姚延風 繆中宇 秦兆濤

(中國空間技術研究院通信與導航衛(wèi)星總體部，北京 100094)

隨著戰(zhàn)爭形態(tài)的轉變，太空日益成為大國戰(zhàn)略競爭新的制高點。近年來，美國戰(zhàn)略重心重回大國競爭，將軍事斗爭準備重點轉向高端對手，大幅調整太空部隊組織體制，改革裝備采辦機制，規(guī)劃未來太空體系，加速新型能力建設，持續(xù)在天基體系轉型方面開展研究。在美國目前的太空架構中，每個星座都由少量大型精密衛(wèi)星組成，現(xiàn)役衛(wèi)星雖然功能強大，但生存能力不足，任意一顆衛(wèi)星被摧毀或失效都可能對戰(zhàn)場產(chǎn)生重大影響，為此需要探索新的平臺[1]。低軌星座以其低時延、快速響應、功能擴展性強等顯著優(yōu)勢，日益成為體系轉型的焦點。

在上述背景下，美國太空發(fā)展局(SDA)謀劃設計了“下一代太空體系架構”，即國防太空架構(NDSA)。該系統(tǒng)由數(shù)百顆承載多種有效載荷的小衛(wèi)星組成，旨在構建一種擴散型低軌(PLEO)太空架構，統(tǒng)一整合美國國防部未來的太空能力，實現(xiàn)韌性太空感知和數(shù)據(jù)傳輸。美國國防部先進研究計劃局(DARPA)通過“黑杰克”(Blackjack)項目，旨在利用新興商業(yè)寬帶星座在低軌演示驗證一個低成本、提供全球持續(xù)覆蓋的星座，借助通用化衛(wèi)星平臺搭載軍事通信、導航、偵察、預警等多類任務載荷，具備智能自主運行能力。

美國在軍用低軌星座上的巨大投入，反映了其太空體系建設從“以保障性為主，不考慮或較少考慮太空軍事化環(huán)境”的“能力驅動”向“以作戰(zhàn)應用牽引，應對非對稱太空作戰(zhàn)能力”的“威脅驅動”轉變，折射出其未來太空能力建設與應用的最新趨勢。本文分析了美國軍用低軌星座建設的頂層需求，系統(tǒng)闡述了美國下一代軍用低軌星座發(fā)展計劃，重點梳理總結了軍用低軌星座未來發(fā)展的關鍵技術，最后對相關領域的技術儲備、發(fā)展規(guī)劃和策略制定提出了啟示與建議。

1 美國軍用低軌星座頂層需求分析

近年來，美國圍繞太空作戰(zhàn)模式、太空作戰(zhàn)組織機構、軍事航天裝備體系等開展了大量研究與論證工作，形成了諸多成果，為軍用低軌星座發(fā)展提供了需求方向和理論支撐。

1.1 彈性分散需求

彈性空間體系由美國空軍航天司令部于2013年提出，是近十年來美軍對于空間系統(tǒng)未來發(fā)展新思路的探索，實施目的是形成太空威懾力、強化空間體系抗毀能力，并為太空作戰(zhàn)域構建強大的裝備體系[2]。近年來，《美國天軍衛(wèi)星通信發(fā)展愿景》和《美國國防太空戰(zhàn)略概要》等頂層規(guī)劃文件，繼續(xù)強調將形成彈性結構作為建立太空軍事優(yōu)勢的重要一環(huán)[3-4]，“彈性”空間體系論證和研發(fā)逐漸從最初的衛(wèi)星通信領域向各航天裝備領域全面展開，呈現(xiàn)出體系化、批量化和冗余化的顯著特征。低軌星座作為軍用衛(wèi)星系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，值得重點關注。

(1)導彈預警衛(wèi)星領域。為應對高超聲速武器等新興威脅，美國積極構建高軌、中軌、低軌結合的分層天基預警體系。根據(jù)最新規(guī)劃，未來美軍將逐步取消昂貴的高軌預警衛(wèi)星項目，重點發(fā)展中軌、低軌預警衛(wèi)星，依靠太空發(fā)展局推動的跟蹤層衛(wèi)星星座及最新規(guī)劃的4顆中軌衛(wèi)星提供導彈預警/跟蹤能力。

(2)通信衛(wèi)星領域。構建由高軌戰(zhàn)略通信系統(tǒng)、高軌戰(zhàn)區(qū)通信系統(tǒng)和低軌通信系統(tǒng)構成的“彈性”通信衛(wèi)星體系。其中，低軌系統(tǒng)積極發(fā)展戰(zhàn)術專用通信小衛(wèi)星星座和星群，在反介入/反拒止(A2AD)環(huán)境和復雜地形條件下提供機對機(M2M)、短報文通信和數(shù)據(jù)滲透等業(yè)務。

(3)導航衛(wèi)星領域。新一代導航衛(wèi)星體系的發(fā)展思路是大力研發(fā)全數(shù)字、抗干擾導航衛(wèi)星及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其具備較高系統(tǒng)彈性。另外，美國還通過與銥星等低軌系統(tǒng)融合服務，提供獨立備份定位授時能力。

(4)偵察衛(wèi)星領域。構建高軌、低軌搭配、多國合作、軍民融合的天基情報偵察監(jiān)視體系。除持續(xù)發(fā)展“鎖眼”(KH)等大型偵察衛(wèi)星系統(tǒng)外，還通過發(fā)展軍用偵察小衛(wèi)星及支持商業(yè)遙感星座的方式，為情報機構和軍方提供服務。

1.2 戰(zhàn)術信息支援需求

美軍聚焦未來高強度對抗戰(zhàn)爭，提出“多域戰(zhàn)”和“聯(lián)合全域指揮與控制”(JADC2)等新型作戰(zhàn)理念，推動美軍由傳統(tǒng)陸地向海、空、天、網(wǎng)、電磁等其他作戰(zhàn)區(qū)域發(fā)展。近年來，美國天軍大力推進太空部隊由保障型向作戰(zhàn)型轉變，積極從軍事視角審視太空戰(zhàn)，尋求作戰(zhàn)理論和作戰(zhàn)概念的顛覆式創(chuàng)新。在天基信息支援下，其作戰(zhàn)模式已經(jīng)從以網(wǎng)絡為中心的作戰(zhàn)向以信息為中心、以決策為中心作戰(zhàn)轉變，圍繞任務的執(zhí)行設計作戰(zhàn)模式。在未來聯(lián)合作戰(zhàn)構想中，美軍將信息優(yōu)勢提到了前所未有的高度，并認為確保信息安全、高速流動是實現(xiàn)信息優(yōu)勢的基礎。

從技術角度來看，巨型低軌星座高時空密度、高功能密度及超低時延的優(yōu)勢，將大幅增強戰(zhàn)術級作戰(zhàn)保障能力，提高各軍種聯(lián)合指揮、各軍種協(xié)同作戰(zhàn)，以及信息系統(tǒng)與各類感知平臺和武器平臺一體化的體系作戰(zhàn)保障能力，不斷帶動新型作戰(zhàn)模式的產(chǎn)生。

1.3 網(wǎng)云體系支撐需求

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭形態(tài)的變化，美軍日益注重人工智能、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等技術在空間軍事裝備的應用，大力推動太空系統(tǒng)智能化發(fā)展，試圖構建物理分散、智能組網(wǎng)、自主運行、云端服務、彈性自愈、持續(xù)進化的航天系統(tǒng)。2019年3月，美國國防部成立太空發(fā)展局，提出國防太空體系7層架構，期望利用低軌大規(guī)模星座和智能云網(wǎng)等技術構建“全域感知目指，云端智能服務”的天基信息網(wǎng)絡體系，充分利用大規(guī)模商業(yè)低軌星座成果，全面開發(fā)軟件定義、分布計算架構，加速一星多用、云端服務模式。

未來，美軍低軌系統(tǒng)將基于開放式體系結構，向支持衛(wèi)星隨遇接入，激光寬帶互聯(lián)，天基網(wǎng)絡節(jié)點和云計算節(jié)點轉化，實現(xiàn)巨型星座自主運控、智能任務規(guī)劃和調度、動態(tài)組網(wǎng)組群和重構、泛在低延時網(wǎng)絡通信和路由功能。

2 下一代軍用低軌星座計劃及分析

2.1 國防太空架構項目

2.1.1 項目概況和計劃安排

以高超武器為代表的新興威脅，對美國太空系統(tǒng)能力提出了新的需求。2019年年中，美國太空發(fā)展局在吸納前期“彈性”發(fā)展理念的基礎上，提出了下一代太空7層體系架構[5]，即國防太空架構。該體系將借鑒企業(yè)最佳實踐和商業(yè)開發(fā)模式，利用大規(guī)模和分布式提升應對現(xiàn)實威脅的彈性和應對新興威脅的快速演進更新能力，以7層架構打造智能化的天基信息網(wǎng)絡，全面提升天基信息網(wǎng)絡多域通聯(lián)、情報感知、指揮控制決策、戰(zhàn)略評估與支援的能力，支撐未來全域作戰(zhàn)目標。7層架構由傳輸層、跟蹤層、看護層、威懾層、導航層、作戰(zhàn)管理層及支持層組成，可提供能力如表1所示。

表1 國防太空架構概況

傳輸層作為下一代太空體系的技術基礎及共性支撐，提供全球范圍全天候、全天時、不同功能層間低時延的數(shù)據(jù)傳輸與通信服務；跟蹤層具備針對高超聲速滑翔彈等先進導彈威脅的識別、告警、跟蹤和目標指示能力。為此，太空發(fā)展局將傳輸層和跟蹤層作為近5年內(nèi)的建設重點，預算分別為36億美元和18億美元。此外，太空發(fā)展局采用分階段實施的方式降低項目技術風險，逐步實現(xiàn)能力升級(如圖1所示)，目前已啟動0期和1期系統(tǒng)建設工作。0期預計2022年年底開始部署，包括20顆傳輸層和8顆跟蹤層衛(wèi)星，聚焦不同供應商交付衛(wèi)星的互操作性，并演示任務載荷能力；1期計劃于2024-2025年開始部署，包括126傳輸層和28顆跟蹤層衛(wèi)星，目標是形成初始作戰(zhàn)能力，實現(xiàn)區(qū)域不間斷的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈路、先進導彈探測和超視距瞄準[6]。下文重點分析傳輸層建設情況。

圖1 傳輸層和跟蹤層建設計劃

2.1.2 星座構型

1)傳輸層0期

2020年5月，太空發(fā)展局發(fā)布了傳輸層0期項目標書[7]，最終分別授予洛馬公司和約克航天公司建造傳輸層0期各10顆衛(wèi)星研制合同。根據(jù)最新進展，由于供應鏈限制等原因，原計劃于2022年9月完成的9～10顆首批衛(wèi)星發(fā)射推遲至12月下旬進行。

星座構成方面，按照太空發(fā)展局的要求，傳輸層0期星座運行于2個近極軌道面，每個軌道面部署10顆衛(wèi)星，軌道高度為1000 km，傾角為80°～82°。每個軌道面的衛(wèi)星分為A組和B組。A組由7顆衛(wèi)星組成，在軌道面內(nèi)均勻分布，通過激光星間鏈路組網(wǎng)運行，提供連接整個星座的完整網(wǎng)絡基礎設施；B組由3顆衛(wèi)星組成，在軌道面內(nèi)呈“簇”狀分布，支持在多個時間段內(nèi)對某一戰(zhàn)區(qū)的連續(xù)覆蓋，并進行測試和試驗，如圖2所示。

2)傳輸層1期

2021年8月底，太空發(fā)展局發(fā)布了傳輸層1期的招標草案[8]，初始規(guī)劃包括126顆基線衛(wèi)星和18顆搭載試驗衛(wèi)星。衛(wèi)星分布于6個軌道面，每個軌道面包括21顆基線衛(wèi)星和若干顆搭載試驗衛(wèi)星，星座參數(shù)如表2所示。18顆搭載試驗衛(wèi)星自太空發(fā)展局于2021年10月發(fā)布招標草案以來，推測由于保密或取消等原因，未見相關進展報道。2022年2月底，太空發(fā)展局宣布分別授予約克航天公司、洛馬公司和諾格公司價值3.82億美元、6.92億美元、7億美元的合同，用于研制傳輸層1期126顆基線衛(wèi)星，每家企業(yè)交付42顆衛(wèi)星。1期126顆衛(wèi)星計劃從2024年9月開始發(fā)射部署。

表2 傳輸層1期星座參數(shù)

傳輸層1期衛(wèi)星配備激光通信終端(OCT)，支持同軌道面和異軌道面的星間鏈路連接，同時能夠與地面終端(地面、空中、海上)建立鏈路。傳輸層1期衛(wèi)星與運營中心將構成一個通信網(wǎng)絡，提供覆蓋全球的低延遲、高吞吐量數(shù)據(jù)傳輸，并具備相關的地面支持、作戰(zhàn)和維持能力。傳輸層1期還能夠通過Link-16網(wǎng)絡演示通信和數(shù)據(jù)傳輸，提供地面中心與戰(zhàn)區(qū)內(nèi)地面、海上和機載Link-16終端超視距數(shù)據(jù)通信能力。衛(wèi)星配備作戰(zhàn)管理與指控通信(BMC3)模塊，支持在軌任務處理、平臺自主運行和任務驅動網(wǎng)絡管理，如圖3所示。

圖3 1期演示驗證示意

2.1.3 衛(wèi)星設計

衛(wèi)星平臺設計方面，針對傳輸層0期衛(wèi)星項目，洛馬公司授予商業(yè)小衛(wèi)星制造商Tyvak公司Ma￣vericks小衛(wèi)星平臺研制合同，預計衛(wèi)星質量150～200 kg。約克航天公司選擇本公司開發(fā)的S-Class小衛(wèi)星平臺，平臺質量65 kg，可集成85 kg的有效載荷。洛馬公司的1期衛(wèi)星將繼續(xù)使用Tyvak公司提供的衛(wèi)星平臺，另外2家尚未披露相關信息。

在有效載荷設計方面，激光星間鏈路是傳輸層0期和1期最關鍵的技術之一，0期(A組、B組)和1期衛(wèi)星均配置激光星間鏈路載荷。在傳輸層0期中，洛馬公司選擇空客子公司Tesat Spacecom提供激光通信終端；約克航天公司選擇德國Mynaric公司和美國SA光子學(SA Photonics)公司作為分承包商提供產(chǎn)品。在傳輸層1期中，諾格公司宣布Mynaric公司作為其激光終端戰(zhàn)略供應商，另外2家尚未披露相關信息。在衛(wèi)星具體載荷配置方面，0期A組衛(wèi)星配備激光星間鏈路載荷、Ka頻段測控載荷、Ka頻段饋電載荷。其中：激光星間鏈路載荷共4個，各分配2個為衛(wèi)星提供同軌道面(運行軌道面內(nèi)向前和向后)連接和異軌道面(不同軌道面間向右/向左或向上/向下)連接，從而實現(xiàn)整個星座組網(wǎng)。0期B組衛(wèi)星配備2個激光星間鏈路載荷、Link-16載荷、Ka頻段測控載荷、Ka頻段饋電載荷。其中：激光星間鏈路載荷提供同軌道面衛(wèi)星連接，可從A組接收數(shù)據(jù)，并通過Link-16數(shù)據(jù)鏈將態(tài)勢感知與決策數(shù)據(jù)傳遞至其他作戰(zhàn)域，起到天地多域聯(lián)通作用。1期基線衛(wèi)星搭載1個Ka頻段轉發(fā)器，4個激光通信載荷，1個Link-16載荷、1個作戰(zhàn)管理與指揮控制通信計算模塊、1個網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)路由及導航模塊。衛(wèi)星具有互操作性，可通過激光星間鏈路共享數(shù)據(jù)。

2.2 “黑杰克”項目

2.2.1 項目概況和計劃安排

“黑杰克”項目是美國國防部先進研究計劃局2018年發(fā)起的項目[9]。項目將研發(fā)并驗證支撐低軌衛(wèi)星組網(wǎng)的關鍵技術，重點是商業(yè)化衛(wèi)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(yōu)化，使其適用于多個衛(wèi)星平臺。其最終目標是實現(xiàn)軍方有效載荷的高度網(wǎng)絡化并且兼具彈性和持久性，能夠持續(xù)在全球范圍內(nèi)為軍方提供超視距遙感、導航和通信功能。項目目標如表3所示。

表3 “黑杰克”項目目標

2020年，“黑杰克”項目演示驗證計劃正式啟動，最初計劃先期開展20顆衛(wèi)星演示項目，2021年發(fā)射首批2顆衛(wèi)星，2022年再發(fā)射剩余的18顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道高度約1000 km，分為2個軌道面，每個軌道面10顆衛(wèi)星。后續(xù)，根據(jù)項目進展情況擴充到90多顆低軌衛(wèi)星。截至目前，美國國防部先進研究計劃局僅授出了12顆衛(wèi)星平臺的研制合同，藍色峽谷技術公司10顆，加拿大電信公司2顆。由于疫情和供應鏈問題，項目進度大幅推遲。直至2022年9月，藍色峽谷技術公司交付了第1個“黑杰克”衛(wèi)星平臺，并計劃于年底前交付剩余衛(wèi)星平臺，具體發(fā)射計劃尚未確定。

2.2.2 衛(wèi)星設計

“黑杰克”項目首先關注平臺和有效載荷，然后是自主任務管理系統(tǒng)，即Pit Boss。衛(wèi)星平臺重點考慮批產(chǎn)化的成熟商業(yè)平臺。有效載荷涉及預警、偵察、通信和導航等多種類型。各種功能的有效載荷將作為模塊安裝在通用平臺上。項目開發(fā)Pit Boss星上控制單元，為平臺和有效載荷提供標準化的電氣和網(wǎng)絡接口，同時作為計算節(jié)點提供任務級自主運行能力，實現(xiàn)在無地面控制的情況下自主運行30天。

(1)衛(wèi)星平臺。加拿大電信衛(wèi)星公司交付2個衛(wèi)星平臺，平臺質量約200 kg，基于空客公司與一網(wǎng)公司合作研發(fā)的“箭形”(Arrow)平臺改造。藍色峽谷技術公司承擔10個平臺研制任務，基于其150 kg的X-SAT商用平臺定制開發(fā)。平臺使用奧比恩空間技術公司的電推進系統(tǒng)，同時包括電源、指揮和數(shù)據(jù)處理、射頻通信及能夠承載不同軍事有效載荷的標準接口。在2020年12月的關鍵設計審查中，藍色峽谷公司給出了基于X-SAT平臺的土星(X-SAT Saturn)系列設計方案，指標如表4所示[10]。

表4 X-SAT Saturn平臺主要性能參數(shù)

(2)任務有效載荷?！昂诮芸恕表椖康母黜椨行лd荷都在研制當中，暫未進行在軌試驗或演示驗證，在研的有效載荷主要包括定位、導航和授時載荷和過頂持續(xù)紅外載荷。前者由諾格公司研制，以軟件定義全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)嵌入式導航和授時體系結構(SERGEANT)為特色能力。該技術將為軍事用戶提供不依賴于現(xiàn)有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的低軌靈活定位、導航和授時信號[11]。后者由雷聲公司研制，作為天基預警系統(tǒng)的重要組成部分，提供導彈紅外探測預警功能，并支持與Pit Boss任務管理系統(tǒng)和衛(wèi)星平臺集成。雷聲公司于2021年1月通過了載荷關鍵設計審查，關鍵傳感器組件(包括焦平面、制冷機、望遠鏡和電子設備)已經(jīng)在制造中。

(3)激光星間載荷。在“黑杰克”項目中，美國國防部先進研究計劃局計劃部署20顆由激光鏈路進行星間組網(wǎng)的衛(wèi)星，以驗證使用不同廠家的激光通信終端，實現(xiàn)星座網(wǎng)絡內(nèi)衛(wèi)星節(jié)點相互連通的能力。2020年6月，美國國防部先進研究計劃局授予SA光子學公司一份價值1640萬美元的合同，為“黑杰克”衛(wèi)星提供激光通信終端，測試使用激光在太空傳送數(shù)據(jù)的技術。SA光子學公司通過集成優(yōu)化設計，為低軌星座提供星間鏈路和雙向星地鏈路，最大限度地減小尺寸、質量、功率和成本[12]。

(4)Pit boss自主控制系統(tǒng)?！昂诮芸恕表椖亢诵脑谟陂_發(fā)Pit boss星座自主控制系統(tǒng)。2021年3月，美國國防部先進研究計劃局再次向SEAKR公司授予6040萬美元的合同，進行第二階段和第三階段研發(fā)。該公司在第一階段合同的基礎上，繼續(xù)基于其第4代星載處理器產(chǎn)品，利用人工智能、機器學習等技術，進一步開發(fā)星座級自主運行體系架構、研發(fā)任務自主軟件、相關硬件，以及開展性能測試與演示驗證等。SEAKER公司于2022年9月交付了用于“黑杰克”衛(wèi)星的前兩個Pit Boss任務數(shù)據(jù)處理載荷。

2.3 下一代軍用低軌星座對商業(yè)能力的利用

在研制分包情況方面，太空發(fā)展局和國防部先進研究計劃局密集發(fā)布多項項目征詢書，就系統(tǒng)架構、衛(wèi)星設計、有效載荷等方面廣泛征求業(yè)內(nèi)意見，并授出多項相關合同，全面推動項目進展。此外，它們還積極尋求利用搭載發(fā)射提前驗證關鍵技術，為星座大規(guī)模組網(wǎng)奠定基礎。2021年6月30日，太空探索技術(SpaceX)公司在運輸者-2(Transporter-2)發(fā)射任務中為其搭載了5個演示驗證有效載荷[13]。

(1)曼陀羅-2A,2B(Mandrake-2A,2B)衛(wèi)星,搭載SA光子學公司研制的激光星間鏈路有效載荷。衛(wèi)星主要任務是為“黑杰克”項目演示驗證激光星間鏈路寬帶數(shù)據(jù)傳輸技術。

(2)激光互連與組網(wǎng)通信系統(tǒng)(LINCS)，采用2顆12U立方星評估高數(shù)據(jù)速率激光通信終端的性能。系統(tǒng)工作波長為1550 nm，采用開關鍵控(OOK)技術，支持高達5 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，衛(wèi)星還開展與MQ-9無人機搭載激光終端的連接測試。

(3)原型在軌試驗測試臺(POET)，是太空發(fā)展局的一種新型基礎性軟件系統(tǒng)演示任務，其主要功能是對太空發(fā)展局星座進行作戰(zhàn)管理和監(jiān)管。它以“黑杰克”項目的Pit Boss作戰(zhàn)管理、指揮、控制和通信系統(tǒng)為基礎，同時還包括由科學系統(tǒng)公司開發(fā)的Innoflight數(shù)據(jù)融合處理器和軟件。該處理器搭載在美國軌道閣樓(Loft Orbital)公司運行的任務-3(YAM-3)衛(wèi)星上。

此外，美國軍方還積極尋求將商業(yè)遙感衛(wèi)星納入到其未來太空網(wǎng)絡內(nèi)，通過Link-16數(shù)據(jù)鏈將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給士兵。2021年11月，太空發(fā)展局宣布與合成孔徑雷達(SAR)供應商Capella航天公司合作，將其衛(wèi)星連接到傳輸層；2021年12月，美國太空系統(tǒng)司令部授予PredaSAR公司一份價值2000萬美元的合同，演示其衛(wèi)星通過激光星間鏈路與“黑杰克”星座連接的能力。

2.4 下一代軍用低軌星座實現(xiàn)途徑與應用設想

當前，美國軍方認為盡早為作戰(zhàn)部隊提供“夠用”的能力要好于遲遲才交付“大而全”的系統(tǒng)，其主導的下一代國防太空架構項目及“黑杰克”項目都有著明確的階段目標和長遠愿景，星座采取“威脅驅動”的快速敏捷開發(fā)模式，通過低成本規(guī)模化實現(xiàn)快速響應和體系彈性，及時演進更新，甚至超前布局。為快速形成作戰(zhàn)能力，其采用如下實現(xiàn)途徑。

(1)堅持“多層部署、彈性智能”的頂層思路，提升太空領域體系優(yōu)勢。建設分布式、可擴展的低軌衛(wèi)星星座，成為美軍未來部署太空資產(chǎn)的重要發(fā)展趨勢，大力推動太空系統(tǒng)智能化發(fā)展，試圖構建物理分散、智能組網(wǎng)、自主運行、彈性自愈、持續(xù)進化的航天系統(tǒng)。國防太空架構項目基于微小衛(wèi)星、快速發(fā)射和人工智能技術，開發(fā)與下一代靈活、彈性、敏捷的太空體系相關的概念、方法、技術與系統(tǒng)?！昂诮芸恕表椖科谕鸓it Boss支持人工智能軟件、大規(guī)模分布式計算，提供星座任務級自主運行能力。

(2)采取“開放發(fā)展、軍民融合”的技術路線，實現(xiàn)技術水平螺旋上升。美國國家太空委員會稱，低軌商業(yè)化是美國未來太空戰(zhàn)略的一個重要組成部分。國防太空架構和“黑杰克”項目目前已向多家商業(yè)公司授予采購合同，優(yōu)選具備成熟供應鏈及配套技術的供應商，降低系統(tǒng)開發(fā)及運行維護成本；美軍還積極尋求利用商業(yè)低軌系統(tǒng)實現(xiàn)軍事應用的途徑，通過采購服務、搭載軍用載荷、合作研發(fā)等方式快速驗證關鍵技術，研究成果可以直接為軍隊所用或應用于未來軍用低軌系統(tǒng)的建設中。

(3)探索“威脅驅動、面向實戰(zhàn)”的建設模式，快速形成太空作戰(zhàn)優(yōu)勢。采辦綠色通道與前沿技術進步為美國太空系統(tǒng)高速建設提供了支持。國防太空架構是美國推行原型開發(fā)和敏捷采辦的新產(chǎn)物，反應了美國軍事航天裝備建設由單個系統(tǒng)論證、成體系論證發(fā)展到概念和統(tǒng)一架構指導下“威脅驅動”研制模式的轉變，強調試裝一體、快速能力生成、分階段演進、未來持續(xù)進化，適應科技加速進步及裝備體系化、信息化、軟件化程度不斷增長的要求。

(4)實踐“關注成本、驗證先行”的發(fā)展策略，規(guī)避系統(tǒng)建設風險?！昂诮芸恕表椖康闹攸c是研發(fā)可批產(chǎn)衛(wèi)星平臺及低成本、可更換有效載荷，單個衛(wèi)星網(wǎng)絡節(jié)點的成本低于600萬美元。太空發(fā)展局最初預算中公布的每個傳輸層衛(wèi)星價格為1500萬～2500萬美元，實際上傳輸層0期和1期衛(wèi)星平均價格約為1400萬美元。此外，為規(guī)避項目的進度和技術風險，美國十分重視星座大規(guī)模部署前的在軌演示驗證工作。太空發(fā)展局和國防部先進研究計劃局利用運輸者-2發(fā)射任務搭載演示驗證載荷，開展激光通信及星上多傳感器數(shù)據(jù)融合在軌驗證。

以國防太空架構和“黑杰克”為代表的美國下一代軍用低軌星座計劃，設想在低軌構建以大規(guī)模、分布式、去中心化、可快速補充擴展為特征的新一代智能太空信息系統(tǒng)。在體系結構設計方面，采取開放式的架構，利用激光星間鏈路實現(xiàn)衛(wèi)星動態(tài)組網(wǎng)和重構，借助高性能星載計算機與操作系統(tǒng)構建天基網(wǎng)絡節(jié)點和云計算節(jié)點，以天基云平臺方式實現(xiàn)高效星上分布式處理，縮短星地協(xié)同數(shù)據(jù)時延；利用智能任務規(guī)劃和調度、泛在低延時通信網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)大規(guī)模星座自主運行控制，開發(fā)先進算法實現(xiàn)星上數(shù)據(jù)融合與處理。系統(tǒng)建設先期目標是構建戰(zhàn)區(qū)天基智能通信網(wǎng)絡，以高超聲速武器跟蹤和目標指示為先導建立整體能力，最終將集成與整合美軍現(xiàn)有的各種太空信息網(wǎng)絡建設能力與項目，全方位打造空間智能信息系統(tǒng)。

未來，美國下一代太空系統(tǒng)將進一步融入未來主戰(zhàn)場，通過集成到美國主戰(zhàn)裝備作戰(zhàn)鏈條之中，支持未來多域作戰(zhàn)發(fā)展。對于改變現(xiàn)有天基信息系統(tǒng)自主性不強，數(shù)據(jù)整合能力弱，通信、導航、遙感各成體系，無法智能實現(xiàn)情報態(tài)勢的采集、分發(fā)、處理、決策的現(xiàn)狀，具有重要意義。

3 下一代軍用低軌星座關鍵技術分析

3.1 接入與傳輸技術

接入與傳輸，一方面要保障星地信息通信的通暢，支持星上通信資源的靈活自主配置，保障天基信息與陸、海、空域的各域聯(lián)通；另一方面，要確保星間鏈路信息通暢，為態(tài)勢數(shù)據(jù)與指控信息的大時空傳輸、星間協(xié)作的控制交互提供基礎。

(1)星載多波束天線技術。衛(wèi)星實現(xiàn)多波束覆蓋是提高空間頻譜利用率的關鍵技術，星載多波束天線已成為通信衛(wèi)星系統(tǒng)的核心設備，星鏈和光速(Lightspeed)等新興低軌星座均搭載了高性能多波束相控陣天線，太空發(fā)展局也將相控陣天線作為支撐傳輸層的關鍵技術。星載多波束天線通過縮小單波束能夠增加衛(wèi)星發(fā)射時的等效全向輻射功率(EIRP)和接收時接收系統(tǒng)品質因數(shù)(G/T)值，支持地面終端采用較小口徑的天線實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸；可以進行有效的極化隔離和空間隔離，實現(xiàn)頻譜復用，從而使通信容量成倍增加；還可以根據(jù)系統(tǒng)需要進行波束掃描、波束重構，提高系統(tǒng)的靈活性。

(2)智能感知與自主接入技術。傳輸層1期包括126顆基線衛(wèi)星及作戰(zhàn)管理和地面支持部分，作為低延遲數(shù)據(jù)傳輸、多國聯(lián)合全域指揮與控制(CJADC2)的骨干網(wǎng)，提供全球通信接入及持續(xù)區(qū)域加密連通性能力。為滿足天基組網(wǎng)、天地互聯(lián)、信息綜合高效利用的目標，需要重點突破天基智能感知與自主接入技術，構建信息網(wǎng)絡系統(tǒng)架構與協(xié)議體系，使得任何滿足特性要求的單顆或多顆衛(wèi)星都可自主接入網(wǎng)絡。網(wǎng)絡應具備良好的擴展性及易接入性，使衛(wèi)星更加快速、便捷的加入已部署的各類天基網(wǎng)絡中，不斷更新和增強網(wǎng)絡的服務能力，滿足實時多變的空間任務。

(3)軟件定義衛(wèi)星載荷技術。軟件定義衛(wèi)星載荷技術以天基軟件化計算平臺為核心，結合靈活射頻前端，采用開放系統(tǒng)架構，實現(xiàn)功能按需加載重新定義，能夠適應多種任務需求。目前，軟件定義載荷可在軌調整衛(wèi)星的覆蓋范圍、工作頻率、功率和帶寬等，主動定義衛(wèi)星的性能，使之滿足用戶需求。近年來，洛馬公司致力于開發(fā)其新一代軟件定義衛(wèi)星技術架構SmartSat。SmartSat技術旨在利用軟件定義無線電技術搭建太空云計算平臺，實現(xiàn)衛(wèi)星在軌任務重構能力，與太空發(fā)展局的7層體系建設理念高度契合，其技術成果有望為傳輸層星座提供更高層次技術能力。

3.2 組網(wǎng)交換技術

星間高速組網(wǎng)是未來軍用低軌星座發(fā)展的必然趨勢。星間傳輸技術保障了衛(wèi)星間的連通性，但為了實現(xiàn)信息的正確接收、解析，快速完成信息的尋址與分發(fā)，智能組網(wǎng)交換技術是其中不可或缺的一環(huán)。

(1)低時延預測性組網(wǎng)路由及抗毀重構技術。在星座規(guī)模不斷擴大的背景下，僅靠地面站進行星座管理已不現(xiàn)實，需要充分利用星上資源實現(xiàn)網(wǎng)絡管理。在此背景下，太空發(fā)展局認為需要建立一種靈活、動態(tài)分布、低時延的體系結構，使星座多個節(jié)點(傳輸、跟蹤、看護、戰(zhàn)斗管理)利用星間鏈路連接并保持通信，支持各種應用場景。該節(jié)點被太空發(fā)展局描述為“星座接入口”(Constellation Entry Vehicle)，其可發(fā)送、接收、存儲、中繼來自各軌道面衛(wèi)星、地面站與終端用戶的信息，確保星座的最佳路由。另外，數(shù)量激增的衛(wèi)星群將需要以正常和快速恢復2種模式運行。正常模式是指體系完整狀態(tài)，可預測其拓撲結構的最佳路由；而快速恢復模式是指星座部分節(jié)點失效的狀態(tài)，需要具備動態(tài)組網(wǎng)組群和重構能力。

(2)低成本、高可靠激光星間建鏈技術。激光星間鏈路相對于射頻方式，具有功耗低、容量大、抗干擾能力等顯著優(yōu)勢，從7層架構及其他各項目衛(wèi)星搭載試驗來看，激光星間鏈路載荷已成為未來軍用低軌衛(wèi)星的標配，不論哪一層面、何種功能的衛(wèi)星，都需要將自身收集或處理的數(shù)據(jù)最終下發(fā)到各個作戰(zhàn)域的作戰(zhàn)單元中。此外，星間信息交互也是實現(xiàn)星座智能協(xié)同、分布式計算的基礎。因此，不論是以預警跟蹤能力為主的跟蹤層衛(wèi)星，還是以中繼或通信為主的傳輸層衛(wèi)星都將搭載激光星間通信載荷，傳輸層1期也明確將激光通信終端作為重點采購對象，重點突破低成本、小型化激光終端設計及高可靠星間建鏈技術。

(3)星間組網(wǎng)協(xié)議及互操作技術。聯(lián)合全域作戰(zhàn)的前提之一就是信息通聯(lián)能力。未來太空體系架構若要實現(xiàn)整體協(xié)同工作、快速響應，必須貫通各個功能層之間的衛(wèi)星網(wǎng)絡，大規(guī)?；ヂ?lián)、互通、互操作是必要條件，網(wǎng)絡協(xié)議的設計與部署是實現(xiàn)大規(guī)模組網(wǎng)的關鍵問題。從美軍對未來衛(wèi)星平臺、載荷及地面系統(tǒng)的要求來看，平臺及系統(tǒng)通用化，系統(tǒng)間具備互操作性已成為美軍的重要關注點之一。太空發(fā)展局已經(jīng)明確定義了激光星間鏈路與光通信終端的標準，各廠商需嚴格依據(jù)標準研制軟硬件設備，實現(xiàn)不同廠家的終端互聯(lián)互通。在系統(tǒng)建設層面，傳輸層0期和1期及“黑杰克”項目均針對互操作性開展在軌演示驗證。

3.3 智能運控及數(shù)據(jù)處理技術

星座智能運控的目的是最大程度減少人為干預，提高星座戰(zhàn)場生存能力；智能數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)星座網(wǎng)絡中的原始數(shù)據(jù)向可理解、可應用信息方向的轉化，輔助指揮官進行快速有效決策。

(1)星座智能運控技術。為減輕地面人員大規(guī)模星座運控壓力，提高戰(zhàn)場生存能力，對星座自主運控、智能任務規(guī)劃和調度提出了更高的要求。“黑杰克”項目設立伊始，就將“開發(fā)帶有在軌分布式?jīng)Q策處理器的有效載荷和任務級自主軟件”作為首要目標。Pit Boss作為“黑杰克”項目構建的自主任務管理系統(tǒng)，提供硬件方面(電子和網(wǎng)絡連接)、軟件方面(在軌邊緣計算等)，以及星座節(jié)點數(shù)據(jù)路由和加解密服務。其設計開發(fā)的關鍵技術包括自主運行技術、多種配置聯(lián)合技術、網(wǎng)絡保護和數(shù)據(jù)加解密技術、有效載荷管理和功率切換技術、任務分配和調度技術、衛(wèi)星資源管理技術及星座管理技術等。

(2)天基云計算及人工智能技術。近年來，美軍日益注重人工智能、云服務、邊緣計算等技術在軍事裝備的應用，大力推動太空系統(tǒng)智能化發(fā)展。當前國防太空架構將傳輸層和跟蹤層作為先期建設的重點，通過數(shù)據(jù)鏈融入指揮和火控系統(tǒng)，提供多軍種裝備低時延機對機物聯(lián)網(wǎng)連接。全網(wǎng)絡化人工智能和云輔助是處理海量數(shù)據(jù)，提高機器決策能力的最主流解決方案。美國下一代軍用低軌星座采用開放式架構，將數(shù)據(jù)從傳感器(跟蹤層或看護層衛(wèi)星)無縫傳輸(傳輸層)至武器系統(tǒng)和云計算環(huán)境中，實現(xiàn)對信息深度利用。通過軟件或其他虛擬化技術向最終用戶提供戰(zhàn)術級信息支援能力。

(3)基于大數(shù)據(jù)的態(tài)勢評估與理解技術。在下一代太空體系構成的空間網(wǎng)絡支撐下，通過天基信息云支援，匯聚各源各類傳感器信息，實現(xiàn)目標區(qū)域自主組網(wǎng)、智能感知。2020年3月，太空發(fā)展局發(fā)布項目征詢文件，明確把“多源情報融合軟件”技術視為看護層發(fā)展的核心。通過構建天地一體分布式計算與處理體系，走“先軟后硬，先地后天”的發(fā)展路線，先期利用地面處理設施開展試驗和驗證，發(fā)展大數(shù)據(jù)挖掘和機器學習技術，后續(xù)計劃向天基處理遷移。天基處理能力以應用軟件形式安裝在新體系衛(wèi)星的作戰(zhàn)管理與指控通信模塊上實現(xiàn)。未來，將根據(jù)需求發(fā)展時敏目標專用探測星座，無縫集成到7層太空體系中，實現(xiàn)天基實時處理和融合，利用數(shù)據(jù)鏈直接將目指信息發(fā)送給各戰(zhàn)術單元。

4 啟示與建議

進入21世紀以來，美國日益將太空視作關乎國家利益的戰(zhàn)略制高點。在此背景下，美國軍方機構在太空戰(zhàn)略謀劃、太空系統(tǒng)構建及商業(yè)航天利用等領域全面發(fā)力，推動國防太空架構和“黑杰克”等新型軍用低軌星座項目研究，以維護其太空領域絕對優(yōu)勢。其發(fā)展理念對相關領域具有如下啟示。

(1)強化星座頂層設計，制定階段性發(fā)展規(guī)劃。美軍在擁有世界上最強大的太空作戰(zhàn)能力的基礎上，力圖通過國防太空架構和“黑杰克”等下一代軍用低軌星座項目，大幅提升航天軍事裝備的體系彈性與對抗能力。在發(fā)展思路上，以構建彈性空間系統(tǒng)、敏捷快速研發(fā)、面向作戰(zhàn)應用為主，分階段有序推動關鍵技術攻關、在軌演示驗證、星座批量部署，實現(xiàn)空間裝備能力的快速迭代和螺旋式上升，目前處于演示驗證初期，即將開展星座小規(guī)模部署。面對低軌星座領域的激烈競爭，既是機遇也是挑戰(zhàn)。建議抓住當前的發(fā)展機遇期，強化系統(tǒng)頂層設計與規(guī)劃，廣泛吸納先進系統(tǒng)的發(fā)展思想與設計理念，制定好階段性發(fā)展目標。

(2)推進標準化定義，建立低軌星座規(guī)范體系。未來低軌星座功能日益復雜，需要制定統(tǒng)一的衛(wèi)星平臺、有效載荷、體制協(xié)議標準規(guī)范，打破不同供應商衛(wèi)星無法互聯(lián)互通、各自為戰(zhàn)的局面，實現(xiàn)太空資源的高度整合。國防太空架構和“黑杰克”項目均高度重視衛(wèi)星的互操作性設計。建議集中國內(nèi)優(yōu)勢力量，聯(lián)合系統(tǒng)用戶、衛(wèi)星平臺、有效載荷等各參研單位，大力推進星座系統(tǒng)、衛(wèi)星平臺、有效載荷、體制協(xié)議的標準化定義，加速可批產(chǎn)的衛(wèi)星平臺研制、激光終端等關鍵載荷攻關，體制協(xié)議及接口規(guī)范的制定，逐步建立起低軌星座的“生態(tài)圈”和“產(chǎn)業(yè)鏈”，為未來低軌天基信息系統(tǒng)建設做好標準規(guī)范儲備。

(3)加強集智攻關，突破低軌星座通用關鍵技術。從國外低軌星座發(fā)展趨勢來看，日益注重激光通信、人工智能、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等前沿技術在航天裝備應用，推動太空系統(tǒng)智能化發(fā)展，實現(xiàn)技術水平演進升級，大幅提升太空領域體系優(yōu)勢。面對激烈的競爭形勢，建議大力探尋人工智能、云計算、邊緣計算、數(shù)字孿生等前沿技術在空間段與地面段的應用，突破星座大規(guī)模組網(wǎng)、智能運控、自主運行、激光建鏈等低軌星座通用關鍵技術。此外，應加大在軌飛行驗證投入，充分利用搭載或試驗星等方式，系統(tǒng)謀劃在軌驗證工作，提前驗證關鍵技術，快速提升技術和產(chǎn)品成熟度，為后續(xù)系統(tǒng)建設打好基礎。

(4)挖掘低軌星座建設模式，探索多領域應用。低軌星座具有項目投資巨大、技術復雜等顯著特點，對系統(tǒng)研制建設提出了更高要求。從國外建成、在建及規(guī)劃的低軌星座系統(tǒng)來看，大都選擇成熟衛(wèi)星制造商作為主承包商、衛(wèi)星平臺基于成熟高可靠平臺，目的在于充分利用承包商現(xiàn)有的成熟技術和供應鏈體系，盡可能降低系統(tǒng)的技術和進度風險，實現(xiàn)系統(tǒng)性能與成本的綜合最優(yōu)。此外，低軌星座提供的通信、導航、遙感等能力將大大提升天基信息支援聯(lián)合作戰(zhàn)的能力，催生新的作戰(zhàn)模式。深入研究低軌星座的多領域應用價值，將以更低的成本、更快的節(jié)奏擴充太空基礎設施，實現(xiàn)覆蓋面廣、低延遲、可持續(xù)的全球服務。