從“黑杰克”項目看美國低軌衛星系統發展

蔡亞梅，陳利玲，張天嬌

（1.中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007；2.上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109）

0 引言

軍事衛星是美軍作戰能力的關鍵，但在對抗日益激烈的太空，這些昂貴且龐大的系統很容易成為攻擊目標，如果遭到干擾或破壞，可能需要花費數年時間才能補換。且這些系統研發時間長，很難甚至無法快速應對新的威脅。隨著商業航天的發展，低軌寬帶互聯網通信衛星成為可能，而且在成本上還具有規模效應。近年來，美國的“星鏈”和“黑杰克”項目作為典型代表，充分體現了低軌衛星系統的發展方向。本文以DARPA的“黑杰克”項目為例，梳理美國低軌衛星系統以及太空體系建設的發展思路。“黑杰克”項目的設立體現了DARPA利用先進商業衛星平臺技術研發低成本微小衛星星座的思路。

1 “黑杰克”項目簡介

1.1 項目目標

“黑杰克”項目尋求研發具有較低“尺寸、質量、功耗及成本”（SWaP-C）特征的低軌軍事通信與監視衛星，包括低成本衛星有效載荷和商業化衛星平臺。雖然在低軌運行（見圖1），但能力上與目前在地球同步軌道上運行的軍事通信系統相似，而成本只有后者的一小部分。“黑杰克”衛星是一種即插即用型的衛星，主要功能是提供寬度通信，同時會安裝其他有效載荷用于導彈防御、PNT（定時、導航、定位）以及ISR（情報、監視和偵察），不需要進行重新設計就可以添加新的有效載荷，與傳統的衛星相比，能夠極大實現快速生產和成本降低。

圖1 “黑杰克”系統運行示意圖

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。這種網絡能夠搭載高度聯網、有彈性和持久性的軍方有效載荷，提供無限的傳感、信號和通信能力。“黑杰克”項目的主要任務[1]如表1所示。

表1 “黑杰克”項目的任務內容

1.2 結構特點

每顆“黑杰克”衛星由一個商業化衛星平臺、一個Pit Boss控制單元以及一個或多個能夠自主運行超過24 h的軍用有效載荷組成。

商業化衛星平臺采用基于開放架構的電氣、軟件和網狀網接口控制，將為在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，要求較短的設計周期并能夠進行頻繁技術升級。DARPA選擇了空客、藍峽谷技術和Telesat公司提供總線。

Pit Boss控制單元[2]內含高速處理器和加密裝置，可用作通用的網絡和電氣接口，并提供任務層面的自主功能、在軌計算、衛星與地面用戶之間的通信管理、指揮與遙測鏈路以及數據加密等能力。Pit Boss旨在利用先進的體系結構、處理器和加密功能來自動收集和處理整個星座中的數據，并融合高級算法，包括人工智能和機器學習，它連接每顆衛星的“大腦”，將其整合進一個智能網絡，不是將數據發送到地面站進行處理，而是及時從太空直接發送給特定的操作人員。天基自主任務計劃的下一步是自我感知衛星，且功能不僅限于導彈預警和防御，未來的星座管理系統將采用這種方法論。DARPA選擇了科學系統公司、SAEKER工程公司和BAE系統公司開發Pit Boss概念。

軍方有效載荷要求較短的設計周期并能夠進行頻繁技術升級，低成本、可更換。DARPA已經選擇克林斯航空航天公司、雷聲公司、諾·格公司、Trident公司、SA光子公司、空客公司、系統與技術研究公司、天空量子公司和L 3哈里斯公司等提供有效載荷。

1.3 研發進度安排

項目的研發進度（見圖2）分為3個階段：確定衛星平臺和有效載荷的需求；2顆衛星的在軌演示驗證研發衛星平臺和有效載荷；在低軌對擁有2個軌道平面的系統進行6個月的演示驗證。未來用于演示驗證的星座將包含20顆衛星，每顆衛星擁有一個或多個有效載荷。

圖2 “黑杰克”項目計劃安排

2018年4月，DARPA發布“黑杰克”項目跨部門公告（BAA）。11月，DARPA與空客防務和航天公司、藍峽谷技術公司、Telesat公司簽署合同，為項目開發衛星總線。藍峽谷技術公司獲得了價值1 410萬美元的衛星總線合同，SA光子公司獲得了價值1 630萬美元的光通信終端有效載荷合同。Telesat公司獲得的280萬美元合同，用于研究“黑杰克”計劃中使用其商用總線的可行性。

2019年，空客公司獲得290萬美元的合同，為“黑杰克”計劃生產衛星總線，實現將軍事傳感器與商用總線的集成。10月，雷聲公司完成了“黑杰克”的初步設計審查。

2020年，DARPA啟動“黑杰克”項目衛星集成的第一階段，洛·馬公司獲得項目的衛星集成合同，對項目衛星總線、有效載荷和PitBoss太空指揮與數據處理器之間的接口進行定義和管理。雷聲公司為“黑杰克”衛星提供天基預警傳感器——下一代過頂持續紅外（ORIR）的演示載荷，在2023年4月之前交付數量不明的用于天基預警監視的有效載荷，這些載荷可與“黑杰克”衛星的總線和PitBoss系統集成。PitBoss系統是SEAKR正在開發的用于自主操作的人工智能天基星載處理器。藍峽谷技術公司獲得2021年底交付4顆衛星平臺的合同，計劃將150 kg的X-SAT總線用于該項目。奧比恩太空技術公司被選擇提供電推進系統。Telesat公司獲DARPA合同，為“黑杰克”系統生產2個衛星平臺——“箭頭”（Arrow）平臺的深度改造型號，這2顆衛星將在2021年交付，將成為“黑杰克”光學星間鏈路在軌驗證工作的一部分[3]。

2021年2月，DARPA從藍色峽谷增購6顆“黑杰克”計劃衛星，新訂購的6顆將在2022年底前交付[4]。5月，DARPA授予諾·格公司為該項目提供定位、導航和授時（PNT）有效載荷合同，該載荷將部署在低地球軌道，計劃采用軟件定義PNT技術，為用戶提供不依賴GPS的新型信號，以滿足兵力投送和聯合作戰等傳統作戰任務和新型自主、分布式作戰任務的需求[5]。

“黑杰克”計劃衛星的集成合同由洛·馬公司完成，初步計劃在2021年發射2顆，在2022年發射18顆，并一直持續到2022/2023年。SEAKR工程公司將開展2次代號為“曼德拉克”的演示任務，第一個演示Mandrake 1是一個立方體衛星，將搭載超級計算機處理芯片；第二個演示Mandrake 2是一對小型衛星，將攜帶光學衛星間鏈路以獲取寬帶數據。SSCI公司將開展代號為“射手座-A*”的演示任務，測試戰場管理指揮與控制（BMC3）軟件的功能，一旦用戶通過地面原型軟件提交數據服務請求，系統將自動管理總線和有效載荷以滿足請求。第3個有效載荷稱為“通配符”，這是一種軟件定義的無線電，將試驗從LEO到戰術無線電的鏈接。

2 美軍低軌衛星系統優勢及發展動向

近年來，美國以“黑杰克”和“星鏈”為首的低軌衛星項目研發進展迅速，其潛在軍事用途十分驚人。低軌衛星星座在軍事應用方面具有以下優勢：

1）能夠對關注目標進行長時間的偵察；

2）能夠實時傳輸高精度畫面給指揮所及各個作戰單位；

3）能夠實時控制導彈，精準打擊目標；

4）有助于搶占有限的低軌衛星空間頻譜資源；

5）有助于提升反太空能力，扭轉反衛領域的不利態勢；

6）有可能成為未來美軍實施“三非”（“非對稱性”、“非接觸性”、“非線性”）作戰的強大支撐，強化“非對稱”偵察監視技術優勢，強化“非接觸”遠程精確打擊優勢，強化“非線性”多域作戰優勢；

7）有可能成為無人機集群作戰的“天基大腦”。無人機集群的整體生存能力很大程度上取決于其通信控制能力。大量低軌道衛星通信帶寬大、時延低、覆蓋全球，不受山地、海洋、極地等任何地形及天候的影響，可幫助地面各類飛行器擺脫對陸基通信系統的依賴，通過飛行控制、態勢感知、信息共享、目標分配和智能決策，實現單架無人機能力擴展以及集群整體作戰效能的顯著提升。

美國已經意識到低軌衛星系統的潛在軍事優勢，其下一代太空體系架構——國防太空體系架構（NDSA，見圖3）理念正在發生顛覆性變化，已經從“大、貴、全”轉變為“彈性、經濟、規模化”，在目標定位上聚焦太空攻防領域（導彈防御、目標監視、導航保障等），更加強調實用性、實戰性、一體化、高彈性、高靈活、協同化，“黑杰克”是NDSA的演示論證平臺。美國航天發展局于2019年7月透露了其未來軍用衛星體系規劃，根據規劃，下一代軍用衛星將更多地利用廉價的小衛星星座，以代替現有的大型高價值衛星，增加天基系統的彈性。同時，美軍已經和某些天基互聯網強勢企業達成些許協議。

圖3 美航天發展局（SDA）的國防太空體系架構

3 結束語

在信息化時代，未來戰爭將是陸、海、空、太空、網絡、電磁頻譜等域的全域作戰，對信息化作戰條件下的通信業務要求越來越高，低軌衛星系統因其獨特的軍事領域應用潛力而備受關注，近年來發展迅速，相關技術瓶頸問題正在逐一解決。■