蔡亞梅，陳利玲，張?zhí)鞁?/p>

（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(wèi)星是美軍作戰(zhàn)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(tǒng)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(shù)年時間才能補換。且這些系統(tǒng)研發(fā)時間長，很難甚至無法快速應對新的威脅。隨著商業(yè)航天的發(fā)展，低軌寬帶互聯(lián)網通信衛(wèi)星成為可能，而且在成本上還具有規(guī)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(xiàn)了低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文以DARPA的“黑杰克”項目為例，梳理美國低軌衛(wèi)星系統(tǒng)以及太空體系建設的發(fā)展思路?！昂诮芸恕表椖康脑O立體現(xiàn)了DARPA利用先進商業(yè)衛(wèi)星平臺技術研發(fā)低成本微小衛(wèi)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(fā)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(jiān)視衛(wèi)星，包括低成本衛(wèi)星有效載荷和商業(yè)化衛(wèi)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(tǒng)相似，而成本只有后者的一小部分。“黑杰克”衛(wèi)星是一種即插即用型的衛(wèi)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(jiān)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(tǒng)的衛(wèi)星相比，能夠極大實現(xiàn)快速生產和成本降低。

圖1 “黑杰克”系統(tǒng)運行示意圖

項目將研發(fā)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(lián)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(wèi)星由一個商業(yè)化衛(wèi)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(yè)化衛(wèi)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(shù)十種或數(shù)百種不同類型的軍用衛(wèi)星有效載荷創(chuàng)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(wèi)星與地面用戶之間的通信管理、指揮與遙測鏈路以及數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并融合高級算法，包括人工智能和機器學習，它連接每顆衛(wèi)星的“大腦”，將其整合進一個智能網絡，不是將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面站進行處理，而是及時從太空直接發(fā)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(wèi)星，且功能不僅限于導彈預警和防御，未來的星座管理系統(tǒng)將采用這種方法論。DARPA選擇了科學系統(tǒng)公司、SAEKER工程公司和BAE系統(tǒng)公司開發(fā)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(tǒng)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(fā)進度安排

項目的研發(fā)進度（見圖2）分為3個階段：確定衛(wèi)星平臺和有效載荷的需求；2顆衛(wèi)星的在軌演示驗證研發(fā)衛(wèi)星平臺和有效載荷；在低軌對擁有2個軌道平面的系統(tǒng)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(wèi)星，每顆衛(wèi)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(fā)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(fā)衛(wèi)星總線。藍峽谷技術公司獲得了價值1 410萬美元的衛(wèi)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(wèi)星總線，實現(xiàn)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(wèi)星集成的第一階段，洛·馬公司獲得項目的衛(wèi)星集成合同，對項目衛(wèi)星總線、有效載荷和PitBoss太空指揮與數(shù)據(jù)處理器之間的接口進行定義和管理。雷聲公司為“黑杰克”衛(wèi)星提供天基預警傳感器——下一代過頂持續(xù)紅外（ORIR）的演示載荷，在2023年4月之前交付數(shù)量不明的用于天基預警監(jiān)視的有效載荷，這些載荷可與“黑杰克”衛(wèi)星的總線和PitBoss系統(tǒng)集成。PitBoss系統(tǒng)是SEAKR正在開發(fā)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(wèi)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(tǒng)。Telesat公司獲DARPA合同，為“黑杰克”系統(tǒng)生產2個衛(wèi)星平臺——“箭頭”（Arrow）平臺的深度改造型號，這2顆衛(wèi)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(wèi)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(lián)合作戰(zhàn)等傳統(tǒng)作戰(zhàn)任務和新型自主、分布式作戰(zhàn)任務的需求[5]。

“黑杰克”計劃衛(wèi)星的集成合同由洛·馬公司完成，初步計劃在2021年發(fā)射2顆，在2022年發(fā)射18顆，并一直持續(xù)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(wèi)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(wèi)星，將攜帶光學衛(wèi)星間鏈路以獲取寬帶數(shù)據(jù)。SSCI公司將開展代號為“射手座-A*”的演示任務，測試戰(zhàn)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(shù)據(jù)服務請求，系統(tǒng)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(zhàn)術無線電的鏈接。

2 美軍低軌衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)勢及發(fā)展動向

近年來，美國以“黑杰克”和“星鏈”為首的低軌衛(wèi)星項目研發(fā)進展迅速，其潛在軍事用途十分驚人。低軌衛(wèi)星星座在軍事應用方面具有以下優(yōu)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(zhàn)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(wèi)星空間頻譜資源；

5）有助于提升反太空能力，扭轉反衛(wèi)領域的不利態(tài)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(zhàn)的強大支撐，強化“非對稱”偵察監(jiān)視技術優(yōu)勢，強化“非接觸”遠程精確打擊優(yōu)勢，強化“非線性”多域作戰(zhàn)優(yōu)勢；

7）有可能成為無人機集群作戰(zhàn)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(wèi)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(tǒng)的依賴，通過飛行控制、態(tài)勢感知、信息共享、目標分配和智能決策，實現(xiàn)單架無人機能力擴展以及集群整體作戰(zhàn)效能的顯著提升。

美國已經意識到低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的潛在軍事優(yōu)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(fā)生顛覆性變化，已經從“大、貴、全”轉變?yōu)椤皬椥?、經濟、?guī)?；保谀繕硕ㄎ簧暇劢固展シ李I域（導彈防御、目標監(jiān)視、導航保障等），更加強調實用性、實戰(zhàn)性、一體化、高彈性、高靈活、協(xié)同化，“黑杰克”是NDSA的演示論證平臺。美國航天發(fā)展局于2019年7月透露了其未來軍用衛(wèi)星體系規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃，下一代軍用衛(wèi)星將更多地利用廉價的小衛(wèi)星星座，以代替現(xiàn)有的大型高價值衛(wèi)星，增加天基系統(tǒng)的彈性。同時，美軍已經和某些天基互聯(lián)網強勢企業(yè)達成些許協(xié)議。

圖3 美航天發(fā)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(zhàn)爭將是陸、海、空、太空、網絡、電磁頻譜等域的全域作戰(zhàn)，對信息化作戰(zhàn)條件下的通信業(yè)務要求越來越高，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)因其獨特的軍事領域應用潛力而備受關注，近年來發(fā)展迅速，相關技術瓶頸問題正在逐一解決。■