美國空間攻防體系發展與能力研究

李青 劉愛芳 王永梅 郭玲華

(1 南京電子技術研究所，南京 210038)(2 中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)

空間攻防，即外層空間中進行的軍事對抗，主要包括空間態勢感知、空間進攻和空間防御3個方面?？臻g攻防的作戰對象涵蓋彈道導彈、臨近空間高速飛行器、航天器、地面及海上高價值軍事目標(天對地打擊形式)等。美國具有完備的空間攻防對抗組織、領導機構、理論體系、兵力編制、武器系統及培訓基地，有著龐大的航天工業和雄厚的人才儲備，其規模遠遠超過世界各國的總和。作為在外空擁有絕對優勢的國家，其空間攻防體系及裝備的發展尤為引人關注[1]。

目前，國內已對美國空間攻防領域的各個方面開展了研究[2]；但大多僅涉及空間攻防的某一領域或某型裝備，對美軍空間攻防的體系化發展及能力分析不足。本文通過系統總結美國空間攻防的發展歷程，根據其裝備體系化發展的思路，分析現有及未來美軍空間攻防領域的能力，可為我國在這一領域的技術儲備及發展，以及規劃及應對策略的制定提供參考。

1 美國空間態勢感知系統

1.1 系統構成

美國空間態勢感知系統采用天地一體化方式，由地基系統和天基系統組成。其中：地基系統以雷達和光學為主；天基系統以光學遙感器為主。美國空間態勢感知系統在航天器發射、返回及在軌運行等方面均發揮著巨大的作用；除了對航天器進行監測外，還負責對軌道碎片和自然天體的運行情況進行觀測，分析目標信息，并進行編目，以掌握空間態勢，向民用和軍用航天活動提供空間目標信息態勢保障。

1.2 地基系統

20世紀60年代，由于技術進步及任務需求的原因，美國最初大力發展了地基系統。目前，美國用于空間目標探測的地基系統已經遍布全球，并且能夠在特定的探測區域內實現對空間目標的連續探測和監視。地基系統已完成全球25個站址的部署，擁有30余臺探測設備，并建立了2個專門的空間目標監視指控中心。當前，地基系統是與反導系統一體化建設的，探測手段包括光學與雷達系統，提供低軌空間目標10 cm、中高軌空間目標1 m以上的態勢感知信息，最多可為2萬個目標進行編目[2]。為進一步拓展地基系統的能力，同時結合自身技術發展及空間探測的需求，美國后續重點發展新型空間籬笆與新太空望遠鏡(SST)2個項目。

(1)新型空間籬笆。2013年，美軍與洛馬/雷聲公司簽訂了項目合同。新型空間籬笆為主動式微動雷達，采用S頻段相控陣體制；計劃布站2～3個，分別部署在夸加林和澳大利亞，將在2020年全部建成。新型空間籬笆主要提升美軍對南/西半球的態勢感知能力，能將空間目標的編目數提升一個數量級，由現在的2萬個提高到20萬個。

(2)SST。該系統在2014年遷移至澳大利亞西部，并于2016年正式開始運行。作為新一代地基核心光學裝備(望遠鏡)，能重點提高地球靜止軌道(GEO)目標寬視場跟蹤能力；與現有望遠鏡比，其搜索速度和靈敏度可以提高1個數量級，且視野更寬，能實現對GEO小目標穩健跟蹤。

在新型空間籬笆與SST部署完成后，美國空間態勢感知的新一代地基系統基本成型。然而，隨著空間攻防項目的不斷演進，美國發現地基系統并不能適應新形勢下空間戰爭的需要。這主要是因為：地基系統布站固定，只能在空間目標過頂時進行探測，且監視的連續性難以保持；受功率孔徑限制，地基雷達作用距離有限，主要用于低軌空間目標觀測；地基光學系統雖然可以觀測中高軌目標，但受光學系統探測機理的影響，無法在弱光或無光條件下使用，無法保證全天時、全天候觀測能力；地基系統探測距離遠、頻次低，因此對空間目標的定位精度也不夠，不足以保證空間攻防精度的需求。為有效彌補地基系統的固有缺點，美國進一步發展了天基系統。

1.3 天基系統

進入21世紀后，美國通過對空間攻防項目理解的不斷深入，其發展思路逐漸轉變為以地基系統為基礎，充分發展天基系統，并將天基系統的研發定為空間目標態勢感知的優先發展方向[3-4]。

天基系統與觀測目標均運行在太空中，可彌補地基系統固定布站和遠距探測的短板，與地基系統協同工作，獲得理想的態勢感知能力。其具體優勢如下。

(1)覆蓋全、頻次高。天基系統由一顆或多顆衛星組網實現巡視探測，可提升空間目標的觀測頻次。

(2)無云雨、全天候。天基系統能實現平視/上視觀測，無對流層影響，實現空間目標的全天侯觀測。

(3)距離近、精度高。天基系統可對空間目標進行近距離抵近觀測，實現空間目標的高精度定位及詳查能力。

從1996年起，美國就大力加強天基系統的建造，為后續空間攻防進行充分的技術及裝備儲備。在天基系統發展領域內，美國采用低軌、高軌和感知/攻防兩用系統3條交互發展的路線。表1詳細給出了其發展歷程。

表1 美國天基系統發展歷程

在低軌系統中，最為核心的是STARE微納衛星星座和SBSS星座；在高軌系統中，最為核心的是GSSAP系統和GEO目標監視納衛星星座；在感知/攻防兩用系統中，最為核心的是低軌XSS-10/11和高軌ANGELS衛星[5]。

1.3.1 低軌系統

(1)STARE系統采用3U架構的納衛星，搭載寬視場光學遙感器。單顆衛星視場為2°×2°；18顆衛星組成星座，可監視軌道高度200～1000 km范圍內10 cm以上目標，定位精度為100 m(相比現在提升2個數量級)。2012-2016年已發射3顆衛星，計劃2020年前完成其余15顆衛星的發射并完成組網。

(2)SBSS是美國目前主力的天基空間態勢感知系統，是由3顆衛星組成的星座。衛星采用高度630 km的太陽同步軌道，搭載寬視場光學遙感器和窄視場光學望遠鏡，基于“恒星跟蹤”機理觀測目標。其主要任務是對低軌和中高軌空間目標進行高頻次觀測，平均每天觀測目標數可達12 000個。另外，在GEO目標探測方面，3星星座可提供平均3次/天的觀測能力。美國在2010年完成了SBSS-1衛星的發射，計劃在2020年完成星座部署。SBSS對空間態勢感知能力的主要貢獻為進一步拓展空間目標的監測數量，大幅提升監測頻次。圖1為美國SBSS衛星進行空間目標觀測示意。

圖1 美國SBSS衛星空間目標觀測示意Fig.1 American SBSS satellite space target observation

1.3.2 高軌系統

(1)GSSAP系統采用4顆衛星均布的星座組網方式，單星質量1000 kg左右，裝有光學載荷，運行于GEO上方或下方1000 km的軌道高度上。美國在2014年完成了GSSAP-1/2衛星的發射，2016年完成GSSAP-3/4衛星的發射，目前4顆衛星在軌，部署完畢。GSSAP系統的任務是加強對GEO衛星巡視觀測能力，可抵近伴飛獲取重點目標的高清視圖，同時兼顧空間攻擊能力。它是目前美軍針對高軌目標日常巡視的主力系統，4顆衛星組網可實現對高軌目標每周巡視一次的能力。圖2為美國GSSAP星座對高軌目標觀測示意。

圖2 美國GSSAP系統對GEO目標觀測Fig.2 American GSSAP system for GEO target observation

(2)除了GSSAP系統，美國還計劃發展用于高軌目標監視的GEO目標監視納衛星星座。該星座軌道距GEO約500 km，采用3U立方體方案，搭載光學偵察系統，可選方案為9顆衛星、18顆衛星或27顆衛星組網。27顆衛星組網時，最短重復巡訪周期為2天。GEO目標監視納衛星星座的主要任務是對GEO目標進行環繞監視，單星環繞周期60天，探測大于5 cm的目標。圖3為GEO目標監視納衛星星座構想及工作示意。

圖3 美國GEO目標監視納衛星星座設想及衛星方案Fig.3 American GEO target surveillance Nano-satellite constellation assumption and satellite solution

1.3.3 感知/攻防兩用系統

(1)XSS-10/11均采用微小衛星，軌道高度520～910 km，主要任務是對低軌目標進行在軌檢查、交會對接，以及圍繞低軌目標近距離機動飛行。目前，XSS-10/11在低軌均成功完成了抵近觀測和自主交會技術。

(2)高軌ANGELS衛星，質量100 kg，設計壽命1年，采用光學設備，主要任務是對GEO目標進行逼近、繞飛、懸停等操作，對衛星實施探測、跟蹤、監視及評估，掌握其特性和活動意圖。美國在2014年7月完成了高軌ANGELS衛星的在軌驗證，目前衛星仍在軌運行，成功完成了抵近觀測、跟蹤及懸停繞飛等關鍵任務。圖4為高軌ANGELS衛星工作示意。

1.4 美國空間態勢感知系統能力分析

美國空間態勢感知的終極目標是實現對全軌目標實現連續監視[3]。截至目前，美國空間態勢感知系統編目并管理著2萬多個空間目標，能夠有效觀測低軌10 cm、高軌1 m以上的空間目標，是世界上最發達的空間感知系統。即便如此，美軍仍認為在編目數量、探測精度及頻次上無法滿足未來空間攻防的需求，存在探測短板；因此，美國已開始著力構建基于天地一體的空間態勢感知系統。通過前述分析，在未來的空間態勢感知系統中，美國在地基系統中將構建以“太空籬笆”、SST為核心的探測裝備，同時大力發展天基系統。根據美軍發展步驟及計劃，在2020年前后，美國將真正實現低軌厘米級、中高軌分米級空間目標的跟隨監視、抵近詳查、攻擊引導和抵近碰撞的能力。表2給出了美國當前及2020年空間態勢感知系統的能力狀態。

表2 美國空間態勢感知系統能力

2 美國空間攻擊系統

空間攻擊是空間攻防的另一個重要系統。美國一直引領空間攻擊的發展方向，遵循保持不對稱優勢、占領技術“制高點”的目的，采取“寓軍于民、寓反衛于反導、寓進攻于防御”的策略，在提升空間態勢感知能力的同時，重點研發先進空間攻擊技術。

空間攻擊主要是指對衛星實施攻擊，以實現破壞衛星功能、甚至物理摧毀衛星為目標?？臻g攻擊主要分為軟殺傷和硬殺傷兩種，其中：軟殺傷主要是電磁干擾、網絡攻擊，不造成對衛星的實際物理傷害，只是使其在一定時間內喪失功能；硬殺傷是主要以天基平臺為主的近距離攻擊手段，以衛星功能永久喪失為目標，對衛星的破壞力極大，甚至導致作戰體系的直接癱瘓。由于硬殺傷的優勢顯著，近年來美國逐步加大了基于天基平臺的硬殺傷攻擊技術研究[4,6]。

空間硬殺傷手段主要包括：①動能武器攻擊，碰撞殺傷；②天基在軌操作，機械臂或對接抓捕、破壞；③天基激光武器，強激光束照射，受熱融化或燃燒毀傷；④天基微波武器，破壞衛星電子設備。下面分別論述美國在這4個方面的發展情況。

2.1 動能武器攻擊

美國的動能武器包括陸基、?；?、空基及天基方式。在陸?；翱栈鶆幽芪淦鞣矫?，美國采取了反導反衛一體化發展的思路，通過升級改進，將反導武器應用于反衛領域，解決防區內低軌打擊問題；在天基動能武器方面，其實際部署情況及相關報道均很少，從技術形態上分析，很有可能是天基動能武器的關鍵技術及試驗都掩蓋在感知/攻擊兩用系統中(主要是近距詳查系統)。表3是美國用于空間攻擊的重點動能武器項目及進展。

表3 美國動能武器項目及進展

從表3可以得出，在對空間目標的動能武器攻擊方面，美國相應的關鍵技術均已突破，已具備實戰能力，可對低軌目標實行有效的空間打擊。

2.2 天基在軌操作

天基在軌操作包括在軌服務、空間碎片清理，在軌維修、抓捕等相關技術，主要目的是延長航天器壽命、解決航天器在軌故障、移除空間碎片、清理廢棄衛星等。近年來，美國開展了一系列在軌操作項目研發，其中起到奠基作用的是2002-2007年研發并在軌測試的軌道快車(Orbit Express)項目。在Orbit Express項目中，美國在軌操作的關鍵技術均得到了充分驗證。在此基礎上，美國規劃并重點發展了一系列在軌操作項目(見表4)，以應對不同軌道的衛星，并逐漸形成在軌補充維護(偏商用)和組裝/維修/重構(軍民兩用)2條發展路線。Orbit Express、在軌衛星燃料加注系統(ReStore-L)及地球靜止軌道衛星機器人服務(RSGS)項目，是美國在軌操作路線中程碑式的3個項目。

表4 美國在軌操作項目

(1)Orbit Express。2007年3月，采用“一箭雙星”發射方式，同時將自主空間傳送機器人軌道器(ASTRO)和操作的目標對象——下一代耐用衛星(NextSat)發射入軌，驗證了包括空間捕獲、對接、燃料加注、機械手操作(拔連接器)及對象移位重釋放等關鍵技術。從原理上講，這些技術的突破，可為衛星的修復提供技術服務，也可對低軌目標衛星形成有效的毀傷。圖5為Orbit Express工作過程。

圖5 軌道快車的工作過程Fig.5 Working process of Orbit Express

(2)ReStore-L的任務是為衛星補給燃料，項目于2016年啟動，計劃2020年發射。ReStore-L的研制，為空間攻防中攻擊母平臺的燃料/武器補充和更換提供了可能。圖6為ReStore-L在軌加注燃料工作示意。

圖6 ReStore-L在軌加注燃料Fig.6 ReStore-L with fuel injection on orbit

(3)RSGS的任務是為GEO衛星提供多種機器人服務，包括處理機械故障(修理排故)、為目標提供輔助推進和變軌(改變目標軌道)及抵近目標進行詳細檢測/測量(抵近詳查)。與低軌Orbit Express不同，RSGS系統是美國專門面向高軌衛星空間攻防所設立的集感知/攻擊/維護于一體的多功能項目。該項目已于2016年5月啟動，計劃2021年發射。圖7為RSGS在高軌對空間目標進行在軌檢查、對接、修復、升級的示意。

圖7 RSGS在軌檢查、對接、修復、升級過程Fig.7 RSGS with check, docking, repair and upgrade progress

2.3 天基激光武器

美國對未來天基激光武器的一種典型構想是，在800～1000 km的軌道高度上采用24顆40°傾角衛星進行星座組網；單顆衛星質量為3.5 t，功率為8 MW，主反射鏡直徑為8 m；可對4000 km軌道高度的衛星進行攻擊。天基激光武器的部分關鍵技術已得到演示驗證，表5總結了其發展歷程。

由表5可以看出，美國從20世紀80年代起，持續開展了對天基激光武器的研制，2013年后鮮有公開報道。根據2016年“國際空間站”利用激光消除空間碎片計劃的相關報道初步估計：在解決供電/質量/散熱的前提下，2020年前后天基激光武器威力可達到200 km。

表5 美國天基激光武器發展歷程

2.4 天基微波武器

微波武器是利用定向發射的高頻電磁脈沖對目標產生電效應、熱效應或生物效應，從而進行干擾、殺傷或摧毀。2009年4月，美國空軍研究實驗室與波音公司簽訂了一份價值3800萬美元的反電子系統高功率微波先進導彈項目(CHAMP)。該項目是研制能輻射多個脈沖、攻擊多個目標、損傷或擾亂電子系統的空基高功率微波試驗系統，其高功率微波載荷可集成到巡航彈平臺上，也可集成到無人機平臺上。2011年5月，成功完成了首次飛行試驗；2012年10月，又進行了第2次飛行試驗，試驗中的巡航導彈按預定航線低空飛行約1 h，通過重復發射高功率微波，損傷或擾亂了航線上7處地面目標的電子系統[7-8]。

美國關于天基微波武器的發展及規劃詳細公布于《美國空軍2025年戰略規劃》[9]。規劃中表示：美國未來天基微波武器將采用低軌多星組網的布站方式，部署在500～916 km的軌道高度上；攻擊頻率為1～100 GHz，峰值功率為100 MW～100 GW。近年來，美國在天基微波武器方面的公開報道很少，但天基微波系統探測、干擾及攻擊一體化是一個重要趨勢。

2.5 美國空間攻擊態勢感知能力分析

通過對上述美國空間攻擊的重點裝備分析可知，美軍的空間動能武器攻擊與在軌操作技術已具備作戰能力。天基激光武器與微波武器的關鍵技術已在地面和機載條件下取得突破；在空間平臺上的研制也已制定出詳細規劃，即在2020-2025年具備作戰能力。值得注意和借鑒的是空間攻擊方面，美國研制探測、維護、攻擊一體化的集成載荷，在獲得最佳收益的同時，能合理利用探測/維護屬性掩護其真實攻擊身份，有效避免國際輿論與爭端。

3 美國空間防御系統

在空間防御方面，美國認為對空間系統的防護不可能完全抵御所有的攻擊，尤其是對衛星物理結構摧毀性的硬殺傷攻擊，而應采取有限防護的原則，即防護的目的在于提高空間系統在受到攻擊后的生存概率及恢復或重建速度，并增加敵方攻擊的技術難度和經濟成本。例如：采用“即插即用”小衛星，可在數天甚至數小時內以低廉的成本完成發射入軌，將有效提高關鍵空間系統在未來戰爭中的快速補充和恢復、重建能力；應用“虛擬衛星”或“星簇”結構等技術，會明顯加大對衛星硬殺傷的技術難度和成本[10]。

2016年1月27日，新美國安全中心發布一份題為《從庇護所到戰場：美國太空防御與威懾戰略框架》的報告。報告中詳細指出了提升美國空間防御的手段，主要包括：部署額外的專用系統，以提高衛星的主動和被動防御；采取先發制人的策略，優先發展空間攻擊能力；改變空間系統構成，采用分布式小衛星可重構架構，以提高衛星彈性；進一步發展空基、地基裝備，降低對空間資產的依賴性；制定具有強約束性能的國際空間法律條令，增加反衛攻擊的政治成本；提出“有限太空戰略”，制定規則，限制其他國家空間攻擊的發展[11]。

4 美國空間攻防體系發展思路與能力分析

在空間攻防領域的發展與演變過程中，美軍根據國際政治、經濟、軍事和外交等戰略環境的變化，適時的不斷調整并完善其空間安全戰略。從20世紀90年代開始，美軍強大的天基系統使其獲得了巨大的戰略優勢，衛星系統應用從戰略支援層面逐步向作戰和戰術層面發展，并在幾場戰爭中顯示出了強大的威力。然而，天基系統的固有脆弱性以及空間攻擊技術的擴散，使得美軍意識到天基系統被破壞的可能性在不斷增大。因此，近年來，美軍不斷加大這一領域的投入力度，以確保自身絕對的空間控制權；同時阻止敵方利用空間來損害美國國家安全利益。在上述戰略思想指導下，美軍正在實施以控制空間為主要目標，謀求空間絕對優勢，實現控制全球、稱霸世界的全球戰略。

表6歸納了美國空間攻防體系3個領域的發展思路和能力。通過研究分析可知：美國空間攻防體系的發展經過了充分的頂層論證，并隨著技術進步采取了分布實施的有效措施，其主要思路如下。

(1)系統全局謀劃，重點裝備優先發展，以螺旋式開發、漸進式研制為演進路線，快速有效地推動空間攻防體系能力提升。美軍將空間態勢感知視為保障空間安全、保持空間優勢的基礎，予以優先發展和重點保障。2001年，美國空軍提出了重點發展空間態勢感知的指導思路；2010年，通過制定《國家航天政策》，明確了空間態勢感知的重要性，提出通過維護和整合空間目標監視信息，發展實時準確的空間態勢感知系統，以保持美國在空間的領導地位。

(2)建立光學、雷達協同探測的天地一體化空間感知網絡系統。在前期地基裝備的基礎上，加大天基平臺的建設，形成天地一體化的協同探測網絡，實現全空間實時精確的無漏監視探測。利用天基系統運動巡視探測，克服地基系統只可在過頂時間探測的局限，同時天基平視/上視觀測，無對流層影響，可克服地基光學全天候觀測的局限，實現中高軌目標全天時、全天候觀測。

(3)繼續加大空間攻防裝備的投入，重點項目優先發展。為支持新系統研制部署和技術研發，美國近年來明顯增加了空間態勢感知領域的投入。在2016-2020年，美國政府在空間態勢感知領域的研發投入超過60億美元。對已經具備工程化能力的空間裝備，提升建造優先權。新型空間籬笆、具備攻防一體的GSSAP星座組網，均在2020年前完成建設，具備作戰能力。

表6 美國空間攻防體系發展歷程及思路分析

對美軍空間攻防的發展進行研究分析可知：在2020年前后，通過天地一體化空間感知系統的各型裝備定裝，美國可實現對全空間衛星目標的準確編目預測，其觀測頻次、精度足以支撐對他國空間目標攻擊/防御的需要；在空間攻擊方面，通過XSS-10、高軌ANGELS衛星等核心裝備的試驗，美軍已經具備了對全軌道衛星多手段的摧毀能力；為了在未來的空間戰爭中立于不敗之地，美軍還大力發展了Restore-L、RSGS等空間維護裝備，可以在受到打擊的第一時間里對受損衛星進行功能恢復。

5 結束語

美國對空間攻防體系發展采取了穩步規劃、重點先行的策略。空間態勢感知是美軍發展的重中之重，也是支撐空間攻擊與防御的基石。在空間態勢感知的發展歷程中，美軍由早期的地面系統建設逐步轉變為天地并重的發展策略，通過天基系統彌補地基系統探測能力的不足，最終形成天地一體化的全空間實時態勢感知系統；在空間攻擊方面，采取感知/攻擊一體化的發展思路，在實現最佳費效比的同時，合理地利用探測屬性掩護其真實攻擊身份，避免國際社會的輿論與道德壓力。在空間防御方面，全面推進可重組模塊化及高彈性衛星載荷研制，確保在衛星受到攻擊時，仍能保持部分或全部功能，同時大力發展在軌修復與操作技術，以實現受損衛星快速恢復能力。

當前，我國在空間攻防領域內的諸多研究與應用尚處于試驗、起步階段。然而在國際形勢復雜快變的今天，我國在空間攻防領域的發展有著重大的現實意義和深遠的歷史意義。通過深入對美軍空間攻防發展歷程及體系能力研究，可以為我國這一領域的發展提供參考。

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