一文解析卫星技术和卫星轨道分类

1、卫星技术概述

引用美国宇航局的话，“卫星是围绕行星或恒星运行的卫星、行星或机器”（NASA，2015）。由于它们的姿态，卫星被独特地定位，以提供一个超视距通信平台和地球广阔表面区域的鸟瞰视图。这些能力为任何能够使用此类技术的人提供了战术优势。 根据这一认识，当时的苏维埃社会主义共和国联盟（苏联），即现在的俄罗斯，在1957年开发并发射了第一颗人造地球轨道卫星，人造卫星Sputnik 1（PS-1）。 美国紧随其后的是CORONA等秘密卫星项目，NSA、CIA和其他情报机构将利用卫星技术获取苏联导弹位置的情报（Dickson，2001）。根据从UCSUSA卫星数据库（USCUSA，2021）收集的信息，从1957年到现在，天空已经从一颗人造卫星变成了大约4852个，截至12/31/21。为了获得对后续材料的欣赏，了解大气的各个层、轨道类型以及这些轨道内的卫星轨道是至关重要的。 这将为展示卫星定位和攻击的多种方法的有效性奠定基础。

人们可能会倾向于忽略这些层对卫星进攻和防御的任何实际影响。例如，每个层将具有冲击特性。 对流层和平流层比高层大气密度大。 它们将产生更多的阻力和摩擦，对任何快速地面部署的防御卫星或平台产生表面加热。 用于ICBM拦截的典型导弹是雷神RIM-161 SM-3，其飞行速度约为3公里/秒或约6700英里/小时（主要导弹防御系统，2012年）。X-15只以每小时4520英里的速度飞行，并遇到1200华氏度的空气动力学加热温度（德莱顿飞行研究中心，nd.）。 应当注意，这样的温度将熔化铝、镁、锌和铅。 在更高层，大气压力的降低将决定推进系统和需要考虑增加的太阳和宇宙无线电干扰。 不同轨道距离的增加增加了射弹飞行时间和目标复杂性。 例如，许多卫星距离地球表面在100到22000英里之间。 额外的行程时间将允许目标卫星的国家有额外的时间执行其OODA（观察、定向、决定、行动）循环，以应对措施。

2、轨道的类型和形状

倾斜度：眼眶倾斜度是指角度或倾斜度的大小。在卫星绕地球运行的情况下，该角度被称为卫星轨道与行星赤道之间的角度。 通常，这种轨道被称为近赤道轨道、极轨道或倾斜轨道。

有两种一般的轨道形状，圆形和 椭圆形。圆形轨道是离地球的固定距离，被指定为LEO、MEO和HEO，这将在下一节中详细描述。 该轨道通常用于卫星保持固定地球位置的地球同步轨道。 另一个轨道形状是椭圆形的，由关于正在轨道运行的行星的两个不同点限定。 最近的点是近地点，最远的点是远地点，它将在任何攻击或资产保护确定中发挥作用。

轨道主要在155至1243英里的高度范围内（250-2000公里）。这个轨道级别的卫星根据高度在大约84-127分钟内完成地球轨道。 这种低高度要求较快的轨道速度以保持离心力和重力之间的平衡，其大约为17500mph或7.8km/s。 以这种速度，国际空间站（ISS）将每天绕地球一周16次，间隔90分钟（欧洲航天局，nd.）。 这一轨道上的卫星的例子是遥感卫星，如天气、地面测绘、气候变化、海洋学观察/监测、间谍/监视以及哈勃和国际空间站。

卫星轨道的分类：

1）小型、便宜的运载火箭可以将卫星推进低轨轨道。

2）更快的轨道速度使得在反卫星武器（ASW）被部署对抗它的情况下，移动的目标更快。 从长远来看，AR15突击步枪中使用的典型55粒北约5.56x45毫米子弹的飞行速度约为3250英尺/秒（991米/秒）（维基百科，2001年）或略高于3500英里/小时，而卫星的飞行速度约为17500英里/小时。

3）较低的轨道使得成像和监视更加清晰

4）较低地接近地面减少了卫星和地面站之间的通信等待时间，其将在5至10毫秒的低范围内。

5）低地球轨道（LEO）也可以有效地用于卫星通信。 狮子座轨道的范围从250英里到1000英里，信号时间延迟只有5到10毫秒。 这一优点还包括降低通信链路的功耗，平均功耗为0.5W（Perez，1988）。

3、轨道阻塞和碎片

在讨论实际的反卫星武器（AWS）及其系统之前，最后一个关键的话题是环绕地球的大量物体以及谁拥有它们。正如本章开头所述，从1957年到现在，天空已经从一颗人造卫星变成了12/31/21年的4852颗。

活动卫星的数量使实际退役卫星和目前在轨道上的其他空间碎片的数量相形见绌。在讨论反卫星武器（AWS）系统时，必须确定谁和什么物体环绕地球，并了解60多年来，卫星、实验和运载火箭部件的失效积累了空间碎片。 这个问题非常令人担忧，以至于国防部和美国宇航局联合使用空间监视网络（SSN）、光学望远镜、DebriSat、Haystack X波段雷达和Long跟踪已知轨道平面内碎片的持续时间暴露设施（LDEF）（NASA轨道碎片计划办公室，nd.）。同样，欧洲航天局（European Space Agency）也跟踪一个轨道碰撞风险评估小组，该机构位于德国达姆施塔特的欧洲空间行动中心（ESOC）的空间碎片办公室。 （欧洲航天局，nd.d.） 值得注意的是，与普遍看法相反，并不是所有的空间碎片都被编目和跟踪；统计分析和建模被用于小于10厘米或4英寸的物体（NASA，2021）。 根据欧空局的测量，截至2022年7月11日，观测到以下卫星和空间碎片数据：

活动/事件	数一下
卫星数据
•通过火箭发射进入轨道的卫星	13,320
•轨道卫星	8,580
•运行在轨道上的卫星（也许结束了 生命，燃料耗尽，或放置在墓地轨道上，但电子设备仍在工作。	6,100
•碎片由 SSN。	31,740
•估计事件（爆炸、碰撞等） 导致碎片化。	630
一般碎片数据
•大于10cm（4英寸）的碎片	36,500
•碎片>1cm（大约#2铅笔的尺寸），但是 小于10厘米	1,000,000
•碎片>1毫米，但小于1厘米	130,000,000

4、空间武器化与卫星磨损方法

在获得与卫星的杀伤接近度的许多方法中，只有少数原理，直接强调或杀伤（DA-ASAT）和共轨（Co-ASAT）。这两个原则允许部署直接能源武器、反卫星导弹、杀手卫星以及使用自然和人工碎片等方法。 下面将提供可用于摧毁卫星或卫星星座的直接和间接攻击的示例。 了解自20世纪60年代以来执行的多次反卫星试验造成的空间碎片的存在以及空间碎片在故意破坏卫星资产方面所能发挥的作用也是至关重要的。最初，美国和俄罗斯进行了太空武器试验。

碎片场破坏：每个轨道层都有不同数量的碎片。狮子座不仅非常饱和，而且有最快的旅行物体。 任何类型的碰撞都会导致一连串的碰撞，也称为凯斯勒综合征。 简言之，该概念基于两个或更多物体的碰撞。 虽然与碰撞和运动定律相关的物理学不在本文的研究范围之内，但有必要理解，以如此高的速度行进的物体，即使是质量微不足道的物体，也会发生高能碰撞，从而产生以相等的力朝相反方向移动的较小物体。 这些较小的物体将与其他碎片碰撞，碰撞将继续导致碎片风暴。 如前所述，低轨轨道具有许多实体，包括功能卫星和国际空间站(ISS)。 已经注意到卫星碰撞，第一次已知的碰撞发生在1991年，当时俄罗斯的宇宙1934被宇宙926的碎片击中。 然后，在1996年，法国的Cerise卫星被Ariane 4火箭碎片击中。2005年，美国的上一级火箭被中国火箭第三级火箭的碎片击中。2009年，一颗铱卫星与俄罗斯的宇宙-2251"相撞，造成毁灭性后果（欧洲航天局，nd.d.）。

拥有或操作卫星。卫星的重要性及其向军队提供实时情报的能力是众所周知的。 一些国家可能不具备其对手的技术能力，但希望破坏收集Satint的能力，或破坏其与地面、海军和航空部队的通信、指挥和控制能力，以公平竞争。 这样的国家可能缺乏执行卫星管理的资源，甚至缺乏跟踪和瞄准轨道中物体的技术。 然而，他们可以利用碎片场摧毁对手的空间资产，并造成预期的破坏。 例如，朝鲜已经开发并试射了火星-12弹道导弹。 据报道，这枚火箭已经达到2111公里或1311英里的高度。 如前所述，近地轨道通常低于2000公里。 （战略与国际研究中心，2022年）。 这种姿态提供了在LEO轨道和MEO轨道较低部分内的任何地方递送有效载荷的能力。 如所讨论的，跟踪和撞击快速移动的对象是复杂的操作。 然而，高爆轰的输送不包含接近复杂程度的水平，而是将产生类似的结果。 这种情况将引发一系列反应，在这些反应中，空间碎片将成为不断增长的弹片云，随着正在进行的碰撞中其他物体的破坏，弹片云将增加。 这可以消除几乎每个国家的观测、监测和通信卫星。 过剩导弹助推器的日益扩散使这种情况成为可行的威胁载体。

5、地空导弹

在成功发射人造卫星后，美国很快意识到俄罗斯在太空方面的优势，可以监视美国的设施。此外，还设想俄罗斯将开始在轨道上部署核项目，提供首次打击能力。 美国在1958年的最初反应是开发和测试ASAT武器Bold Orion或（WS-199B），一种空射导弹。 测试和开发继续进行，直到1959年10月在LEO成功进行了近拦截测试，导弹到达Explorer 6卫星4英里（6.4公里）以内（Pike，2016）。 这被1960年俄罗斯人用同轨装置“DubbedIstrebitel”斯普特尼科夫（卫星驱逐舰）（Zak，2013年）。

从20世纪50年代到70年代初，选择的战术方法是使用核弹头和高爆弹头来消耗敌方卫星资产。1963年，美国、苏联和英国签署了《有限核禁试条约》，认为任何此类爆炸都可能对双方和盟国造成附带损害。 应当指出，这项条约不包括使用其他动能型武器。 到了20世纪70年代，战术改变了，研究开始使用动能杀伤武器，这种武器可以以极端的力量打击目标。 

2008 美国在低轨道击落其间谍卫星（Oberg，2021）。

2021年，俄罗斯击落了它的卫星（Litovkin，2021）。

这些卫星中的每一颗都产生了大量的碎片，2021年的事件导致国际空间站上的人员在多个轨道上避难（Mogg，2021），直到碎片场不再被视为危险。这些碎片将在轨道上保留几十年。SM-3导弹可以说明动能杀伤武器/弹头（KKW）的概述，它是一种DA-ASAT命中杀伤系统，释放一个独立的21英寸（530mm）、轻型Exo大气拦截器杀伤车，将以大约10km/s（22000 mph）的速度接近目标（GAO，2011）。

在这个速度下，撞击相当于“...130”兆焦耳动能，或相当于10吨卡车以每小时600英里的速度行驶。"（雷神公司，2007年）。 从长远来看，这大致相当于一辆标准校车以747商用飞机的最高速度撞上物体。 其结果将是目标的粉碎和产生额外的高速空间碎片。DA-ASAT挑战包括先前确定的与LEO相关的障碍。首先也是最重要的是，数据卫星将需要具有足够力的推进系统来获得姿态。 虽然有些导弹可以到达低至中低近地轨道，但较少的导弹可以到达较高的地区。 如果姿态障碍被克服，则该轨道中的物体以高速行进，使得执行目标识别、跟踪和捕获非常困难。 这将在目标通过之前留下很少的时间来开发发射溶液从射程。虽然有许多成功的说法，但由于明显的原因，失败的尝试很少被讨论。 不断提到的一个考虑因素是不断增加的空间碎片。 任何DA-ASAT都必须导航通过以“高”高超声速频谱速度行进的碎片，并具有作为其仪器一部分的高级目标识别设施。值得注意的是，所示的导弹系统只是许多设计中的一个，每个公司、国家及其相关工程师将采用不同的方法。

共轨（CO-ASAT）：这些武器系统被放置在轨道上，目的是从其轨道停机坪上靠近目标卫星机动，并能机动到目标卫星的较高或较低平面并通过各种手段摧毁目标卫星。这种ASAT设备可以具有双重目的。 伪装为天气、通讯或有其他非强制性意图，可能会使它们留在轨道上，而不会引起人们对其伪装任务的注意，直到被召唤采取行动。 这个ASAT类也可以在多个轨道上追逐另一个轨道体，直到它足够接近执行其杀死协议。Kosmos-2543的活动观察到了这种机动，以匹配Kosmos-2535的轨道进行会合，并能够改变前后轨道位置（Chabot，2019）。 如表2-7所示，俄罗斯/苏联自1982年和美国1年以来进行了9次共轨试验。1982年以前，有17次俄罗斯/苏联的同轨道相关试验在1963-1981年间得到证实。 由于国家秘密，很难知道发生了多少与消灭敌方资产有关的同轨道卫星活动。

6、直接碰撞或动态杀伤

在DA-ASAT探测中讨论的技术以及高速撞击如何对目标卫星造成广泛损害。概念是相同的，除了杀伤车是一种轨道装置，可以转换轨道平面以追求目标。

射频干扰机将允许攻击卫星在另一颗卫星附近机动，并干扰其发送和接收信号。攻击卫星可以使其轨道与目标卫星足够接近，从而通过频谱感知执行认知干扰。 这项技术将允许攻击者感知目标使用的发送-接收频率，并使用“检测和干扰”策略。 即使目标卫星试图执行抗干扰缓解，攻击卫星也可以通过检测滑动能窗分析等技术继续其频谱分析。 （Tianq，Pham，&Blasch，2012年）干扰可能只需要存在很短的时间就可以造成干扰，尤其是如果目标位于LEO。

微波轰击已经成为一种可行的星-星冲突攻击方法，高功率微波（HPM）在电子威廉希尔官方网站 上使用窄带和超宽带（UWB）脉冲辐射损坏目标电子威廉希尔官方网站 的实验证明了这一点（SAEMedia Group，2008）。 在目标附近机动的具有微波能力的ASAT可以发射微波，产生能量传递，从而在目标卫星内建立额外的电压。 这将产生数千伏的电压，导致目标的电子导体产生电压和热量，这将导致半导体、处理器甚至熔化关键部件。 空间研究已经使用光伏射频天线模块（PRAM）技术证明了这一点。 “PRAM将阳光转换为微波功率传输。” （Trevistick，2020）提供电力。

7、网络攻击

（Nichols等人，2022）卫星也将有类似的漏洞。卫星接收来自地球站的通信，在许多情况下，接收来自多个地球站的通信，所有这些都需要认证。 这意味着需要通信和安全协议来服务于接收传递证书所必需的请求、确认和握手。 这可能受到DoS(拒绝服务)攻击，其中卫星在尝试服务请求时可能变得不堪重负，并且无法与合法源进行认证，从而影响其从其基地接收指令的能力。 根据轨道和卫星的速度，它可能会通过与特定地面站的通信窗口，并且必须前进到下一个。 正如在轨道上讨论的优点和缺点，低轨轨道需要较少的功率来与地面通信，并且通常具有较小的天线和较低功率的发射机。 轨道上的另一颗卫星或卫星星座可能提供更集中的信令，并在目标卫星进入其与地面的通信窗口并造成中断之前开始攻击。 这是可能发生的众多网络攻击之一。 类似的网络情况也发生了，黑客控制了一颗退役卫星，并通过Anik F1R卫星（Paganini，2022）广播了他们的会议。

激光武器用于共轨攻击卫星，由于有效燃烧目标卫星材料所需的功率量，激光在这一点上可能不是一个实际的解决方案。然而，许多工作正在进行中，以创造更强大的激光器，需要更少的功耗。 还应该注意到，由于距离扩展、大气电离、大气扩散和地下空间攻击，额外的能量不会损失。 然而，确实存在使用激光使目标失明的技术。 这在反监视和探测方面是有用的，特别是在探测高超音速导弹发射时，这种导弹发射信号不如标准洲际弹道导弹明显。

化学喷雾器将是一种更隐蔽的攻击方法，在这种方法中，目标将被喷洒化学剂，该化学剂将导致卫星表面的腐蚀，并最终危及系统，该系统已经由于热变化和与高速行进相关的力而处于应力下。"由于轨道运行期间周期性进出遮阳板，卫星外表面上的低轨轨道会产生热应力。 在LEO，这种情况每90分钟发生一次，大约在+100 ° C到-100 ° C之间。这种温度变化会在材料中产生热应力，而CTE的差异将导致金属表面上的氧化层剥落，并导致新鲜材料不断暴露在原子氧环境中。" （欧洲空间局，nd.d.）。 这种腐蚀性材料的分散会降低太阳能电池板及其部件的效率，并最终构成卫星的结构完整性。

在过去的十年里，随着立方体卫星的进步、更便宜的交通工具、改进的机械臂、相机系统、更快的计算能力、用于精确目标识别和捕获的先进软件以及改进的自主响应，卫星机器人机构已经指数级地进步。这些改进使设备能够截获和捕捉快速移动的物体。 最近，美国、英国和中国已经开始进行几项实验，以清除太空碎片为幌子，测试这项技术，以清理较低轨道。 这些国家进行了技术示范，相互提出了重要的担忧理由，因为用于清除碎片的相同技术对反对派资产也有同样的作用。 以下是反映所测试技术的已知努力。

8、高超声速导弹平台

除了气象、通讯和间谍卫星，还有轨道平台。下图确定了11个不同类型的15个不同平台。

1963年，112个国家签署了《外层空间条约》，该条约基本上禁止在空间使用核武器。"《外层空间条约》的主要规定包括禁止空间核武器；限制将月球和所有其他天体用于和平目的；规定所有国家应自由探索和使用该空间；禁止任何国家对外层空间或任何天体主张主权。 该条约虽然禁止在天体上建立军事基地、试验武器和进行军事演习，但并没有明确禁止在太空中的所有军事活动，也没有明确禁止在太空中建立军事空间部队或在太空中放置常规武器。" （维基百科，2003年）。 反对核武器的具体宣言为其他可能的系统打开了大门，例如发射不需要核弹头的动能系统，因为它们的高超音速将通过释放相当于千吨的TNT（取决于重量、密度和最终撞击速度）产生毁灭性的结果。

一个已知的武器平台是高超音速武器的发展，这是不断升级的军备竞赛的一部分。从第6本书中快速回顾一下，这些车辆的速度大于5马赫（>3,806英里/小时），姿态低于90公里（295,276英尺）。 低轨轨道上的大多数物体以17500英里/小时的速度飞行，这些速度被称为高超音速，范围为10-25马赫。 记录了一些阿波罗指挥模块（CM）以36马赫的再入速度飞行（史密森国家航空航天博物馆，nd.d.）。

一般来说，有两种类型或类别的高超声速导弹。第一种是巡航导弹类型，也称为高超声速巡航导弹（HCM），它通过SCRAM推进系统保持速度，以及高超声速滑翔飞行器（HGV），它利用重力和空气动力学来获得其速度和稳定性。

本主题的重点将是HGV以及它将如何作为天基攻击载体应用。目前，探测发射或部署高超音速导弹的方法有限。自冷战时期以来，标准防御战略的重点是探测洲际弹道导弹的发射和拦截。 高超音速技术已经成为观察、定向、决定和行动OODA回路决策战略过程中的游戏规则改变者（Devost&Courley，2022）。 过程受到影响，因为观测周期被延迟，这是过程的开始。 应该注意的是，大多数早期预警技术都是针对洲际弹道导弹水面或海军发射的红外特征进行优化的。 这种标识的减少然后压缩了其他过程可用的时间，包括定向能力。 这种减少进一步缩短了被围困实体采取行动的时间，因为这些设备太快了。 例如，如果我们使用摘自第六册高超音速武器第12章的下表：

它显示了这种武器的移动速度。HGV在23马赫上空绕高层大气移动，在10马赫时绕低层大气移动是不现实的，这可以在8分钟内覆盖1000英里。

在这种情况下，有能力观察导弹助推器的红外特征。此外，由于助推器的高度约束，HGV的目标将较少。 在空投部署场景中，高度限制将被删除。 此外，根据一天中的时间，观测卫星将不存在来自地面的红外热信号，以供探测和报告；获得HGV已经发射并开始其重返轨道的早期确认可能很困难，这可能类似于下图所示的大气跳跃。

这将提供HGV隐身，因为它可以从不同的全球位置降落，并开始其目标活动。一旦进入大气层，它将具有机动能力，并且由于它的高海拔，它会混淆敌人对实际目标的跟踪。 此外，如果主目标不再可用，则可以选择多个备选。 应注意，随着HGV变低，选项更少。 在指定点，HGV将以最大速度降落在目标上，释放尽可能多的动能和破坏。

尽管有条约和国家协定，使用从太空发射的高超音速武器是一个必须考虑的问题。对于那些表现出违反条约或违反既定交战准则和规则的传统的国家来说，拥有首次打击能力是一种太大的诱惑。 任何忽视这一点的国家都可能在其灭亡时这样做。

编辑：黄飞