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        美國彈性空間體系最新發(fā)展

        2020-06-29 09:46:02文濤
        國際太空 2020年5期
        關(guān)鍵詞:航天太空彈性

        二戰(zhàn)以后,美國始終將軍事航天視為影響國家安全的核心基石,尤其在近10年,美國高度重視未來軍事斗爭形勢和樣式的研判,開始對軍事航天體系進行重大轉(zhuǎn)型調(diào)整。2013年起,美軍連續(xù)發(fā)布兩版白皮書,明確了美國新一代軍事航天體系要向“彈性”轉(zhuǎn)型發(fā)展,構(gòu)建在未來強對抗環(huán)境下能夠持續(xù)完成軍事任務(wù)使命、有效應(yīng)對太空威脅的軍事航天體系。目前,相關(guān)論證和研發(fā)工作已經(jīng)在美國國防部所屬的各航天裝備領(lǐng)域全面展開,一旦未來系統(tǒng)研發(fā)成熟并投入運行使用,美國航天系統(tǒng)將向真正的武器裝備化方向發(fā)展,具備體系化、批量化和冗余化的特征。

        1 “彈性”轉(zhuǎn)型的主要動因

        “彈性”航天裝備體系的思想源于近10年美國對太空系統(tǒng)依賴性的快速增長和太空安全觀認(rèn)識的逐步深入,由主導(dǎo)美國軍事航天力量發(fā)展和應(yīng)用的空軍航天司令部首先提出,受到了美國國防部的高度重視。美國實施“彈性”空間體系的主要目的是形成太空威懾力、強化空間體系抗毀能力,并為太空這一新的作戰(zhàn)域構(gòu)建強大的裝備體系。

        1)航天系統(tǒng)是“太空威懾”的重要組成部分,未來在航天系統(tǒng)支持下的全球即時、精確作戰(zhàn)模式,可以快速消滅敵方戰(zhàn)略力量和斗爭潛力,摧毀敵方斗爭意志,實現(xiàn)戰(zhàn)略作戰(zhàn)意圖,達到與“核威懾”相當(dāng)?shù)淖鲬?zhàn)效果(同時不會產(chǎn)生核大戰(zhàn)造成的重大、持續(xù)性的破壞)。

        2)現(xiàn)代軍事斗爭和軍事行動日益全球化、全域化,對航天系統(tǒng)的依賴不可避免地日益增強。美軍在作戰(zhàn)時對衛(wèi)星的依賴性和航天系統(tǒng)固有脆弱性之間的矛盾越發(fā)突出。

        3)太空已經(jīng)成為一個作戰(zhàn)區(qū)域,各國都已將其作為軍事行動和對抗的重要區(qū)域,太空系統(tǒng)已經(jīng)成為對抗的重要目標(biāo),甚至可能是首選目標(biāo),太空系統(tǒng)的脆弱性日益明顯。美軍重新審視當(dāng)前在沒有挑戰(zhàn)的情況下發(fā)展起來的面向友好環(huán)境的太空系統(tǒng)裝備,發(fā)現(xiàn)暴露出諸多根本性問題。

        2 “彈性”的實現(xiàn)途徑

        為構(gòu)建成“彈性”的軍事航天體系,美國目前已經(jīng)提出了6種實現(xiàn)途徑,意圖將天上功能分解、節(jié)點分散、多星冗余,地上統(tǒng)一運管、綜合運用、信息聚合,改變傳統(tǒng)單一大衛(wèi)星“將所有雞蛋放在一個籃子里”的模式,增加潛在對手選取空間攻擊目標(biāo)的難度,降低實施攻擊的效果,提升空間攻擊的代價,增強空間系統(tǒng)的抗毀性。6種實現(xiàn)途徑的定義如下:

        1)分散(disaggregation)。分散定義為將不同的功能分離到不同的平臺和有效載荷上。典型示例是將防護衛(wèi)星通信的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略功能分散,有助于消除危機或沖突非受控升級的風(fēng)險。此外,通過分散可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性,使彈性更容易實現(xiàn)。

        2)分布(distribution)。分布定義為大量節(jié)點共同工作,作為一個節(jié)點執(zhí)行同一個任務(wù)或功能。例如,“全球定位系統(tǒng)”(GPS)就是一個分布式系統(tǒng)。

        3)多樣化(diversification)。多樣化定義為利用不同平臺、不同軌道或不同系統(tǒng),以及商業(yè)、民用或國際合作伙伴的能力,執(zhí)行同一個任務(wù)。此外,多樣化還包括具備靈活性和適應(yīng)性的、能夠支持多種任務(wù)的系統(tǒng)或體系。

        4)防護(protection)。防護定義為確保美國及其伙伴的空間系統(tǒng)在各種作戰(zhàn)環(huán)境和條件下按所需數(shù)量和質(zhì)量提供任務(wù)支持而采取的主動和被動措施。已采取的傳統(tǒng)防護措施包括抗干擾、抗核加固等,還可以擴展到衛(wèi)星機動、攜帶誘餌和其他星上對抗措施。防護也包括在系統(tǒng)內(nèi)部采取的更好地探測對手攻擊和確定攻擊源的措施(也稱為“自感知”)。

        5)擴散(proliferation)。擴散定義為部署大量相同的平臺、有效載荷或相同類型的系統(tǒng)來執(zhí)行相同的任務(wù)。例如在“寬帶全球衛(wèi)星通信”(WGS)衛(wèi)星星座中部署多顆WGS衛(wèi)星,或者增加下行鏈路和數(shù)據(jù)處理站的數(shù)量等。

        6)欺騙(deception)。欺騙是指揮官對敵隱藏自己力量和弱點的慣用方法。用欺騙來掩飾意圖,達成戰(zhàn)略和戰(zhàn)役的突然性。同樣,國家安全空間資產(chǎn)的指揮官也必須在制定空間作戰(zhàn)計劃中考慮欺騙,以保存自己,確保其遂行空間任務(wù)的彈性。鑒于空間防御和進攻的物理特性,欺騙可能是提升特定空間系統(tǒng)彈性的一個關(guān)鍵要素。

        3 美國“彈性”航天裝備體系發(fā)展情況

        導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星領(lǐng)域

        美軍正采用彈性體系理念,綜合運用“分散”、“分布”等彈性措施途徑,構(gòu)建高低軌結(jié)合的分層天基預(yù)警體系。新一代導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)的主要設(shè)計需求是提升衛(wèi)星系統(tǒng)的防御能力;提升導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的可靠性,建立用戶信心;提升交戰(zhàn)能力和威脅應(yīng)對數(shù)量;應(yīng)對先進導(dǎo)彈威脅。目前,美軍新一代天基預(yù)警彈性體系已基本成形,高軌方面發(fā)展“下一代過頂持續(xù)紅外”(Next-Gen OPIR)系統(tǒng),低軌方面發(fā)展“天基傳感器層”(SSL)。

        (1)高軌“下一代過頂持續(xù)紅外”系統(tǒng)

        高軌“下一代過頂持續(xù)紅外”是“天基紅外系統(tǒng)”(SBIRS)的后續(xù)系統(tǒng),包含兩個系統(tǒng),即戰(zhàn)略導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)和戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)。前者采取多種抗毀措施,通過與核威懾捆綁確保系統(tǒng)安全;后者采用專用衛(wèi)星或有效載荷搭載的方式,分散能力,按戰(zhàn)區(qū)需求部署?!跋乱淮^頂持續(xù)紅外”系統(tǒng)采用螺旋式發(fā)展路線,目前規(guī)劃了Block-0和Block-1兩個階段。

        Block-0階段由3顆靜止軌道衛(wèi)星(NGG)和2顆極區(qū)覆蓋衛(wèi)星(NGP)組成。Block-0階段的衛(wèi)星是在SBIRS衛(wèi)星基礎(chǔ)上進行改進和簡化而成,具體包括增加近場感知載荷和軌道機動能力,預(yù)警載荷從SBIRS的掃描加凝視可能簡化為一種載荷,具體是掃描還是凝視目前還未對外公布。Block-0采取了快速采辦模式,計劃研制時間由通常的9年縮短為5年,NGG衛(wèi)星計劃2023年首發(fā),NGP衛(wèi)星計劃2027年首發(fā),整個Block-0衛(wèi)星計劃2029年部署完畢。

        Block-1衛(wèi)星系統(tǒng)目前正在論證過程之中,系統(tǒng)體系還沒有確定。衛(wèi)星平臺是在洛馬公司A2100平臺基礎(chǔ)上開發(fā)的高防護抗核加固平臺,采用開放式模塊化設(shè)計,既可用于戰(zhàn)略預(yù)警又可用于戰(zhàn)略通信,具備多種軌道適應(yīng)性,還將具備在軌服務(wù)和燃料補加能力。星上還采用濾光器、限幅器、防激光涂層等被動防護技術(shù),以及威脅告警傳感器等附加載荷,采用激光通信鏈路進一步提升抗干擾和保密性能。美軍還在研發(fā)結(jié)構(gòu)附著感知技術(shù)、可展開觸角技術(shù)、星上誘餌技術(shù)等所謂的彈性技術(shù),對這種高價值目標(biāo)予以重點保護。Block-1系統(tǒng)計劃2025-2027年進行原型試驗衛(wèi)星飛行試驗,業(yè)務(wù)星計劃2030年具備初始發(fā)射能力。

        “下一代過頂持續(xù)紅外”系統(tǒng)示意圖

        (2)低軌“天基傳感器層”

        低軌“天基傳感器層”由導(dǎo)彈防御局(MDA)、空軍和國防高級研究計劃局(DARPA)聯(lián)合論證。其主要任務(wù)是對彈道導(dǎo)彈和高超武器進行從生到死的全程觀測,提供光學(xué)手段目標(biāo)識別,為攔截武器提供目標(biāo)指示和火控鏈路,從而支持遙發(fā)射/遙交戰(zhàn)概念,為導(dǎo)彈防御系統(tǒng)提供攔截效果評估,從而為進一步攔截決策提供支持。

        目前“天基傳感器層”論證工作啟動不久,最終方案尚未確定。當(dāng)前提出的“天基傳感器層”方案包括“導(dǎo)彈防御跟蹤系統(tǒng)”(MDTS)、“精確火控跟蹤”(PFCT)系統(tǒng)和“攔截效果評估”(SKA)系統(tǒng)3種有效載荷,采取功能分離的方式,每顆衛(wèi)星只攜帶有一種載荷。采取節(jié)點分散的方式部署在多個軌道面和多個軌道高度上。采取手段多樣的方式,有些載荷可以搭載在商業(yè)和盟國衛(wèi)星上,進一步分散系統(tǒng)布局。采用偽裝欺騙的方法,所有衛(wèi)星均采用DARPA在“黑杰克”(BlackJack)項目下發(fā)展的通用平臺,這類平臺將廣泛用于其他衛(wèi)星系統(tǒng)和民/商用星座,衛(wèi)星外觀特征相似,之間通信鏈路相連,令對手難以選擇目標(biāo)。

        測試中的GPS-3衛(wèi)星

        通信衛(wèi)星領(lǐng)域

        在通信衛(wèi)星領(lǐng)域,綜合利用“分散”、“分布”、“多樣化”、“防護”、“擴散”等彈性實施途徑,構(gòu)建新一代的通信衛(wèi)星體系,將是由高軌戰(zhàn)略通信系統(tǒng)、高軌戰(zhàn)區(qū)通信系統(tǒng)、低軌網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)構(gòu)成的“彈性”通信衛(wèi)星體系。高軌系統(tǒng)施行“核常分離”,達到更易判斷敵人意圖、更易實施戰(zhàn)爭升級控制、使戰(zhàn)略系統(tǒng)更安全等目的;低軌系統(tǒng)積極發(fā)展戰(zhàn)術(shù)專用通信小衛(wèi)星星座和星群,支持多域廣泛散布的有人和無人平臺,在反介入/反拒止(A2AD)環(huán)境和復(fù)雜地形條件下提供機對機(M2M)業(yè)務(wù),以及短報文通信和數(shù)據(jù)滲透等業(yè)務(wù)。

        總體來看,美軍將以“1+1+3”的模式來實施其體系轉(zhuǎn)型思路,即“1”是指下一代的戰(zhàn)略通信衛(wèi)星研發(fā)項目,“1+3”是指下一代戰(zhàn)術(shù)通信衛(wèi)星系統(tǒng)的1項波形技術(shù)與空間、地面、用戶3個段的研發(fā)、升級與改造項目,5個項目相互獨立但又互為支撐,以提高整個軍用通信衛(wèi)星體系的防護能力為目標(biāo),分批、按序?qū)嵤?,目前進展較為順利,部分項目已進入研制合同招標(biāo)階段。

        導(dǎo)航衛(wèi)星領(lǐng)域

        新一代導(dǎo)航衛(wèi)星體系的發(fā)展思路是大力研發(fā)全數(shù)字抗干擾導(dǎo)航衛(wèi)星,軍碼防欺騙抗干擾終端,借助GPS星座固有的多軌分散特性,使GPS系統(tǒng)具備較高系統(tǒng)彈性。同時,美國積極與盟國開展合作,已就共用導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)與歐盟和日本開展談判,結(jié)合多模接收終端,使美軍的衛(wèi)星導(dǎo)航能力有了非常高的保障,也使對手可能放棄對導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的攻擊。

        從航天裝備體系轉(zhuǎn)型的6種實現(xiàn)途徑的角度看,GPS系統(tǒng)在某些方面已經(jīng)實現(xiàn)了美軍新一代軍事航天裝備體系轉(zhuǎn)型發(fā)展的要求。

        一是通過“節(jié)點分散、冗余備份”的方式提升彈性。分布在6個軌道面的30余顆衛(wèi)星已經(jīng)使GPS系統(tǒng)實現(xiàn)了多軌分散;同時,30余顆衛(wèi)星在軌并提供導(dǎo)航服務(wù),使GPS系統(tǒng)在全球任意地點的可見衛(wèi)星數(shù)量達到6~8顆,遠遠超過了4顆可見衛(wèi)星即可滿足定位、導(dǎo)航與授時(PNT)服務(wù)的要求,即摧毀數(shù)顆GPS衛(wèi)星(可多達5顆)不會對GPS系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生重大影響。

        二是通過“手段多樣”的方式提升彈性。為保證GPS系統(tǒng)服務(wù)性能的優(yōu)勢與服務(wù)可靠性、可用性和完好性,美軍積極推動先進技術(shù)在GPS衛(wèi)星上的應(yīng)用。目前,首星發(fā)射的GPS-3衛(wèi)星導(dǎo)航有效載荷的數(shù)字化率已經(jīng)達到70%,其后續(xù)型號GPS-3F將達到100%,加上在軌可編程技術(shù)、軟件無線電技術(shù)的支持,將實現(xiàn)GPS-3F衛(wèi)星的在軌功能升級與信號重構(gòu),有效地提供導(dǎo)航戰(zhàn)能力。目前,GPS系統(tǒng)已經(jīng)裝備了星上信號功率可調(diào)功能(GPS-2F衛(wèi)星開始),可實現(xiàn)對敵方使用GPS民用信號的拒止和軍用信號功率增強7dB;美國正在研發(fā)可移動雙點波束增強技術(shù),計劃裝備GPS-3F衛(wèi)星,點波束區(qū)域內(nèi)的信號功率將增加20dB;未來美軍既可拒絕敵方使用GPS系統(tǒng)民用信號,又具備軍用信號增強27dB的能力,有效增強GPS系統(tǒng)的抗干擾能力。

        三是通過星上與地面防護手段提升彈性。GPS衛(wèi)星全面采用抗核加固技術(shù),具有一定的抗輻射與抗核爆能力;就地面運行控制系統(tǒng)而言,GPS新一代運行控制系統(tǒng)正在發(fā)展賽博安全和信息保障技術(shù)與能力,其中賽博安全技術(shù)與功能于2018年2次通過了空軍組織的賽博對抗測試與驗證,計劃于2021年左右裝備,使其運行控制系統(tǒng)對抗賽博攻擊、保證GPS系統(tǒng)運行安全與運行控制權(quán)的能力大為提升。

        “氣象衛(wèi)星后續(xù)-微波”衛(wèi)星飛行示意圖

        “世界觀測”飛行示意圖

        氣象監(jiān)測衛(wèi)星領(lǐng)域

        美國將采用軍民融合方式構(gòu)建下一代氣象監(jiān)測衛(wèi)星體系。新體系將原有集成了8種氣象觀測有效載荷的“國防氣象衛(wèi)星”(DMSP)的功能分解到2種新型小衛(wèi)星上,包括“氣象衛(wèi)星后續(xù)-微波”(WSF-M)衛(wèi)星和“氣象衛(wèi)星后續(xù)-光電紅外”(WSF-E)衛(wèi)星,并計劃由軍方接管部分民用靜止軌道氣象衛(wèi)星,以有效降低遭受攻擊后體系能力大幅降低的風(fēng)險。

        偵察衛(wèi)星領(lǐng)域

        美國在持續(xù)改進低軌詳查系統(tǒng)的同時,積極發(fā)展戰(zhàn)術(shù)小衛(wèi)星星座,研發(fā)高軌監(jiān)視系統(tǒng),構(gòu)建高低軌搭配、多國合作、軍民融合的天基情報偵察監(jiān)視體系。總體來說,采用“多樣化”和“擴散”的途徑實現(xiàn)彈性。

        美國國家偵察局持續(xù)發(fā)展“鎖眼”(KH)、“未來成像體系-雷達”(FIA-Radar)大型綜合型國家偵察衛(wèi)星系統(tǒng),分辨率領(lǐng)先其他國家一代。國家偵察局還負(fù)責(zé)采購商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù),扶植美國商業(yè)遙感衛(wèi)星的發(fā)展。目前,美國數(shù)字地球公司(Digital Globe)的“世界觀測”(WorldView)衛(wèi)星達到甚至超過其他國家軍用偵察衛(wèi)星水平。同時,國家地理空間情報局(NGA)積極探索利用新興遙感衛(wèi)星公司的大規(guī)模微納衛(wèi)星星座為國家情報機構(gòu)和軍方服務(wù)。美國還與英國、加拿大、新西蘭和澳大利亞共享情報數(shù)據(jù)。這些實施情況已充分說明美國正在利用“多樣化”提升彈性。

        同時,美國國防部致力于發(fā)展用于軍事作戰(zhàn)的軍用成像偵察小衛(wèi)星。美國軍兵種已經(jīng)接納吸收了該發(fā)展理念,以陸軍為代表,開始大力進行成像偵察衛(wèi)星的研發(fā)和在軌能力驗證,已完成鷹眼-2M(KE-2M)光學(xué)成像偵察小衛(wèi)星的發(fā)射和在軌能力驗證。此外,美國陸軍也還在發(fā)展雷達成像偵察小衛(wèi)星。

        為完善體系,美國致力于研制高軌高分辨率成像偵察衛(wèi)星,并行發(fā)展大口徑薄膜衍射成像技術(shù)、空間分塊可展開成像技術(shù)、單鏡面大口徑反射鏡技術(shù)等大口徑光學(xué)成像技術(shù),以實現(xiàn)高軌持續(xù)觀測能力,最終實現(xiàn)較為完善的高低軌搭配體系。

        鷹眼-2M光學(xué)成像偵察小衛(wèi)星飛行示意圖

        4 結(jié)束語

        美軍通過推進構(gòu)建多國共建、共用的“彈性”航天體系,且推行太空集體防御,共同執(zhí)行太空作戰(zhàn)任務(wù),實質(zhì)上形成了新的軍事太空聯(lián)盟。在行動決策方面,將使對手面臨“一對多”的不利局面;在國際合作方面,美國作為太空同盟主導(dǎo)者必將進一步圍堵制約對手發(fā)展。

        同時,美軍“彈性”航天體系部署布局更加合理,且具備冗余。一方面將推動未來航天系統(tǒng)的批量化建設(shè)和發(fā)展;另一方面,美軍面向未來對抗環(huán)境的新系統(tǒng)體系一旦建成,將對對手產(chǎn)生不利影響。

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