美國“下一代太空體系架構”分析

胡旖旎 鐘江山 魏晨曦 王瑩 韋荻山

(北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

美國自2016年開始重視太空建設，從重建太空司令部、建立天軍到新建國防部太空發展局(SDA)，美太空政令、軍令體制和太空裝備研發體系正在進行重大調整變革。在此背景下，美國正在加快謀劃設計“下一代太空體系架構”，即“國防太空架構”，旨在構建一種“擴散型低地球軌道”(PLEO)太空架構，統一整合美國國防部未來的太空能力，實現韌性太空感知和數據傳輸[1]。在美國目前的太空架構中，每個星座都由少量大型精密衛星組成，現役衛星雖然功能強大，但生存能力不足，任意一顆衛星被摧毀或失效都可能對戰場產生重大影響，需要探索新的平臺。因此，美國太空發展局(SDA)致力于創建一個“擴大數量、增加彈性”的架構，由數百顆承載多種有效載荷的小型衛星組成。在目前的軍事系統中，一兩顆衛星的損失可能是毀滅性的，但由數百顆衛星組成的衛星星座可以忽略一兩顆衛星的損失。美國曾多次強調保持太空優勢以贏得長期戰略競爭的重要性，為此SDA希望開發“下一代太空體系架構”以更好地支持美國國家安全太空戰略和國防戰略。盡管SDA未來的太空架構由小型衛星構成，但不影響美國繼續使用和建造大型精密衛星。以目前小衛星的發展狀況來看，未來小衛星將會為美國軍用衛星架構帶來如下好處：一是顯著提高效費比。相比于大衛星，小衛星發射成本在全壽命周期成本中占比高。未來衛星發射成本大幅下降后，小衛星、大星座的軍用衛星架構具有更好的成本效益；二是戰時具有更好的生存力。許多國家已經擁有并且正在發展反衛星能力，對美國衛星能力構成嚴重威脅，而利用小衛星構成大星座，增加反衛星方必須應對的衛星數量，使得攻擊衛星的任務更加復雜，有助于應對反衛星威脅，提高衛星系統的生存力；三是具有最為經濟有效的戰時補充能力。大衛星成本高昂，難以大量采購作為戰時儲備，其發射設施戰時生存能力較弱。采購小衛星作為戰時儲備，具有成本和發射等方面的優勢，也具有更好的星座重構能力[2]。

隨著當今世界太空競爭加劇，長期以來美國獨霸太空的格局正在發生變化，與此相適應，美國太空發展理念與思路也在調整轉型。美國改變以往以大型復雜單星為主的模式，建立以組網分布式小衛星為主的太空系統，由多顆小衛星及相應的基礎設施和應用系統構成一個閉環系統，以實現數據獲取、信息處理、應用分析，并向不同用戶分發，完成特定功能。美國國防部先進研究計劃局(DARPA)一直在思考完成太空任務更好的方法與途徑，當今日益發展的商業航天吸引了DARPA的視線，DARPA陸續立項支持了包括“黑杰克”(Blackjack)等在內的多個航天創新項目。通過“黑杰克”項目，DARPA將建立一個可擴展的低地球軌道(LEO)衛星星座，把傳感器連在一起，為全世界選定的用戶提供持續的全球覆蓋能力。

本文分析了基于小衛星技術、快速發射技術和人工智能等技術發展的美國下一代太空體系架構的設計、建設情況，借鑒DARPA“黑杰克”項目的演示驗證，構建更加靈活、彈性、敏捷的美國“下一代太空體系架構”，并針對我國探索利用日益發展的商業衛星星座服務于國家太空能力建設，提出了啟示與建議。

1 美國“下一代太空體系架構”的設計

為保持美國在太空領域的絕對優勢，贏得未來太空競爭，發展靈活、彈性、敏捷的軍用衛星星座已成為其必然的戰略選擇。2019年3月，美國正式成立SDA，主要職責是加速發展和部署新的軍事航天能力，確保美軍在太空的技術和軍事優勢。2019年7月1日，SDA發布了第一份信息征詢書，將下一代太空體系建設的軍事需求明確指向了導彈防御和太空對抗。美國的戰略重心正轉向大國競爭，現有的太空架構和裝備無法保持其在太空絕對的優勢，尤其是在一些國家反衛星武器、網絡攻擊和共軌航天器不斷發展的情況下，以大型航天器為主的太空體系一旦被摧毀，難以短時間內補充，也就是彈性上存在不足。另外美軍現有的太空架構和裝備無法應對新興威脅，尤其是高超聲速武器，現役的導彈預警衛星無法有效提供及時預警和跟蹤[3]。美國下一代太空體系將更多地利用基于小衛星的星座，代替現有的少量的、大型高價值衛星，以提高天基系統的靈活性、抗毀傷能力。SDA當前的任務是迅速開發和部署基于威脅驅動的“下一代太空體系架構”，以對抗對手的太空系統能力。為實現這一目標，SDA采用了一種靈活的方法來快速開發一個多功能的小衛星星座，以應對當前和新出現的威脅，并加速推進商用低軌衛星資源在軍事領域的融合和應用。盡管SDA的“下一代太空體系架構”由小衛星構成，但不影響美軍繼續使用和建造大型精密衛星。短期內，SDA的目標是擴大美軍現有的項目，或為在這些衛星系統無法使用時提供備用系統。太空威脅變化的速度極快，因此開發時間超過10～15年的太空系統屆時將失去意義。SDA希望新系統能夠更快地進入太空，然后通過軟件更新或發射新的小衛星進行定期升級。SDA發布的第一份信息征詢書中闡述了到2024年運行上百顆衛星的“下一代太空體系架構”具有以下8項能力[3]。

(1)對先進導彈目標的持續全球監視。

(2)針對先進導彈威脅的預警、跟蹤、指示。

(3)GPS拒止環境下的定位、導航和授時(PNT)能力。

(4)全球近實時空間態勢感知。

(5)發展太空威懾能力。

(6)快速響應、彈性的通用地面基礎設施。

(7)跨域、網絡化、與節點無關的指揮控制與通信能力，包括核指揮、控制與通信。

(8)基于人工智能的大規模、低延遲、持續性全球監控能力。

建議的太空體系架構由7層組成[4]。

(1)跟蹤層，提供防御先進導彈(包括高超聲速武器)威脅的天基目標探測、預警、跟蹤與指示。

(2)導航層，提供GPS拒止環境下的定位、導航與授時(PNT)能力，增強太空對抗條件下的聯合作戰保障能力。

(3)威懾層，提供地月空間范圍的目標態勢感知與快速進出與機動，以應對太空攻防提出的挑戰。

(4)作戰管理層，提供基于分布式人工智能的戰場管理、指揮、控制與通信，包括星上智能自主任務規劃、數據處理、加密分發等，為戰術用戶直接提供太空信息支援。作戰管理層向太空智能化發展，進一步增強天基信息支援聯合作戰的時效性和便捷性。

(5)傳輸層，提供全球范圍全天候、全天時不間斷、低延遲的數據傳輸與通信，提供天地之間、不同功能層衛星之間、同一功能層不同衛星之間的互聯互通，構成下一代太空體系的技術基礎與共性支撐。

(6)監管層，全天候、全天時監控時敏目標，為射前攻擊敵導彈發射架、雷達站、指揮節點提供關鍵保障。

(7)支持層，提供大規模小衛星星座快速機動發射測控的運載系統與地面設施，部署便攜式、系列化、智能化衛星應用終端，為靈活、彈性、敏捷的在軌系統提供配套的地面系統支持，確保對抗條件下小衛星星座的快速補充與更新，提高衛星大規模地面應用效能。

“下一代太空體系架構”將整合國防部及航天工業的下一代太空能力。由數百顆小衛星組成的星座由于部署分散、成本低、補充快捷，具有很強的抗毀和抗打擊能力，可以顯著提高系統的安全穩定運行能力，以應對當前及新出現的威脅，對抗對手的挑戰或實現太空系統拒止。表1為美國“下一代太空體系架構”分層與可提供的能力對應表[4]。

1)跟蹤層

威脅：跟蹤跨域對手的先進導彈及其他攻擊載體(包括高超聲速滑翔飛行器)。

能力需求：擁有高靈敏度以探測并跟蹤重要目標；良好的時空分辨率及視線；星載處理，能夠向作戰人員發送低延遲信息；全球覆蓋；立體跟蹤；擁有多種軌道和平面，實現星座級彈性；與高空持久紅外系統和導彈防御火控系統互操作；衛星可搭載多種有效載荷。

架構：基于DARPA“黑杰克”項目開展，是一種可以隨時擴展或補充的網狀網絡，可以提供7×24 h的全球數據和通信服務。實現對先進導彈威脅及其他攻擊載體(包括高超聲速滑翔飛行器)的探測、預警、跟蹤、瞄準和指示。將采用類似美國導彈防御局(MDA)“高超聲速與彈道跟蹤天基傳感器”(HBTSS)系統的設計，以檢測并跟蹤高超聲速威脅，同時還將增加跟蹤彈道導彈戰斗部的能力，增強美國空軍下一代“過頂持續紅外”導彈預警星座的能力。

關鍵挑戰：光學元件、焦平面陣列、高性能處理器及制冷器的大批量生產，在近地實現先進任務數據處理等。

表1 美國“下一代太空體系架構”分層與可提供的能力對應表Table 1 Layered structure and afforded capability of US next generation space architecture

2)導航層

任務：綜合衛星PNT算法，尋求替代性GPS解決方案，彌補現有GPS的能力。

能力需求：利用星間光學鏈路(OISL)在星座所有衛星之間交換高速數據并進行測距和授時。SDA還計劃使用射頻交鏈作為備用。這兩種交鏈技術都有望產生高質量的單向/雙向星間距離/時間測量。

重點領域：導航層的“軌道和時鐘確定應用程序”(OCDA)可處理來自各種PNT源的輸入，如GPS、慣性導航系統、星跟蹤器、時鐘，以及最關鍵的衛星交鏈測距和授時測量。在GPS測量不可用或不可信時，OCDA也能夠運行。根據有效載荷的需要，每個平臺有效載荷系統可以使用不同預測間隔(從分鐘到天)的OCDA數據。這些數據還將提供給地面衛星星座管理，并支持特殊分析。

3)威懾層

任務：提供太空態勢感知，探測和跟蹤太空物體，威懾對手從而保護自己的衛星不受攻擊。作戰范圍從低軌道、地球靜止軌道擴大延伸到更高更遠的地月空間。

能力需求： 針對航天國家在地月空間的探索和利用活動越來越頻繁，探索范圍不斷拓展的情況，構建覆蓋地月空間的態勢感知能力，同時通過大規模、無中心節點的分散部署形式，提升太空態勢感知體系的彈性，增強對敵方攻擊的威懾能力。

架構：2條大偏心率、高傾角(HE/HI)軌道面(部署2～4顆衛星)；140條作為節點的擴散近地軌道；地月系統拉格朗日點L1/L4(部署太空指揮控制系統)；地月拉格朗日點L2及月球星座(待定)， 此外還包括3個先進地月空間機動飛行器[5]。

關鍵挑戰：目標/背景特征；先進地月空間機動飛行器的軌道基地和軌道動力學；星上處理；大數據技術；人工智能和云計算；與傳輸層通信；與作戰部隊集成。

后續計劃：2022財年，部署2～4顆大偏心率、高傾角軌道；2023財年，部署L1節點系統；2025財年，部署多顆近地軌道衛星；2026財年，部署L4節點系統；2027財年，部署月球星座。

4)作戰管理層

任務：提供硬件和軟件框架，以支持各種跨層的任務處理、算法和應用，支持包括天基指揮控制、任務分配和任務處理。處理后的數據將通過交鏈和下行鏈路及時分發給作戰人員和其他系統。飛行軟件可以在軌更新以適應威脅和任務需求的不斷變化。

能力需求：將通過基于人工智能的指揮、控制和通信網絡，提供分布式作戰管理和通信(BMC3)能力，包括自主任務規劃，對采集數據的自主優先級排序，星載數據處理、分發，向戰術用戶提供太空傳感器數據等，提升星座自主水平，同時減少對地面系統的依賴，為作戰計劃任務提供更多支持并實現更高程度的自動化。

重點領域：低延遲在軌網狀網絡；分布式指揮控制；用于戰斗管理和信息分發的先進人機接口；自動化調度優化和傳感器任務分配；星載處理算法；支持任務遷移和在軌升級的軟件架構；自主能力和人工智能；性能增強的星載處理硬件，將尺寸、質量和功耗降至最低；增強戰斗管理功能模塊化程度和互操作性；作戰支援的訓練概念和方法；情報產品的任務分配和利用；管理多個異構計算架構；改進在軌和地面處理平臺之間的數據存留和任務遷移策略。

架構：具有能夠快速適應威脅不斷變化的開放架構，具備模塊化、可擴展(多任務和多有效載荷)、自構建、自修復、持續學習等特性。

后續計劃：2021財年開發相關的軟硬件測試平臺(HITL/SITL)，2022～2023財年開始向彈道導彈防御系統的指揮控制戰斗管理與通信(C2BMC)系統提供指揮控制信息，通過戰術數據鏈提供超視距瞄準支持；2024～2025財年通過傳統戰術數據鏈向90%列裝的武器系統提供數據。

5)傳輸層

任務：傳輸層是SDA正在開發的美國“下一代太空體系架構”的骨干，旨在為全球范圍內的作戰人員應用提供可靠、靈活、低延遲的軍事數據和連接。

關鍵領域：SDA確認了傳輸層開發的一些關鍵領域，包括綜合服務廣播(IBS)、Link16(16號數據鏈)、星間光鏈路(OISL)及組網等。

后續計劃： 2022財年開始部署20顆衛星，2023財年，部署星間光鏈路(OISL)系統，形成射頻鏈路與光學鏈路共存的格局，2024財年衛星數量將超過150顆，直到2026財年運行近1000顆衛星，將為地面、海上與空中平臺提供衛星通信能力。低軌星座中，每顆衛星將有4條光學鏈路，分別與同軌道的兩顆衛星和異軌道的兩顆衛星進行通信。

6)監管層

任務：對所有已識別時間關鍵目標的全天候監管。

能力需求：將合作伙伴傳感器任務的海量目標數據從地面終端傳遞數據，完成地面處理和融合，創建火力解決方案并通過Link16分發到戰術邊緣。

架構：監管層將依靠傳輸層在全球范圍內為作戰人員平臺提供低延遲連接。監管層將在太空和地面運行。地面融合涉及更多計算密集型應用，而星載應用將得到簡化并提供自動化操作。SDA將部署超過200顆衛星與傳感器，對關鍵時敏目標進行實時跟蹤。

后續計劃：2021財年，關鍵技術驗證；2023財年，建設初始星座；2024-2026財年，持續建設以完善架構。

7)支持層

任務：提供大規模的地面指揮控制設施和用戶終端及快速響應的發射服務，確保地面系統的生存能力，支撐天基系統快速補網。

從美國“下一代太空體系架構”的分層結構與提供的能力可以看出，跟蹤層與監管層主要服務于導彈防御作戰，特別針對高超聲速飛行器的全程目標探測、跟蹤與指示；導航層與威懾層主要面向太空攻防對抗，作戰范圍從低軌道、地球靜止軌道擴大延伸到更高更遠的地月空間；作戰管理層面向太空智能化發展，進一步增強天基信息支援聯合作戰的時效性和便捷性；傳輸層提供天地之間、不同功能層衛星之間、同一功能層不同衛星之間的互聯互通，構成下一代太空體系的技術基礎與共性支撐；支持層提供大規模小衛星星座的快速發射、測控與應用支持，確保對抗條件下小衛星星座的快速補充與更新，提高衛星大規模地面應用效能。

2 美國“下一代太空體系架構”的建設

2.1 傳輸層的建設

傳輸層由空間段和地面段(主要由政府提供)組成?？臻g段包括一個由20顆衛星組成的異構星座。地面段位于美國海軍研究實驗室布魯瑟姆(Blossom)跟蹤設施(BPTF)的衛星運行中心。傳輸層0期星座包含兩個近極軌軌道面，軌道高度為1000 km，傾角在80°～100°之間。每個軌道面上的衛星分為兩組：A組衛星提供連接整個星座的完整網絡基礎設施，B組衛星通過綜合廣播系統(IBS)和Link16支持平面交鏈和任務通信。A組衛星在軌道面上均勻分布，可以支持與地面的連續通信和雙向交鏈。B組呈“簇”狀，可支持在多個時間段內對某一戰區的連續覆蓋[6]。

2020年8月31日，SDA選擇洛馬公司和約克空間系統公司為其傳輸層0期建造衛星，兩家公司各自負責提供10顆衛星。每批10顆衛星分成兩種類型，10顆中的7顆配備4條光學交叉鏈路，另外3顆配備2條光學交叉鏈路和2條下行鏈路。帶有4條光學交叉鏈路的衛星在飛行過程中能與不同軌道面或完全不同軌道上的衛星通信。擁有2條光學交叉鏈路的衛星還必須有兩個發射器連接到Link16網絡，軍方使用Link16在數百個武器系統之間共享數據。這些衛星將構成SDA計劃傳輸層的一部分。該天基網狀網絡將構成美國國防部聯合全域指揮控制(Joint All-Domain Command and Control，JADC2)的空間部分，是美軍連接在軌傳感器和地面發射器計劃的關鍵。SDA計劃在2022財年第4季度將傳輸層0期衛星送入軌道。

根據2020年5月1日的招標合同，SDA的傳輸層0期有6個目標[7]。

(1)演示通過光學交叉鏈路網狀網絡向作戰人員傳輸低延遲數據。

(2)演示通過傳輸層將數據從天基傳感器傳送到作戰人員的能力。

(3)演示有限的戰斗管理功能。

(4)將一體化的廣播系統的數據通過新一代無線網絡傳送給作戰人員。

(5)在網絡上近實時地存儲、中繼和傳輸Link16數據鏈。

(6)運行一個獨立于GPS的授時系統。

未來的空間傳輸層將包括數百顆小衛星，極大程度地利用了“黑杰克”項目以及商業低軌寬帶互聯網星座的成果，開展衛星批量研制工作，每顆衛星將配備星間鏈路和備份的星地鏈路。SDA還計劃在傳輸層中開發“嵌入的子系統”，提供導彈預警等額外能力。構建的傳輸層將為全球任意兩點之間提供超低延時的數據通信服務，支持美作戰管理、指揮、控制和通信能力的進一步升級。

美國SDA計劃從傳輸層0期開始每兩年一次向聯合作戰部隊交付傳輸層能力，規劃如下[8]。

(1)“風險降低演示”(2020-2021財年)：完成LEO軌道星間光鏈路(OISL)實驗；在小衛星上演示光學交鏈及下行鏈路，包括到戰術用戶的低延遲下行鏈路。

(2)“0期能力”(2022-2023財年)：實現定期區域接入低延遲數據連接；并實現與地面基礎設施的全球鏈接。

(3)“1期能力”(2024-2025財年)：實現高緯度地區之外的持久區域接入低延遲數據連接——具備全網絡化指揮控制通信(Full Networking Command,Control and Communication，FNC3)下行鏈路。SDA計劃在2024財年第4季度再推出150顆衛星，并于2025財年向美國天軍移交。

2.2 跟蹤層、監管層的建設

跟蹤層可實現對先進導彈威脅及其他攻擊載體(包括高超聲速滑翔飛行器)的探測、預警、跟蹤、瞄準和指示。監管層可對已識別時間敏感目標(TCT)進行全天候、全時段的持續監視，實現對對手導彈系統、指揮控制節點、雷達站等關鍵資產進行發射前攻擊。SDA目前正在設計其首個用于寬帶通信、探測和跟蹤高超聲速導彈的低地球軌道衛星網絡。SDA于2020年5月發布了征求建議書，設計和建造隸屬于“下一代太空體系架構”跟蹤層的前8顆集成紅外傳感器的寬視場衛星，可探測和跟蹤機動的高超聲速導彈。SDA計劃在2022財年或2023財年前部署導彈預警天基網絡的早期版本，包括約70顆寬視場衛星和可提供更詳細跟蹤數據的中視場衛星，使作戰人員可以利用數據進行試驗，并將數據納入到作戰計劃中[9]。

現在面對高超聲速導彈武器等新型裝備的面世，美國需要通過發展天基跟蹤層來提供先進導彈目標的持續全球監視和先進導彈威脅的預警、跟蹤、指示，這些衛星需要跨多個軌道平面鏈接，以便對所有潛在威脅進行連續的全覆蓋；低軌道衛星更接近來犯武器，能生成高質量的目標軌跡；另外，低軌道衛星有足夠多的數量，至少有兩顆衛星可以在任何時間發現來襲武器，從而提供準確反映威脅位置與速度所必需的三維視圖；絕大多數信息可在軌道上進行處理，融合來自多個航天器的信息，再將詳細信息直接發送給“射手”，以便減少延遲時間，是縮短“殺傷鏈”的最有效方法[10]。

2.3 導航層的建設

在拒止或降級環境中，SDA將利用來自低軌衛星的定位和授時數據來驗證或替代GPS。SDA希望在GPS不可用的情況下，利用大量低軌衛星進行導航。隨著對手逐漸開發出能夠干擾或欺騙GPS信號的工具，美國軍方已優先考慮為作戰人員提供定位、導航和授時(PNT)數據的備用來源。太空體系架構的數據傳輸層可用于從衛星向地面用戶傳輸定位和授時數據，而無需另外專用的在軌PNT衛星系統。在衛星之間建立了交叉鏈路后，就可以進行授時傳輸，在衛星層面獲得很好的授時信息。一旦擁有了面向任意系統的開放通信，就可以與多個衛星進行通信，提供了另一種獲得導航的方式，即利用現有通信系統獲得獨立于任何其他用戶設備的導航[11]。

2.4 支持層的建設

支持層能提供大規模的地面指揮控制設施和用戶終端及快速響應的發射服務。在操作層面，增強太空架構的彈性包括更加注重低軌星座的建設，以替代或備份以往使用單顆高價值衛星的做法。因為當對手具備反衛星能力時，單顆衛星的偵察和通信能力再強也很難滿足生存性要求，不如由大量小衛星組成星座，并準備大量休眠的備份衛星。這樣即使部分衛星被反衛星武器擊毀，整個星座的效能也不會受到明顯影響，同時還要大力發展快速發射和快速在軌補充能力。

2.5 利用商業能力支持太空體系架構

SDA利用現有商業能力支持太空體系架構的全面解決方案，如支持多個有效載荷和軟件應用程序的平臺，以及能在多個平臺上集成的有效載荷或軟件。未來國防太空體系架構所需的衛星并不都由SDA建造，許多合作伙伴都在開發國防太空能力，SDA將把這些能力納入自身架構中。先進的極高頻系統、下一代持續過頂紅外項目(OPIR)、寬帶全球衛星通信系統和GPS等關鍵項目都不在SDA開發的架構之內。

太空探索技術(SpaceX)公司2015年提出了“星鏈計劃”，計劃在2019-2024年間發射約1.2萬顆衛星，組成“星鏈”網絡，以構建一個巨型三層衛星網絡。盡管SpaceX官方宣稱“星鏈計劃”以民用為主，但其與美軍方密切相連[12]?！靶擎溣媱潯庇兄鴿撛诘能娛掠猛荆湓谧鲬鸱矫婢哂幸韵绿攸c。

(1)可以對目標進行長時間的偵察。

(2)實時傳輸高精度畫面給指揮所及各個作戰單位。

(3)實時控制導彈，精準打擊目標。

美國北方司令部已經要求國會撥款1.3億美元，以探索利用美國太空探索技術公司的“星鏈”和一網公司的“一網”星座，為北極地區的作戰平臺和人員提供通信服務的可行性，2020年底之前利用“星鏈”星座實現了北極地區初步的寬帶通信能力。到目前為止,它已經部署了大約960顆星鏈衛星?！靶擎湣本W絡需要通過24次發射來實現對幾乎所有有人居住區域的覆蓋。公司眼下正以每天6顆的速度建造“星鏈”衛星，擬每隔兩至三周就做一次組網發射，直至建成由約1440顆衛星構成的初期網絡。美國聯邦通信委員會(FCC)已批準太空探索公司最終運營近1.2萬顆“星鏈”衛星，以向全球各地提供高速、低時延上網服務。

亞馬遜公司2019年向FCC審請了“柯伊伯項目”的衛星寬帶項目，在590～630 km之間的98個軌道面上部署3236顆衛星，以實現全球寬帶覆蓋的目標。

2020年5月26日，一網公司向FCC提交了向低地球軌道發射近4.8萬顆衛星的申請。同日，SpaceX公司也向FCC提交了3萬顆衛星的發射申請，這些衛星將與SpaceX公司此前已獲批的近1.2萬顆衛星共同組成“星鏈”星座。

從官方到民間合作，美國在太空領域搶先布局，部署周全，這表明了美國下一代太空體系架構的設計突出寄軍于商的特點，商業托管軍用載荷會成為美軍太空體系彈性發展的重要方式之一[13]。

3 利用“黑杰克”項目進行演示驗證

“黑杰克”項目是一個低地球軌道衛星星座項目，旨在開發并演示一種針對一系列新型威脅的能夠覆蓋全球的衛星星座，能同時跟蹤多種威脅，為美國國家安全提供更迅速、更早期的預警。DARPA于2018年2月啟動該項目，構建一個包含幾十至數百顆衛星的小型軍事通信與監視衛星星座，以滿足指揮控制、情報監視與偵察(ISR)、戰術作戰等各種需要。項目將研發并驗證一些關鍵的支撐技術，以便在低軌構建一種全球性的高速主干網絡。研發重點內容是商業化衛星平臺以及低成本、可更換的有效載荷，要求較短的設計周期并能夠進行頻繁技術升級。商業化衛星平臺將采用基于開放架構的電氣、軟件和網狀網接口控制，為低軌運行數十種或數百種不同類型的軍用衛星有效載荷創造條件。

“黑杰克”項目有3個主要目標：一是研發有效載荷和任務層面的自主軟件，將采用分布式的在軌決策處理器，能夠在軌進行數據處理，在軌自主運行并執行共同任務；二是運用先進的商業制造能力，如使用商業現貨(COTS)類零部件，減少對每個航天器的篩選和驗收測試，以及降低對航天器壽命的預期；三是在低軌演示驗證衛星有效載荷，其能力與當前地球同步軌道系統相當，而單顆衛星的成本低于600萬美元。

項目的目標是發展由60～200顆衛星組成的星座，運行高度500～1300 km。項目將設立一個操作中心管理所有的衛星及有效載荷，但星座有能力在沒有操作中心的情況下運行30天?！昂诮芸恕表椖啃l星的有效載荷數據處理將在軌完成，無需地面數據處理的支持。由兩軌道平面各10顆衛星組成的20顆衛星的星座將在2021財年或2022財年飛行，展示其低成本傳感器、實時在軌有效載荷處理、使用商業數據傳輸層的低延遲全球連接以及自主運行能力。DARPA設想將軌道上的LEO衛星數量從覆蓋一個地理區域數小時的20顆增加到數百顆，組成覆蓋整個地球的完整星座[14]。

3.1 “黑杰克”項目衛星的控制系統

“黑杰克”項目將采用開放式的架構標準和系統控制，可輕松插入第三方軟硬件，包括天基有效載荷和托管應用、通信設備以及地面用戶設備和軟件。

為了降低集成風險，項目將為“黑杰克”衛星節點開發一種稱為“賭場老板”(Pit Boss)的航電單元，它配備有高速處理器和加密設備，功能相當于一個通用網絡和電氣接口。Pit Boss還將提供一種任務級自主功能，管理“黑杰克”項目的衛星和地面用戶之間的通信，提供平臺測控鏈路，并對有效載荷數據進行加密。Pit Boss在軌云網絡將提供星座級和節點級指揮控制、健康監測與恢復、星間數據管理以及在軌資源調度。每一個“黑杰克”項目衛星節點都將搭載Pit Boss硬件和軟件[15]。

Pit Boss是一個自主的協同任務管理系統，將促進關鍵信息的收集和處理并分發給戰術用戶。該系統支持星座的自主功能，采用先進的體系結構和加密技術，自動收集和處理整個星座的數據，其主要的創新點在于能夠在軌道上處理數據。不僅 “黑杰克”項目中的每個衛星傳感器能夠執行機載處理，Pit Boss還能夠從每個單獨的傳感器獲取數據，將其融合并提供給需要的用戶，而不需要來自衛星操作員的命令。Pit Boss將每個衛星的控制系統連接起來，使其成為一個智能的網絡系統。

Pit Boss作為承擔“黑杰克”星座自主功能的網絡架構，以相對低廉的研發成本，集成任務執行、數據處理與傳輸、加密通信等多種能力，在技術方面具有突破性意義。

3.2 “黑杰克”項目面臨的挑戰

數據傳輸層：傳輸層衛星是太空體系架構的支柱，“黑杰克”項目衛星星座的關鍵是建立一個數據傳輸層，不僅可以在軌道衛星之間傳輸信息，還可以融合多個衛星的數據，以提供目標選取解決方案，發送給作戰人員或武器系統。此外，SDA正在構建的跟蹤高超聲速武器的跟蹤層，軌道上的數據傳輸和融合將是高超聲速武器防御中最難解決的問題[16]。SDA采用每兩年螺旋式上升方式，不斷增加更多具有新功能的衛星。

周期：美國即將打造的“下一代太空體系架構”，可以實現商業衛星平臺與軍用有效載荷的集成，縮短集成周期，從而能迅速地部署包括先進導彈威脅探測、識別以及跟蹤等各項能力，提供定位、導航與授時，以及提供天基地面移動目標指示，以跟上威脅的發展變化，目標是采用含發射在內的每顆花費不到1000萬美元的衛星建設起每兩三年就能翻新一次的星座，“黑杰克”項目是邁向這一愿景的第一步[17]。

有效載荷：“黑杰克”項目使用民用平臺搭載軍用有效載荷，民用平臺能承載的有效載荷尺寸、質量、功耗都受到限制，而在功能上又需要與現有的軍用通信網絡基本一致。項目的遠期愿景是發射幾百至上千顆衛星，需要開發大量的有效載荷。因此，“黑杰克”項目要先建立一個有效載荷生態系統，可匹配多種民用平臺。為構建該生態系統，有效載荷開發人員必須進行一般化的初始設計，以涵蓋多種類型的商品化平臺，在深入設計階段，再將有效載荷與平臺相匹配，以開發大量有效載荷?！昂诮芸恕表椖康募夹g更新周期很短，每兩至三年就需要對有效載荷進行更新，因此有效載荷還應具有開放式架構，可在太空中進行算法更新。如何設計尺寸、質量、功耗和成本，同時具有相對完整功能，且能適配民用平臺的有效載荷，將是本項目的技術重點。

3.3 “黑杰克”項目演示驗證

“黑杰克”項目研究將多個衛星層和有效載荷整合成統一的數據收集和分發體系，這些衛星層和有效載荷包括過頂持續紅外(OPIR)傳感器、PNT、GPS增強、射頻(RF)和光戰術通信，戰術情報、監視與偵察有效載荷，全天候多域定位、識別、表征以及跟蹤等。根據SDA發布的“下一代太空體系架構”信息征詢書，近期SDA的目標是開發由網狀網絡組成的傳輸層，用于低軌道通信和數據傳輸，而該傳輸層將嚴重依賴DARPA的“黑杰克”項目。SDA希望圍繞該項目建立子星座，滿足已確定的導彈防御預警、導航定位和授時替代服務等需求。DARPA的“黑杰克”項目主要驗證先進的衛星星座自主運行和太空網絡技術。演示任務將與其他任務一起發射，包括搭載超級計算機處理芯片的立方體衛星曼陀羅-1(Mandrake-1)，以及攜帶光學星間鏈路的小型衛星曼陀羅-2(Mandrake-2)，這些衛星會構成后續低軌光學網狀網絡的基礎。擬發射的第3個有效載荷是一臺名為“通配符”(Wildcard)的軟件定義的無線電裝置，將試驗從低地軌道到戰術電臺的鏈路，但發射日期和發射用的火箭尚未確定。DARPA預計在2021年下半年通過共享發射整合部分軍用有效載荷，余下18顆將在2022財年發射[17]。

根據第一批發射和第二批發射衛星的演示驗證情況，DARPA后續再進行多次發射，以擴展“黑杰克”項目衛星星座。

3.4 “黑杰克”項目階段劃分

“黑杰克”項目分為3個階段[18]。

(1)確定民用航天器平臺和軍用有效載荷研發。

(2)詳細設計與集成階段，主要進行用于2顆衛星在軌演示的平臺、有效載荷及控制單元的設計與集成。

(3)發射及在軌飛行試驗階段，本階段將交付2顆衛星并與運載火箭進行集成。在2021財年發射兩顆衛星并進行為期6個月的在軌飛行試驗。如果試驗成功，第3階段選取的平臺或載荷研發團隊將再交付18顆衛星，完成雙平面衛星系統演示。

3.5 “黑杰克”項目的主要目標

“黑杰克”項目將研發并驗證一些在低地球軌道進行衛星組網的關鍵支撐技術，重點是民用衛星平臺和低成本、可互換、設計周期短、技術更新頻繁的軍用有效載荷，并對有效載荷進行優化，使其適用于多個平臺。項目的主要目標如下[19]。

(1)研發有效載荷和任務級的自主軟件，采用自主在軌分布式決策處理器。有效載荷能夠自主運行，在軌進行數據處理，系統能夠根據高級系統指令，在軌自主執行任務。

(2)為軍用有效載荷及航天器平臺研發并實現先進的民用制造能力?！昂诮芸恕表椖繉⑹褂蒙虡I成品部件進行高速制造，對單個航天器的驗收篩選流程進行了簡化，并降低對單個航天器壽命的預期。

(3)在近地軌道演示衛星有效載荷，目標是展示近地軌道航天器的性能與目前地球同步軌道系統相當，每個軌道節點的平臺、有效載荷及發射成本低于600萬美元，同時有效載荷滿足民用平臺的尺寸、質量及功率限制。

3.6 “黑杰克”項目的遠景

“黑杰克”項目的遠景是構建一個在距離地表500～1300 km的高度運行60～200顆衛星組成的星座，每顆衛星可搭載一個或多個有效載荷。所有的衛星及有效載荷由一個控制中心管理，星座能在無控制中心的情況下自主運行30天。控制中心可由2人管理，其主要工作是設定星座的優先級。衛星的有效載荷數據處理將在無地面數據處理協助的情況下在軌進行。

2021年末，將擁有全部衛星的演示驗證能力，期望在2022年可以進行戰區級自主運行?！昂诮芸恕表椖繉⒀菔居蓴蛋兕w小衛星組成的LEO星座來完成從導彈防御到提供PNT數據等眾多任務。

如果DARPA的“黑杰克”項目取得成功，很可能改變目前太空易攻難守的現實，顛覆太空攻防的成本收益關系，并對太空威懾戰略產生重大影響。

4 啟示與建議

美國“下一代太空體系架構”致力于打造一種基于小衛星星座，提高天基系統的抗毀傷能力，面向美國未來太空能力和需求的全新多層架構，以有效應對當前太空潛在的威脅。隨著美國戰略重心轉向大國競爭，其傳統太空作戰能力難以在大國競爭中取得優勢，一方面是“彈性”不足，現有太空資產易損性難以解決，一旦被攻擊受損，難以及時恢復能力；另一方面，對于“黑杰克”項目的實施是對以美國為代表的航天強國構建新型太空能力架構的實質性支撐，從各領域推動其太空能力的換代提升，為其太空威懾的持續有效提供有力地保障?！昂诮芸恕表椖看碇諔玫统杀?、分布式的新方向，邁出了人類大規模利用太空新的一步。一旦美國下一代太空體系實現并投入實戰，將對導彈防御和太空攻防作戰帶來顛覆性影響[20]，改變目前人們對太空戰場的既有認識，同時也為我國航天領域的發展帶來如下啟示。

(1)大規模采用分布式、可擴展的小型衛星星座，加強太空資產及衛星系統的彈性，成為美軍未來部署太空資產的重要發展趨勢之一。

(2)充分利用商業航天公司的力量和資源，注重軍民融合，探索有效利用商業衛星通信服務的新模式。利用商用衛星星座的服務，商業托管軍用載荷或成為其太空體系彈性發展的重要方式之一，這在“黑杰克”項目的目標設計中體現得非常明顯。SDA充分利用私營企業的投資及相關成熟配套技術，采用靈活、螺旋式發展的模式，大大降低了系統開發及運行維護成本和效率。對于我國航天領域而言，也應加大軍民融合力度，形成與商業航天企業相互配合、相得益彰的發展格局。

(3)積極構建全方位、多層次的太空架構，形成全天候、全覆蓋的太空態勢感知能力體系。美國太空體系架構是一個全方位、多層次的太空架構，基于人工智能、無人自主等多項前沿技術，具備全面完整的偵察監視、預警、跟蹤、近實時通信、導航、指揮控制，甚至威懾能力，建成后將大幅提升美國的太空態勢感知能力。我國也應借鑒國外經驗，不斷增強我國太空態勢感知能力。

5 結束語

太空已成為美國贏得未來大國競爭勝利的關鍵領域，為保持美國在太空領域的絕對優勢，發展靈活、彈性、敏捷的軍用衛星星座已成為其必然的戰略選擇。當前的新構想聚焦低軌領域，強調商業技術、突出對多類任務載荷的數據傳輸支持能力，從本質上來講符合彈性發展理念，而且從當前技術水平判斷，受衛星大小和載荷空間限制，其性能很難取代現役高價值、高復雜度和高性能的軍用通信衛星，因此可視作對原有體系的補充和細化。美國“下一代太空體系架構”的設計突出了軍民融合的特點，或將成為其太空體系彈性發展的重要方式之一，其設計基于威懾驅動，突出風險意識、危機意識、憂患意識，更具針對性、時效性[21]。在新的安全態勢下考慮將來不會受到干擾或攻擊，保證美軍的太空作戰能力；在目標定位上更加聚焦導彈防御與太空攻防，更加強調實戰化、一體化功能和靈活、彈性與敏捷特征；目前，SDA發布的招標信息征詢書，“一網”、“星鏈”等多個巨型星座均在其考慮范圍之中，如何使商業星座發展與軍方需求相匹配，將成為招標論證研究的核心；在設計上選用包括開放式架構的綜合性解決方案，衛星平時及戰時要能支持多個有效載荷和軟件應用，并利用商品化的衛星技術，組成可靠且能快速部署的大型星座；在采購方式上，由更廉價的量產衛星組網的星座是國防部航天技術采購方式上的一次根本性轉型，建設花錢更少，在功能上能提供全球持久、低延遲通信并能實現快速技術更新，為軍方用戶提供更加多樣的衛星通信服務，提升軍事衛星通信性能彈性和威懾能力，滿足未來軍事領域信息化作戰的需求，進而增加了敵方潛在目標的數量和種類。另外，新技術可以通過低軌衛星的迭代，不斷被納入空間系統。此外，低軌衛星面對物理、電子和定向能攻擊時更加脆弱，強調其防護能力勢必在無形中進一步增加了星座的成本。一旦美國下一代太空體系實現并投入實戰，將對導彈防御和太空攻防作戰帶來顛覆性影響，并改變目前人們對太空戰場的既有認識，值得密切關注。通過研究美國“下一代太空體系架構”的設計理念，對我國探索利用蓬勃發展的商業衛星星座服務于國家太空能力建設，在全球新一輪軍事革命和科技產業革命中構筑戰略競爭優勢，具有重要的現實意義。