美国下一代太空体系架构的发展分析

2020-02-04张小林顾黎明吴献忠

航天电子对抗 2020年6期

张小林，顾黎明，吴献忠

（中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴314033）

0 引言

当前，太空竞争日趋激烈，太空不稳定、不安全因素日益增多。太空正成为大国战略博弈的新焦点和军事能力角逐的新战场。

特朗普上台以来，将国家战略重心由反恐转向大国竞争。在2017 年12 月发布的《国家安全战略》中明确指出，“太空是美国生活方式、国家安全和现代战争的重要组成部分”，“保持美国在太空领域的优势，对于赢得与新兴的中国和复兴的俄罗斯之间的大国竞争胜利至关重要”。美国认为，中国和俄罗斯正在研究GPS 拒止环境下的作战装备和作战样式，还在研究利用美国已部署和在研太空装备的实际和潜在漏洞、对美国优势太空装备和资产进行攻击的方法，以抵消美国在太空的优势。为此，美国迫切需要调整其太空发展战略、政策和能力，发展灵活、弹性、敏捷的太空力量，保持美国在太空领域的优势地位。

1 美国下一代太空体系架构发展设想分析

1.1 下一代太空体系架构提出的背景

随着美国战略重心转向与中俄进行大国竞争，美国认为其传统太空架构及太空资产在竞争中难以保持绝对优势：一是弹性不足，在战时容易受到中俄网电攻击，造成能力降级，甚至面临被击毁的危险，同时，目前基于高轨高价值大型卫星的体系架构，技术复杂，价格昂贵，难以快速更新换代，一旦失效或被摧毁，就难以快速补充和及时恢复能力；二是难以有效应对新兴威胁，美国将中俄高超声速武器、软硬杀伤的反卫武器视为重要威胁，现有导弹预警、跟踪卫星主要依靠探测弹道导弹发射时的发动机尾焰进行预警，对于高超声速助推滑翔武器难以形成有效跟踪能力。

围绕保持大国竞争优势，美政府和国防部提出了一系列改革发展举措。2018 年3 月，特朗普政府发布首份“美国优先”的《国家太空战略》概要说明，谋求通过调整军事航天理念和开展商业监管改革来保护美太空利益。2018 年8 月，美国防部发布《关于国防部国家安全太空部门组织和管理结构的最终报告》，概述了美国防部确保美太空优势的5 大举措：将太空技术发展纳入《国防战略》中概述的现代化优先事项；建立太空发展局，发展下一代太空架构；建立天军；建立低成本、高效的天军服务和支持机构；建立新的太空司令部，改进和发展太空作战。

在《关于国防部国家安全太空部门组织和管理结构的最终报告》中，国防部提出未来太空力量发展愿景及必须具备的8 大能力是：

1）对先进导弹目标的持续全球监视；

2）针对先进导弹威胁的预警、跟踪、指示；

3）GPS 拒止环境下的定位、导航、授时（PNT）能力；

4）全球近实时空间态势感知；

5）发展太空威慑能力；

6）快速响应、弹性的通用地面基础支持设施；

7）跨域、网络化、与节点无关的指挥控制和通信能力（BMC3），包括核指挥、控制与通信（NC3）；

8）基于人工智能的大规模、低延迟、持久全球监控能力。

基于上述战略发展需求和目标，美国国防部于2019 年3 月12 日成立太空发展局。时任代理国防部长沙纳汉于2019 年3 月15 日发布备忘录，详细论述了太空发展局的职责、定位和主要任务。太空发展局旨在迅速开发、部署威胁驱动的下一代空间架构，应对中俄太空技术竞争，阻止中俄拒止美国太空系统。太空发展局计划利用私营企业在太空方面的投资，以及相关成熟配套技术，采用灵活、螺旋式发展的模式，快速开发和部署一个激增的、多功能的由小型卫星组成的星座，应对当前和新出现的威胁。

2020 年8 月10 日，美天军公开发布了太空顶层出版物《天权》条令，迈开了创建独立新军种军事学说的里程碑步伐。将天军核心能力归纳为太空安全、作战力量投射、太空机动和后勤、信息机动以及天域感知5 项。

1）太空安全“为民用、商业、情报界和多国伙伴安全进入太空活动创造和促进稳定的条件”，就是塑造太空态势，这是一种整体能力体现。

2）作战力量投射“整合了防御和进攻行动，以保持相对于对手的预期行动自由”，这实际上就是以前条令所明确的“太空控制”任务领域，包括进攻性太空控制和防御性太空控制。

3）太空机动和后勤“使军事装备和人员能够在太空领域、从太空领域返回地球，并进入太空领域”，这实际上是以前条令所明确的“太空支持”任务领域（包括航天发射测控）。

4）信息机动“提供及时、快速、可靠地收集和传输各种军事行动的数据，以支持战术、战役和战略决策”，这实际上就是以前条令所明确的“太空力量增强”或“太空支援作战”任务领域。

5）天域感知“包括有效识别、表征和理解与太空领域有关的任何因素，这些因素可能影响太空作战，从而影响其安全、经济或环境”，这实际上是以前条令所明确的“太空态势感知”任务领域。

《天权》条令首次明确了轨道战、太空电磁战、太空战斗管理、太空进入和维持、军事情报、工程/采办和网络作战这7 类专业领域。作战时，美天军将以“力量包”的形式，将不同专业领域的作战能力组合起来，以满足指挥官的需要。轨道战、太空战斗管理、网络战在本条令中明显地提出来了，这些都是将天军建立为一个提供独立选项的战斗军种所需的核心能力，预示着美天军将在这几个方面着力发展。

1.2 下一代太空架构概况

在2019 年4 月举行的第35 届太空研讨会上，太空发展局局长肯尼迪首次提出了下一代太空架构，在此次发布的信息征询书中，太空发展局按照美国防部未来八大优先级任务要求，提出由7 个星座或“层”组成的下一代太空架构，旨在构建一种扩散型低地球轨道太空架构，统一整合美国国防部下一代太空能力，实现韧性军事感知和数据传输，以太空传输层为基础，基于DARPA“黑杰克”项目开展，计划于1～2 年内进行相关能力演示验证，后续其他功能层载荷将集成至太空传输层。下一代太空体系架构主要由以下功能层组成，如图1 所示。

图1 下一代太空体系架构

1）传输层：可在全球范围内向各作战平台提供有保证、韧性、低延迟军事数据和连接；

2）作战管理层：提供任务分派、任务指挥控制以及数据分发，支持战役规模状态下实现时敏杀伤链闭合。

3）跟踪层：用于提供先进导弹威胁的全球指示、预警、跟踪与瞄准——包括高超声速导弹系统；

4）监管层：提供对时敏、“发射左侧（美军一种导弹防御战略，即利用非动能技术提前攻击敌方核导弹威胁）”表面机动目标的全天候（24×7）监视（例如支持瞄准先进导弹）；

5）导航层：为GPS 受限环境提供备用定位、导航和授时（A-PNT），就是为了解决其GPS 遭到拒止或不可用时如何通过通信卫星网络提供备选PNT 能力，在《美国法典》第10 篇中也加入了“备份GPS”条款；

6）威慑层：在深空（从地球同步轨道之外到月球距离）威慑不友好行动；

7）支持层：确保地面和发射段能够支持响应式太空架构。

从上述7 层体系结构可以看出，跟踪层与监管层主要服务于导弹防御，主要针对高超声速飞行器等先进天基目标的全程目标探测、跟踪与指示；威慑层与导航层主要面向太空攻防对抗，作战范围从低轨道、地球静止轨道扩大延伸到更高更远的地月空间；作战管理层面向太空智能化发展，进一步增强天基信息支援联合作战的时效性和便捷性；地面支持层提供大规模小卫星星座的快速发射、测控与应用支持，确保对抗条件下小卫星星座的快速补充与更新，提高卫星大规模地面应用效能；传输层提供天地之间、不同功能层卫星之间、同一功能层不同卫星之间的互联互通，构成下一代太空体系的技术基础与共性支撑。

1.3 美国下一代太空架构的特点分析

太空是国家安全和现代战争的重要组成，多年以来，美国在太空领域处于绝对优势地位，建立了最为完善、先进的通信、导航、侦察和预警卫星系统，形成了全面的侦察，弹道导弹发射预警、跟踪，GPS 导航、定位、授时和高速通信能力，有效保障了美军全球军事行动和兵力部署的需要，足以应对朝鲜、伊朗等国家的威胁。特朗普上台以来，随着国家战略的转变，特朗普认为美国现有太空能力难以满足与竞争大国进行战略竞争的需要。

美国下一代太空架构是全新、多层架构，基于人工智能、无人自主等多项前沿技术，具备全面完整的侦察监视、预警跟踪、近实时通信、导航、指挥控制，甚至威慑能力，改变了发展大型卫星星座的发展思路，具备一些鲜明特征：

1）按照功能在顶层进行划分，在架构层面，更为强调系统功能属性，而不是系统属性，一个功能层可能包括多个系统，一个系统也可能具备多种功能；

2）突出强调系统弹性，采用小型、分布式卫星载荷，生存能力和恢复能力大幅提升；

3）致力于提供全球、近实时通信能力，借助于人工智能、无人自主、先进通信技术，构建大容量、近实时、快速响应的通信和数据传输网络，提升太空态势感知、时敏目标的指挥决策能力。

发展下一代太空架构，旨在帮助美国保持与竞争对手的竞争优势。主要体现在：

1）针对对手网络作战和反卫星能力的进步，发展弹性架构；下一代太空架构由分布式、可扩展的小型卫星星座组成，卫星平台和卫星发射均借助于商业航天公司，成本大大降低，即使战时被摧毁，也可以快速发射补充。

2）针对对手的高超声速武器，发展高超声速探测与跟踪能力，例如，跟踪层基于美导弹防御局空间传感器层（SSL）项目，旨在形成为复杂弹道导弹的全程探测、跟踪、指示能力。

3）针对对手的复杂弹道导弹及饱和攻击样式，发展发射前攻击能力，提升反导作战效率。例如，借助于监管层，美军可对对手国家重点地区、重点装备，如弹道导弹阵地、发射车进行密切监视，在对手国家发射导弹前对其进行发射前打击。

4）针对对手的电子战和GPS 拒止装备，发展GPS拒止环境下的作战能力，例如，借助于导航层，美军可提供GPS 拒止环境下备份的定位、导航、授时能力。

2 下一代太空架构实际进展情况

2020 年4 月，美国太空发展局（SDA）发布了“传输层0 期”征询草案，2020 年5 月，美国太空发展局发布了《太空“传输层0 期”工作说明》。“传输层”是美国未来“国防太空架构”的骨干，将为美军全球作战平台提供一种有保证、韧性、低延迟的军事数据和连通能力。

“传输层0 期”也称“作战人员沉浸期”，旨在为后续发展提供演示验证和基线，其最终成果主要有2 方面：一是系统能力实验和演示，可以整合并实现与其他运行实体兼容；二是可以作为后续阶段发展基线。“传输层0 期”星座如图2 所示。

图2 “传输层0 期”星座

传输层由太空段和地面段（主要由政府提供）组成。太空段包括一个由20 颗卫星组成的异构星座。“传输层0 期”星座包含2 个近极轨平面，轨道面高度为1 000 km，倾角在80°到100°之间（注意，由于星座构建关系，90°倾角不可取）。每个平面的卫星分为2 组：A 组卫星提供连接整个星座的完整网络基础设施，B组卫星通过综合广播系统（IBS）和Link 16 支持平面交链和任务通信。A 组卫星在平面上均匀分布，可以支持与地面的连续联络和的双向交链。B 组呈“簇”状，可支持在多个时间段内对某一战区的连续覆盖，并进行测试和实验。

1）“风险降低演示”（2020—2021 财年）：完成LEO 轨道“光学星间链路（OISL）”实验；在小卫星上演示光学交链及下行链路，包括到战术用户的极低延迟下行链路。

2）“0期能力”（2022—2023财年）：实现定期区域接入低延迟数据连接，并实现与地面基础设施的全球链接。

3）“1 期能力”（2024—2025 财年）：实现高纬度地区之外的持久区域接入低延迟数据连接——具备全网络化指挥控制（FNC3）下行链路。SDA 计划在2024 财年第四季度再推出150 颗卫星，并于2025 财年向美国太空军移交。

“传输层0 期”有以下主要目标：

1）测试、评估和以极低延迟将数据从运行中心通过星座传递给作战人员的能力，包括光学星间链路。

2）演示从传输层外天基信号源发送和接收宽带数据并将这些数据传输到地面的能力。

3）演示有限的战斗管理指挥控制和通信（BMC3）功能，包括上传和演示应用软件的能力。

4）演示从不同位置传输大容量综合广播系统（IBS）数据、接收传输的IBS 数据馈送、生成IBS 消息以及为特定地理区域解调IBS 消息并将这些结果发送给BMC3 的能力。

5）演示地面站通过卫星通信链路存储、中继、发送和接收Link 16 消息的能力。演示卫星向各种用户（例如飞机、导弹防御系统、海军和地面）发送Link 16消息的能力。

6）证明在不使用全球定位系统的情况下，保持共同相对时间基准的能力。

美国太空发展局（SDA）已确认了传输层开发的一些关键领域，包括综合服务广播IBS、Link 16、光学星间链路（OISL）、组网等。

2.1 综合广播服务（IBS）

综合广播服务（IBS）向作战人员分发近实时战术/作战重要情报和信息，提供态势感知、快速威胁预警、友军跟踪、战斗搜索和救援、导弹防御和战区导弹预警以及其他决策过程中的重要数据。IBS 是一种战区定制的信息和情报传播架构，具有全球连接能力，使用标准化通用数据格式和通用战术终端系列，并可与当前和规划中的战术和战略作战系统互操作。IBS是一种交互式服务，它为情报生产者提供了根据用户生成的动态传播优先级，通过多种传输路径向作战人员传播战略、战役和战术信息的手段，并使用战略、战役和战术传感器数据不断完善这些信息。

IBS 将集成在传输层上，以便更好地为作战人员对全球范围内军事行动的及时威胁警告和态势感知信息需求提供支持。传输层将为战术作战人员和其他数据用户提供远程信息系统，提供情报、监视和侦察（ISR）信息。作战人员和决策者可以通过IBS 进行ISR 数据分发，支持态势感知、指示和警告、威胁警告、威胁规避、部队保护、友军跟踪、目标跟踪和跟踪/交战。

在“传输层0 期”阶段，IBS 演示对于演示对作战人员的支持至关重要。传输层卫星可以从美国本土向联合情报行动中心或其他指定情报中心提供大容量IBS 数据传输。传输层服务可通过Ka 波段和光链路为IBS 消息提供弯管传输能力。

2.2 Link 16 的太空应用

Link 16 是美国国防部和北约的主要战术数据链，用于各军种（如陆军、海军、空军、海军陆战队、导弹防御）和国防机构的指挥控制、情报和武器系统应用。Link 16 是一种安全抗干扰数据链，主要使用联合战术信息分发系统（JTIDS）、多功能信息分发系统（MIDS）低容量终端（LVT）和MIDS 联合战术无线电系统（JTRS）设备。Link 16 可为功能性任务区提供支持，包括联合战区防空和导弹防御、攻击行动、防空、拦截、压制敌人防空、近距空中支援和时间关键目标，Link16 的组网使用如图3 所示。

图3 Link 16 集成

按照美国国防太空架构未来阶段设想，跟踪和监管层将提供时敏目标解决方案，这就需要能够为战术用户提供Link 16。将Link 16 搭载在卫星上，可以将从战斗信息中派生的分布式情报、监视和侦察（ISR）分发到战术作战人员和其他数据用户。作战人员和决策者可以通过Link 16 分发的ISR 数据支持态势感知、指示和警告、威胁警告、威胁规避、部队保护、友军跟踪、目标跟踪，以及瞄准/交战。将Link 16 集成到传输层可以更好地支持作战人员对全球范围内军事行动的及时威胁警告和态势感知信息的需求。需要注意的是，Link 16 有效载荷仅在传输层B 组中提供。

为了支持这些任务要求和作战概念，传输层会具有以下能力：

1）生成并将跟踪层生成的Link 16 消息传输（通过L 波段Link 16 网络）至战区导弹防御资产。

2）生成并传输来自监管层（在“传输层0 期”阶段由地面托管）的Link 16消息（通过L波段Link 16网络）。

3）生成并传输来自其他来源的Link 16 消息（通过L 波段Link 16 网络），例如美国本土的情报分析，战区内情报中心（如JIOC、DCGS）。

洛克希德·马丁公司和约克太空系统公司获太空开发局合同，各自将研制10 颗卫星，这些卫星是“传输层0 期”的低轨卫星网状网络的一部分。

2.3 光学星间链路

光学星间链路（OISL）是“传输层0 期”的关键技术之一。“传输层0 期”传输卫星将通过专用OISL 与平面内最近邻居或次近邻居进行通信。每颗传输层卫星有最多四条OISL，覆盖相对于轨道的前、后、左、右几个方向。“传输层0 期”OISL 可以提供“平面内”（向前和向后）连接或“交叉平面”（向右/向左或向上/向下）连接。平面内链路将连接到最近或次近的传输层卫星，2 颗传输层卫星之间保持相同的相对速度。OISL 建立的“交叉平面”链路，允许轨道平面相互通信并在网状网之间共享数据，以及连到外部用户或地面的光链路（上行链路和下行链路）。传输卫星将通过光学地面终端（OGT）和Ka 频段射频上行/下行链路与地面连接。

2.4 组网运控

美国太空发展局（SDA）认识到，随着其星座规模的增加，需要一种灵活且动态分布的体系结构在一个集成的信息系统中协同工作，以支持各种传输/跟踪/监管场景。另一方面，不断增长的星将需要以2 种模式运行：正常模式和快速恢复模式。正常模式下，可以预测其拓扑结构的最佳路由；而快速恢复模式需要更富有灵活性，并且可能需要适用于太空网络的专用方案。

“传输层0期”正在部署初始太空数据传输能力，以帮助作战人员和军事规划人员理解传输层的效用以及将新地面网络架构迁移到太空层的必要性。SDA预计其星座中的所有节点（传输、战斗管理、监管和/或跟踪）将利用OSI参考模型中的一层或多层实现并保持卫星通信。

传输层将支持不同区域的军事演习，包括执行ISR任务和分发。请求将通过传输层路由到专用实体进行任务分配和收集，并在演习期间路由回战术单位。

作为一种非地球同步轨道（NGSO）系统，SDA 正在考虑将Ka 下行子频段20.2～21.2 GHz 和上行子频段30.0～31.0 GHz 用于传输层。当然只要满足所有适用要求，SDA 也将考虑其他频段。“传输层0 期”星座由2 个平面组成，其中一些节点能够进行跨平面通信。“传输层0 期”提供了一种指定的确定性性能基线，即地面能够定制每个单独节点的转发和控制以支持性能实验和改进。每个平面都呈现一种环状拓扑，信息双向流动（“北”和“南”）。如果数据必须在平面间传递才能到达目的地，则基线性能略有不同。

此外，太空发展局还将利用现有或计划的商业能力支持太空体系架构的全面解决方案，如支持多个有效载荷和软件应用程序的平台，以及能在多个平台上集成的有效载荷或软件。美“下一代太空体系架构”设计突出“寄军于商、以商托军”的特点，商业托管军用载荷或成为其太空体系弹性发展的重要方式之一。美《国家太空战略》推行采取整个政府层面、培植良好国内和国际环境等方法实现美国在太空领域的领先地位，该方法寻求与私营部门和盟友密切合作。

比如，太空探索技术公司能够为美国发射绝密军事卫星，这表明商业航天企业的强势加入打破了军事和商业领域的界限。通过这个方法实现更具弹性的太空体系结构，以增强弹性、防御能力和受损后重建的能力，是非常重要的一个方面，值得长期关注。