板天线的第一个优点是能实现在新的或通常受限制的地方，如飞机，较小的轮船和游艇，以及在农村和偏远地区，快速安装地面设备，这对于大型卫星星座服务而言尤其重要。另一个优点是移动部件极少甚至没有。如果配备多个协同的平板天线，可以实现近半球或全半球覆盖，没有任何移动部件。最后，通中动（COTM）也是平板天线技术的一个有利因素。与移动的飞机、舰船或车辆连续通信的需求推动了对适应环境而不是受限于环境的技术投资。
决定平板天线需求的最重要因素是外形，平板天线小巧、紧凑、便携，所需功率小，提供的数据量却极大。目前新涌现的技术还能实现高频谱效率，用于低轨和地球中轨道（MEO）卫星操控时可以从一个波束移到另一个波束，也可同时跟踪2颗卫星。另外，软件无线电和辐射方向图重构的发展可以实现用一个终端与多颗具有多个频段和多个轨道的卫星通信。
新技术的出现推动新型平板天线快速投入市场以满足这些需求。随着大规模小卫星通信星座的加快研制和部署，各天线供应商也在加紧研制新型平板天线，以尽快占领地面市场。其中，Kymeta公司的平板天线因为使用meta材料，最受关注，如图1所示。Phasor公司开发了能够电子跟踪LEO卫星信号的天线模块化设计，该公司正在开发一种扁平天线，该天线将提高灵敏度性能，并可适应飞机侧面，用于飞机与低轨卫星之间的移动通信[1]，如图2所示。
图1带电子跟踪的Kymeta平板天线[1]
图2 相量模块化扁平天线，可成形为符合飞机侧面[1]
目前，这些平板天线（或共形天线）的成本相对于传统的填充天线而言比较昂贵，但大规模生产的规模经济正在迅速降低这些成本。SpaceX已经向美国联邦通信委员会提交了一份请愿书，要求获得100万个宽带用户终端收发器的类型许可，以配合其Starlink卫星星座，这样大规模的平板用户天线部署将显著降低成本。
随着数据高速传输以及对S频段和X频段通信需求的增加，S和X频段的可用频谱越来越拥挤，已不能满足小卫星任务的通信需求，因此，小卫星星地通信将考虑应用Ka频段和光通信技术。目前NASA已计划将26 GHz的Ka频段用于未来小卫星任务中。对于美国军方来说，已有文献显示，美国空军资金支持过休斯网络系统公司研究Ka频段商用通信卫星架构在军方的应用。该文献介绍了四种Ka点波束卫星设计方案，这些方案采用了成熟的转发器技术，以实现低风险和低成本[16]。
激光通信技术对于小卫星是很有吸引力的，因为其终端设备体积小，数据速率高，安全且成本更低，同时可满足小卫星运行尺寸、重量和功率受限的需求。目前很多星座在星间链路中都采用了激光通信技术，但是星地通信在很长一段时间内由于各种原因并未大规模使用，不过各种星地链路的试验卫星越来越多了。目前，星地光通信仍然面临视距阻挡的难题，但地面站分集技术有望解决这个问题。未来的地面站网将不可避免地使用激光通信技术。
另一种成熟度还比较低的技术是非对称激光通信。链路一端的激光硬件位于地面（不需要星上信号载波），另一端的调制后向反射器（MRR）位于星上。MRR调制激光波束（用卫星数据对其进行编码），然后将其反射回地球。美国海军空间与海上作战系统指挥部（SPAWAR）正在开发这种技术，使用基于微机电系统（MEMS）的MRR，而NASA埃姆斯研究中心也在研发相似的能力，使用调制量子阱（MQW）设备作为MRR[17]。
由于光通信的诸多优点，预计未来10~15年，卫星到地面光通信将得到较大发展。当前商用激光通信系统并没有作为专门的网络来支持军方链路，但是值得注意的是，射频通信对于民用和军用分配了不同的频段，而光波没有进行任何类型的分配，因而对于激光服务来说，将军用和商用通信服务相结合不会有任何频谱分配的限制。
商用卫星军事化应用需要面对的一个重要挑战就是网络安全问题，商业卫星运营商需要通过多种方式来抵御网络攻击。因此，未来的军事和国防相关卫星系统，无论是专用的军事网络还是用于战略目的的商业系统，都需要加密并防止各种形式的网络攻击。
在空间的真空中，几乎没有原子干扰量子信号。美国国防部在2012年至2017年间对量子计算、人工智能、大数据的投资从56亿美元增加到74亿美元，可以看出美国也在尝试用量子技术保护其军事卫星通信。洛马公司曾提到，不便于具体讨论美国的量子通信研究，但首要任务仍然是整个工业在防护技术方面获得进步[18]。目前，为军事通信预见的最大挑战，是以合理的价格交付能够处理来自敌人的多种威胁的系统，要解决这个问题，就需要结合美国的商用低轨卫星系统，研究其普通卫星部件和新技术在网络安全方面的设计方案。
如今大量遥感小卫星获取的大数据给及时、全面的数据分析带来了巨大挑战，解决该问题的两个重要办法是机器处理和人工智能算法，即数据“自动”分析或更高级的人工智能来进行“推理”分析。从历史上看，在安全防御环境中，信息是通过主观分析方法得到的，主要基于经验和分析人员的技能，这些分析人员可以直观地解释图像。当分析需要覆盖大范围、执行定量调查、实施复杂监测以及需要快速突出特征的时候，分析过程的（半）自动化可促进解释过程。虽然应用鲁棒算法/模型将能频谱信息转化成“有用的”信息，但是却需要精确参数化信息，这种方法需要学习大量的知识、进行重复测试和环境建设，以确定物理联系。而在国防安全领域，上述有些需求无法满足，因此需要使用替代算法来促进分析过程。对频谱信息和信息相关现象的待评估关系进行统计分析，能减少或者转换数据维数，增加计算效能（例如图像分类）。多时相数据合并和变化检测计算能力能更好地支持（半）自动监测不同时间间隔的地表变化，这也简化了对日益增加的图像数据的处理[19]。如果上述分析都无法确定不同可用信息之间的关系，可以使用人工智能方法，其正逐渐显示出更彻底和更完整地分析数据的潜力。近年来，随着数据量和计算能力呈指数级增长，神经网络计算在卫星图像中的应用也越来越多，可自动发现遥感图像中的相关背景特征。然而，其从遥感数据中精确识别和提取物体面临的主要问题仍然是进行算法培训的时间和成本，特别是在安全防御领域。从社交媒体收集的附带信息在支持图像分析方面也有一定价值，使用起来也越来越复杂。人工智能在这方面能提高识别启发性证据的速度和准确性，允许分析师扩大能力，创建新的分析产品等等。由于人工智能，可靠的信息收集工作取得了明显的进展；然而，它仍然处于一个新的阶段，需要不断地调整和修改，以建立和维持一个知识数据库，并需要专家解释过程来处理不确定性和不完整的信息提取。因此的未来相关发展仍有足够的空间。
鹰眼360系统能向各国政府、商业利益、国防单位提供近乎实时的可操作数据，这种监测结果的快速传递是通过利用新的商用数据中继星座来实现的。这种方法的优势在于，不必签订着陆许可协议，能更快地为客户提供分析数据。鹰眼360已经考虑的一个选择是利用Audacy公司的数据中继卫星网络，以便即时下载获得的频率使用数据[9]。该网络旨在及时下载数据，并且发送到位于全球位置的地面站。越来越多的卫星运营商都需要避免一个问题，即只能在卫星经过合适位置的地面站时才能下载数据。鹰眼360星座已经确定，如果其数据能够以尽可能接近实时的方式提供给其商业客户，那么因此而获得的增值能力将使其更有效地销售其射频地理位置数据。如果这种射频地理定位小卫星服务在商业上获得成功，很可能会有其他卫星系统寻求提供能力相似的竞争性商业服务，包括射频使用的即时下载服务。未来，美国军方用户不仅可以利用这个思路发展自己的卫星系统，还可以使用更多的相关服务来增加军事能力。 历史再次重演，提供高速互联网服务的LeoSat公司因缺乏投资而停止运作，著名的卫星互联网公司OneWeb申请破产保护，揭示了发展商用低轨互联网星座面临的诸多风险。为此，美国军方必须认真总结发展商用低轨互联网星座的经验教训，制定一项适合军事卫星的发展战略。本章主要分析通信和遥感商用低轨卫星的经验教训。
在成本问题上，虽然Oneweb公司通过批量生产可以降低卫星的成本，但其使用的火箭发射成本仍然很高，而且发射进度不断拖延。
第二是频谱资源占领与落地权难度大的问题。卫星频谱资源是全球的稀缺资源，也是一个国家太空基础设施建设的基础，现在的通信低轨卫星公司都竞相向FCC申请占领可用的频谱资源，以获得优先权，但这和落地权问题一样，非常难协调。
第三是低轨空间环境的考验问题。低轨通信卫星对卫星抗辐射能力提出了很高的要求。此外，卫星还存在与微流星和轨道碎片碰撞的风险，而且，卫星数量众多，退役后一旦成为新的太空垃圾，将会对后续卫星的部署产生很大影响。
第四是卫星地面终端平板天线技术目前还不成熟。Starlink用户终端采用机械调向平板天线以降低成本，但其价格和性能是否适应消费者宽带市场仍有待观察。
第五是低轨卫星传输时延远低于同步轨道卫星，但是目前大部分宽带应用对时延并不敏感。LEO星座的时延在30 ms左右，与地面网络接近，远低于GEO卫星的480 ms。但是目前视频通话、视频点播、网页浏览等大部分宽带应用对传输时延并不敏感。
首先，商用低轨遥感卫星虽然数量众多，能产生大量高效有用的数据集，但因为数据公开，因而对于军方来说虽然能获得可用的数据，但是这些数据敌方国家同样也能获取，不具备非对称性。因此军方应在使用商用低轨卫星数据的时候关注保密性和安全的问题，与商业公司签订保密协议，或者联合使用军事和商用卫星等；其次，遥感低轨卫星现在面临的巨大问题是大数据处理，行星公司所拥有的卫星群每天可拍摄140万幅图像，总覆盖面积达3亿平方公里。随着组网工作的完成，行星公司如今面临的主要挑战是把大批图像转化成数据产品。因此，把数据变成有用的观点和见解是当前的研究热点，这就需要使用机器学习技术对图像进行自动化分析，但目前这种技术的水平还不够智能，仍然非常依赖人的参与和专家的分析，因此军方需要着力突破这方面的技术难题。另外，小卫星因为平台空间受限，用于照相的载荷也受到限制，因此分辨率相较中高轨卫星来说较低，对于军方来说，想要获取一些高清情报可能无法满足需求。现如今美国商用低轨卫星正处在发展的高点，各类创新理念、新技术、新思想层出不穷。美国军方抓住了这个发展的契机，利用商用低轨卫星星座完成更及时、更高效、更低成本的军事服务，并着力学习其先进技术，有力地弥补了军事各方面能力的缺口。我国目前还在进行各类低轨卫星的部署，研究并分析美国商用低轨卫星的军事潜力，能为我国商用低轨卫星的军事化应用以及军事卫星的未来发展提供新的思路。
【参考文献】
[1] Logue T J, Pelton J. Overview of commercial small satellite systems in the“New Space”Age[M]//Handbook of Small Satellites. Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2019.[2]周兵, 刘红军. 国外新兴商业低轨卫星通信星座发展述评[J]. 电讯技术, 2018, 58(9):1108-1114.[3] Bonneau V, Carle B. Low-earth orbit satellites:Spectrum access[R]. Digital Transformation Monitor. 2017-7:1~6.[4] Pelton J N. The Expanding Use of Space in Communications, Navigation, Remote Sensing and Weather Satellites[M]// The New Gold Rush. Switzerland: Springer International Publishing, 2017. [5] 太阳谷.美军低轨通信卫星系统发展浅析[R/OL]. (2019-08-12). https://mp.weixin.qq.com/s/gd8O6teDyO8GMMADFtib7Q.[6] Pelton J N. Future of military satellite systems[M]// Handbook of Satellite Applications. Switzerland: Springer International Publishing, 2017.[7]Caleb W, Bill D, Jordan S. 2018 Nano/Microsatellite Market Forcast[M]. [S. L]: SpaceWorks Enterprises, Inc,2018.[8] 孔超, 曹世博. 世界商业卫星遥感产业现状分析[J]. 中国航天, 2019(12): 70-74.[9] Pelton J N. Radio-frequency geo-location and small satellite constellations[R]. Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2019.[10] Gilles K. Flying large constellations using automation and big data[C]// SpaceOps 2016 Conference. Daejeon: AIAA, 2016: 1-11.[11] May N, Kbidy G. Design approach and challenges for the iridium next constellation command and control system[C]// 2018 SpaceOps Conference. Marseille: AIAA, 2018: 1-14.[12] Henely S, Baldwin-Pulcini B, Smith K. Turning off the lights: Automating skysat mission operations[C]// Proceedings of 33rd Annual Conference on Small Satellites. Logan: [s.n]: 2019:1-6.[13] Maheshwarappa M R, Bowyer M D J, Bridges C P. Improvements in CPU & FPGA performance for small satellite SDR applications[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2017, 53(1): 310-322.[14] Beam C. Flying constellations in the cloud[C]// Proceedings of 31st Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. Logan: AIAA, 2017:1-8.[15] Baker R, MacHarrie P, Phung H, et al. Amazon Web Services (AWS) Cloud Platform for Satellite Data Processing[C]// Proceedings of 33rd Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. Logan: AIAA, 2019:1-14.[16] Gopal R , Fang R J. High-capacity Ka commercial communications satellite architectures for defense applications[C]// 2012 IEEE Military Communications Conference. Orlando: IEEE Press, 2012: 1-6.[17] 丁雪丽. 小卫星通信发展概述.电科小氙.(2017-09-05). https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI5NDI3MDExOA==&mid=2247484610&idx=1&sn=0c9256541fdef9c7b9f5bc8b10537e2e&chksm=ec64210bdb13a81da459362647fc7607f0608f0412b0d5d31282597cecf69a18e08cb12de848&mpshare=1&scene=1&srcid=0907yYl0z2P6SwNGQDv2avhP&sharer_sharetime=1599443960093&sharer_shareid=acaeab1bfc65c0abc1c6d1fb0698032e#rd.[18] Dawson L. Satellite Technology[M]//War in Space. Switzerland: Springer Praxis Books. 2018.[19] Dolce F, Domizio D D, Bruckert D, et al. Earth Observation for Security and Defense[M]// Handbook of Space Security. Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2019.－ The End －
版权声明：欢迎转发本号原创内容，转载和摘编需经本号授权并标注原作者和信息来源为云脑智库。本公众号目前所载内容为本公众号原创、网络转载或根据非密公开性信息资料编辑整理，相关内容仅供参考及学习交流使用。由于部分文字、图片等来源于互联网，无法核实真实出处，如涉及相关争议，请跟我们联系删除。我们致力于保护作者知识产权或作品版权，本公众号所载内容的知识产权或作品版权归原作者所有。本公众号拥有对此声明的最终解释权。
投稿/招聘/推广/合作/入群/赞助 请加微信：15881101905，备注关键词
“阅读是一种习惯，分享是一种美德，我们是一群专业、有态度的知识传播者
↓↓↓ 戳“阅读原文”，加入“知识星球”，发现更多精彩内容.
分享💬 点赞👍 在看❤️@以“三连”行动支持优质内容！
