美國下一代空間架構(gòu)體系發(fā)展及運(yùn)用策略研究

溫聚英 施衛(wèi)科 李成祥

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

2019年7月，美國航天發(fā)展局（SDA）征詢下一代空間軍事體系，提出構(gòu)建集戰(zhàn)術(shù)天基信息支援與攻防于一體的“七層”空間體系，包括空間傳輸層、跟蹤層、監(jiān)視層、威懾層、導(dǎo)航層、戰(zhàn)斗管理層、支持層。本文梳理了美彈性發(fā)展脈絡(luò)，多角度分析下一代空間架構(gòu)體系的總體設(shè)想、發(fā)展步驟、技術(shù)方案、作戰(zhàn)構(gòu)想及能力特征，深入剖析了美下一代空間架構(gòu)體系的軍事意義和使命任務(wù)。

1 引言

圍繞保持大國競爭優(yōu)勢，美國政府和國防部（DoD）提出一系列改革發(fā)展舉措。2019年7月，美國航天發(fā)展局征詢下一代空間體系，提出構(gòu)建集戰(zhàn)術(shù)天基信息支援與攻防于一體的“七層”空間體系。美航天體系架構(gòu)正由集中式向易擴(kuò)展、可升級、抗毀能力強(qiáng)的分布式彈性體系架構(gòu)轉(zhuǎn)變，彌補(bǔ)航天裝備脆弱性帶來的攻防劣勢，增強(qiáng)美軍用衛(wèi)星作戰(zhàn)行動中的抗毀性。

2 美彈性發(fā)展歷程

提出背景

2010年來，美國先后在《國防太空戰(zhàn)略》《太空作戰(zhàn)條令》中明確彈性太空架構(gòu)，以及分解、多樣化、分散部署、欺騙、防護(hù)、擴(kuò)散式部署等彈性方法。

2011年，美國出臺《國家安全空間戰(zhàn)略》，針對空間對抗問題，提出將彈性作為評估軍事空間體系的重要指標(biāo)，以確保美國空間能力安全。

2013年5月出臺的美軍《空間作戰(zhàn)》聯(lián)合條令，提出發(fā)展商業(yè)和多國合作的空間能力可提升空間體系彈性，增強(qiáng)對敵威懾力；美國空軍航天司令部（AFSPC）于2013年8月發(fā)布《彈性與分散空間體系》白皮書，“彈性”被定義為：“一個系統(tǒng)體系在面對系統(tǒng)故障、環(huán)境挑戰(zhàn)或敵對行動時能夠繼續(xù)提供所需能力的本領(lǐng)”。“彈性”圍繞威脅懾止、體系強(qiáng)健、系統(tǒng)重構(gòu)、能力恢復(fù)等途徑展開，以制度化的形式融入體系研究、需求論證、規(guī)劃計(jì)劃、采辦和運(yùn)行管理等各項(xiàng)軍事航天活動中。此外，太空力量重構(gòu)也是“彈性”的另一種表現(xiàn)形式，是指在遭受嚴(yán)重降級后將功能恢復(fù)到可接受水平的能力，包括發(fā)射額外衛(wèi)星，運(yùn)用額外地面站、新型信號和頻譜等。

發(fā)展歷程

美國對于彈性太空的研究始于21世紀(jì)，截至目前，共經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，分別為：2010－2014年的早期雛形階段；2015－2018年的技術(shù)探索階段；2019年至今的增強(qiáng)與加速階段。

2010年提出彈性概念，屬于早期雛形階段，美智庫評估空間安全環(huán)境呈現(xiàn)對抗（Contested）、空間環(huán)境擁擠（Congested）、國際競爭（Competitive）的“3C”局面，面對潛在的太空威脅，美國提出太空彈性概念。通過F6計(jì)劃[未來（Futre）、快速（Fast）、靈活（Flexible）、分散（Fractionated）、自由飛行（Free-Flying）]探索太空彈性的雛形“太空分散”方法，即將天基任務(wù)、功能或傳感器分散到一個或多個軌道平面、平臺、載具或多域多個系統(tǒng)之中。在“施里弗軍演2014”（Schriever Wargame 2014）評估未來空間體系架構(gòu)在受限環(huán)境下的彈性，驗(yàn)證“規(guī)避、加固、重構(gòu)和恢復(fù)”等作戰(zhàn)概念。

2015年，研究進(jìn)入技術(shù)探索階段，美國提出“有限太空戰(zhàn)”，采用基于微小衛(wèi)星的分布式架構(gòu)、增強(qiáng)在軌衛(wèi)星機(jī)動性、發(fā)展衛(wèi)星在軌檢測與維修能力、改進(jìn)太空發(fā)射能力等，建設(shè)新的分散化彈性太空體系。通過實(shí)施“下一代銥星”（Iridium NEXT）星座、“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”（RSGS）項(xiàng)目、“黑杰克”（BlackJack）項(xiàng)目、第三代“全球定位系統(tǒng)”（GPS III）、“鴿群”（Flock）計(jì)劃等，解決空間系統(tǒng)體系復(fù)雜、造價昂貴、研制周期長、作戰(zhàn)響應(yīng)能力差等問題。

2019年，美國天軍（USSF）成立后，彈性太空架構(gòu)體系呈現(xiàn)增強(qiáng)與加速階段。以彈性思想為核心，加速構(gòu)建下一代“七層”空間架構(gòu)體系、“下一代過頂持續(xù)紅外”系統(tǒng)（Next-Gen OPIR）、“星鏈”（Starlink）星座、“一網(wǎng)”（Oneweb）星座、空間彈性快速響應(yīng)發(fā)射火箭等彈性裝備，使天基資產(chǎn)具有彈性抗毀能力和防御能力。

3 技術(shù)方案分析

下一代空間架構(gòu)體系設(shè)想

下一代空間架構(gòu)體系是一個大規(guī)模多功能層構(gòu)成的系統(tǒng)，采取一體化體系結(jié)構(gòu)理念設(shè)計(jì)思路，利用大規(guī)模和分布式方式提升應(yīng)對現(xiàn)實(shí)威脅的彈性和應(yīng)對新興威脅的快速演進(jìn)更新能力，包括空間傳輸層、跟蹤層、監(jiān)視層、威懾層、導(dǎo)航層、戰(zhàn)斗管理層、支持層等七層，在距地1000～1500km部署約1500顆50～500kg的小衛(wèi)星，建立以低軌通信衛(wèi)星星座為基礎(chǔ)，覆蓋通信、導(dǎo)彈預(yù)警、偵察監(jiān)視、對抗、定位授時、作戰(zhàn)管理、地面支持等七類功能的大規(guī)模、多功能航天裝備系統(tǒng)。

美下一代空間架構(gòu)體系強(qiáng)調(diào)快速生成作戰(zhàn)能力，將借鑒企業(yè)最佳實(shí)踐和商業(yè)模式，快速螺旋演進(jìn)發(fā)展部署，計(jì)劃2028年具備全球關(guān)鍵作戰(zhàn)能力，各層的主要組成和能力如下。

1）傳輸層：由658顆衛(wèi)星組成，提供全球覆蓋的低時延、無間斷數(shù)據(jù)傳輸與通信能力；

2）跟蹤層：由200顆衛(wèi)星組成，提供天基識別、預(yù)警、跟蹤和瞄準(zhǔn)，輔助形成對先進(jìn)高速導(dǎo)彈等新型武器的攔截能力；

3）監(jiān)視層：由200顆衛(wèi)星組成，提供大型時敏目標(biāo)全天候、全天時的戰(zhàn)場監(jiān)視，輔助實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈射前的“先發(fā)制人”打擊能力；

4）威懾層：由200顆衛(wèi)星和3架先進(jìn)機(jī)動飛行器組成，實(shí)現(xiàn)地月空間目標(biāo)感知，增強(qiáng)太空懾戰(zhàn)能力；

5）導(dǎo)航層：由300顆衛(wèi)星組成，提供GPS拒止環(huán)境下的定位、導(dǎo)航與授時，增強(qiáng)干擾、欺騙、網(wǎng)絡(luò)攻擊等對抗環(huán)境下的聯(lián)合作戰(zhàn)保障能力；

6）作戰(zhàn)管理層：由分布式自主作戰(zhàn)管理系統(tǒng)組成，提供自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)天基作戰(zhàn)管理，形成低時延、大規(guī)模閉合時敏目標(biāo)殺傷鏈；

7）支持層：由用戶終端、中小型運(yùn)載器、地面測控系統(tǒng)組成，提供快速補(bǔ)網(wǎng)和地面配套應(yīng)用支持。

發(fā)展步驟

美國航天發(fā)展局前期將重點(diǎn)發(fā)展下一代空間架構(gòu)體系的傳輸層和跟蹤層，后續(xù)逐步融入其他能力，每兩年實(shí)現(xiàn)一次階段升級。

1）0批（2022財(cái)年）：研制最低可行性產(chǎn)品，形成基本作戰(zhàn)能力。研制試驗(yàn)衛(wèi)星，驗(yàn)證星間激光鏈路、Link-16戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈、“綜合廣播系統(tǒng)”（IBS）、先進(jìn)導(dǎo)彈的探測和跟蹤等能力。

2）1批（2024財(cái)年）：形成初始作戰(zhàn)能力。計(jì)劃以100～200顆衛(wèi)星星座規(guī)模實(shí)現(xiàn)區(qū)域連續(xù)低時延傳輸網(wǎng)覆蓋，集成跟蹤層、監(jiān)視層、“作戰(zhàn)管理與指控通信”（BMC3）模塊等初始作戰(zhàn)能力。

3）2批（2026財(cái)年）：形成全球作戰(zhàn)能力。

4）3批（2028財(cái)年）：作戰(zhàn)能力進(jìn)一步提升。包括更好的導(dǎo)彈跟蹤靈敏度，更好的超視距瞄準(zhǔn)能力，在GPS拒止環(huán)境下的定位、導(dǎo)航、授時能力，武器和平臺的先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路，并具有彈性。

5）4批（2030財(cái)年）：作戰(zhàn)能力持續(xù)提升。

技術(shù)方案分析

現(xiàn)階段，航天發(fā)展局完成了0期的20顆傳輸層衛(wèi)星和8顆跟蹤層衛(wèi)星合同簽訂，先后開展了在軌試驗(yàn)，驗(yàn)證人工智能邊緣計(jì)算、星間激光通信鏈路技術(shù)和加密通信技術(shù)，為下一代空間架構(gòu)體系跟蹤層和傳輸層星座建設(shè)提供技術(shù)基礎(chǔ)，正著手開展1期招標(biāo)與建設(shè)。彈性、分散的下一代太空體系將以機(jī)動時敏目標(biāo)防御作戰(zhàn)需求為切入點(diǎn)，重點(diǎn)打造傳輸層、跟蹤層和監(jiān)視層核心能力，探索新一代軟、硬件技術(shù)，通過大體系聯(lián)合演習(xí)與試驗(yàn)驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)，加速裝備能力建設(shè)步伐，平衡快速應(yīng)對威脅與能力生成間矛盾。先期統(tǒng)一低軌小衛(wèi)星平臺架構(gòu)，未來向高低軌大中小衛(wèi)星推廣。每層建設(shè)思路科學(xué)、清晰、合理，先期小步快速迭代，未來集成聯(lián)試，裝備呈螺旋上升演化態(tài)勢,各層建設(shè)如下。

1）傳輸層先期單獨(dú)組網(wǎng)建立戰(zhàn)場低時延通信星座，未來在各物理層放置通信節(jié)點(diǎn)；

2）導(dǎo)航層先期使用GPS定軌，未來使用星地激光測距和定軌作為“無質(zhì)量載荷”；

3）跟蹤層先期采用低軌星座將數(shù)據(jù)傳至地面處理，未來增加中軌衛(wèi)星星座，實(shí)現(xiàn)天基處理并經(jīng)由傳輸層節(jié)點(diǎn)與武器通過數(shù)據(jù)鏈直接鉸鏈；

下一代空間架構(gòu)體系各層間關(guān)系

4）看護(hù)層先期為APP，部署在地面，融合處理已有軍民商盟衛(wèi)星，未來通過機(jī)器學(xué)習(xí)簡化算法后盡可能向天基遷移，還會根據(jù)威脅和需求發(fā)展專門衛(wèi)星；

5）作戰(zhàn)管理層物理形態(tài)是星上計(jì)算機(jī)模塊及操作系統(tǒng)，提供星座運(yùn)控、組網(wǎng)和任務(wù)APP運(yùn)行，未來作為賦能模塊安裝在其他軍民商盟衛(wèi)星并網(wǎng)互聯(lián)，還可能部署邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)星。

作戰(zhàn)構(gòu)想

下一代空間架構(gòu)體系中的傳輸層、跟蹤層、支持層、作戰(zhàn)管理層、監(jiān)視層等將共同運(yùn)行以支持作戰(zhàn)。其中，跟蹤層和監(jiān)視層是關(guān)鍵。跟蹤層無需事先提示即可檢測并啟動對先進(jìn)導(dǎo)彈威脅的跟蹤，跟蹤到的數(shù)據(jù)都通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳到地面。

跟蹤層的衛(wèi)星將與地面系統(tǒng)、導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的相關(guān)部分配合使用，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，形成導(dǎo)彈航跡，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送回傳輸網(wǎng)絡(luò)，并通過戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)發(fā)給作戰(zhàn)平臺。此傳輸過程將在幾秒鐘內(nèi)完成。

監(jiān)視層著重構(gòu)建星上傳感器獲取的數(shù)據(jù)融合到應(yīng)用前端的能力，未來的衛(wèi)星將搭載數(shù)據(jù)傳輸載荷，與傳輸層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)將通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)絡(luò)中的作戰(zhàn)平臺，包括電子信號、SAR圖像、光學(xué)圖像。地面系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，在地面處理設(shè)施中通過應(yīng)用程序進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合處理，生成目標(biāo)指示信息。

同時，地面處理設(shè)施通過人工智能算法實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合和目標(biāo)指示，簡化后的人工智能算法可上注衛(wèi)星，星上實(shí)時計(jì)算目標(biāo)指示信息，通過傳輸層將數(shù)據(jù)分發(fā)到戰(zhàn)區(qū)。

特點(diǎn)及能力特征分析

美軍下一代空間架構(gòu)體系將大量引入顛覆性技術(shù)，如先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能、大規(guī)模分布式計(jì)算技術(shù)、低成本在軌處理技術(shù)、空間加密技術(shù)等。新的體系架構(gòu)具備多種能力特征。

1）星座規(guī)模大。從航天發(fā)展局透露的信息判斷，下一代空間架構(gòu)體系至少包括1500顆衛(wèi)星和3架先進(jìn)機(jī)動飛行器。

2）采用商業(yè)通用平臺。開放式的架構(gòu)可匹配不同有效載荷。開發(fā)商業(yè)化衛(wèi)星平臺以及低成本、可更換的有效載荷。平臺采用基于開放架構(gòu)的電氣、軟件和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)接口控制，可安裝數(shù)十種或數(shù)百種不同類型的軍用衛(wèi)星有效載荷，滿足不同類型的任務(wù)需求。

3）可通過更新軟件實(shí)現(xiàn)在軌升級。每隔兩三年就建造出具有開放式結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的新型有效載荷，通過算法對其性能進(jìn)行無線更新。

4）自主運(yùn)行能力強(qiáng)。該星座采用冗余網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型，具備較強(qiáng)的自主運(yùn)行能力，可在地面網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題時獨(dú)立實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下載，無需其他系統(tǒng)參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，具有很強(qiáng)的抗毀性和應(yīng)變能力。

5）充分利用商業(yè)現(xiàn)有技術(shù)低成本、快速形成能力。使用商業(yè)現(xiàn)有技術(shù)制造衛(wèi)星，將使單個衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的全部成本（包括發(fā)射成本在內(nèi)）降至600萬美元，甚至低于先進(jìn)彈藥的制造成本。

6）完全融入商業(yè)星座。一方面，星座由商業(yè)公司建造，采用與其他商用衛(wèi)星星座相似的體系架構(gòu)與技術(shù)，并部署在商業(yè)衛(wèi)星星座聚集的低地球軌道。另一方面，該星座由軍方獨(dú)立運(yùn)控，但與商業(yè)星座保持互聯(lián)互通。

4 軍事意圖分析

使命任務(wù)分析

下一代空間架構(gòu)體系符合大國競爭時代美太空力量發(fā)展需求，更加強(qiáng)調(diào)靈活、彈性、敏捷。美軍構(gòu)想的新一代太空體系的能力，與美國防部提出未來太空力量發(fā)展愿景八大能力相呼應(yīng)，即對先進(jìn)導(dǎo)彈目標(biāo)的持續(xù)全球監(jiān)視；針對先進(jìn)導(dǎo)彈威脅的預(yù)警、跟蹤、指示；GPS拒止環(huán)境下的定位、導(dǎo)航與授時（PNT）能力；全球近實(shí)時空間態(tài)勢感知；發(fā)展太空威懾能力；快速響應(yīng)、彈性的通用地面基礎(chǔ)支持設(shè)施；跨域、網(wǎng)絡(luò)化、與節(jié)點(diǎn)無關(guān)的“指揮控制和通信能力”，包括核指揮、控制與通信（NC3）；基于人工智能的大規(guī)模、低延遲、持久全球監(jiān)控能力。

下一代空間架構(gòu)體系將顯著提升美太空系統(tǒng)彈性，確保對抗條件下的太空任務(wù)保證能力，新架構(gòu)設(shè)想在低軌構(gòu)建以大規(guī)模、分布式、去中心化、可快速補(bǔ)充擴(kuò)展為特征的新一代空間系統(tǒng)。

軍事意義分析

下一代空間架構(gòu)體系僅是美軍防范太空沖突在低軌開展的探索與嘗試，將與傳統(tǒng)裝備形成能力互補(bǔ)。下一代空間架構(gòu)體系建設(shè)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，將顯著增強(qiáng)美軍低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的體系彈性與對抗能力，顛覆當(dāng)前全球空間系統(tǒng)建設(shè)和發(fā)展格局。同時，美軍未來大規(guī)模無中心節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)將分散當(dāng)前體系下關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)能力，依靠智能化星間組網(wǎng)技術(shù)能快速、自主實(shí)現(xiàn)體系重構(gòu)，使其不再懼怕關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受損或被干擾帶來的能力喪失或降級，在軌抗毀能力大幅度提升，降低對手打擊效果；利用商業(yè)衛(wèi)星“超級工廠”與靈活發(fā)射方式還可實(shí)現(xiàn)快速能力補(bǔ)充或升級，推進(jìn)科研工程項(xiàng)目新形態(tài)，推動空間系統(tǒng)智能化發(fā)展，推進(jìn)裝備形態(tài)快速持續(xù)演化，提供一種太空裝備建設(shè)的新模式。

5 結(jié)語

下一代空間架構(gòu)體系的建設(shè)將充分利用美國商業(yè)航天工業(yè)基礎(chǔ)，軍方出資招標(biāo)優(yōu)選技術(shù)途徑和方案，逐步實(shí)現(xiàn)由在軌試驗(yàn)向批量部署的過渡升級；傳統(tǒng)與新興商業(yè)航天公司以滿足軍方需求為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)軍商共建互惠發(fā)展，在充分共享經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)的基礎(chǔ)上，制定支持互聯(lián)、互操作的平臺與接口標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展通用衛(wèi)星平臺、載荷和制造流水線，降低單星制造與發(fā)射成本，全面構(gòu)建良性航天生態(tài)系統(tǒng)，穩(wěn)固美國在商業(yè)航天市場的領(lǐng)軍地位。