美国弹性卫星网络建设的现状与发展

军事卫星是美军作战能力的关键，美军当前几乎所有的作战系统（包括：定位、导航、授时、侦察监视、测绘遥感、通信传输等）都高度依赖太空卫星的关键支撑，现有太空体系高度脆弱并临关键威胁和严峻挑战，亟需发展致命性、弹性、有威慑力又低成本的军事太空能力。

2013年，美国太空司令部发布的《弹性和分散太空体系》白皮书中最早提出弹性太空的概念。白皮书认为“弹性”是指体系面对系统故障、环境挑战、敌对行动时能够持续提供能力的本领，包括威胁摄止、体系健壮、系统重构、能力恢复等。

2016年，美国太空司令部再次提出太空弹性能力的概念，包括：太空军事力量对全部已知威胁作出反应的能力，反击未来威胁的速度，为作战部队提供持续不断的太空支援。

2018年，美国《国家太空战略》认为弹性太空体系通过提升太空防御力和重建力，确保太空力量能够在可承受风险下遂行作战任务，可有效提升太空作战的威慑力和战斗力。美国2018年版《太空作战条令》将弹性、重构、防御作为减缓太空威胁的三种措施。

“弹性太空”概念随着美国太空战略调整不断丰富完善，并且是美国太空战略的重点发展方向，从美军最近几年的太空军事力量建设来看，当前的重点是开发太空弹性卫星网络，这也是美国下一代弹性太空体系架构的基础。美国军方正在从不同的方向推进弹性卫星网络的建设。

DARPA的Blackjack项目

为了能够不间断、全覆盖的监视地球上的情况，传统上采用高轨道卫星为主，但这些庞大且昂贵的系统很容易成为攻击目标，如果遭到破坏，可能需要划分数年时间进行补充。并且这些系统研发周期很长，在部署之际就很可能被对手赶上，无法应对新的威胁。

图表 1 DARPA于2018年启动了Blackjack计划，以展示低地球轨道上的小型卫星在军事行动中的实用性。

同时美国的军事卫星一直追求“大而全、高性能、低风险”，导致如今研发成本高昂，研发进度拖慢，往往经过十多年好不容易开发出一套先进的军用卫星系统，对手却早就有了应对之策。

为了从根本上改变这一状况，DARPA提出了Blackjack项目，希望工业部门研究一种运行于低地球轨道小型卫星平台，通过60~200颗卫星组成的星座实现不间断、全覆盖的监视地球上的情况。

Blackjack项目打算使用低成本的商业卫星平台、可快速更新升级的卫星载荷一起构建低地球轨道卫星星座，在能力上与传统的高地球轨道和地球静止轨道卫星系统相近，但成本更为低廉，并且更容易在地方攻击下生存与补充。

通过 Blackjack，DARPA 希望展示在低地球轨道上运行的大型小型卫星星座的效用。这些卫星通过卫星间光互联链路在轨道上互相连通，形成网状网络。该网络将能够近乎实时地将收集到的数据提供给地面作战人员。

DARPA计划在今年发射多达12颗卫星，这些卫星将携带各种有效载荷，用于通信、目标定位、导弹预警和导航。

去年4月，DARPA选定了洛克希德马丁公司作为将 Blackjack 卫星平台、有效载荷和Pit Boss自主任务管理系统三者进行组装和集成的总承包商。12月，Parsons公司获得了原型地面运营中心建设合同，将在2024年年中之前为 DARPA Blackjack计划建设一个地面运营中心。

下一代弹性太空架构

2019年7月美国太空发展局发布了首份信息征询书，阐述了下一代太空体系架构发展设想，提出由“传输层、跟踪层、监视层、威慑层、导航层、作战管理层、支持层”七层组成的下一代太空体系架构。

当前SDA的建设重点放在了“传输层0期”。传输层是弹性太空体系的主干，旨在为全球范围内的作战人员应用提供可靠、灵活、低延迟的军事数据和连接。

“传输层0期”的目标主要有两方面：一是系统能力的试验和演示，可以整合并实现与其他航天器兼容；二是可以作为后续阶段的发展基础。

根据2020年5月1日的招标合同，SDA的“传输层0期”有六个目标：

• 演示通过光交叉链路网状网向作战人员低延迟传输数据的能力；

• 演示从外部天基传感器通过传输层向作战人员发送数据的能力；

• 演示一个有限的战斗管理C3功能；

• 通过网状网向作战人员传输数据；

• 在网络上近实时存储、中继和传输Link16数据；

• 不依赖GPS运行一个通用时间基准。

2020年8月选择洛克希德·马丁公司和约克空间系统公司为其“传输层0期”建造卫星。

SDA计划在2022财年第四季度将“传输层0期”卫星送入轨道，在2024年以前建成一个拥有数百颗卫星的星座系统作为太空通信枢纽。

积极利用商业卫星数据

除了积极推进军用低轨卫星星座的建设，美国军方还希望将商业卫星直接插入其低轨道卫星网络，让战场上的士兵能够更快地访问到商业数据。

在2020年演习中，操作员就能够拍摄卫星图像，对其进行处理以寻找目标，并通过天基网络将其发送到战场。将商业卫星连接到陆军地面站并通过其网络传输数据，把数据从卫星发送到射手的时间从20分钟缩短到了20秒。但美军还在努力进一步简化向士兵提供商业图像的过程。

目前商业卫星服务商独立运营其卫星星座，一旦接到任务，商业卫星会收集相关数据并将其发送到公司的地面站，然后进行必要的处理，再交付给军队。

太空发展局希望跳过前面的数据下行过程，将商业卫星直接接入到其自己的卫星网络：传输层。传输层由数百颗通过卫星间光学链路连接的近地轨道卫星组成，是军方联合全域指挥和控制工作的关键部分。

2020年11月，太空发展局宣布与合成孔径雷达提供商Capella Space 合作，将其卫星直接连接到传输层。Capella Space是第一家与SDA的国防太空架构和标准兼容的商业SAR公司，将从 2022 年底开始在其卫星上安装由 Mynaric 制造的 CONDOR Mk3 光通信终端，测试商业卫星直接接入军事卫星网络的效果。

弹性卫星网络的优势

虽然美军的弹性卫星网络尚未建成，但通过不断的太空军事演习，美军逐步建立了对弹性卫星网络的认知，认为低轨道卫星星座将带来比高轨道卫星星座更多的优势。

1. 通信改善。由于轨道更低，通信延迟不到高轨道卫星的1/30，这极大的改善了战术响应时间；同时卫星信号更强，低轨卫星的信号强度可以达到高轨道卫星的1280倍，显著提高了系统的通信容量。

2. 低成本。成本问题包含两个方面。一是发射成本低，卫星位于低地球轨道，发射成本低，每公斤发射成本大约是高轨道卫星的1/6，并且随着火箭技术的发展，低轨卫星发射成本会比高轨道卫星下降更快；二是由于卫星数量的增加，需要对卫星平台、传感器进行标准化，并尽可能采用商业组件，实现了装备的工业化生产，于是卫星规模的扩大就导致了从设计、生产、维护到替换全方位的成本降低。

3. 卫星平台和传感器采用模块化设计，卫星可以按需装载各种模块化的传感器，实现平台的多功能化。

4. 缩短了卫星的技术更新周期，将以前的10年周期缩短到1~2年，可以用更快的速度采用先进技术，以应对新的威胁。

5. 持续覆盖：对全球实现不间断、无缝的覆盖，不论是时间上、还是范围上覆盖能力都要比高轨道卫星更好。

6. 强壮性：少量卫星的失效不会影响系统的服务能力。一旦拥有大量低成本、可快速补充的卫星群，意味着对手攻击单个或几个卫星的收益和攻击成本相比并不合适，颠覆了太空攻防的成本收益关系。

结论

美国军方正在通过不同的项目积极推进弹性卫星体系的建设，打造一种“扩散型低地球轨道（P-LEO）”太空架构，统一整合美国国防部下一代太空能力，通过提高韧性和任务响应能力增强对作战部门的支持。

美军的弹性卫星网络为其对手提出了新课题——如何有效的破解美国的弹性卫星网络，因为只有具备断链、瘫网等能力，才有机会打破其弹性架构，形成有效的威慑。

作者：刘继业，数字太空实验室主任